一种无线传感器网络拓扑控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种无线传感器网络拓扑控制方法，通过对网络区域内的节点进行计算和分簇，通过六边形进行分割并选取簇头区，在簇头区内选取合格的节点轮流作为簇头进行通信，第一次通信完成后，将整个分簇结构进行平移，确定簇头区并再次选取合格的节点轮流作为簇头进行通信，重复上述步骤完成第三次通信，再返回到第一次通信，实现无线传感器的网络拓扑控制。本发明的无线传感器网络拓扑控制方法，使得簇头区完全覆盖了网络中的节点，网络能力消耗更加均衡，簇头区的设置减小了非簇头节点与簇头的平均距离和最大距离，同时也见笑了簇头与簇头之间的最大传输距离，降低了整个网络节点的平均能耗，延长了整个无线传感器网络的生命周期。
【专利说明】
一种无线传感器网络拓扑控制方法
技术领域：
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，具体是涉及一种无线传感器网络拓扑控制方法。
【背景技术】：
[0002] 无线传感器网络是由部署在监测区域内大量传感器节点相互通信形成的多跳自 组织网络系统。无线传感器网络的末梢时可以感知和检查外部世界的传感器。无线传感器 网络中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟 互联网进行有线或无线方式的连接。无线传感器网络低功耗、低成本、自组织与分布式等特 点是其成为信息获取的重要技术。减少能量消耗，延长网络生命周期是无线传感器网络领 域的重要改进方向。
[0003] 网络拓扑控制技术是在保证网络连通性和覆盖度的前提下，通过一定的功率控制 或骨干网节点的选择方法，剔除节点间不必要的无线通信链路，生成一个能量高效的数据 转发的优化网络拓扑结构。目前，网络拓扑控制的研究主要是以最大限度的延长网络的生 命周期作为设计目标，网络拓扑控制分为节点功率控制和层次型拓扑控制。
[0004] 层次型拓扑控制利用了分簇机制，典型的层次拓扑控制方法LEACH协议提出了分 簇的思想，将节点划分为簇结构，每个簇结构由簇头节点负责向簇内的数据传送到其他簇 头或者直接传送到汇聚节点，在簇内普通节点将感知到的数据发送给簇头节点，从而由簇 头节点形成了一个接受并汇聚转发数据的骨干网。这种方法大大减少了传输次数，从而减 少了无线传感器网络整体能耗，提高了网络整体生存时间。
[0005] 但是这种采用分簇机制的层次型拓扑控制方法中，簇头节点承担了收集簇内各个 普通节点的信息以及将这些信息融合整理并转发给基站的工作，其能量消耗远大于普通节 点，若簇内有N个节点，簇头消耗的能量接近非簇头节点的N倍。现有的分簇方法中，分簇结 构固定，当簇头选择在区域边缘时，簇头和节点通信将消耗较多能量，尤其当簇头位于距离 传输目的较远的簇区域一侧时，消耗了更多的能量。
【发明内容】
：
[0006] 为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中用于层次型拓扑控制的分簇方 法，分簇结构固定，簇头位置能量消耗高，整个网络拓扑的生命周期受到影响，从而提出一 种无线传感器网络拓扑控制方法。
[0007] 为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
[0008] -种无线传感器网络拓扑控制方法，包括如下步骤：
[0009] S1:基站向网络区域内的所有节点发送请求信息。
[0010] S2:所述网络区域内的所有节点接收所述基站发送的请求信息，并向所述基站发 送自己的位置信息和剩余能量信息。
[0011] S3:所述基站接收所述位置信息，并根据所述位置信息对网络区域进行计算并分 簇，将网络区域用六边形分割，覆盖整个区域，选取簇内中心一定区域为第一簇头区QR1。
[0012] S4:所述第一簇头区〇R1内剩余能量大于第一阈值的节点轮流担任簇头，收集并转 发所述第一簇头区Q R1内节点的数据。
[0013] S5:将整体分簇结构进行第一次平移，选取第二簇头区QR2。
[0014] S6:所述第二簇头区nR2内剩余能量大于第一阈值的节点轮流担任簇头，收集并转 发所述第二簇头区Q R2内节点的数据。
[0015] S7:将整体分簇结构进行第二次平移，选取第三簇头区QR3。
[0016] S8:所述第三簇头区nR3内剩余能量大于第一阈值的节点轮流担任簇头，收集并转 发所述第三簇头区Q R3内节点的数据。
[0017] S9:返回步骤S3。
[0018] 作为上述技术方案的优选，所述第一阈值为网络区域内所有节点剩余能量的平均 值的一半。
[0019] 作为上述技术方案的优选，所述网络区域内所有节点剩余能量的平均值的计算方 式如下：
[0021] 其中，Eavr为所有节点剩余能量的平均值，n为网络区域内的节点数量，E(i)为第i 个节点的剩余能量。
[0022] 作为上述技术方案的优选，步骤S3中：
[0023] 所述六边形的簇数和半径的计算方式为：
[0026]其中，k为六边形的簇数，R为六边形的半径，efs为自由空间模型的路径损耗参数， emp为多路衰减模型的路径损耗参数，M为网络区域的边长，dtclBS为网络边缘到基站的距离。 [0027]作为上述技术方案的优选，所述第一簇头区n R1、所述第二簇头区QR2、所述第三 簇头区QR3将所述网络区域的所有节点完全覆盖。
[0028]作为上述技术方案的优选，所述第一簇头区nR1、所述第二簇头区QR2、所述第三 簇头区Q R3为以六边形中心位置为原点，以/?/力为边长的六边形区域。
[0029] 本发明的有益效果在于:本发明的无线传感器网络拓扑控制方法，使得簇头区完 全覆盖了网络中的节点，网络能力消耗更加均衡，簇头区的设置减小了非簇头节点与簇头 的平均距离和最大距离，同时也见笑了簇头与簇头之间的最大传输距离，降低了整个网络 节点的平均能耗，延长了整个无线传感器网络的生命周期。
【附图说明】：
[0030] 以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
[0031] 图1为本发明一个实施例的无线传感器网络拓扑控制方法流程图；
[0032] 图2为本发明一个实施例的六边形分簇簇中心平移方向示意图；
[0033] 图3为本发明一个实施例的六边形簇平移方向示意图；
[0034]图4为本发明一个实施例的三次平移后簇头区域完全覆盖示意图。
[0035] 图中符号说明：
[0036] A-第一点，B-第二点，C-第三点， Qri-第一簇头区，Qr2-第二簇头去区，Qr3-第三 簇头区。
【具体实施方式】：
[0037] 如图1所示，本发明的无线传感器网络拓扑控制方法，包括如下步骤：
[0038] S1:基站向网络区域内的所有节点发送请求信息。
[0039] S2:所述网络区域内的所有节点接收所述基站发送的请求信息，并向所述基站发 送自己的位置信息和剩余能量信息。
[0040] S3:所述基站接收所述位置信息，并根据所述位置信息对网络区域进行计算并分 簇，将网络区域用六边形分割，覆盖整个区域，选取簇内中心一定区域为第一簇头区QR1。所 述六边形的簇数和半径的计算方式为：
[0043]其中，k为六边形的簇数，R为六边形的半径，efs为自由空间模型的路径损耗参数， emp为多路衰减模型的路径损耗参数，M为网络区域的边长，dtclBS为网络边缘到基站的距离。
[0044] 设a，b为整数，分别表示正方形监测区域边缘横向、纵向分簇的排列个数，使其满 足<34 .1： A 0对于未被分簇覆盖的边缘区域的节点加入相邻分簇区域。
[0045] 所述第一簇头区QR1为以六边形中心位置为原点，以为边长的六边形区域。 如图2所示，考虑到簇头区要平移三次，簇头区中心从图2中的第一点A平移到第二点B和第 三点C，节点根据自身位置信息与所有簇头区中心的距离远近确定是否属于本次的簇头区。
[0046] S4:所述第一簇头区〇R1内剩余能量大于第一阈值的节点轮流担任簇头，收集并转 发所述第一簇头区Q R1内节点的数据。本实施例中，选取所述第一阈值为网络区域内所有节 点剩余能量的平均值的一半。所述网络区域内所有节点剩余能量的平均值的计算方式如 下：
[0048] 其中，Eavr为所有节点剩余能量的平均值，n为网络区域内的节点数量，E(i)为第i 个节点的剩余能量。
[0049] 簇头区域内的满足要求的节点按照距离六边形中心位置的远近由近及远地或按 照其他规律轮流担任簇头，簇头运行时间应等于本轮通信时间除以满足要求的节点数量。
[0050] S5:将整体分簇结构进行第一次平移，选取第二簇头区QR2。
[0051] 当第一簇头区〇R1内满足要求的节点都轮流担任簇头节点后网络进行再次分簇， 即平移簇结构，平移簇结构R距离使中心落在原六边形中心右侧端点，如图2中的第二点B， 然后把最后一列移分簇结构至最左，从而保证覆盖范围，如图3所示。
[0052] 以此时的六边形中心为中心，选取边长为及的六边形作为第二簇头区Qr2,节 点根据位置信息确定是否属于簇头区。
[0053] S6:所述第二簇头区〇R2内剩余能量大于第一阈值的节点轮流担任簇头，收集并转 发所述第二簇头区Q R2内节点的数据。
[0054] S7:将整体分簇结构进行第二次平移，选取第三簇头区QR3。
[0055] 第二次平移后的六边形簇中心落在原中心右下端点，图2中的第三点C，然后将最 下一行分簇区域移至最上，此时三次分簇的六边形中心构成边长为R的正三角形。
[0056] 以此时的六边形中心为中心，选取边长为的六边形作为第三簇头区QR3,节 点根据位置信息确定是否属于簇头区。三次簇头区的叠加能够使检测区域完全覆盖，如图4 所示。
[0057] S8:所述第三簇头区QR3内剩余能量大于第一阈值的节点轮流担任簇头，收集并转 发所述第三簇头区QR3内节点的数据。
[0058] S9:返回步骤S3。即当区域范围内的满足要求的节点都担任过簇头节点后，平移簇 结构回到初次分簇位置，继续步骤S3。
[0059] 本实施例所述的一种无线传感器网络拓扑控制方法，通过对网络区域内的节点进 行计算和分簇，通过六边形进行分割并选取簇头区，在簇头区内选取合格的节点轮流作为 簇头进行通信，第一次通信完成后，将整个分簇结构进行平移，确定簇头区并再次选取合格 的节点轮流作为簇头进行通信，重复上述步骤完成第三次通信，再返回到第一次通信，实现 无线传感器的网络拓扑控制。本发明的无线传感器网络拓扑控制方法，使得簇头区完全覆 盖了网络中的节点，网络能力消耗更加均衡，簇头区的设置减小了非簇头节点与簇头的平 均距离和最大距离，同时也见笑了簇头与簇头之间的最大传输距离，降低了整个网络节点 的平均能耗，延长了整个无线传感器网络的生命周期。
[0060] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对 于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或 变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或 变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
【主权项】
1. 一种无线传感器网络拓扑控制方法，其特征在于，包括如下步骤： S1:基站向网络区域内的所有节点发送请求信息； S2:所述网络区域内的所有节点接收所述基站发送的请求信息，并向所述基站发送自 己的位置信息和剩余能量信息； S3:所述基站接收所述位置信息，并根据所述位置信息对网络区域进行计算并分簇，将 网络区域用六边形分割，覆盖整个区域，选取簇内中心一定区域为第一簇头区ΩΚ1; S4:所述第一簇头区ΩΚ1内剩余能量大于第一阈值的节点轮流担任簇头，收集并转发所 述第一簇头区ΩΚ1内节点的数据； S5:将整体分簇结构进行第一次平移，选取第二簇头区Ω R2; S6:所述第二簇头区Ω R2内剩余能量大于第一阈值的节点轮流担任簇头，收集并转发所 述第二簇头区ΩΚ2内节点的数据； S7:将整体分簇结构进行第二次平移，选取第三簇头区Ω R3; S8:所述第三簇头区Ω R3内剩余能量大于第一阈值的节点轮流担任簇头，收集并转发所 述第三簇头区ΩΚ3内节点的数据； S9:返回步骤S3。2. 根据权利要求1所述的无线传感器网络拓扑控制方法，其特征在于:所述第一阈值为 网络区域内所有节点剩余能量的平均值的一半。3. 根据权利要求2所述的无线传感器网络拓扑控制方法，其特征在于，所述网络区域内 所有节点剩余能量的平均值的计算方式如下：其中，Eavr为所有节点剩余能量的平均值，η为网络区域内的节点数量，E(i)为第i个节 点的剩余能量。4. 根据权利要求1所述的无线传感器网络拓扑控制方法，其特征在于，步骤S3中： 所述六边形的簇数和半径的计算方式为：其中，k为六边形的簇数，R为六边形的半径，efs为自由空间模型的路径损耗参数，emp为 多路衰减模型的路径损耗参数，Μ为网络区域的边长，dtoBS为网络边缘到基站的距离。5. 根据权利要求1所述的无线传感器网络拓扑控制方法，其特征在于:所述第一簇头区 Ω R1、所述第二簇头区Ω R2、所述第三簇头区Ω R3将所述网络区域的所有节点完全覆盖。6. 根据权利要求5所述的无线传感器网络拓扑控制方法，其特征在于:所述第一簇头区 Ω R1、所述第二簇头区Ω R2、所述第三簇头区Ω R3为以六边形中心位置为原点，以y?,/^为边 长的六边形区域。
【文档编号】H04W40/24GK105959990SQ201610260824
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】王文庆
【申请人】东莞市联洲知识产权运营管理有限公司