专利名称：无线传感器网络中基于独占区域的连通支配集构造方法
技术领域：
本发明涉及一种无线传感器网络中EACDS (Exclusive Area based Connected Dominating Sets,基于独占区域的连通支配集)构造方法,属于计算机通信网络领域。
背景技术：
无线传感器网络是由大量自治节点通过多跳通信方式构建形成的自组织网络，具有大规模、自组织、随机部署、环境复杂等特点，其节点由电池供电，能量有限，数量多且不易更换。由于通信范围受限、电池供电能量有限和较高的容错性能要求，传感器网络大多需要依赖于中间节点转发和接收消息。大量中间节点参与转发数据容易导致严重的数据冗余、传输冲突和碰撞问题，出现类似广播风暴的问题。作为一种特殊的分簇形式，虚拟骨干网在传感器网络中能够获得良好的节能效果和路由执行效率。构造虚拟骨干网的重要手段就是⑶S (connected domination set,连通支配集)，网络中的任意节点与支配节点之间最多相继一跳。MCDS (Minimum⑶S ,最小连通支配集)的求解已经被证明是NP完全问题，一般采用启发式方法求解近似值。基于CDS的节能路由方法能否获得良好的效率，直接依赖于CDS的规模以及生成、维护CDS的开销。在固定的网络拓扑中，通常希望在不损失网络功能、可靠性和效率的同时获得规模尽可能小的CDS。现有的连通支配集求解算法将基于局部邻居信息的优化广播算法进一步细分为邻居指定和自裁减两种策略。在邻居指定策略中，节点的是否成为转发节点是由其邻居节点决定的，通常是源节点选择一跳邻居的一个子集来覆盖其二跳邻居节点。采用自裁减广播策略时，节点根据邻居节点的连接状况和优先级来自主决定是否成为转发节点。MPR和增强版本EMPR就是基于邻居节点指定策略的典型算法，算法提供了一种局部化且有效的方式，通过节点在两跳内邻居信息构建自身的中继转发节点集合，从而在整个网络中形成连通支配集。L.Qu，S. Ahmet等提出的LCF算法是基于自裁剪策略的，利用节点局部拓扑信息作为参考依据，构造出较小的CDS，减小支配选择的节点的盲目性。孙超、尹荣荣等提出了基于能量代价的连通支配集拓扑控制算法，构建耗能较小的连通支配集拓扑，从而延长网络生命周期。通过研究发现，现有的几种算法也存在一些问题，大多数算法只考虑连通支配集合的规模大小，而忽略支配节点的分布情况，使得支配节点分布存在着不均匀性，不利于整个网络的负载均衡；现有算法未区分节点分布密集程度，没有考虑节点密度不同的区域，支配节点发挥的作用也不相同的问题。此外，大多数算法的支配节点选择依据较为单一，综合考虑拓扑、能量等因素更能体现网络的负载均衡效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有求解连通支配集算法的缺陷，提出一种基于独占区域的连通支配集算法(EACDS)，每个节点基于独占覆盖和延时等待规则，在各自的独占区域内控制支配节点的数目，从而降低了连通支配集的规模，同时综合考虑节点的剩余能量值，使得支配节点的分布在整个网络拓扑中更加均匀，均衡网络负载，延长了网络生存周期。本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案
一种无线传感器网络中基于独占区域的连通支配集构造方法，具体包括如下步骤
步骤I)、计算每个节点成为支配节点的优先级的优先权值
Gateway(V) = W1 Er (v) x ^j\N}(v)\ + W2 [(I)
J=IJeN1(V)
在公式(i)中，#代表节点^所在的网络拓扑中所有节点的个数，I^1(K) I表示节点^ 一跳邻居节点的个数，Ar1 (K)表示节点^ 一跳邻居节点的集合，￠/"表示节点^到任意一跳范围内邻居节点J'的距离，份'W表示节点^的剩余能量值，且份"W > Ethres ;其中匕代表支配节点的能量阈值，其大小需满足一轮时间内节点通信的能耗需求-J1' W2为权重，其参数值根据具体应用场景进行调整；
根据公式(I)计算值,得到决定每个节点成为支配节点的优先级的依据；
步骤2)、节点竞争成为支配节点阶段，具体步骤如下
a.根据公式⑵计算节点^的等待延迟时间(7ate/ c_F7Y e),所述等待延时时间 QatencyTime)与值成反比例关系，即权值大的节点延时等待的时间短，优先成为支配节点。公式(2)中5为周期调和参数，用于调整等待延迟时间的取值范围，本发明的仿真实验中4取值为15，To为消息发送的时间间隔，取值为IOOOms ；
IantencyTime - B*---*To⑵
Gaiewayfy)
b.首先，在等待延迟时间内，记录节点r收到的其他节点发送的竞争成为支配节点的广播消息，并更新支配节点集合G 00 ;同时，由节点r划定其独占区域0_3)，原则是该独占区域内的支配节点能最大限度地独自覆盖该独占区域；
然后，对节点r的独占区域内是否已经存在其他支配节点采用为进行赋值的方式进行标记当节点r的独占区域内并无其他支配节点存在，标记i/Xr)=/7，当节点r的独占区域内已经存在其他支配节点，标记#(r) =T ；
c.当等待延迟时间过期后，若节点r没收到任何竞争支配节点的广播消息，即 M(V) =F，由节点r发送广播消息，竞争成为支配节点；若#卜)=八则节点V放弃成为支配节点的权利；
步骤3)、当步骤2)形成的支配节点集是相互不连通的连通支配集碎片时，将非支配节点竞争成为补充支配节点，步骤如下
d.由节点r检查两跳邻居范围内支配节点之间的连通性，若存在支配节点不连通情况，由节点r重新划定其独占区域WarJ ;
e.在节点r竞争成为补充支配节点之前，根据公式(3)计算发送补充支配节点的消息需要等待的延迟时间(JatencyConnecf)
gI
IantencvConnect = & ~*-+ random 0⑶
Erfy) D2CH
5其中
权利要求
1.一种无线传感器网络中基于独占区域的连通支配集构造方法，其特征在于，具体包括如下步骤步骤I)、计算每个节点成为支配节点的优先级的优先权值 在公式(I)中，#代表节点^所在的网络拓扑中所有节点的个数，I^v1(K) I表示节点r 一跳邻居节点的个数，Ar1 (K)表示节点^ 一跳邻居节点的集合，￠/"表示节点^到任意一跳范围内邻居节点J'的距离，份'W表示节点^的剩余能量值，且份"W > Ethres ;其中匕代表支配节点的能量阈值，其大小需满足一轮时间内节点通信的能耗需求-J1' W2为权重，其参数值根据具体应用场景进行调整；根据公式(I)计算值,得到决定每个节点成为支配节点的优先级的依据；步骤2)、节点竞争成为支配节点阶段，具体步骤如下a.根据公式⑵计算节点^的等待延迟时间(7ate/ c_F7Y e),所述等待延时时间 QatencyTime)与值成反比例关系，即权值大的节点延时等待的时间短，优先成为支配节点； 其中5为周期调和参数，rQ为消息发送的时间间隔；b.首先，在等待延迟时间内，记录节点r收到的其他节点发送的竞争成为支配节点的广播消息，并更新支配节点集合G00 ;同时，由节点r划定其独占区域(足_)，原则是该独占区域内的支配节点能最大限度地独自覆盖该独占区域；然后，对节点r的独占区域内是否已经存在其他支配节点采用为#(r)进行赋值的方式进行标记当节点r的独占区域内并无其他支配节点存在，标记i/Xr)=/7，当节点r的独占区域内已经存在其他支配节点，标记#(r) =T ；c.当等待延迟时间过期后，若节点r没收到任何竞争支配节点的广播消息，即 M(V) =F，由节点r发送广播消息，竞争成为支配节点；若#卜)=八则节点V放弃成为支配节点的权利；步骤3)、当步骤2)形成的支配节点集是相互不连通的连通支配集碎片时，将非支配节点竞争成为补充支配节点，步骤如下d.由节点r检查两跳邻居范围内支配节点之间的连通性，若存在支配节点不连通情况，由节点r重新划定其独占区域WarJ ;e.在节点r竞争成为补充支配节点之前，根据公式(3)计算发送补充支配节点的消息需要等待的延迟时间(datencyConnect) 其中IacfH= Yd dvf , |^(k) I为节点K两跳范围的支配节点的个数，为(0,0. I)之间的随机数，其目的是减少延迟时间相同导致的冲突；等待延迟时间过期后，由节点r再次检查邻居范围内支配节点是否连通，若仍然未连通，则标记=Z7,反之，若此时节点^邻居范围内已经满足连通性，则标记=Z1 ；f.节点K判断的值若i/Xr)=/1，则节点r放弃成为支配节点；若勝)=F,则节点r发布广播消息，宣布成为支配节点；步骤4)、连通支配集形成网络进入稳定阶段，形成虚拟骨干网，节点之间进行数据通步骤5)、循环执行步骤I)至步骤4)，直至网络拓扑失效结束。
2.根据权利要求I所述的一种无线传感器网络中基于独占区域的连通支配集构造方法，其特征在于，所述独占区域U是由节点r以其自身为中心，以其通信半径R与自适应因子a的值相乘为半径来划定的，其中在步骤2)的b步骤中，所述自适应因子a的值由节点r的邻居范围内节点分布稀疏程度决定，取值范围为
；在步骤3)的d步骤中，自适应因子a的值随着节点r的两跳邻居范围内支配节点连通情况作出适应性调整，取值范围为[CU]。
3.根据权利要求2所述的一种无线传感器网络中基于独占区域的连通支配集构造方法，其特征在于，在步骤2)的b步骤中，在不对节点分布进行定量的密度分析情况下，自适应因子a的值以平均节点的度进行区分，邻居节点个数不超过6的节点位于稀疏分布区域，自适应因子a取0.5 ;邻居节点个数大于6的节点，其自适应因子a取0. 75 ;在步骤3)的d步骤中，邻居范围内连通的节点自适应因子a的值为I;邻居范围内尚未连通的节点自适应因子a的值不论邻居范围内节点分布稀疏程度，自适应因子a的值为 0. 05。
4.根据权利要求I所述的一种无线传感器网络中基于独占区域的连通支配集构造方法，其特征在于，所述公式(I)中的权值F1取0.001，Zf2取0.001。
5.根据权利要求I所述的一种无线传感器网络中基于独占区域的连通支配集构造方法，其特征在于，所述公式(2)中等待延迟时间(JatencyTime)的设置范围是
。
6.根据权利要求I所述的一种无线传感器网络中基于独占区域的连通支配集构造方法，其特征在于，所述公式(2)中周期调和参数6取值为15，时间间「R'取值为1000ms。
全文摘要
本发明公开了一种自定义的无线传感器网络中基于独占区域的连通支配集构造方法。本发明根据无线传感器网络虚拟骨干网的特点和分布式连通支配集构造算法，引入独占覆盖和延时等待规则的概念，通过两者的共同作用，每个节点维护自身的独占区域内至多一个节点，从而减小连通支配集的规模，使得支配节点分布更为均匀。本发明能够很好的减低连通支配集的规模，同时保证支配节点的分布均匀稀疏，同时节约能量，延长整个网络的生命周期，很好地适应了节点分布密集的无线传感器网络。
文档编号H04W84/18GK102612083SQ20121008319
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月27日 优先权日2012年3月27日
发明者张芃, 曹磊, 沈航, 白光伟, 谢珊珊 申请人:南京工业大学