一种物联网感知层拓扑控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种物联网感知层拓扑控制方法，建立物联网感知层无线传感器网络拓扑结构，基于上述物联网感知层无线传感器网络拓扑结构进行数据传输，并对物联网感知层无线传感器网络拓扑结构进行维护，本发明在簇头选举过程中，利用定位节点逐层选出簇头节点，选出的簇头分布更加均匀、合理；汇聚节点无需知道网络的全局信息，只需进行小范围广播，节点数目增加时对方法的影响较小，在数据传输阶段数据通过中继节点和簇头节点共同转发，且转发的最优路径在簇头节点和中继节点的选举过程已确定，无需寻找最优路径，节约了簇头节点的能量消耗。
【专利说明】一种物联网感知层拓扑控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于物联网【技术领域】，具体涉及一种物联网感知层拓扑控制方法。
【背景技术】
[0002] 物联网是一种建立在互联网上的泛在网络，通过将现存的各个网络有机的结合起 来，构成一个统一的整体，无线传感器网络是物联网感知层最主要的感知技术之一。无线传 感器网络与以往有线网络的拓扑存在着很大的不同，无线传感器网络节点资源极其有限， 往往部署在恶劣环境中。但是，在大规模由无线传感器设备构成的物联网中，由于受传感器 自身设备的硬件缺陷、多类型环境因素等诸多实际的网络因素的影响，传感器节点所获知 的网络拓扑等信息常动态多变，也容易和实际网络状况存在较大的差异，而带来较多的拓 扑认识错误，影响其它应用。同时由于传感器硬件设备的局限性和动态性，以及组成的网络 通信带宽有限等，在网络中准确、及时地获取网络的拓扑信息变得非常困难。因此物联网环 境下对于无线传感器网络的拓扑和路由结构有着更高的鲁棒性需求，为了在有限的节点资 源下，节省能耗，提高无线传感网络系统容错性，均衡网络负载，就必须设计具有良好性能 的拓扑控制方案来延长网络的生命周期，从而满足物联网的性能需求。
[0003] 目前，针对无线传感器网络的拓扑发现的研究较多，其拓扑控制方法可以分为两 个方面：层次型拓扑控制和功率控制。层次型拓扑控制采用分簇机制，选择部分网内节点作 为簇头节点，由簇头节点形成数据处理和转发的传输体系。功率控制机制通过调整网络中 节点的发射功率，在保证网络连通性的前提下，均衡节点路由邻居节点数量和网络的能量 消耗。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种物联网感知层拓扑控制方法，有效地解决了物联网感知 层分簇拓扑控制中簇头节点分布不合理，能量消耗不均衡，最优路由发现困难问题。
[0005] 本发明所采用的技术方案是，一种物联网感知层拓扑控制方法，具体按照以下步 骤实施：
[0006] 步骤1、建立物联网感知层无线传感器网络拓扑结构；
[0007] 步骤2、基于步骤1得到的物联网感知层无线传感器网络拓扑结构进行数据传输；
[0008] 步骤3、对步骤1得到的物联网感知层无线传感器网络拓扑结构进行维护。
[0009] 本发明的特点还在于，
[0010] 建立物联网感知层无线传感器网络拓扑结构具体按照以下步骤实施：
[0011] 步骤1. 1、以汇聚节点为中心，确定第一层定位节点al、a2、…、an ;
[0012] 步骤1. 2、以第一层定位节点为基点，确定第一层簇头节点A1、A2、…、An ;
[0013] 步骤1.3、以第一层簇头节点为基点，确定第二层定位节点1311，1312沁21沁22，···， b (n-1) 1, b (n-1) 2, bnl, bn2 ；
[0014] 步骤1. 4、以第二层定位节点为基点，确定第二层簇头节点Bl-B2n ;
[0015] 以此类推，选出物联网内所有的簇头节点；簇头节点确定后，每个簇头对各 自的上层一跳邻居簇头节点进行标记，在簇头选举过程中，接收到两个簇头节点发送 的广播消息的终端节点被标记为中继节点，广播消息中包含簇头节点的层数信息，且 中继节点选择加入层数较小的簇头节点；第一层簇头节点和汇聚节点确定的中继节 点用集合
【权利要求】
1. 一种物联网感知层拓扑控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施： 步骤1、建立物联网感知层无线传感器网络拓扑结构； 步骤2、基于步骤1得到的物联网感知层无线传感器网络拓扑结构进行数据传输； 步骤3、对步骤1得到的物联网感知层无线传感器网络拓扑结构进行维护。
2. 根据权利要求1所述的物联网感知层拓扑控制方法，其特征在于，所述建立物联网 感知层无线传感器网络拓扑结构具体按照以下步骤实施： 步骤1. 1、以汇聚节点为中心，确定第一层定位节点al、a2、…、an ; 步骤1. 2、以第一层定位节点为基点，确定第一层簇头节点A1、A2、一an ; 步骤1.3、以第一层簇头节点为基点，确定第二层定位节点bll，bl2, b21，b22，…， b (n-1) 1, b (n-1) 2, bnl, bn2 ； 步骤1. 4、以第二层定位节点为基点，确定第二层簇头节点Bl-B2n ; 以此类推，选出物联网内所有的簇头节点；簇头节点确定后，每个簇头对各自的 上层一跳邻居簇头节点进行标记，在簇头选举过程中，接收到两个簇头节点发送的广 播消息的终端节点被标记为中继节点，广播消息中包含簇头节点的层数信息，且中继 节点选择加入层数较小的簇头节点；第一层簇头节点和汇聚节点确定的中继节点用 集介(2 ......}表示；第一层和第二层簇头节点确定的中继节点用集 合……}表示；第二层和第三层簇头节点确定的中继节点用集合 = F/2……}表示；簇头节点被确定后，簇头节点被确定后，以功率P向外发送 广播信息，广播信息中包含簇头节点的层数信息，接收到某一簇头节点发送的广播信息的 终端节点，加入到该簇头节点形成的簇，终端节点将收集到的数据发送到该簇头节点；同时 接收到两个簇头节点发送的广播信息的终端节点根据接收到的信息加入到层数较小的簇 头节点形成的簇，将收集到的数据发送到该具有较小层数的簇头节点；依此类推，得到物联 网感知层无线传感器网络拓扑结构。
3. 根据权利要求2所述的物联网感知层拓扑控制方法，其特征在于，所述以汇聚节点 为中心，确定第一层定位节点al、a2、…、an具体按照以下步骤实施： 汇聚节点以一固定的功率P向外广播，发送询问消息，接收到询问消息的节点回复应 答消息，汇聚节点接收到应答信息后，在接收到信号强度RSSI最小的节点集合中任意选出 一个作为一个定位节点，标识为al，定位节点al以功率P向外广播，在定位节点al与汇聚 节点广播集合的交集中，每个节点将接收到定位节点al的信号强度与接收到汇聚节点的 信号强度相比较，接收到信号强度相同的节点构成一个集合，构成一个集合，从这个集合中 选取一个接收到信号强度最小的节点，分别标识为a2与an ;定位节点a2以功率p向外广 播，接收到定位节点a2发送信息的信号强度和接收到汇聚节点发送信息的信号强度相同 的节点构成一个集合，从这个集合中选取两个接收到信号强度最小的节点，其中一个节点 已被选出，为定位节点al，另一个定位节点a3不属于al广播集合，标识为定位节点a3,已 选出的定位节点会逐个进行标记，被标记后不再当选，同理依次选出定位节点a4, an-1。
4. 根据权利权利要求2所述的物联网感知层拓扑控制方法，其特征在于，所述以第一 层定位节点为基点，确定第一层簇头节点A1、A2、…、八!!具体按照以下步骤实施： 第一层定位节点al-an以功率p向外广播时，在定位节点al与定位节点a2的广播集 合交集中，接收到定位节点al与定位节点a2信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集 合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于汇聚节点广播集合的节点作为第一 层簇头节点A1 ;接收到定位节点a2,定位节点a3节点发送信息的信号强度相同的节点构成 一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于汇聚节点广播 集合的节点，标识为簇头节点A2,接收到定位节点a3,定位节点a4节点发送信息的信号强 度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不 属于汇聚节点广播集合的节点，标识为簇头节点A3,同理依次选出簇头节点A4-An。
5. 根据权利权利要求2所述的物联网感知层拓扑控制方法，其特征在于，所述以第一 层簇头节点为基点，确定第二层定位节点bll，bl2, b21，b22，…，b(n-l)l，b(n-l)2, bnl， bn2,具体确定步骤如下： 簇头节点Al和簇头节点A2分别以功率P进行广播，覆盖范围内的节点将接收到簇头 节点A1的信号强度和簇头节点A2的信号强度进行比较，信号强度相同的节点构成一个集 合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，标识为定位节点bl，定位节点bl 以功率P进行广播，簇头节点Al广播与定位节点bl广播集合交集覆盖范围内的节点，将接 收到簇头节点A1的信号强度和定位节点bl的信号强度进行比较，信号强度相同构成一个 集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于定位节点a2广播集 合的节点标识为定位节点bll，簇头节点A2广播与定位节点bl广播集合交集覆盖范围内 的节点，将接收到簇头节点A2的信号强度和定位节点bl的信号强度进行比较，信号强度相 同构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于定位节 点a2广播集合的节点定义为定位节点bl2,同理，可依次确定出定为节点b2，b3,…，bn-1， bn ;再根据已确定的定位节点b2，b3, 按照上述方法依次确定出定位节点b21， b22, b31，b32，…，b(n-l) 1，b(n-l)2, bnl，bn2。
6. 根据权利要求2所述的物联网感知层拓扑控制方法，其特征在于，所述以第二层定 位节点为基点，确定第二层簇头节点Bl-B2n，具体按照以下步骤实施： 第二层簇头节点的选举在第二层定位节点的基础上进行，定位节点bl和bl2以功率P 进行广播，两个节点广播集合交集覆盖范围内的节点，将接收到定位节点bl的信号强度和 定位节点bl2的信号强度进行比较，信号强度相同构成一个集合，从这个集合中选取一个 接收到信号强度最小的节点，同时不属于A2广播集合的节点当选为簇头节点B1，定位节点 b21继续以功率P进行广播，b21广播与bl2广播集合交集覆盖范围内的节点，将接收到定 位节点bl2的信号强度和定位节点b21的信号强度进行比较，信号强度相同构成一个集合， 从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于A2广播集合的节点当选 为簇头节点B2,同理，利用定位节点b2、b21选出簇头节点B3,利用定位节点b22、b31选出 簇头节点B4,依此类推，逐步选出簇头节点B5-B2n。
7. 根据权利要求3-6中任一项权利要求所述的物联网感知层拓扑控制方法，其特征在 于，所述功率P = r'其中，r为节点的发射半径，且r<87.8m，α为路径衰减因子，取值 为2-5之间；Ρ < ΡΜΧ，ΡΜΧ为节点能够达到的最大发射功率； 所述询问消息包括汇聚节点、第一层定位节点、第一层簇头节点、第二层定位节点、第 二层簇头节点…第η层定位节点和第η层簇头节点的发射功率Ρ和汇聚节点身份标识号 码； 所述应答消息包括接收到询问消息的节点自身的身份标识号码，接收到信号强度的大 小和节点自身的剩余能量。
8. 根据权利要求1所述的物联网感知层拓扑控制方法，其特征在于，所述基于步骤1得 到的物联网感知层无线传感器网络拓扑结构进行数据传输具体按照以下步骤实施： 步骤2. 1、在簇内进行数据传输，具体按照以下步骤实施： 簇内节点分时向簇头节点传输收集到的数据，簇内数据传输直接将感测到的数据传输 给汇聚节点； 步骤2. 2、在簇间进行数据传输，具体按照以下步骤实施： 各簇头节点通过中继节点的转发，将收集到的数据传输至汇聚节点，簇头节点在选择 下一跳路由节点时，在相邻的上层簇内已标记的中继节点集合中进行选择，选择集合内节 点剩余能量最大的节点进行数据转发，再通过已标记的中继节点所在的上一层簇头节点进 行中继路由，最终将数据传输到汇聚节点； 进行数据路由时，数据根据路由表中的信息逐跳进行传输，具体过程如下：当网络终端 节点将收集的数据传输到汇聚节点时，簇内节点首先将收集到的数据和自身身份标识号码 以及节点剩余能量信息传输到各簇头节点，簇头节点接收到数据后，建立路由表，路由表中 包括自身ID号，所处的层数信息以及下一跳中继节点ID号；簇头节点根据路由表中的信息 选择下一跳路由节点，中继节点路由表在族头节点路由表的基础上增加了下一跳族头节点 的身份标识号码，剩余能量以及层数信息；在进行每一跳路由时，传输数据的节点中只保存 它的上一跳和下一跳路由节点信息，直至到达汇聚节点；当网络中汇聚节点向终端节点发 布监测任务时，根据已存在的路由信息进行数据的原路径返回，先将数据传输到各簇头节 点，再由簇头节点将数据发送到各簇内终端节点。
9. 根据权利要求1所述的物联网感知层拓扑控制方法，其特征在于，所述对步骤1得到 的物联网感知层无线传感器网络拓扑结构进行维护，具体按照以下步骤实施： 当某个簇头节点的剩余能量值低于初始能量匕的1/3时，在本簇内进行最优替代点的 选举，当在本簇内找不到符合条件的替代节点时，在全网范围内重新进行簇头的选举； 寻找当前簇头的最优替代节点，即在本簇内进行新一轮的簇头选举，选举时簇内节点 根据公式（1)计算各自权值^，权值最大的节点当选为新一轮的簇头节点，
(1); 其中，RSSI (i)为簇内节点接收到簇头节点的信号强度大小，EMsidual为节点剩余能量大 小，为初始能量的大小，λ ρ λ 2为比例系数，可根据具体情况调节，相加和为1 ; 重新当选的簇头节点以相同的功率进行广播时，要求簇内其它节点都能接收到一定的 信号强度，否则重新选择具有次优解的节点作为簇头；进行局部更新时要求选出的簇头节 点以和当前簇头相同的发射功率进行广播时，原来簇的簇内节点都能接收到簇头的广播信 肩、。
【文档编号】H04W24/04GK104053175SQ201410270977
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】曲立国, 黄友锐, 陈珍萍, 唐超礼, 刘佳 申请人:安徽理工大学