一种基于容错的多源异构无线传感网拓扑控制方法
【专利说明】-种基于容错的多源异构无线传感网拓扑控制方法 【技术领域】
[0001] 本发明设及一种无线传感网的控制方法，具体设及一种基于容错的多源异构无线 传感网拓扑控制方法，属于无线传感网技术领域。 【【背景技术】】
[0002] 多源异构无线传感器网络（Multi-sourceHeterogeneousWirelessSensor Networks,MHWSNs)是由大量部署在监测区域内、能量受限的各种传感器节点组成的自组织 网络。传感器节点的部署环境具有不可预测性，并且由于人类的介入、节点的硬件损坏、链 路的不稳定W及能量耗尽和自然灾害等原因而导致MHWS化发生故障。一旦发生故障的传 感器节点处于枢纽位置或邻居节点同时发生故障，则会导致网络分割甚至引起整个网络的 擁痕。因此，MHWS化的容错性是值得深度研究的一个重要问题。
[0003] 现有的方法中往往只是在拓扑构建或者是维护过程中考虑到能量的问题，而忽略 了在实际网络中应该贯穿始终地全程考虑网络能耗。
[0004] 因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的基于容错的多源异构无线 传感网拓扑控制方法，W克服现有技术中的所述缺陷。 【
【发明内容】
】
[0005] 为解决上述技术问题，本发明的目的在于一种基于容错的多源异构无线传感网拓 扑控制方法，其针对在复杂的多源异构网络环境下节点能耗不均匀的情况，分别从拓扑构 建和维护两个阶段进行网络中能耗的均衡。
[0006] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为；一种基于容错的多源异构无线传感 网拓扑控制方法，其包括如下步骤：
[0007] 1)首先，把监测区域分成两部分；中间是一个正方形，周围是一个回型区域包围； 在中间正方形区域内选择a-H个簇头，剩下的化-a.H)个簇头随机分布在回型内，其中 a和H分别为中间小正方形区域簇头占优比和网络中总的簇头数；
[000引先在中间正方形中随机选择一个节点作为簇头，再在与当前选定簇头的距离为dcj的环形区域上且在该区域中的节点中选择一至两个节点作为中继节点：
[0009]
【主权项】
1. 一种基于容错的多源异构无线传感网拓扑控制方法，其特征在于：包括如下步骤： 1) 首先，把监测区域分成两部分：中间是一个正方形，周围是一个回型区域包围；在中 间正方形区域内选择α · H个簇头，剩下的（Η-α ·Η)个簇头随机分布在回型内，其中α 和H分别为中间小正方形区域簇头占优比和网络中总的簇头数； 先在中间正方形中随机选择一个节点作为簇头，再在与当前选定簇头的距离为(^_的 环形区域上且在该区域中的节点中选择一至两个节点作为中继节点： -d() < dr： < dn (I) η 其中：η表示即将被选为簇头的节点在其当前的通信半径下有η个传感器节点，m表示 有m个节点的能量大于这η个节点的平均能量，Cltl为簇头半径； 按照选择簇头，再选择中继节点，然后再选择簇头的迭代过程持续进行，直至簇头总数 满足α · H个；再在外面包围的区域选择剩下的（Η-α · Η)个簇头。 2) 继簇头数目和位置确定完毕后，当选的簇头就会向全网广播含有自己ID、当选状 态、剩余能量和当前节点度的消息包，等待网络中的非簇头节点加入； 3) 簇调整过程：网络中的各个节点加入簇以后，使得每个簇的大小在([^]____幻与 H ([$]+幻之间，允许至多有一个簇的大小小于； 4) 拓扑维护：考虑到均衡单个节点与整个网络能量的消耗，均衡网络负载，组网一段 时间后当某个簇头节点k e C(C是簇头集合）的能量值少于能量阈值0是能 量阈值比例且随着网络的运行时间的增加而减小，Etl是节点的单位初始能量值），要对簇头 节点按照公式（2)至（13)进行轮换：
约束条件：
0〈γ〈1 (12) ζ>0 (13) 其中，eT为节点k所在的簇的簇内选出替代簇头节点后所有节点发送消息消耗的能量， <、4和^^分别是节点k在的簇内的新选出的簇头i发送数据到sink、簇成员j发送数 据到簇头i和簇成员j'发送数据到同一个簇内的簇成员j消耗的能量，eK为点k所在的簇 的簇内选出替代簇头节点后所有节点接收消息消耗的能量，<和<·分别是节点k在的簇内 的新选出的簇头i接收来自簇成员j的数据和簇成员j接收来自同一个簇内的簇成员的j' 数据消耗的能量；L为节点i的信道是否被利用，z为节点i分配的信道数，网络中每个节 点分配的信道数为一个整数值；γ为一个调整系数；C k是节点k所在簇； 采用优化方法来求解公式（2)的最小值，然后把该最小值对应的节点推举为新的簇头 节点。
2. 如权利要求1所述的基于有损链路状态预测无线传感网的拓扑构建方法，其特征在 于：所述步骤2)中，非簇头节点根据各个簇头的可用能量、自身与相应簇头的距离以及选 择加入某个簇后在簇内参与通信所消耗的能量这几种信息，结合式（14)来确定到底接受 哪个簇头的邀请；
其中，q(i，j，r)表示簇头节点i与非簇头节点j之间的引力，(Iij表示非簇头与接收到 消息的簇头之间的欧式距离，Ei (r)表示当前簇头节点的能量，e)表示若非簇头节点选择加 入某个簇后在簇内参与通信所消耗的能量；q (i，j，r)值的大小与Ei (r)成正比，与屯/、<成 反比。
3. 如权利要求1所述的基于有损链路状态预测无线传感网的拓扑构建方法，其特征 在于：所述步骤3)中，若存在某个簇的簇成员数目&为^>[#] + 1则对其簇成员与簇 头之间按照簇内通信代价降序排列；选取距离簇头最远的(，-[|·]-々）个节点作为自由节 点，被选择的这(Λ"-[|]_幻个节点会向其一跳邻居节点发送一个消息，统计与自己不属 于同一个簇的一跳邻居；若存在簇内成员数&小于([#]_々)且多于一个的情况，则这些簇 头就会广播自己缺少的簇成员数，等待其他簇成员加入或与采用最小费用最大流的方法去 争夺自由节点作为自己的簇成员。并更新自己簇成员的状态，直至达到网络的需求，调整阶 段结束。
【专利摘要】本发明涉及一种基于容错的多源异构无线传感网拓扑控制方法，主要包括以下几个步骤：1)拓扑构建阶段：把监测区域划分成一个回型，然后根据几何划分方法均匀的选择一定数目的簇头；根据簇内的通信代价、节点与簇头的距离和簇头的剩余能量，非簇头节点选择加入簇；采用最小费用最大流法调整簇的大小；2)拓扑维护阶段：网络开始通信后，若某轮数据传输中有节点能量低于网络规定的阈值，则对网络进行局部调整。本发明在均衡了网络中各个节点的能耗前提下保证了网络的容错能力，延长了网络生命周期。
【IPC分类】H04W84-18, H04W40-10
【公开号】CN104837171
【申请号】CN201510235619
【发明人】洪榛, 宋婷婷, 王瑞, 冯艺潇, 屠碧琪, 高学江, 高金凤
【申请人】浙江理工大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年5月11日