无线传感器网络拓扑方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信技术，特别是涉及到无线传感器的通信方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)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是可以感知和检查 外部世界的传感器。WSN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。通过无线通信方式形成的一个多 跳自组织网络
[0003] 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。经过优 化的拓扑结构可以高效地利用网络的能量，延长网络生命周期，提高网络的通信效率方便 数据融合和解决节点失效问题。因而近年来成为了无线传感器网络领域研究的热点与难点 之一。
[0004] 网络拓扑控制技术，即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，网络拓扑控制可以分为两类:节点功率控制和层次型拓扑控制。功率 控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，均衡节点的单跳 可达邻居数目。层次型拓扑控制则利用了分簇机制。
[0005] 典型的层次拓扑控制方法LEACH(low energy adaptive clustering hierarchy) 协议提出了分簇的思想，将节点划分成簇结构，每个簇结构由簇头节点负责将簇内的数据 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传送给簇头节 点，从而由簇头节点形成一个接收并汇集转发数据的骨干网。这种方法大大减少了传输次 数，从而减少了WSN网络整体能耗，提高了网络整体生存时间。然而该协议没有给出簇区域 的分布方式，簇区域分布不合理也将耗费较大的能量。在此基础上国内外学者提出了多种 分簇的改进方法，例如对网络覆盖区域采用区域分割分簇方法，如等边三角形、五边形、正 六边形等对整个网络区域分割。一些现有技术基于传统GAF网格法提出了 XGAF法，将正方形 网格用等边三角形、正四边形、正六边形替代。传统的GAF网格法将整个网络划分成许多相 等的虚拟的正方形网格，每个网格中只有一个节点处于活动状态负责传递数据包，由于正 方形只有四个相邻单元，因此并不是最节能方式。其作者研究发现正六边形的XGAF法网络 能耗最小，而正方形的XGAF具有最优覆盖度。
[0006] 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，所以所有节点都将轮流担任簇头工作，这样能量消耗才能平衡。簇头的选择 方法已经不重要。
[0007] 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，消耗了更多能量。
【发明内容】
[0008] 鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术中的簇头位置固定导致能量消耗高的问 题，提出一种无线传感器网络拓扑方法，所述方法中能减小分簇头节点与簇头的平均距离， 降低整个无线传感器网络节点的平均能耗。
[0009] 为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下。
[0010] -种无线传感器网络拓扑方法，包括步骤：
[0011] A、由基站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 簇头区，簇头区内节点轮流担任簇头，完成本轮通信；
[0012] Β、当区域内Ω R全部节点担任过簇头后，将整体分簇结构平移，再次确定簇内中心 区域Ω 'R，Ω 'R内节点轮流担任簇头，完成本轮通信；
[0013] C、当节点全部担任簇头且完成通信后，进行第三次平移分簇，形成簇头区Ω"κ，簇 头区的节点轮流担任簇头，收集并转发簇内节点的数据，其中所有Ω^Ω'^ΡΩ"!^^ 够将网络区域全部节点完全覆盖；
[0014] D、返回步骤Α。
[0015] 特别地，步骤A前还包括：
[0016] Α0、基站向网络区域内的所有节点发送请求信息，所有节点依次向基站发送自己 的位置和能量信息。
[0017] 在步骤A中，所述六边形的簇数和半径为：
[0018]
[0019]
[0020] 其中efs是自由空间模型的路径损耗参数，M是网络区域的边长，ε_是多路衰减模 型的路径损耗参数，d toBS代表网络边缘到基站的距离。
[0021] 步骤A、B和C中所述Ωκ、Ω 'R和Ω"κ以六边形中心位置为原点，是以为边长的 六边形区域。
[0022] 本发明还包括一种无线传感器网络拓扑方法，包括步骤：
[0023] Α、由基站将网络区域用正方形分割，覆盖整个区域，选取簇内中心一定区域 簇头区，簇头区内节点轮流担任簇头，完成本轮通信；
[0024] Β、当区域内Ω R全部节点担任过簇头后，将整体分簇结构平移，再次确定簇内中心 区域Ω 'R，Ω 'R内节点轮流担任簇头，完成本轮通信，其中所有Ω4ΡΩ 'R能够将网络区域全 部节点完全覆盖；
[0025] C、返回步骤Α。
[0026] 在步骤A中，所述四边形的簇数和半径为：
[0027]
[0028]
[0029] 其中εfs是自由空间模型的路径损耗参数，M是网络区域的边长，ε_是多路衰减模 型的路径损耗参数，d toBS代表网络边缘到基站的距离。
[0030] 步骤A和B中所述Ω4ΡΩ 'R以正方形中心位置为原点，是以/?/士为边长的菱形区 域。
[0031] 通过采用本发明的无线传感器网络拓扑方法，使得簇头区完全覆盖了网络中的节 点，网络能量消耗更加均衡，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，同时也减小了簇头与簇头间的最大传输距离，降低了整个网络节点的平均能耗，提升了 网络整体生存时间。
【附图说明】
[0032] 图1为根据本发明【具体实施方式】的区域平移分簇方法流程示意图。
[0033] 图2为根据本发明【具体实施方式】的六边形分簇簇中心平移方向示意图。
[0034]图3为根据本发明【具体实施方式】的六边形簇平移方向示意图。
[0035]图4为根据本发明【具体实施方式】的三次平移后簇头区域完全覆盖示意图。
[0036] 图5为根据本发明【具体实施方式】的四边形分簇结构示意图。
[0037] 图6为根据本发明【具体实施方式】的四边形分簇平移方向示意图。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图，对本发明作详细说明。
[0039] 以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于 描述示范实施例的目的。
[0040] 然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范 围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元 件。
[0041] 同时应该理解，如在此所用的术语"和/或"包括一个或多个相关的列出项的任意 和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为"连接"或"耦接"到另一部件或单元时，它 可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述 部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，"之间"对"直接之间"、 "相邻"对"直接相邻"等）。
[0042] 假设网络模型:传感器节点随机分布在M*M的正方形网络区域上，节点同质同构初 始能量有限且相等，传感器节点和基站(汇聚节点)位置均固定。
[0043]当簇头节点确定自己当选为簇头后，簇内的节点将自己的信息发送给簇头，簇头 节点收到所有簇内节点的信息后进行数据融合并发送给基站或通过其他簇头转发到基站。
[0044]第一【具体实施方式】
[0045]用正六边形对整个网络进行划分。
[0046] 在初始时，基站向监测区域内的所有节点发送请求信息，所有节点依次向基站发 送自己的位置和能量信息。基站收到节点的信息进行计算并分簇。
[0047] 确定最优簇数Lpt和六边形半径R分别为：
[0048] Cl)
[0049] (2)
[0050] 其中efs是自由空间模型的路径损耗参数；是多路衰减模型的路径损耗参数； dtoBS代表网络边缘到基站的距离。
[0051] 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a S 力。对于未被分簇覆盖的边缘区域的节点加入相邻分簇区域。
[0052] Sl传感器网络分簇及通信
[0053] SI. 1确定分簇区域
[0054]基站通过计算得到最优簇数kopdP六边形的边长R，六边形的中心位置及其分簇区 横向纵向排列个数，监测区域内的节点根据位置信息计算自己距离六边形中心的距离，加 入距离最近的六边形簇。
[0055] Sl .2确定簇头区
[0056] 簇头的选择区域限制在分簇区域中间部位称为簇头区。
[0057] 若簇头节点位于分簇中心，区域内的普通节点与其距离的平方和相比簇头在簇内 的其他位置时的距离平方和为最小，由于节点能量消耗与传输距离成正比，因此簇头节点 位于分簇中心时能量消耗最小。
[0058] 簇头区ΩΚ选择以六边形中心位置为原点，/?/々为边长的六边形区域，如图2所 示。考虑到簇头区域需要平移三次，簇头区中心从图2中的A点平移到B点和C点，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。
[0059] 簇头区域内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，如图2。簇头运行时间应等于本轮通信时间除以簇头区节点数。
[0060] Sl .3通信
[0061] 簇头运行时间应等于本轮通信时间除以簇头区节点数。簇头区Ω R内的节点轮流 担任簇头，收集并转发簇内节点的数据。
[0062] S2第一次交替平移分簇结构
[0063]