一種基于容錯的多源異構無線傳感網拓撲控制方法
【專利說明】-種基于容錯的多源異構無線傳感網拓撲控制方法 【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種無線傳感網的控制方法，具體設及一種基于容錯的多源異構無線 傳感網拓撲控制方法，屬于無線傳感網技術領域。 【【背景技術】】
[0002] 多源異構無線傳感器網絡（Multi-sourceHeterogeneousWirelessSensor Networks,MHWSNs)是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內、能量受限的各種傳感器節(jié)點組成的自組織 網絡。傳感器節(jié)點的部署環(huán)境具有不可預測性，并且由于人類的介入、節(jié)點的硬件損壞、鏈 路的不穩(wěn)定W及能量耗盡和自然災害等原因而導致MHWS化發(fā)生故障。一旦發(fā)生故障的傳 感器節(jié)點處于樞紐位置或鄰居節(jié)點同時發(fā)生故障，則會導致網絡分割甚至引起整個網絡的 擁痕。因此，MHWS化的容錯性是值得深度研究的一個重要問題。
[0003] 現(xiàn)有的方法中往往只是在拓撲構建或者是維護過程中考慮到能量的問題，而忽略 了在實際網絡中應該貫穿始終地全程考慮網絡能耗。
[0004] 因此，為解決上述技術問題，確有必要提供一種創(chuàng)新的基于容錯的多源異構無線 傳感網拓撲控制方法，W克服現(xiàn)有技術中的所述缺陷。 【
【發(fā)明內容】
】
[0005] 為解決上述技術問題，本發(fā)明的目的在于一種基于容錯的多源異構無線傳感網拓 撲控制方法，其針對在復雜的多源異構網絡環(huán)境下節(jié)點能耗不均勻的情況，分別從拓撲構 建和維護兩個階段進行網絡中能耗的均衡。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案為；一種基于容錯的多源異構無線傳感 網拓撲控制方法，其包括如下步驟：
[0007] 1)首先，把監(jiān)測區(qū)域分成兩部分；中間是一個正方形，周圍是一個回型區(qū)域包圍； 在中間正方形區(qū)域內選擇a-H個簇頭，剩下的化-a.H)個簇頭隨機分布在回型內，其中 a和H分別為中間小正方形區(qū)域簇頭占優(yōu)比和網絡中總的簇頭數(shù)；
[000引先在中間正方形中隨機選擇一個節(jié)點作為簇頭，再在與當前選定簇頭的距離為dcj的環(huán)形區(qū)域上且在該區(qū)域中的節(jié)點中選擇一至兩個節(jié)點作為中繼節(jié)點：
[0009]
【主權項】
1. 一種基于容錯的多源異構無線傳感網拓撲控制方法，其特征在于：包括如下步驟： 1) 首先，把監(jiān)測區(qū)域分成兩部分：中間是一個正方形，周圍是一個回型區(qū)域包圍；在中 間正方形區(qū)域內選擇α · H個簇頭，剩下的（Η-α ·Η)個簇頭隨機分布在回型內，其中α 和H分別為中間小正方形區(qū)域簇頭占優(yōu)比和網絡中總的簇頭數(shù)； 先在中間正方形中隨機選擇一個節(jié)點作為簇頭，再在與當前選定簇頭的距離為(^_的 環(huán)形區(qū)域上且在該區(qū)域中的節(jié)點中選擇一至兩個節(jié)點作為中繼節(jié)點： -d() < dr： < dn (I) η 其中：η表示即將被選為簇頭的節(jié)點在其當前的通信半徑下有η個傳感器節(jié)點，m表示 有m個節(jié)點的能量大于這η個節(jié)點的平均能量，Cltl為簇頭半徑； 按照選擇簇頭，再選擇中繼節(jié)點，然后再選擇簇頭的迭代過程持續(xù)進行，直至簇頭總數(shù) 滿足α · H個；再在外面包圍的區(qū)域選擇剩下的（Η-α · Η)個簇頭。 2) 繼簇頭數(shù)目和位置確定完畢后，當選的簇頭就會向全網廣播含有自己ID、當選狀 態(tài)、剩余能量和當前節(jié)點度的消息包，等待網絡中的非簇頭節(jié)點加入； 3) 簇調整過程：網絡中的各個節(jié)點加入簇以后，使得每個簇的大小在([^]____幻與 H ([$]+幻之間，允許至多有一個簇的大小小于； 4) 拓撲維護：考慮到均衡單個節(jié)點與整個網絡能量的消耗，均衡網絡負載，組網一段 時間后當某個簇頭節(jié)點k e C(C是簇頭集合）的能量值少于能量閾值0是能 量閾值比例且隨著網絡的運行時間的增加而減小，Etl是節(jié)點的單位初始能量值），要對簇頭 節(jié)點按照公式（2)至（13)進行輪換：
約束條件：
0〈γ〈1 (12) ζ>0 (13) 其中，eT為節(jié)點k所在的簇的簇內選出替代簇頭節(jié)點后所有節(jié)點發(fā)送消息消耗的能量， <、4和^^分別是節(jié)點k在的簇內的新選出的簇頭i發(fā)送數(shù)據到sink、簇成員j發(fā)送數(shù) 據到簇頭i和簇成員j'發(fā)送數(shù)據到同一個簇內的簇成員j消耗的能量，eK為點k所在的簇 的簇內選出替代簇頭節(jié)點后所有節(jié)點接收消息消耗的能量，<和<·分別是節(jié)點k在的簇內 的新選出的簇頭i接收來自簇成員j的數(shù)據和簇成員j接收來自同一個簇內的簇成員的j' 數(shù)據消耗的能量；L為節(jié)點i的信道是否被利用，z為節(jié)點i分配的信道數(shù)，網絡中每個節(jié) 點分配的信道數(shù)為一個整數(shù)值；γ為一個調整系數(shù)；C k是節(jié)點k所在簇； 采用優(yōu)化方法來求解公式（2)的最小值，然后把該最小值對應的節(jié)點推舉為新的簇頭 節(jié)點。
2. 如權利要求1所述的基于有損鏈路狀態(tài)預測無線傳感網的拓撲構建方法，其特征在 于：所述步驟2)中，非簇頭節(jié)點根據各個簇頭的可用能量、自身與相應簇頭的距離以及選 擇加入某個簇后在簇內參與通信所消耗的能量這幾種信息，結合式（14)來確定到底接受 哪個簇頭的邀請；
其中，q(i，j，r)表示簇頭節(jié)點i與非簇頭節(jié)點j之間的引力，(Iij表示非簇頭與接收到 消息的簇頭之間的歐式距離，Ei (r)表示當前簇頭節(jié)點的能量，e)表示若非簇頭節(jié)點選擇加 入某個簇后在簇內參與通信所消耗的能量；q (i，j，r)值的大小與Ei (r)成正比，與屯/、<成 反比。
3. 如權利要求1所述的基于有損鏈路狀態(tài)預測無線傳感網的拓撲構建方法，其特征 在于：所述步驟3)中，若存在某個簇的簇成員數(shù)目&為^>[#] + 1則對其簇成員與簇 頭之間按照簇內通信代價降序排列；選取距離簇頭最遠的(，-[|·]-々）個節(jié)點作為自由節(jié) 點，被選擇的這(Λ"-[|]_幻個節(jié)點會向其一跳鄰居節(jié)點發(fā)送一個消息，統(tǒng)計與自己不屬 于同一個簇的一跳鄰居；若存在簇內成員數(shù)&小于([#]_々)且多于一個的情況，則這些簇 頭就會廣播自己缺少的簇成員數(shù)，等待其他簇成員加入或與采用最小費用最大流的方法去 爭奪自由節(jié)點作為自己的簇成員。并更新自己簇成員的狀態(tài)，直至達到網絡的需求，調整階 段結束。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于容錯的多源異構無線傳感網拓撲控制方法，主要包括以下幾個步驟：1)拓撲構建階段：把監(jiān)測區(qū)域劃分成一個回型，然后根據幾何劃分方法均勻的選擇一定數(shù)目的簇頭；根據簇內的通信代價、節(jié)點與簇頭的距離和簇頭的剩余能量，非簇頭節(jié)點選擇加入簇；采用最小費用最大流法調整簇的大??；2)拓撲維護階段：網絡開始通信后，若某輪數(shù)據傳輸中有節(jié)點能量低于網絡規(guī)定的閾值，則對網絡進行局部調整。本發(fā)明在均衡了網絡中各個節(jié)點的能耗前提下保證了網絡的容錯能力，延長了網絡生命周期。
【IPC分類】H04W84-18, H04W40-10
【公開號】CN104837171
【申請?zhí)枴緾N201510235619
【發(fā)明人】洪榛, 宋婷婷, 王瑞, 馮藝瀟, 屠碧琪, 高學江, 高金鳳
【申請人】浙江理工大學
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年5月11日