[發明專利]基于LEACH-ANT算法的無線傳感器網絡拓撲控制方法

無效

• 申請號: 201010107954.4
• 申請日: 2010-02-09
• 公開（公告）號: CN101835277A
• 公開（公告）日: 2010-09-15
• 發明（設計）人: 余成波;崔焱喆;王士彬;唐海燕
• 申請（專利權）人: 重慶理工大學
• 主分類號: H04W84/18
• 分類號: H04W84/18
• 代理公司: 重慶華科專利事務所 50123
• 代理人: 康海燕

技術領域

本發明涉及無線傳感器網絡拓撲控制技術，尤其涉及一種基于LEACH算法和分工蟻群算法的分簇優化方法。

背景技術

無線傳感器網絡(Wireless?Sensor?Networks，WSN)是由布署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統。協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，并發送給觀察者。其目的是通過在節點中運行特定的控制算法，網絡中的節點能夠自動地進行拓撲發現，實現路由選擇、時鐘同步、數據融合、定位等功能，形成能夠按照要求協作地感知、采集、處理并轉發監測數據的多跳的無線網絡系統。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網絡的三個要素。

拓撲控制研究的問題是在保證一定的網絡連通質量和覆蓋質量的前提下，一般以延長網絡的生命周期為主要目標，兼顧通信干擾、網絡延遲、負載均衡、簡單性、可靠性、可擴展性等其他性能，形成一個優化的網絡拓撲結構。針對通過隨機散布組成的無線傳感器網絡，由于散布過程中受到多種因素的影響，網絡中存在節點分布不均勻的情況。在某些局部區域內，節點數目較少，分布密度較低，需要開啟的時間較長，能耗較高；反之，在節點數量較多，分布密度較高的區域內，雖然替代節點較多，但是若節點都是以最大發射功率與其他節點通信，必然會導致局部通信競爭激烈，節點之間的競爭沖突增大，導致的重傳和網絡的吞吐量下降，從而增加了能耗。因此需要減少與鄰居節點之間發生沖突的幾率，提高節點的能量利用率。拓撲控制機制就是一種解決此問題的方向。

柏林工業大學的Kubisch等人提出的本地平均算法LMA(Local?MeanAlgorithm)和本地鄰居平均算法LMN(Local?Mean?of?Neighbors?Algorithm)，給定節點度的上限和下限，每個節點動態地調整自己的發射功率，使得節點的度數落在上限和下限之間，并且利用局部信息來調整相鄰節點間的連通性，從而保證整個網絡的連通性，同時保證節點間的鏈路具有一定的冗余性和可擴展性。但該方法難以保證網絡的連通性，從而無法保證網絡的生命周期。伊利諾斯大學的Narayanaswamy等人提出了一種簡單的將功率控制與路由協議相結合的解決方案COMPOW，所有的傳感器節點使用一致的發射功率P_com，在保證網絡連通的前提下，將功率最小化。COMPOW建立各個功率層上的路由表，在功率P_i層上，通過使用功率P_i交換HELLO消息建立路由表RTP_i所有可達節點都是路由表中的表項，在節點分布均勻的情況下，COMPOW具有較好的性能。但是，一個相對孤立的節點會導致所有的節點使用很大的發射功率，所以在節點分布不均的情況下，它的缺陷是明顯的。GAF(Geographical?AdaptiveFidelity)算法是以節點地理位置為依據的分簇算法。該算法引入虛擬單元格的思想，把監測區域劃分為虛擬單元格，將節點按其地理位置劃入對應的單元格中；在每個單元格中定期選舉產生一個簇頭，只有簇頭保持活動，收集單元格內的信息，其他節點則進入睡眠狀態。但是GAF算法中需要精確的地理位置，而且對傳感器節點提出了很高的要求，同時該算法也不能保證能量的均勻消耗。麻省理工學院的Heinzelman等人提出了一直被廣泛引用的LEACH(Low-Energy?Adaptive?Clustering?Hierarchy)算法，但是LEACH需要較為嚴格的時間同步，也不能保證簇頭均勻分布。

目前對拓撲控制的研究還普遍存在著模型過于理想化、對網絡性能的綜合考慮較少，沒有考慮實際應用的諸多困難。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種基于LEACH算法和多蟻群算法的無線傳感器網絡拓撲控制方法，使其在節點具有相同的能量初始值、網絡具有相同的初始化狀態和相同的網路負載條件下，網絡的生命周期及簇頭節點的生存時間顯著提高。