[發明專利]一種用于無線傳感器網絡的層次型拓撲結構構建方法

在審

• 申請號: 201410836272.5
• 申請日: 2014-12-29
• 公開（公告）號: CN104410997A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發明（設計）人: 唐宏;王惠珠;舒紅;郭彥芳;徐東哲
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: H04W28/16
• 分類號: H04W28/16;H04W52/02;H04W84/18
• 代理公司: 重慶市恒信知識產權代理有限公司 50102
• 代理人: 劉小紅

技術領域

本發明涉及無線傳感器網絡領域，尤其涉及一種層次型無線傳感器網絡拓撲結構構建方法。

背景技術

無線傳感器網絡(Wireless?Sensor?Networks,WSNs)是由大量無線傳感器構成的自組織網絡，以協作的方式感知、采集和處理網絡覆蓋區域內的對象信息，并將采集到的數據傳遞給目標用戶。由于傳感器設備通信能力有限，大都采用電池供電，能量非常有限，因此如何減少網絡能耗，延長網絡生存時間是WSNs需要優先考慮的問題。拓撲控制是無線傳感器網絡的重要技術之一，在滿足網絡需要的覆蓋度和連通度的前提下，通過對傳感器節點進行睡眠調度、功率控制和鄰居節點的選擇，形成一個優化的網絡結構，從而延長網絡的生存時間，降低通信干擾及MAC層競爭，提高路由協議的效率，并為數據融合提供基礎。拓撲構建的實現方式很多，其中層次型結構是較為常見的一種。層次型拓撲控制通過分簇機制選擇部分節點擔任簇頭，由簇頭形成處理并轉發數據的虛擬骨干網，普通節點暫時關閉通信模塊，進入偵聽狀態以降低能耗。簇頭對接收到的數據進行融合處理，減少了網絡中傳輸的數據包的數量。該結構適用于分布式算法，可用于部署大規模的網絡。

通過對現有技術文獻檢索發現，Wendi?B.Heinzelman等人發表的文章“An?Application-Specific?Protocol?Architecture?for?Wireless?Microsensor?Networks”(IEEE?Tran.on?Wireless?Communications?Vol.1,No.4,pp.660-670,Oct.2002)提出了一種目前無線傳感器網絡中最具代表性的層次型拓撲控制算法LEACH(Low?Energy?Adaptive?Clustering?Hierarchy)。該方法通過周期性等概率地選取簇頭，均衡網絡中的節點能耗，從而延長網絡的生存時間。然而，LEACH算法中簇內節點和簇頭直接通信，距離簇頭較遠的節點消耗的能量較多，對網絡規模有一定限制。選舉簇頭時，雖然考慮了節點能耗均衡性，但是不能保證簇頭在區域中的合理分布，且存在簇頭負擔不均衡的問題。

很多科研人員在LEACH算法的基礎上做出了相應的改進。Feng?Sen等人提出了一種基于PEGASIS協議的能量有效性拓撲控制算法(“An?Improved?Energy-Efficient?PEGASIS-Based?Protocol?in?Wireless?Sensor?Networks”,2011Eight?International?Conference?on?FSKD,pp.2230-2233)。該方法的主要改進在于網絡中的所有節點構成一種鏈狀拓撲，通過設置節點間的距離門限減少網絡中長鏈的產生；選取頭節點時綜合考慮了節點的剩余能量和節點自身的權值。這種多跳的拓撲結構，節點間通信距離很小，且在能量效率和網絡能量均衡性方面均有所改善。然而，該算法中只需要選出一個頭節點將處理后的數據直接傳輸至基站，頭節點負擔較重，且數據傳輸時延較大。在網絡的不穩定階段，部分分布較為稀疏的節點會因通信距離較長而受到較大的影響。專利檢索如下：

1.申請號CN201110430184.1，公開日2012年6月13日

2.申請號CN200810035214.7，公開日2008年9月17日

3.申請號CN201210564794.5，公開日2013年3月27日

在申請號為CN201110430184.1的專利中公開了一種無線傳感器網絡的靜態分簇算法。采用該發明可以降低網絡組網過程中的能量消耗，層次劃分更加合理。但是該發明不能根據網絡的實際需求改變網絡層次的劃分。在申請號為CN200810035214.7的專利中公開了一種基于不均勻分簇的無線傳感器網絡拓撲控制算法，降低了總體網絡能量消耗，可以較好地均衡各個節點的能量消耗，延長了網絡中大部分節點協同工作的時間。但是該發明中簇內節點與簇頭直接通信，距離簇頭較遠的節點消耗的能量較多，對網絡規模有一定限制。在申請號為CN201210564794.5的專利中公開了一種基于局部最短路徑樹的無線傳感網拓撲控制算法。該發明根據各個節點的局部拓撲知識，通過改進的局部最短路徑樹構造方法，在使網絡結構盡量精簡的同時，降低節點發射功率、節點度，從而達到均衡和節約網絡能耗的目標。但是該發明形成的的拓撲結構較為復雜，且不能有效的和數據融合算法相結合。