[發明專利]一種基于能耗均衡的水下無線傳感器網絡拓撲控制方法

有效

• 申請號: 201610243412.7
• 申請日: 2016-04-19
• 公開（公告）號: CN105764114B
• 公開（公告）日: 2019-01-22
• 發明（設計）人: 洪榛;周麗丹;宋婷婷;王瑞;邵茜
• 申請（專利權）人: 浙江理工大學
• 主分類號: H04W40/24
• 分類號: H04W40/24;H04W40/32;H04L12/715;H04W84/18
• 代理公司: 紹興市越興專利事務所(普通合伙) 33220
• 代理人: 蔣衛東

1.一種基于能耗均衡的水下無線傳感器網絡拓撲控制方法，其特征在于：按照下述步驟順序進行：

步驟1：運用N階近鄰方法計算出最佳簇數k_opt；

步驟2：首先建立節點博弈模型，再根據節點的能量和路徑損耗來計算其u_i值，u_i值計算公式為：其中，E_r(i)表示節點i在當前通信輪的剩余能量，表示當前通信輪全網平均剩余能量，p_pathloss(i,j)為節點i到其一跳鄰居節點j的路徑損耗，Nei_i是節點i的一跳鄰居集，n_i是節點i一跳鄰居個數，0＜α＜1是常數調節因數；將所有節點的u_i值從大到小降序排序，從大到小依次選取k_opt個作為簇頭節點；

步驟3：當選的簇頭節點廣播自己當選的消息，接收到廣播消息的非簇頭節點選擇加入u_i值最大的簇頭節點所在的簇并發送應答消息ACK；如果接收到的廣播消息中具有相同的u_i值，則從相同u_i值的簇頭節點中隨機選擇一個簇加入并發送應答消息ACK；未接收到簇頭節點廣播消息的非簇頭節點，則通過計算其鄰居節點與簇頭節點通信的代價值來決定中繼節點；

步驟4：各個節點都加入歸屬的簇并與簇頭建立通信路徑后，建立簇間路由，構建樹型網絡結構；

步驟5：網絡組網完成后，sink節點通知網絡中各個節點準備通信，網絡中各個節點根據各自所屬的簇內的TDMA表進行通信；若有節點失效，則網絡啟動維護過程，按照步驟1重新組網以保證網絡的正常運行。

2.根據權利要求1所述的一種基于能耗均衡的水下無線傳感器網絡拓撲控制方法，其特征在于：所述步驟2中的節點博弈模型為三元組表示Γ＝{A,S,U},A、S和U的意義分別表示為：A＝{a₁,a₂,...,a_n}：博弈參與者，對應網絡中每個傳感器節點；S＝{s₁,s₂,...,s_n}：節點的策略集，s_i取值0或1，1表示選擇成為簇頭，0則表示不愿意擔當簇頭的角色；U＝{u₁,u₂,...,u_n}：成為簇頭節點的收益，收益函數考慮節點的能量和路徑損耗。

3.根據權利要求1所述的一種基于能耗均衡的水下無線傳感器網絡拓撲控制方法，其特征在于：所述步驟2中每個節點的u_i值獲取和比較時，首先將每個節點的發射功率調至最大并建立鄰居列表，向外廣播自己的u_i值；接收到鄰居的u_i值的節點將鄰居的u_i值存儲于鄰居列表中，將所收到的所有鄰居節點的u_i值與自己的u_i值按照從大到小的順序排列，根據最佳簇數k_opt由大到小來選出最終的簇頭節點。

4.根據權利要求1所述的一種基于能耗均衡的水下無線傳感器網絡拓撲控制方法，其特征在于：所述步驟3中的中繼節點的選擇所依據公式為：其中，p(i,j)表示i選擇節點選擇其一跳鄰居節點j作為與簇頭通信的中繼節點的概率，E_r(j)是節點j的剩余能量；E_cost(i,j)是節點i與j通信時的能耗，該能耗既包括節點i發送消息時的能耗，又包括節點j接收消息時的能耗；p_link是節點i與j之間的鏈路可靠性，p_loss(j)是節點j的丟包率；β是調節因子，且0<β<1；未收到簇頭廣播消息的非簇頭節點依據上述公式選擇概率最大的節點為其中繼節點，通過中繼節點間接與簇頭節點進行通信。

5.根據權利要求1所述的一種基于能耗均衡的水下無線傳感器網絡拓撲控制方法，其特征在于：所述步驟4中簇間路由和樹型網絡的構建，首先由sink節點從最小發射功率開始依次遞增發射功率級數向監測區域內發送HELLO消息，直到通信半徑能夠覆蓋整個監測區域為止；傳感器節點在sink節點的某個功率級數的廣播范圍內接收到HELLO消息時，則記錄下當前sink節點的功率級數；最后以擁有最小sink節點功率級數標號的簇頭節點開始與sink節點建立通信關系，依次遍歷擁有sink節點各個功率級數標號的簇頭節點，由此構建樹型網絡結構；這些簇頭節點通過加權上一級已經與sink節點建立通信關系的剩余能量和至sink節點的最短路徑的計算，最后根據權值降序排列路由表，并保存這些路由信息，以保證在鏈路失效時備用路由的啟動。