[發(fā)明專利]提高無線傳感網(wǎng)魯棒性的能量局部均衡拓撲控制算法

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• 申請日: 2020-10-28
• 公開（公告）號: CN112333654A
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發(fā)明（設計）人: 魏明亮;趙雄文;劉佳言;郭春林;馬慧遠;遲忠君
• 申請（專利權）人: 華北電力大學;國網(wǎng)北京市電力公司;國家電網(wǎng)有限公司
• 主分類號: H04W4/38
• 分類號: H04W4/38;H04W40/24
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

本發(fā)明公開了屬于無線傳感器網(wǎng)絡技術領域的一種提高無線傳感網(wǎng)魯棒性的能量局部均衡拓撲控制算法，采用生成隨機數(shù)的方式根據(jù)閾值T(n)選舉簇首節(jié)點；簇首節(jié)點采用MAC協(xié)議向網(wǎng)絡內(nèi)其他節(jié)點發(fā)送廣播消息，普通節(jié)點就近加入，形成簇；統(tǒng)計簇首節(jié)點所在位置，添加簇首層ID，以最遠距離的節(jié)點作為初始節(jié)點，增加“同質(zhì)邊”；計算每條“同質(zhì)邊”的能量損耗，在不超過能量閾值的情況下加強簇首節(jié)點層的網(wǎng)絡連通度，提高整體網(wǎng)絡魯棒性，實現(xiàn)簇首節(jié)點層的能量局部均衡。本發(fā)明可以提高簇首節(jié)點存活時間，增強網(wǎng)絡魯棒性，延長網(wǎng)絡生命周期，對于無線傳感器網(wǎng)絡未來發(fā)展有重要意義和經(jīng)濟價值。

技術領域

本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡技術領域，特別涉及一種提高無線傳感網(wǎng)魯棒性的能量局部均衡拓撲控制算法，可實現(xiàn)簇首節(jié)點層能量的局部均衡，達到增強網(wǎng)絡魯棒性的目的。

背景技術

無線傳感器網(wǎng)絡是結合了多種技術的產(chǎn)物，其中包含計算機、無線通信、傳感器等眾多領域，同時可以進行數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)融合以及信息傳輸?shù)纫幌盗刑囟ǖ臋z測和采集信息的任務。無線傳感器網(wǎng)絡一般由大量的無線傳感器節(jié)點構成，這些節(jié)點具有低功耗、體積微小、能量有限的特點，且具有感知、計算和通信能力。無線傳感器網(wǎng)絡是典型的任務型網(wǎng)絡，受限與電源容量有限與通信能力的不足，傳感器節(jié)點極易因能源耗盡或外部復雜環(huán)境而失效或死亡，因此網(wǎng)絡中良好的拓撲控制算法尤為重要。

拓撲結構是無線傳感器網(wǎng)絡中所有節(jié)點及鏈路所形成的網(wǎng)絡結構，拓撲控制是指通過對部分可控因素的調(diào)整或者采取其它策略控制節(jié)點的廣播域和鏈路的建立，實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲結構和選取數(shù)據(jù)傳輸路徑方式的優(yōu)化，從而使拓撲結構滿足網(wǎng)絡的連通性、低功耗和吞吐量的要求，延長網(wǎng)絡正常運行的生命周期。

LEACH拓撲控制算法作為一種經(jīng)典的低功率自適應層次拓撲控制算法，因其貼合實際測量環(huán)境且具有良好的可操作性被廣泛使用，該算法核心是通過普通傳感器節(jié)點合理選擇加入選舉的簇首節(jié)點，實現(xiàn)均勻分簇。這種拓撲控制算法優(yōu)勢在于可以大幅減少普通節(jié)點的任務量降低能耗，但簇首節(jié)點選取隨機性過高，局限性較強，網(wǎng)絡拓撲結構穩(wěn)定性差，魯棒性低，簇首節(jié)點生命周期短，死亡率極高。因此平衡簇首節(jié)點的能量損耗，合理輪換簇首節(jié)點以及簇結構自適應調(diào)整變得十分必要。在選取簇首節(jié)點時考慮節(jié)點具有的能量、位置等其他參數(shù)因素，補充備用簇首的選擇，同時增加當前簇首節(jié)點間“同質(zhì)邊”，強化簇首層節(jié)點同質(zhì)性，提高網(wǎng)絡結構熵，優(yōu)化部分簇首節(jié)點的中繼能力，延長簇首節(jié)點生命周期并及時輪換替代，進而實現(xiàn)簇首層的能量局部均衡，增強網(wǎng)絡整體的抗毀能力，更好的應對復雜環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種提高無線傳感網(wǎng)魯棒性的能量局部均衡拓撲控制算法，其特征在于，包括步驟如下：

步驟S101：采用生成隨機數(shù)的方式，根據(jù)閾值T(n)從網(wǎng)絡節(jié)點中選取合適的簇首節(jié)點；

步驟S102：簇首節(jié)點采用CSMA(Carrier Sense Multiple Access)機制的MAC(MediaAccess Control)協(xié)議以相同的能量向網(wǎng)絡內(nèi)其他節(jié)點發(fā)送廣播消息，普通節(jié)點就近加入，形成簇；

步驟S103：統(tǒng)計所有簇首節(jié)點所在位置，添加簇首層ID，簇內(nèi)其他節(jié)點根據(jù)簇首節(jié)點的TDMA(Time divisionmultiple access)調(diào)度機制，獲取特定發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙；

步驟S104：比較所有簇首層節(jié)點與上層匯聚節(jié)點的距離，最遠距離的節(jié)點作為初始節(jié)點，尋找其鄰居節(jié)點，增加“同質(zhì)邊”；

步驟S105：計算每次增加“同質(zhì)邊”的鏈路能量損耗，保證在既定能耗范圍內(nèi)加強簇首節(jié)點層的網(wǎng)絡連通度，形成簇首層近似二度連通圖，增加網(wǎng)絡結構熵，提高整體網(wǎng)絡魯棒性，實現(xiàn)簇首節(jié)點層的能量局部均衡。

所述步驟S101中簇首節(jié)點選取階段中的閾值公式為：