專利名稱：具有小世界和無(wú)標(biāo)度特性的傳感器網(wǎng)絡(luò)建立方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，特別是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)建及性能優(yōu)化方法，可用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、空間探索、城市交通管理、倉(cāng)儲(chǔ)管理等軍事和民用傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。
背景技術(shù)：
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSNs是集信息采集、信息傳輸、信息處理于一體的綜合智能信息系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化、處理融合和傳輸應(yīng)用，其在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、 空間探索、城市交通管理、倉(cāng)儲(chǔ)管理等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)，大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過(guò)自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多跳后路由到Sink節(jié)點(diǎn)，最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及多學(xué)科高度交叉，在當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注，隨著其研究與應(yīng)用不斷地深入，對(duì)網(wǎng)絡(luò)綜合性能要求越來(lái)越高，作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最重要的核心技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建和控制，一直是研究的熱點(diǎn)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)往往工作在惡劣的環(huán)境中，且電池提供能量有限，所以傳感器網(wǎng)絡(luò)很容易出現(xiàn)因?yàn)槟茉春谋M或者受到自然界破壞而出現(xiàn)部分節(jié)點(diǎn)失效的情況。傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建技術(shù)主要的解決的問(wèn)題是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過(guò)功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇，刪除節(jié)點(diǎn)之間不必要的無(wú)線通信鏈路，生產(chǎn)一個(gè)高效、節(jié)能、抗毀性強(qiáng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用不斷地深入， 對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)建方法提出的要求越來(lái)越高，其決定著傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命、傳輸效率、抗毀性等多種重要性能。目前，研究傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建的主要方法均是借主于圖論或相關(guān)網(wǎng)絡(luò)理論體系，將理論體系中良好且符合傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用的特性引入傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際構(gòu)建中，其傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣⒎椒ù篌w上有以下幾種，1)基于隨機(jī)圖理論的網(wǎng)絡(luò)建立方法該方法是指網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)按照一定的概率進(jìn)行隨機(jī)連接，通過(guò)控制連接概率來(lái)得到一個(gè)性能較好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種方法隨機(jī)性很大，且網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)度數(shù)服從正態(tài)分布，表明網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)重要性趨于相同，這不符合傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際性質(zhì)，且該網(wǎng)絡(luò)中存在一些不必要的無(wú)線通信鏈路，浪費(fèi)通信資源?；谠摲椒ǖ奈墨I(xiàn)如:Li Ding，Zhi-Hong Guan. Modeling wireless sensor networks using random graph theory. Physical A 387(2008)3008-3016。2)基于小世界特性的網(wǎng)絡(luò)建立方法小世界網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)特征是具有小的平均路徑長(zhǎng)度和大的聚類系數(shù)，將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的小世界現(xiàn)象引入無(wú)線傳感器的理論研究與實(shí)際拓?fù)錁?gòu)建中，將會(huì)在數(shù)據(jù)高效查詢、能量效率、網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間等方面提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。該方法雖然在能量利用和數(shù)據(jù)傳輸效率上對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了提高，可并沒有從網(wǎng)絡(luò)的其它重要性能考慮，如通信鏈路是否多余，網(wǎng)絡(luò)是否具有較強(qiáng)抗毀性等，而且網(wǎng)絡(luò)的度分布很大程度上依賴具體構(gòu)建方式。目前將小世界特性應(yīng)用到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要有=Helmy等學(xué)者通過(guò)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中引入少量隨機(jī)邏輯鏈路形成具有小世界效應(yīng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，見文獻(xiàn)A. Helmy. Small worlds in wireless networks. IEEE Communications Letters，2003，6 (10) :490_492 ；avalcmti等人引入了具有兩種通信半徑的超級(jí)節(jié)點(diǎn)來(lái)提 JALi:^ :D. Cavalcanti, D. Agrawal, J. Kelner, and D. Sadok. Exploiting the small-world effect to increase connectivity in wireless ad-hoc networks.In Telecommunications and Networking, pages 388—393，2004。3)基于無(wú)標(biāo)度特性的網(wǎng)絡(luò)建立方法無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)中連接度分布分布函數(shù)具有冪率形式，由于其節(jié)點(diǎn)的度沒有特征長(zhǎng)度，因而基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)無(wú)標(biāo)度性構(gòu)建的傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可使網(wǎng)絡(luò)具有較高的隨機(jī)抗毀性， 且節(jié)點(diǎn)間連接鏈路較少，減少通信浪費(fèi)。該方法雖然從隨機(jī)抗毀性方面提高了網(wǎng)絡(luò)性能，但由于其度分布的不均勻，導(dǎo)致一些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)能量消耗巨大，使其過(guò)早死亡從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的失效。目前將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)無(wú)標(biāo)度性應(yīng)用到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主要有BA無(wú)標(biāo)度模型，見文獻(xiàn)=Barabsi A L, Albert R. Emergence of scaling in random networks. Science,1999,286 (5439) :509_512 ; BA模型考慮傳感器特性較少，又有學(xué)者基于其進(jìn)行了改進(jìn)從而提高網(wǎng)絡(luò)抗毀性，見文獻(xiàn)M. Ishizuka and Μ· Aida. Achieving power-law placement in wireless sensor networks. IEEE ISADS 2005 Workshops (AHSP 2005)，pp. 661-666 ；又如 Saffre 提出了一種基于傳感器局部地理信息構(gòu)建具有無(wú)標(biāo)度特性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌惴?，見文獻(xiàn)F. Saffre, H. Jovanovic, C. Hoile, and S. Nicolas. Scale-free topology for pervasive networks. BT Technology Journal. 2004，Vol. 22，pp.200—208。以上這些感器網(wǎng)絡(luò)建立方法雖然將一些良好特性引入傳感器網(wǎng)絡(luò)中，但其或只是從網(wǎng)絡(luò)的某一方面進(jìn)行優(yōu)化，或考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)特性較少，并沒有將這些良好特性同時(shí)引入傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而綜合提高其實(shí)用價(jià)值，具體存在以下問(wèn)題1)多數(shù)拓?fù)錁?gòu)建方法只從某一具體指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，如能量效率，抗毀性等，但并無(wú)從全局的角度考慮網(wǎng)絡(luò)綜合性能，可能會(huì)在優(yōu)化某一指標(biāo)的同時(shí)影響了其它指標(biāo)的性能；2)在引入網(wǎng)絡(luò)理論特性時(shí)忽略了較多由傳感器本身特性引起的問(wèn)題，如能量空洞，異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的非對(duì)稱性等，缺乏針對(duì)性，實(shí)用困難；3)多數(shù)構(gòu)建方法只針對(duì)單一網(wǎng)絡(luò)特性，無(wú)法根據(jù)不同的場(chǎng)合調(diào)節(jié)其特性，缺乏普適性。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明一種既能使傳感器網(wǎng)絡(luò)具有上述良好性能，又具有成熟的理論支持以備不斷改進(jìn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，是本發(fā)明的主要目的。本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的缺陷，在充分考慮了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身特性的前提下，提出一種具有小世界和無(wú)標(biāo)度特性的傳感器網(wǎng)絡(luò)建立方法(TMSSC)，以綜合提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，能量利用效率以及隨機(jī)抗毀性，從而更好的提高網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量及網(wǎng)絡(luò)壽命。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)思路是將小世界網(wǎng)絡(luò)和無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的良好特性同時(shí)引入傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)優(yōu)先連接的方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)標(biāo)度特性，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)中添加少量的超級(jí)節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的小世界特性。其實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特性需求，設(shè)定超級(jí)節(jié)點(diǎn)比例，按照該比例將超級(jí)節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)隨機(jī)撒布在傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)以分布式廣播其自身屬性信息并收集鄰居節(jié)點(diǎn)信息；(2)在撒布好的節(jié)點(diǎn)中，按節(jié)點(diǎn)間在約束條件隨機(jī)選擇3-10個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)一同以隨機(jī)連接的方式構(gòu)成初始拓?fù)洌?3)在初始拓?fù)湟酝獾目蛇x范圍內(nèi)隨機(jī)選擇下一個(gè)可加入拓?fù)涞墓?jié)點(diǎn)作為新節(jié)點(diǎn)，并獲得該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)度數(shù)；(4)由步驟(3)獲得的新節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)度數(shù)及步驟(1)所獲得的鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)等參數(shù)，計(jì)算新節(jié)點(diǎn)與每一個(gè)既在其通信半徑內(nèi)又在當(dāng)前拓?fù)鋬?nèi)的節(jié)點(diǎn)之間的連接概率若新節(jié)點(diǎn)為普通節(jié)點(diǎn)，則連接概率為
權(quán)利要求
1.一種具有小世界和無(wú)標(biāo)度特性的傳感器網(wǎng)絡(luò)建立方法，包括如下步驟(1)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特性需求，設(shè)定超級(jí)節(jié)點(diǎn)比例，按照該比例將超級(jí)節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)隨機(jī)撒布在傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)以分布式廣播其自身屬性信息并收集鄰居節(jié)點(diǎn)信息；(2)在撒布好的節(jié)點(diǎn)中，按節(jié)點(diǎn)間在約束條件隨機(jī)選擇3-10個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)與 Sink節(jié)點(diǎn)一同以隨機(jī)連接的方式構(gòu)成初始拓?fù)洌?3)在初始拓?fù)湟酝獾目蛇x范圍內(nèi)隨機(jī)選擇下一個(gè)可加入拓?fù)涞墓?jié)點(diǎn)作為新節(jié)點(diǎn)，并獲得該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)度數(shù)；(4)由步驟C3)獲得的新節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)度數(shù)及步驟(1)所獲得的鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)等參數(shù)，計(jì)算新節(jié)點(diǎn)與每一個(gè)既在其通信半徑內(nèi)又在當(dāng)前拓?fù)鋬?nèi)的節(jié)點(diǎn)之間的連接概率若新節(jié)點(diǎn)為普通節(jié)點(diǎn)，則連接概率為
2.如權(quán)利要求1所述的具有小世界和無(wú)標(biāo)度特性的傳感器網(wǎng)絡(luò)建立方法，其特征在于，步驟(1)所述的每個(gè)節(jié)點(diǎn)以分布式廣播其自身屬性信息并收集鄰居節(jié)點(diǎn)信息，按如下步驟進(jìn)行(la) Sink節(jié)點(diǎn)以洪泛算法廣播其節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)編號(hào)和節(jié)點(diǎn)類型信息；(Ib)各節(jié)點(diǎn)收到Sink節(jié)點(diǎn)信息后向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播其坐標(biāo)、剩余能量節(jié)點(diǎn)類型這些自身信息；(Ic)各節(jié)點(diǎn)收集鄰居節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)、剩余能量和節(jié)點(diǎn)類型信息，并對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)號(hào)， 記錄鄰居節(jié)點(diǎn)的屬性。
3.如權(quán)利要求1所述的具有小世界和無(wú)標(biāo)度特性的傳感器網(wǎng)絡(luò)建立方法，其特征在于，步驟(2)所述的按節(jié)點(diǎn)間約束條件隨機(jī)選擇初始拓?fù)涔?jié)點(diǎn)，按如下步驟進(jìn)行(2a)從Sink節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)和一個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)連接，組成當(dāng)前拓?fù)洌?2b)從當(dāng)前拓?fù)渲忻總€(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)所組成的集合中，按以下節(jié)點(diǎn)間約束條件隨機(jī)選取一個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前拓?fù)溥B接，并將其加入拓?fù)洌?[d(vr，^)《Lugh，e H-sensor \d(ν, ,Vj) < Llow, Vj e L-sensor式中，d(Vi，Vj)是節(jié)點(diǎn)Vi與節(jié)點(diǎn)Vj之間的歐氏距離，Llow和Lhigh是普通節(jié)點(diǎn)與超級(jí)節(jié)點(diǎn)的通信半徑，L-sensor是普通節(jié)點(diǎn)的集合，H-sensor是超級(jí)節(jié)點(diǎn)的集合； (2c)重復(fù)步驟Ob) 3到10次，得到初始拓?fù)洹?br> 4.如權(quán)利要求1所述的具有小世界和無(wú)標(biāo)度特性的傳感器網(wǎng)絡(luò)建立方法，其特征在于，步驟( 所述的新節(jié)點(diǎn)按照連接概率與拓?fù)鋬?nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，按如下步驟進(jìn)行 (5a)根據(jù)節(jié)點(diǎn)間約束條件，選擇可與新節(jié)點(diǎn)連接且位于拓?fù)鋬?nèi)的節(jié)點(diǎn)集合； (5b)對(duì)集合內(nèi)每一節(jié)點(diǎn)Vi，隨機(jī)生成O到1之間的一個(gè)數(shù)，若該數(shù)小于新節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn) Vi之間的概率，則將節(jié)點(diǎn)Vi與新節(jié)點(diǎn)連接；(5c)若新節(jié)點(diǎn)為普通節(jié)點(diǎn)則重復(fù)步驟(5b) 1-3次，否則重復(fù)步驟(5b) 1次，完成節(jié)點(diǎn)Vi 與當(dāng)前拓?fù)涞倪B接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有小世界和無(wú)標(biāo)度特性的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立方法，主要解決傳感器網(wǎng)絡(luò)能量效率低、抗毀性差在問(wèn)題。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程為隨機(jī)部署傳感器網(wǎng)絡(luò)，并按設(shè)定比例加入超級(jí)節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)廣播并獲取鄰居信息；隨機(jī)生成小規(guī)模初始拓?fù)洳⑦x擇新加節(jié)點(diǎn)；綜合考慮無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)各種屬性，按不同的節(jié)點(diǎn)類型分布式計(jì)算新節(jié)點(diǎn)與拓?fù)鋬?nèi)節(jié)點(diǎn)的連接概率；根據(jù)概率大小將新節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前拓?fù)潆S機(jī)相連，重復(fù)該過(guò)程直至所有節(jié)點(diǎn)加入拓?fù)洹１景l(fā)明具有效率高、實(shí)用性和抗毀性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，利用本方法生成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫瑫r(shí)表現(xiàn)出小世界和無(wú)標(biāo)度特性，可提高網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量與網(wǎng)絡(luò)壽命，適用于對(duì)能量效率和抗毀性要求較高的傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中。
文檔編號(hào)H04L29/08GK102185916SQ20111010780
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月27日
發(fā)明者劉立芳, 薛繼龍, 鄭耿忠, 齊小剛 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)