[发明专利]Zigbee同构树型无线传感网的集中式构建方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络的组网技术，尤其涉及一种Zigbee同构树型无线传感网的集中式构建方法。

背景技术

无线传感器网络是由部署在检测区域内大量的廉价型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者或控制者，具有广泛的应用范围。典型的如：医疗领域、现代农业领域、智能交通领域以及工业控制领域等。

对于需要进行连续监控的应用场合，无线传感网通常采用树型拓扑结构。然而对于树型网络，如果其深度较大，那么数据包从叶子节点转发到根节点的时间则较长；如果节点的子节点数（也可成为节点的入度）较多，那么该节点的负载则较重，其电量容易过早消耗完毕。很明显，在网络中节点数目保持不变的情况下，网络的深度和节点的入度之间是一对矛盾。

Zigbee标准采用三元组                                                来描述一个树型网络的拓扑结构，其中表示协调器或路由器可以拥有的子节点数（包含子路由器和终端节点），表示协调器或路由器可以拥有的子路由器数，表示树型拓扑的深度。由于在Zigbee同构无线传感网中，协调器、路由器以及终端节点都采用相同的设备，其中一个节点充当协调器，负责接收来自于其它节点的数据包；剩余节点既进行数据采集，也负责数据包的转发。因此，在基于Zigbee的同构网络中，只需要和两个元素就可以描述树型拓扑结构。现在的问题是：如何根据节点的实际分布，构建一个树型拓扑结构，以便用和来进行描述。上述问题可以建模为寻找一个符合某种条件的生成树问题。

已有关于寻找生成树问题的算法可以分为两类：第一类是寻找单个约束下的最小生成树，如最小度生成树、最小代价生成树等；第二类是寻找多个约束下的最小生成树，如深度有界的最小代价生成树、有界度的最小跳数生成树、有界度的最小代价生成树等。在构建Zigbee同构树型网络时，我们通常是在限制网络深度的情况下，寻找一个最小化子节点的生成树，它可以建模为寻找一个有界深度的最小度生成树问题。该问题是一个NP-Hard问题，现有的各种生成树算法中，还没有可以直接用于解决该问题的算法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种Zigbee同构树型无线传感网的集中式构建方法，该方法能够根据节点的分布以及它们之间的邻居关系，自动寻找并构建一个在给定深度条件下的最小化子节点数的树型拓扑结构无线传感网络。

本发明具体采用以下技术方案：

一种Zigbee同构树型无线传感网的集中式构建方法，包括以下步骤：

步骤10、协调器获取网络中节点的邻居关系图；

步骤20、协调器根据邻居关系图确定可生成的树型拓扑深度的上界和下界，并将其反馈给用户；

步骤30、用户根据实际的需求给定最终生成的树型拓扑的深度上限值；

步骤40、根据用户给定的值，协调器按照以下步骤构建一个深度受限的最小化子节点数的树型拓扑：

步骤41、以协调器作为根节点，对邻居关系图图中的所有节点进行BFS（Breadth First Search，广度优遍历）遍历，得到一个临时有向树；

步骤42、对临时有向树中的节点按照它们子节点的数目进行由大到小的排序，将排序结果放在一个队列中，拥有最多子节点的节点放在队列的最前面，并将其作为当前待优化节点；

步骤43、对当前待优化节点进行局部优化操作，如果成功，跳转到步骤42，否则进入步骤44；

步骤44、如果当前节点不是队列中最后一个节点，则将下一个节点作为当前待优化节点，跳转到步骤43；否则进入步骤45；

步骤45、将作为最终的树型拓扑输出，结束；

步骤5、协调器将该树型拓扑采用广播的方式传递给网络中的每一个节点。

作为优选地技术方案，步骤43中所述局部优化操作具体按照以下步骤：

步骤4301、根据邻居关系图和临时树以及当前待优化的节点，构建新的有向图，同时将节点的所有子节点都标记为“新”，并从中选择一个作为当前子节点，记为；其中构建新的有向图按照以下方法：

对于节点的子节点数为，检查临时树中的每一个节点的子节点数，如果大于等于，就从有向图中删除该节点的所有入边，接着将树中的有向边添加到有向图中；

步骤4302、将当前子节点标记为“旧”，从有向图和中删除节点与当前子节点之间的有向边；