[发明专利]一种基于分层结构的动态无线传感器网络的拓扑控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络的拓扑控制与重构领域，具体涉及一种基于分层结构的动态无线传感器网络的拓扑控制方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是在当前国内外备受关注，涉及多学科交叉，知识高度集成的前沿研究领域和产业热点。它综合了计算机技术、传感器技术、网络通信技术、分布式信息处理技术等，能通过各类集成化的传感器相互协同感知，监测和采集各种环境和监测对象的信息，这些信息通过无线的方式被传输到用户终端或者数据中心，从而实现物理世界、计算机世界、人类世界的联通。无线传感器网络拥有巨大的应用前景，在军事国防、城市管理、生物医疗、环境监测、救灾抢险、危险区域的远程监测等都有十分巨大的潜在价值，被视作21世纪最有影响力的技术之一。

无线传感器网络拥有良好的网络扩展性，节点需要动态地加入，离开网络而不影响整体的网络结构；无线传感器网络还需要具有良好的网络自组织能力，在不使用人为干预的情况之下，自发组成网络，完成数据的采集和发送，在网络的生存周期之内，对一般的网络扰动和环境中的阻碍遮挡变化，做到网络拓扑结构的自适应变化。无线传感器网络的另外一大特点是应用导向性，针对不同的工程应用，网络节点之间往往需要接入多种类型的传感器，结合区域化，任务绑定等节点间的协同信息处理来完成这个网络的数据采集与前置处理等任务。

网络拓扑控制管理是无线传感器网络的一个重大研究院领域。传感器网络中，传感器节点是体积微小的嵌入式设备，拥有相对较小的计算与存储资源，另外由于一般采用能量有限的电池供电，对于整个网络的低功耗要求非常之高。除了要设计高效的MAC协议、路由协议和应用层协议之外，还要设计优化的网络拓扑控制机制。对于自组织的无线传感器网络而言，良好的网络拓扑控制能够极大地影响网络性能，提高MAC协议和路由协议的工作效率，为数据融合、目标定位、时间同步等多种网络应用基础提供有力支持，也有利于延长整个网络的生存周期。

无线传感器网络一般按照网络的逻辑结构，可以分为平面结构和分层结构两种形式。在平面结构中，各个节点的地位平等，往往形成局部操作，根据信息反馈即时构建路径，平面结构鲁棒性较好，但是网络反应速度较慢；而在分层结构中，网络往往形成不同区域，从而导致节点的地位或者网络功能等级差异，分层结构的网络可扩展性好，适合较大型的网络规模。目前比较常用分层结构是分簇的网络拓扑，在规模化网络中，分簇结构对网络能量管理、数据融合与信息协同处理方面都能提供较好的物理支持。但是分簇结构中簇头承担的任务包括数据的融合与中继转发等，因此簇头的能耗较大，所以需要节点轮换来平衡网络的能耗。周期性的全网重新分簇算法如LEACH和HEED算法，需要较大的网络开销，重分簇与路由的重建需要较长的时间，网络中断时间较长，对于很多应用场景并不合适。其他对于LEACH算法的改进型算法如TEEN，则缺乏对于周期性数据采集网络的支持。因为，需要考虑建立一个复杂度低、实现简单，结合平面结构与分层结构两者优势的拓扑控制机制，减少网络重构开销，既能周期性的采集数据又能快速应付突发事件，还要考虑到整个网络的能量平衡来延长网络生存周期。

发明内容

本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供一种基于分层结构的动态无线传感器网络的拓扑控制方法，该方法通过对于节点的动态等级规定与入网算法控制，使得节点能够自适应地接入网络而不改变整网拓扑，对局部网络拓扑的变动达到最小，从而减少了网络额外的开销，该新型拓扑控制机制兼具平面结构的优点，增强了网络的整体鲁棒性，降低了网络实现的复杂度，解决了现有技术中存在的问题。

本发明通过以下技术方案达到上述目的：一种基于分层结构的动态无线传感器网络的拓扑控制方法，包括节点入网过程、节点注册过程和网络优化过程，节点采用同一化设计且都具有网络路由中继的功能，节点入网过程包括以下步骤：

1)节点初始化后，启动一个计时器并向周围节点发送一组探测信息后停止发送，侦听一段时间；

2)若无回复信息，则将探测信息内的节点等级+1后重复步骤1)，否则接收来自其他节点的回复信息；

3)分析接收到的回复信息，若对方节点等级为N则确定自身等级为N+1；

4)节点调用动态信道评价模型分析评价回复信息，计算获得评价值；

5)将计算获得的评价值与设定阈值比较；超过阈值则将父节点ID写入父节点列表，并按照评价值从大到小排列父节点优先级；

节点注册过程包括以下步骤：

1)节点与各个父节点建立链接；