[发明专利]一种能量节约型无线传感器网络的构造和维护方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种能量节约型无线传感器网络的构造和维护方法，尤其是涉及一种利用超图理论的能量节约型无线传感器网络的构造方法。本方案包括图论、算法设计、统计学以及数学建模，为无线传感器网络的构造和优化提出了一种新技术。

背景技术

无线传感器网络(WSN)：WSN是一种分布式传感器网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以快速更改，还可以跟互联网进行有线方式或者无线方式的连接。

超图理论：超图是普通图的泛化，它的一条边(超边)可以包含的结点数不少于2个。超图的一般定义为H＝(V,E)，其中V为所有的节点的集合，E为所有超边的集合，且E的元素均为V的非空子集；有权重的超图的定义为H＝(V,E,w)，新添加的参数w表示超图H中的每一条超边均被分配了权重w。此外，还有一种超图类型为k均值超图，其特征为超图中的每一条超边的大小(即所包含的结点数)均为k。超图划分的目的在于，将超图的节点划分为k个大致相等的部分，且出现同一个超图连接多个部分的节点的情况被最小化。

模块度：模块度被用来衡量网络的结构，一个网络的模块度越高说明该网络内部的节点联系越紧密。相应地，这些节点与其他模块的节点联系比较稀疏。模块度经常被用来寻找构造网络的最优化策略。

发明内容

本发明主要是解决现有无线传感器网络构成方案所存在的不足；提供了一种以超图作为理论基础的能量节约型无线传感器网络构造方法，从全局统筹规划无线传感器网络的拓扑结构，对各个传感器节点进行调度，从而实现一种结构合理，能耗节约型的无线传感器网络拓扑结构。通过引用超图理论，弥补了传统的简单图在信息展示以及划分算法方面的缺陷，它将无线传感器网络划分为多个簇，使整个网络拓扑结构具有层次性，所得的无线传感器网络具有高内聚和低耦合的特性。

本发明的技术解决方案是：

一种能量节约型无线传感器网络的构造和维护方法，

通过将超图理论运用于全局网络的拓扑结构规划，将无线传感器网络的拓扑结构转化为超图，并对其进行超图划分和聚类，完成高内聚和低耦合的构造；

通过定位系统来收集每个传感器节点的位置信息，在定位系统的作用下，每个节点会接受到一个时间点T，这意味着它们将在时间点T一齐向定位系统发送自己的位置信息，从而实现这些位置信息大致的同步；

通过寻找最优模块度实现对分簇的优化，被划分出来的这些簇具有高内聚和低耦合的特性，因此执行一次随机游走，其活动范围很有可能局限一个簇内，而出现跨簇的可能性比较小；

通过最小化由簇头节点和基站所组成的主干网络来控制整个网络，它们负责通信的同时，还负责维护网络的连通性、网络覆盖率以及减小整个无线传感器网络的能量消耗；

通过对无线传感器网络中传感器节点的调度来减小网络的能量消耗。处于睡眠状态的节点能够避免因为你空闲监听而造成的不必要的能量消耗，它们之后将被其所属的簇头节点唤醒，从而进入工作状态。引入空闲状态的目的在于，使其作为睡眠状态向工作状态转换的过程的缓冲，即当一个处于工作状态的节点将要转换为睡眠状态时，所有的处于睡眠状态的候补节点将进入空闲状态，然后由它们所属的簇头节点来决定最终哪些候补节点进入工作状态，而那些没有被选中的节点将重新进入睡眠状态；

通过基于RNG的功率控制来实现将所有的传感器节点的通信功率缩小到能够与它的最远邻居节点通信，从而在保证网络连通性的前提下，尽可能减小通信所造成的能量消耗。

利用超图理论实现的一种能量节约型无线传感器网络的构造和维护方法，具体构造步骤为：

步骤1：一种能量节约型无线传感器网络的构造和维护方法的实现依赖于能够获取所有的传感器节点的位置信息，所以需要一个定位系统来来收集所有的节点位置，并将这些信息存储在基站之中。基站的数量可能不止一个，但是只能在其中一个基站上运行构造方法，而其他的基站只是存储和主基站相同的信息，作为主基站的拷贝或者候补；

步骤2：主基站向每个节点发送一个时间点T，这意味着所有的传感器节点将在时间点T一齐向定位系统发送自己的位置信息，从而实现这些位置信息大致的同步；

步骤3：通过基于RNG的功率控制来调节每一个节点的通信功率，将通信功率缩小到能够与它的最远邻居节点通信，从而在保证网络连通性和覆盖率的前提下，尽可能减小通信所造成的能量消耗；