[发明专利]一种基于无线传感器网络的约束最小生成树拓扑控制方法

说明书

在无线传感器网络树形拓扑中，节点度数越高，意味着其邻居节点数量越多，也就意味着其信息交换量越大，不利于节约能量；相反，低节点度数意味着更小的路由表规模，更简单的转发规则，更简化的路由协议。为了减轻节点失效对网络连通性造成的影响，在链路选择过程中，尽量选择距离基站节点跳数少的节点；消息在传递过程中所经过的跳数越少，时延越小且成功率越高。为了实现降低节点通信能耗和时延，提高服务质量和均衡节点间负载等目标，提出了一种基于无线传感器网络的约束最小生成树拓扑控制算法。

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络控制技术领域，特别涉及一种无线传感器网络拓扑控制方法，实现降低节点通信能耗和时延，提高服务质量和均衡节点间负载等目标。

背景技术

无线传感器网络最基本的任务就是对部署区域内的物理量、事件进行监测，并将监测数据发回基站节点，即数据收集，这对应从节点到基站的上行通信。除此之外，基站还需要向节点发送必要的控制命令或设置参数，即命令广播，这对应从基站到节点的下行通信。可以说命令广播和数据采集是无线传感器网络中最基本的两类通信。

命令广播是一对多模式，其中一是基站，多是传感器节点；相反，数据采集则是多对一模式。一对多，意味着会生成同一消息的多个副本，如果不加以适当的约束，单个节点可能收到多条来自不同节点的相同消息。多对一，在汇聚过程中，会对处于接收方的节点带来接收、处理的压力，很有可能产生拥塞。

节点度数体现了节点转发的工作量大小，节点度数越大则转发工作量越大。同时，节点度数说明了拓扑中链路的数量，所以在节点度数相当的条件下，链路长度越短的拓扑结构，整体能耗较小。距离基站节点的跳数可作为数据采集时延的衡量指标，距离基站节点跳数越大，数据采集时延也就越大。消息在传递过程中所经过的跳数越少，时延越小且成功率越高。

最小生成树(MST)追求的是所有链路长度之和最小，而非追求所有节点到根节点(基站) 的跳数之和最小，任意节点失效将对整个网络的连通性造成巨大影响。因此，我们对同时满足深度约束(因为它限制了传感器之间的跳数)和最大度约束(因为它限制了中继节点的连接数量)的最小生成树构造算法特别感兴趣，在无线传感器网络邻域，以前还没有研究过。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种深度约束、度约束的最小生成树构造算法。

Prim算法是MST问题高效的多项式时间内求解算法，本文在Prim算法基础上为深度约束、度约束的最小生成树提出一个启发式求解算法。它从网络G＝(V,E,W)任意一个节点出发，每次选择满足约束条件的边e，不断的扩展一棵子树T＝(S,E₀)，直到S包括原网络的全部节点即|S|＝|V|。

其基本思想是：对V中每个节点V_i，赋予3个数值(称为标号)：(1)剩余度标号re_d(V_i)，记录该节点此时的剩余度即该节点还可接纳的最大边数；(2)深度标号u(V_i)，设出发的节点为V₀，记录在当前生成树T中V₀到该节点经过边的总数目，则当前树T的直径diam(T)为最大的2个深度标号之和；(3)前驱标号pred(V_i)，记录从V₀到该节点的路长取到u(V_i)，该路中节点V_i前面的那个直接前驱节点，前驱标号用来查找最终的生成树。从V₀出发，每次选择割中满足约束的权值最小的边，然后修改节点的标号，直到|S|＝|V|。算法具体步骤如下：