[发明专利]一种基于移动节点的无线传感器网络分簇拓扑控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络拓扑方法，主要采用基于不对称能量分布和引入移动节点的方法来解决无线传感器网络信息高效传输的问题，属于分布式计算、自组织、拓扑控制交叉技术应用领域。

背景技术

无线传感器网络是由大量节点组成的特殊的无线网络，它实现了复杂环境下的数据感测、收集与分析等功能。无线传感器网络中的节点具有体积小、计算能力有限、依靠无线电波通讯、电池供电等特点，这些特性决定了无线传感器网络要在具体环境中以最优的方式工作，还有许多待解决的问题。拓扑控制是无线传感器网络中重要的优化方法。调整节点信号发射功率和规划节点的睡眠是拓扑控制中的主要方法。

在无线传感器网络中，拓扑控制的主要目的是在保证网络连通性的前提下，通过改善网络的拓扑结构，达到优化网络的性能、提高稳定性、降低能量消耗，延长网络生命期等目的。在不同的研究各有侧重，现将这些目标总结如下：

连通性：拓扑控制的最基本要求是保证网络的连通性，否则，破坏了网络的连通性的拓扑控制将会影响到更上层应用的可用性。这一目标可以更明确地表示为，拓扑控制要保证在最大传输图中通过若干跳可达的节点在生成的拓扑控制图中仍然可达。

能源效率：当发送节点向接收节点传送数据，需要消耗能量，这种数据传送中的能量开销在节点的总能量开销中比例很大，并且，保证正常通讯所需要的最小能量开销随着距离的增长呈指数级增长。因此，尽量降低能量开销通常是拓扑

控制在保证连通性的基础上的最主要目标。

减少干扰：节点间传播介质的共享性和开放性，可能带来通讯干扰，也可能

造成数据发送的冲突，从而产生大量重传，这些都会造成额外的能量开销。所以许多拓扑控制研究的方案旨在通过合理设置节点的信号发射功率降低节点间的通讯干扰。

网络稀疏性：无线节点的计算能力是有限的，所以保证网络的稀疏性对于提高网络的可扩展性至关重要。通过保证网络的稀疏性，即链路数和节点数的线性关系，可以降低路由协议进行路由选择时的复杂性，改善网络的扩展性。

近几年来，分布式无线传感器网络因其广泛的应用受到研究领域的重视。在环境监控、工业控制、智能家居等常见的应用中领域，分布式无线传感器网络往往比集中式效率更高。但是随着研究的深入，我们面临着进一步提高效率和节省成本的需求压力。目前在研究和应用领域引入移动节点还比较少见，但移动节点的应用渐渐成为解决无线传感器网络众多问题的一个突破点和亮点。本发明将分布式控制和移动节点相结合，基于不对称能量分布，提出了一种高效率、自组织的拓扑控制方案，在研究和实际应用领域有比较高的参考价值。

发明内容

技术问题： 本发明的目的是应用移动传感器节点实现一种高效的无线传感器网络拓扑控制协议。本发明基于分簇式两级网络结构，在协议运行过程中引入分布式思想，使用不对称能量分布，实现无线传感器网络良好的连通性、稳定性和低能量消耗，对延长网络生命期起到关键作用。本协议为设计高效无线传感器网络拓扑控制提供了一种新设计思想，解决了常用拓扑控制方法的不足。

技术方案：本发明所述基于不对称能量分布和移动节点的分簇拓扑控制方法基于地理位置采用移动节点改善丢包率高的弱连接，将不对称的能量分布引入分布式簇头竞争，极大提高了网络的连接性和覆盖性，延迟了网络生命期。本发明使用两级时间轮片方式进行簇内静态拓扑控制，使位置相近的两个普通节点对外表现为一个节点，进一步节省了能耗。

   一、体系结构

本发明所述的基于不对称能量分布和移动节点的无线传感器网络分簇拓扑

控制方法具有两级分簇网络结构。无线传感器网络中使用的节点分为移动节点和普通节点。地理位置很近的两个普通节点将配对交替工作，对外表现为一个节点。网络中移动节点基于剩余能量参与簇头的竞争，和相关普通节点维持簇结构，延长无线传感器网络的生命期。在无线传感器网络运行过程中，空闲移动节点将移动到高丢包率的连接处进行数据转发，提高网络的连通性。

所述拓扑控制方法中的节点分为移动节点和普通节点，节点具备感知自己和邻居节点地理位置的能力。普通节点的采用固定的信号覆盖半径，移动节点的信号能覆盖所有节点。

所述不对称能量分布是指移动节点拥有远高于普通节点的能量，在簇头竞争过程中移动节点成为簇头的概率大于普通节点。

所述拓扑控制方法中每个移动节点都维护空闲移动节点表，空闲移动节点表

以洪泛方式进行动态更新。

二、方法流程