[发明专利]双向度有界的三维无线传感器网络拓扑控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维无线传感器网络拓扑控制方法，具体涉及一种对三维无线传感器网络提出的双向度有界、高效节能、分布式的拓扑控制方法，属于三维无线网络拓扑控制领域，适合用于大规模、自组织、随机部署、环境复杂以及节点能量有限的无线传感器网络。

背景技术

无线传感器网络是由大量具有数据采集、处理和无线通信能力的微型低功耗传感器节点通过多跳的方式构成的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息。无线传感器网络一般具有大规模、自组织、随机部署、环境复杂、传感器节点资源有限、网络拓扑经常发生变化的特点。传感器、感知器和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。早期对传感器网络研究，几乎完全集中于理想的二维平面，它的一项基本假设是节点在二维平面分布。然而这种二维假设并不适用于水下网络，因为大多数水下传感器网络系统要求节点分布在不同深度的水域中执行感知任务。

三维无线传感器网络是由部署在三维物理空间中、具有一定感知任务的传感器节点组成的无线网络系统。现在已经有大量三维无线网络的应用，如水下静态传感器网络、移动水下设备网络、空间环境监测、森林火灾预测、部署在建筑物各层的无线网络等。尤其是近年来水下传感器网络研究的兴起，推动了三维传感器网络系统的发展。

构成三维无线传感器网络的节点体积微小，计算能力和通信能力相当有限，节点的能量依靠电池提供且不能得到后续补充。所以，传感器节点在工作过程中的能量消耗高低直接关系到整个网络的生存时间。如果每个节点都以最大功率进行通讯，不仅节点能量消耗非常迅速，而且必然会加剧节点之间信号的干扰，降低通讯效率。

拓扑控制方法是一种设置每个节点发射功率即传输范围的方法，其目标是通过控制节点的传输范围，在减少系统能量消耗的前提下，保证整个网络拓扑的连通性和覆盖性。拓扑控制在无线传感器网络研究中具有重要意义：首先，拓扑控制是一种重要的节能技术；其次，拓扑控制保证覆盖质量和连通质量；再次，拓扑控制能够降低通信干扰提高MAC协议和路由协议的效率，为数据融合提供拓扑基础；此外，拓扑控制能够提高网络的可靠性、可扩展性等其他性能。

拓扑控制在二维平面上有大量的研究结果，但国内外目前对三维空间的拓扑控制研究甚少。与二维无线传感器网络相比，三维无线传感器网络提出了许多新的问题和挑战，如他的问题难度增加；计算复杂度成倍上升；现实物理结构复杂。而且目前三维无线传感器网络的研究主要集中在其覆盖质量、连通质量和路由等问题上。经过对现有技术的文献检索发现，目前适用于三维无线传感器网络的拓扑控制方法有以下几个协议：

1)LMST(Local Minimum Spanning Tree)协议。文献《Applications of k-local MST for topology control and broadcasting in wireless ad hoc networks》所提的LMST协议能够扩展到三维网络，能够保证所处理后的网络是连通的，但是它有可能会有很大的能量消耗，即它的能量扩展因子没有界。

2)CBTC(Cone-Based Distributed Topology Control)协议。CBTC是一个能够保证网络连通性的基于方向的分布式算法，原来是一个用于二维无线传感器网络的协议。麻省理工大学的Bahramgiri等人在文献《Fault-tolerant and 3-dimensional distributed topology control algorithms in wireless multi-hop networks》中将其推广到三维空间，提出了容错的CBTC协议。其核心是检查以u为中心的角度为α的每个三维圆锥中是否都存在一个可通信的邻居节点。他们证明了当α≤2π/(3k)时，三维CBTC保持网络图的k-连通性。但是这种方法没有提供能量有界和度有界的证明，而且基于方向的算法需要可靠的方向信息，节点需要配备多个有向天线，因而对传感器节点提出了较高的要求。

3)XTC协议。Wattenhofer等人在文献《XTC：A practical topology control algorithm for ad-hoc networks》中提出一个基于邻居的拓扑控制算法——XTC协议。协议的计算只依赖于局部信息，每个节点只需要和邻居节点交换两次信息。但是他们没有对XTC在三维中的拓扑结构做任何理论和实验分析。