[发明专利]无线传感网中的基于连通支撑树的骨干结构构造方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感网络协议技术领域，具体涉及一种无线传感网中的网络结构计算方法。该方法主要用于由可充电节点和不可充电节点组成的无线传感器网络中，通过构造连通支撑集的方法，构建骨干网络结构。在该结构的构造过程中，优先选择可充电节点担任骨干结构节点，当需要选择不可充电节点担任骨干节点时，将选择数量尽量少、剩余能量尽量高的节点，以达到延长网络生命期的目的。

背景技术

近些年来，无线多跳网络（无线传感器网络、移动Ad hoc网络、无线mesh网络等）领域的相关技术得到了学术界和工业界的广泛关注，并取得了迅猛的发展。

在这一领域的诸多研究方向中，尽可能的延长无线传感器网络的工作寿命成为无线传感器网络设计中的关键问题之一。由于受到成本和体积等因素的限制，大多数普通无线传感器网络节点的电池容量都十分有限且无法得到补充。为提高无线传感器网络的寿命，通过在网络中布设一部分可充电节点（如具备太阳能电池的网络节点），并设计能量高效型网络协议以利用这些节点分担较多的通信任务，在许多应用环境中收到了良好的效果，成为一种被人们普遍接受的提高网络寿命解决方案。

构造网络骨干结构是优化无线传感网性能、延长网络寿命的一种重要方法。这里，网络骨干结构，也称作网络的连通支撑集，指网络中的节点或者属于该集合或者至少有一个邻居节点属于该集合。已有研究成果显示，在无线传感网中，构建最小连通支撑集是NP完全问题。在多项式时间内，依据网络实际情况和应用需求有针对性地构造低代价网络生成树，同时贴合网络和应用需求，有利于更好地完成网络的工作任务。对于同时存在可充电节点和不可充电节点的无线传感器网络，针对节点不同的能量情况，在网络中建立低代价连通支撑集合，可以极大提高网络的能量利用效率，从而提升网络生存期。

发明内容

本发明涉及一种基于连通支撑树的骨干结构构造方法。该方法主要用于在无线传感网中，针对可二次充电节点和不可二次充电节点不同的能量情况，在构造连通支撑集时，优先选择可二次充电节点，降低不可二次充电节点被选机会，当必须选择一个或一些不可二次充电节点才能形成连通支撑集时，优先选择剩余能量高的节点加入到连通支撑集中，从而尽量减少不可二次充电节点的工作量以及其能耗、延长网络寿命。

令G(V,E)代表网络图，其中V(G)代表节点的集合、E(G)代表网络中边的集合；图中两个节点x∈V(G)和y∈ V(G)-{x}之间的距离记做d_xy，如果满足d_xy ≤ R，则称边(x,y)∈E(G)，“-”代表集合的减法运算，每个节点配备一套全向天线，R代表节点的最大传输半径；对于网络中的一个节点x, N(x)代表节点x的一跳邻居节点集合，其中x∈V(G)，对于y∈ N(x)，有(x,y)∈E(G)；网络中的节点包含可二次充电节点和不可二次充电节点，可二次充电节点可以通过太阳能、机械方式等手段从自然界获取能量并转化为电量，可二次充电节点集合记做A，不可二次充电节点由电池供电，该节点集合记做B，A+B=V(G)， 其中“+”代表集合的加法运算或称合并运算；E_u代表节点u的剩余能量，u∈B，对于v∈N(u), 则链路代价c(u,v)=1/E_u；对于u∈A，则其每一条出行链路的代价都设为0。

本方法的目标是建立低代价高能效连通支撑集合；如果G(V,E)是不连通的，则网络不存在连通支撑集，任务失败返回。

其中基于连通支撑树的骨干结构的具体构造方法为：

集合W代表白色节点集合，初始时所有节点属于白色节点集合，即尚未与已构建的集合建立任何关系；集合GREY代表灰色节点集合，表示这类节点已经与已构建的集合中的一个或一些节点建立相邻关系，但其相关计算尚未完毕；集合P代表已经计算完毕的节点集合，其包括以下步骤：

1）先将所有可二次充电节点设为已计算完毕的节点，且网络中的所有其它节点设为白色节点，灰色节点集为

2）P内的任意节点x，如果有白色节点u∈N(x)，则将该白色节点变更为灰色节点；

3）如果W不为空，则选择集合GREY中白色邻居最多的节点x，如果不唯一，则从白色邻居最多的节点中随机选择节点x；将该选择的灰色节点变更为计算完毕的节点；如果有白色节点u∈N(x)，则将该白色节点变更为灰色节点；重复此步骤，直到W为空；