[发明专利]基于分簇优化的无线传感器网络拓扑控制算法

说明书

本发明涉及一种基于分簇优化的无线传感器网络拓扑控制(CLTC)算法，其主要技术特点是基于树型网络模型，利用分簇思想将网络分割为不同的簇，簇内运用最小生成树算法，确定邻居节点关系，降低节点通信碰撞；簇间通过簇头连接通信，形成优化的骨干网络拓扑。本发明设计合理，在复杂度相似的情况下能够显著提高构建网络拓扑结构速度，减少网络通信开销，有效降低节点平均能耗，延长无线传感器网络生命周期。

技术领域

本发明属于传感器网络通信技术领域，尤其是一种基于分簇优化的无线传感器网络拓扑控制算法CLTC(cluster and local optimization topology control)。

背景技术

无线传感器网络中节点计算能力和通信能力有限，而且采用供电电池能量也十分有限，所以除了要设计能量高效的网络协议之外，还要设计优化的网络拓扑控制。良好的拓扑控制是一种重要的节省网络能耗的技术；可保证网络覆盖的质量和连通质量；降低通信干扰、提高路由协议和MAC(Media access control)协议的效率，为数据融合提供拓扑基础。总之网络拓扑控制对于自组织的无线传感器网络性能影响较大。

目前分布式拓扑控制方法主要集中在节点功率控制和层次拓扑控制两个方面。LEACH(Low-energy adaptive clustering hierarchy)是目前比较典型的分层拓扑控制算法之一，LEACH算法对节点分簇，通过概率随机选取簇头，相邻节点动态地组成簇。簇内节点将数据发送给簇头，簇头进行数据融合后单跳发送给基站。LEACH算法可使网络中节点等概担任簇头，节省节点能量，延长网络寿命，但是提出的簇头选举机制没有考虑节点的具体位置，选举出的簇头分布并不均匀，可能导致网络内节点剩余能量不均衡，将会增加其成为盲点机会，过多的盲点会降低网络的生命周期。LMST(Local minimum spanning tree)是较为典型的功率控制算法之一，其基本思想是每个节点会收集它的邻节点，将能量代价作为连接权重，通过全局调整局部独立构建的最小生成树，最终实现拓扑的双连通，能有效地降低维持全局连通的传输功率，减少网络中冗余链路，减少节点竞争通信，提高节点能量利用率，且生成拓扑中节点度的上限值为6，但算法忽略了产生拓扑的健壮性。

在无线传感器网络中存在节点分布不均匀的情况。在某些局部区域内，节点数量多、密度大。若节点都以最大发送功率通信，将导致局部通信竞争激烈，网络吞吐量急剧下降。因此需要减少邻居节点间发生冲突概率，提高节点能量利用率。

综上分析，构建健壮的网络拓扑结构是提高无线传感器网络的生命周期关键技术之一。而健壮的网络拓扑结构可有效降低网络中冗余链路，减少节点干扰和通信竞争，提高节点能量利用率，降低网络能耗，延长网络寿命。

发明内容

木发明的目的在于克服现有无线传感器网络拓扑结构控制算法的不足，综合LEACH算法和LMST算法的优点，利用分簇方法，将网络按一定的规则划分不同的簇；簇内运用LMST算法，确定邻居节点关系，并调整节点发送功率，减少节点通信碰撞；簇间通过簇头连接，形成优化的骨干网络拓扑，减少冗余链路和节点间干扰，降低网络能耗，延长网络寿命。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：基于分簇优化的无线传感器网络拓扑控制算法，包括以下步骤：

步骤1：构建基于汇聚节点作为中心节点的树型结构无线传感器网络模型。

步骤2：网络拓扑分簇过程。首先，汇聚节点发起簇头(ClusterHead)选取过程，发送建立相邻节点消息，在确定其邻节点集合后，汇聚节点依据相应的规则从相邻节点集合中选择部分节点作为源簇头(指由Sink节点发起并确定的簇头节点)，并向这些源簇头发送建立簇头消息，同时设置好前后继关系；其次，源簇头并行向网络发送建立邻节点消息，确定各自的邻节点集合后，按照与源簇头相同的选取原则确定新的簇头；新选举的簇头重复上述过程，直至完成整个网络的分簇(Cluster)。