[发明专利]一种基于容错的多源异构无线传感网拓扑控制方法

摘要

本发明涉及一种基于容错的多源异构无线传感网拓扑控制方法，主要包括以下几个步骤：1)拓扑构建阶段：把监测区域划分成一个回型，然后根据几何划分方法均匀的选择一定数目的簇头；根据簇内的通信代价、节点与簇头的距离和簇头的剩余能量，非簇头节点选择加入簇；采用最小费用最大流法调整簇的大小；2)拓扑维护阶段：网络开始通信后，若某轮数据传输中有节点能量低于网络规定的阈值，则对网络进行局部调整。本发明在均衡了网络中各个节点的能耗前提下保证了网络的容错能力，延长了网络生命周期。

主权项

一种基于容错的多源异构无线传感网拓扑控制方法，其特征在于：包括如下步骤：1)首先，把监测区域分成两部分：中间是一个正方形，周围是一个回型区域包围；在中间正方形区域内选择α·H个簇头，剩下的(H‑α·H)个簇头随机分布在回型内，其中α和H分别为中间小正方形区域簇头占优比和网络中总的簇头数；先在中间正方形中随机选择一个节点作为簇头，再在与当前选定簇头的距离为d_cj的环形区域上且在该区域中的节点中选择一至两个节点作为中继节点：$\frac{m}{n}{d}_0\&le;d_{\mathrm{cj}}\&le;d_0---\left(1\right)$其中：n表示即将被选为簇头的节点在其当前的通信半径下有n个传感器节点，m表示有m个节点的能量大于这n个节点的平均能量，d₀为簇头半径；按照选择簇头，再选择中继节点，然后再选择簇头的迭代过程持续进行，直至簇头总数满足α·H个；再在外面包围的区域选择剩下的(H‑α·H)个簇头。2)继簇头数目和位置确定完毕后，当选的簇头就会向全网广播含有自己ID、当选状态、剩余能量和当前节点度的消息包，等待网络中的非簇头节点加入；3)簇调整过程：网络中的各个节点加入簇以后，使得每个簇的大小在与之间，允许至多有一个簇的大小小于；4)拓扑维护：考虑到均衡单个节点与整个网络能量的消耗，均衡网络负载，组网一段时间后当某个簇头节点k∈C(C是簇头集合)的能量值少于能量阈值(是能量阈值比例且随着网络的运行时间的增加而减小，E₀是节点的单位初始能量值)，要对簇头节点按照公式(2)至(13)进行轮换：$Y=\mathrm{Min}\underset{i}{\overset{C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\mathrm{\&gamma;}\underset{j,j\&NotEqual;i}{\overset{C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}}(e^T+e^R)\&CenterDot;l_{\mathrm{ij}}+\frac{z}{\underset{j=1}{\overset{N_{C_k}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_{\mathrm{ij}}})---\left(2\right)$约束条件：$e_{\mathrm{is}}^T+e_{\mathrm{ji}}^T+e_{j^{\&prime;}j}^T=e^T,\&ForAll;i,j,j^{\&prime;}\&Element;C_k---\left(4\right)$$e_{\mathrm{ij}}^R+e_{{\mathrm{jj}}^{\&prime;}}^R=e^R,\&ForAll;i,j,j^{\&prime;}\&Element;C_k---\left(5\right)$$e_{\mathrm{is}}^T\&le;{\mathrm{pE}}_i,\&ForAll;i\&Element;C_k---\left(6\right)$$e_{\mathrm{ji}}^T\&le;{\mathrm{pE}}_j,\&ForAll;i,j\&Element;C_k---\left(7\right)$$e_{j^{\&prime;}j}^T\&le;{\mathrm{pE}}_i,\&ForAll;j^{\&prime;},j\&Element;C_k---\left(8\right)$$e_{{\mathrm{jj}}^{\&prime;}}^R\&le;{\mathrm{pE}}_i,\&ForAll;j,j^{\&prime;}\&Element;C_k---\left(9\right)$$e_{\mathrm{ij}}^R\&le;{\mathrm{pE}}_j,\&ForAll;i,j\&Element;C_k---\left(10\right)$$\underset{j\&Element;C}{\mathrm{\&Sigma;}}{z}_i^j=1,\&ForAll;i,j\&Element;C_k---\left(11\right)$0<γ<1    (12)z>0    (13)其中，e^T为节点k所在的簇的簇内选出替代簇头节点后所有节点发送消息消耗的能量，和分别是节点k在的簇内的新选出的簇头i发送数据到sink、簇成员j发送数据到簇头i和簇成员j'发送数据到同一个簇内的簇成员j消耗的能量，e^R为点k所在的簇的簇内选出替代簇头节点后所有节点接收消息消耗的能量，和分别是节点k在的簇内的新选出的簇头i接收来自簇成员j的数据和簇成员j接收来自同一个簇内的簇成员的j'数据消耗的能量；l_ij为节点i的信道是否被利用，z为节点i分配的信道数，网络中每个节点分配的信道数为一个整数值；γ为一个调整系数；C_k是节点k所在簇；采用优化方法来求解公式(2)的最小值，然后把该最小值对应的节点推举为新的簇头节点。