海上搜救无线传感器网络拓扑及拓扑控制方法技术

技术编号:10182515 阅读:244 留言:0更新日期:2014-07-03 13:04
本发明专利技术公开一种海上搜救无线传感器网络拓扑,该网络拓扑包含:若干一般传感器节点,其相互无线连接组成网络拓扑结构,实时监测搜救信息;汇聚节点,用于收集无线传感器网络的所有一般传感器节点的监测信息;汇聚节点及若干所述一般传感器节点相互间通过双向对称链路连接;当汇聚节点及若干一般传感器节点中任意两个节点间距小于其通信半径,则该两个节点直接通信,若大于通信半径,则通过其他节点以多跳形式进行通信。本发明专利技术将节点位移的影响加入网络模型中边权的计算过程;充分利用最小生成树结构拓扑冗余度低的优点;利用复杂网络的小世界特性通过删边和添加长程边减少最小生成树结构的平均距离。

【技术实现步骤摘要】
海上搜救无线传感器网络拓扑及拓扑控制方法
本专利技术涉及海上搜救无线传感网拓扑控制技术,具体涉及一种海上搜救无线传感器网络拓扑及拓扑控制方法。
技术介绍
海上搜救无线传感网主要应用无线传感网技术实现海上搜救活动当中对搜救目标的实时监测和跟踪。该网络可以弥补传统海上搜救活动当中落水目标个体基本只能等待搜救人员的搜寻这种被动的局面。不仅可以将待救援个体的位置信息发送给搜救方,无线传感器本身对环境及搜救目标的监测信息同样可以发送给搜救方,为目标的快速搜寻提供更多的有益信息。无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSN)具有自组织、自适应及鲁棒性较好的特点,其无线传感器节点体积小、成本低、功耗低的特点。在监测环境中,网络中的大量传感器节点可迅速自组织为一个适应性较好的监测网络,并且可以在恶劣环境下很好地执行任务。随着物联网时代的来临,WSN技术在海事领域的应用也逐渐兴起,如溢油检测、海事监控管理等。这些相关应用及研究为海上搜救无线传感网的研究应用提供了很好的理论及实践基础。在海上搜救无线传感网中,要解决的一个重要问题就是尽可能延长该网络的生命期,并且同时保证各节点信息可以传输给汇聚节点,以保证网络监测信息可以及时有效地传输给搜救网络中心供搜救部门使用。WSN的拓扑控制问题是在满足网络覆盖和联通度的前提下,通过功率控制盒骨干网节点选择,剔除节点间不必要的通信链路生成一个高效的数据转发的网络的拓扑结构。在WSN的网络协议当中,拓扑控制起到协调MAC层及路由层的作用,为高效的路由选择奠定基础。通过拓扑控制可以减少网络能耗,延长网络生命期,并提高网络的健壮性与稳定性。现有的拓扑控制方法主要基于功率控制和层次型拓扑控制两个方面,相关研究也较多,但由于资金、设备条件等因素,大部分拓扑控制方法仍处于理论研究阶段,所进行的实验也仅限于在仿真环境下观察这些方法的优劣,没有充分注意到在实际环境应用中要面临的诸多挑战。而对于海上搜救的环境而言,该网络节点动态性很强,节点不可替换,且要求网络生命期尽可能长,因此需要一种新的拓扑控制方法延长网络生命期并适应网络的动态变化。
技术实现思路
本专利技术提供一种海上搜救无线传感器网络拓扑及拓扑控制方法,解决海上搜救无线传感网中动态拓扑控制的问题,该拓扑控制方法可以生成网络平均距离及冗余度均较低的良好的拓扑结构。为实现上述目的,本专利技术提供一种海上搜救无线传感器网络拓扑,其特点是,该网络拓扑包含:若干一般传感器节点,其相互无线连接组成网络拓扑结构,实时监测搜救信息;汇聚节点,用于收集无线传感器网络的所有一般传感器节点的监测信息;上述汇聚节点及若干所述一般传感器节点相互间通过双向对称链路连接;当汇聚节点及若干一般传感器节点中任意两个节点间距小于其通信半径,则该两个节点直接通信,若大于通信半径,则通过其他节点以多跳形式进行通信。上述一般传感器节点包含异构节点和普通节点;上述异构节点为剩余能量充足的节点;上述普通节点为剩余能量非充足的节点;上述海上搜救无线传感器网络拓扑包含若干由一般传感器节点组成的分簇,异构节点作为各个分簇的簇首。上述无线传感器网络拓扑还包含有汇聚节点,其通过双向对称链路连接汇聚节点和/或一般传感器节点,该汇聚节点还通过卫星连接因特网。上述无线传感器网络拓扑中节点的天线为全向天线。一种上述海上搜救无线传感器网络拓扑的拓扑控制方法,其特点是,该方法包含:无线传感器网络通过最小生成树方法形成初始拓扑结构;对初始拓扑结构的无线传感器网络进行删边分簇;根据节点剩余能量选出各分簇的簇首,建立簇首边的长程边。上述无线传感器网络形成初始拓扑结构时,利用节点收发数据的能耗及节点位移,建立无线传感器网络中最小生成树的权重计算方法,并求得边权重。上述无线传感器网络最小生成树的权重计算方法包含:节点i,j间传输k比特数据时总能耗Cij(k,di)如式(1):Cij(k,dij)=ER(k)+ET(k,dij)(1)其中,ER(k)为节点接收k比特数据时的能耗,ET(k,dij)为节点i发送k比特数据到节点j所消耗的能量;无线传感器网络边权重Wij如式(2):其中,Re(i)为节点i的剩余能量,Δs为节点i的位移,λ+δ+ξ=1,且需满足对于从节点i到节点j的一条连接边,边聚集系数为式(3):其中,是以aij为一边的三角形的数量,min[(ki-1)(kj-1)]代表可能的最大数量,边聚集系数描述的是链路内通信的紧密程度;上式(2)、(3)中,ξ表示位移影响度,节点相互远离时ξ<0,相互靠近时ξ>0;ξ取[0,1]间的一个随机小数,如式(4):上述拓扑控制方法还包含:求基于边权重的最小生成树,并对最小生成树所包含的边的边聚集系数进行从大到小的排序。上述求基于边权重的最小生成树包含:从无线传感器网络任意的一个节点开始,寻找与该节点连接权重最小边的邻居节点,并将该节点和边分别加入生成树的点集和边集;随后在点集内以同样方式寻找与该点集相连的权重最小边的节点,继续加入点集和边集,直到无线传感器网络的最小生成树构建完成。上述无线传感器网络删边分簇包含:将边聚集系数最小的边删除,形成若干分簇,若分簇中一般传感器节点距离汇聚节点的平均距离小于5,且分簇中节点的数量小于15,则继续删边,直至一般传感器节点距离汇聚节点的平均距离和分簇中节点的数量满足要求。本专利技术海上搜救无线传感器网络拓扑及拓扑控制方法和现有技术的海上搜救技术相比,其优点在于,本专利技术将节点位移的影响加入网络模型中边权的计算过程;充分利用最小生成树结构拓扑冗余度低的优点;利用复杂网络的小世界特性通过删边和添加长程边减少最小生成树结构的平均距离;本专利技术优化动态环境下的拓扑控制过程,对环境及节点的移动进行了充分考虑,并利用最小生成树结构降低网络的冗余度,减少不必要通信链路造成的能耗;本专利技术利用复杂网络的小世界特性,即依据网络的边聚集系数对最小生成树的结构进行删边和添加长程边操作,将剩余能量较多节点作为各部分子网的簇首,簇首对簇内节点的监测信息进行收集融合以供转发,簇首间相互通信并与汇聚节点进行通信,该方法可以有效降低网络平均距离进而减少网络能耗。附图说明图1为本专利技术海上搜救无线传感器网络拓扑的结构示意图;图2A为广播消息后节点与获取的邻居节点链路关系图;图2B为以加权最小生成树的初始拓扑结构图;图2C为无线传感器网络删边分簇后的拓扑结果图;图3A为本专利技术拓扑控制方法、现有技术分簇拓扑控制协议与分布式拓扑控制方法的平均节点度对比图;图3B为本专利技术拓扑控制方法、现有技术分簇拓扑控制协议与分布式拓扑控制方法的平均距离对比图;图3C为本专利技术拓扑控制方法、现有技术分簇拓扑控制协议与分布式拓扑控制方法的平均能耗对比图。具体实施方式以下结合附图,进一步说明本专利技术的具体实施例。如图1所示,本专利技术公开一种海上搜救无线传感器网络拓扑,该网络拓扑包含:汇聚(sink)节点1和若干一般传感器节点。若干一般传感器节点相互无线连接组成网络拓扑结构,实时监测搜救信息。汇聚节点1用于收集无线传感器网络的所有一般传感器节点的监测信息,如位置、生命体征、环境等信息。汇聚节点通过卫星连接因特网,将无线传感器网络检测到的信息通过卫星传输至因特网。汇聚节点1与一般传感器本文档来自技高网
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海上搜救无线传感器网络拓扑及拓扑控制方法

【技术保护点】
一种海上搜救无线传感器网络拓扑,其特征在于,该网络拓扑包含:若干一般传感器节点,其相互无线连接组成网络拓扑结构,实时监测搜救信息;汇聚节点,用于收集无线传感器网络的所有一般传感器节点的监测信息;所述汇聚节点及若干所述一般传感器节点相互间通过双向对称链路连接;当汇聚节点及若干一般传感器节点中任意两个节点间距小于其通信半径,则该两个节点直接通信,若大于通信半径,则通过其他节点以多跳形式进行通信。

【技术特征摘要】
1.一种海上搜救无线传感器网络拓扑的拓扑控制方法,其特征在于,该方法包含:无线传感器网络通过最小生成树方法形成初始拓扑结构;对初始拓扑结构的无线传感器网络进行删边分簇;根据节点剩余能量选出各分簇的簇首,建立簇首边的长程边;所述无线传感器网络形成初始拓扑结构时,利用节点收发数据的能耗及节点位移,建立无线传感器网络中最小生成树的权重计算方法,并求得边权重所述无线传感器网络最小生成树的权重计算方法包含:节点i,j间传输k比特数据时总能耗Cij(k,di)如式(1):Cij(k,dij)=ER(k)+ET(k,dij)(1)其中,ER(k)为节点接收k比特数据时的能耗,ET(k,dij)为节点i发送k比特数据到节点j所消耗的能量;无线传感器网络边权重Wij如式(2):其中,Re(i)为节点i的剩余能量,Δs为节点i的位移,λ+δ+ξ=1,且需满足对于从节点i到节点j的一条连接边,边聚集系数为式(3):

【专利技术属性】
技术研发人员:吴华锋张倩楠张寿春
申请(专利权)人:上海海事大学
类型:发明
国别省市:上海;31

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