一种三维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法技术

本发明专利技术涉及一种三维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法，属于无线传感器网络技术领域。本发明专利技术首先对仿真环境进行初始化，所有节点都处于发现状态，每个节点有一个唯一的标志，所有节点根据位算法获取各自当前的定位坐标信息；然后根据所有节点当前的定位坐标信息和所有节点的通信半径，将整个三维空间依据六棱柱分割构型划分为多个单元格，并且每个节点记录自己所在的单元格标志；接着每个单元格内的普通节点生成自身的节点交换信息；再接着每个单元格内的普通节点共同进入簇头选举阶段，选举出每个单元格内的簇头节点；最后每个单元格内的普通节点进入簇头轮换阶段。本发明专利技术运用空间分簇、簇内休眠和状态转换机制有效地节省了能耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种三维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法，属于无线传感器网络

技术介绍
在无线传感器网络中的传感器节点，都假定分布在二维平面上。这对于部署在地面或是网络高度小于节点传输半径的网络来说是非常好的近似方法。在这些网络中，网络的高度相比其长度和宽度可以被忽略。然而这种二维平面假设对于水下、空中、地下、建筑物等网络高度大，节点在三维空间分布的场景就不适用了。尽管这些网络目前的应用比较少，但是三维无线传感器网络在很多领域中的运用越来越普遍。例如，水下自组织传感器网络已经引起了大量的关注。在水下传感器网络中，节点部署在水下不同的深度构成三维网络；高空自组织传感器网络也引起了广泛关注，现有很多利用四旋翼无人机作为传感器节点，以自组织形式、或人为编排形成一种高空传感器网络，而在高空部署无线传感器网络可以更好地帮助我们进行天气预测和气候监测等高空作业、监测、检测等活动。当前有许多基于分簇的网络协议，其中一些协议基于节点的定位信息划分虚拟网格实现对节点的分簇，再通过簇内的算法进行实现拓扑控制。但是三维空间的通信环境更加复杂，有着更严格的能量约束，尤其是在高空中以四旋翼无人机作为网络节点，以自组织或者认为编排形成的无线传感器网络。在三维应用场景中，现有的网络分簇方法并不理想。本专利技术提出的方法基于节点定位信息进行空间网格分簇，同时改进簇内算法，实现面向能耗优化的三维无线传感器网络拓扑控制，尤其适用于以四旋翼无人机作为网络节点，以自组织或者认为编排形成的无线传感器网络。
技术实现思路
本专利技术提供了一种三维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法，以用于实现面向能耗优
化的三维无线传感器网络拓扑控制。本专利技术的技术方案是：一种三维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法，首先对仿真环境进行初始化，所有节点都处于发现状态，每个节点有一个唯一的标志，所有节点根据位算法获取各自当前的定位坐标信息；然后根据所有节点当前的定位坐标信息和所有节点的通信半径，将整个三维空间依据六棱柱分割构型划分为多个单元格，并且每个节点记录自己所在的单元格标志；接着每个单元格内的普通节点生成自身的节点交换信息；再接着每个单元格内的普通节点共同进入簇头选举阶段，选举出每个单元格内的簇头节点；最后每个单元格内的普通节点进入簇头轮换阶段。所述方法具体步骤如下：Step1、对仿真环境进行初始化，所有节点都处于发现状态，每个节点有一个唯一的标志node_id，所有节点根据GAF定位算法获取各自当前的定位坐标信息；其中，所有节点由汇聚节点、普通节点组成；仿真环境采用六棱柱作为三维空间的分割构型；Step2、根据所有节点当前的定位坐标信息和所有节点的通信半径，将整个三维空间依据六棱柱分割构型划分为多个单元格，并且每个节点记录自己所在的单元格标志cell_id；Step3、每个单元格内的普通节点生成自身的节点交换信息M；其中，节点交换信息M的结构为<node_id,cell_id,state,Ei>，state为当前节点状态，Ei为节点剩余能量，节点状态分为发现状态和休眠状态；Step4、每个单元格内的普通节点共同进入簇头选举阶段，选举出每个单元格内的簇头节点：每个单元格内的普通节点向单元格内的其他节点发送广播消息，当普通节点发送的广播消息最先被其他普通节点接收到，则该普通节点作为簇头节点，并进入激活状态；除作为簇头节点之外的其他普通节点作为非簇头节点，并进入休眠状态，关闭通信；Step5、簇头轮换阶段：a)如果单元格在汇聚节点附近，则该单元格内的簇头节点强制工作Tf时间，非簇头节点强制休眠Tf时间，经过Tf时间后单元格内的全部节点进入发现状态，接着单元格内的全部节点共同进入簇头轮换；b)如果单元格不在汇聚节点附近，则该单元格内的簇头节点强制工作Tp时间，非簇头节点强制休眠Tp时间，经过Tp时间后单元格内的全部节点进入发现状态，接着单元格内的全部节点共同进入簇头轮换；其中，Tf<Tp；簇头轮换具体为：分别计算单元格内每个节点的剩余能量因子fe，如果fe<0，则该节点作为非簇头节点，并进入休眠状态，关闭通信；如果fe≥0，则对单元格内所有fe≥0的节点采用步骤Step4的方式竞争簇头，选举出的簇头节点进入激活状态，非簇头节点进入休眠状态。所述剩余能量因子其中，Ei表示当前节点剩余能量，表示单元格内全部节点的平均能耗；当时，fe＝0。本专利技术的工作原理是：采用六棱柱作为三维空间的分割构型，同时采用不规则的堆砌方案以减少需要的节点数，其空间划分结构如图1所示。从图1中可以看出，以两层为例，上下两层单元格，下层三个相邻单元顶面的中心是上层一个单元的三个顶点，上层单元底面的中心是下层三个相邻单元顶面邻边的交点，如此摆放就得所需要的虚拟单元空间划分模型。对于一个六角棱柱单元来说，它一共有12个相邻单元，其中6个是同层单元，另外6个在上下两层各有3个。对划分模型进行计算，假设六棱柱单元六边形面的边长为a，棱柱的高为b，节点的通信和传感半径为r，两种类型的相邻单元如图2、3所示，图2表示的是同层邻接单元，图3表示的是隔层邻接单元，线段AB和A'B'就分别代表两种类型相邻空间单元内节点所能相距最远的距离。从图2、3中可以看出，如果要保证邻接单元之内的通信，必须满足和令AB＝A′B′＝r，解方程可以得到和此时，所有的相邻两个单元格可以刚好满足通信半径的约束。其中，当时，fe＝0；Ei表示当前节点剩余能量，表示单元格内全部节点的平均能耗，这两个参数的比值衡量出节点相对簇内，可以使剩余能量不低于簇内节点平均值的节点成为簇头的机率更大；当节点能量小于平均值时为负值，此时剩余能量因子也为负值，表示节点不成为簇头，这样可以更好地在簇内平衡能耗，使簇内节点能量更平均。本专利技术的有益效果是：本专利技术运用空间分簇、簇内休眠和状态转换机制有效地节省了能耗，特别当节点数较多时，能耗优化的效果更为明显，能够大大减少参与中转的节点数，虚拟单元划分以及相应调度机制能够很好地均衡网络负载，节点剩余能量分布趋于均匀，延长网络的生存周期。附图说明图1为本专利技术的空间单元格划分结构示意图；图2为本专利技术的邻接空间单元结构示意图一；图3为本专利技术的邻接空间单元结构示意图二；图4为本专利技术的执行流程示意图；图5为本专利技术实施例4中50％节点死亡时间比较图；图6为本专利技术实施例4中50％节点死亡时节点剩余能量对比图。具体实施方式实施例1：如图1-6所示，一种三维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法，首先对仿真环境进行初始化，所有节点都处于发现状态，每个节点有一个唯一的标志，所有节点根据位算法获取各自当前的定位坐标信息；然后根据所有节点当前的定位坐标信息和所有节点的通信半径，将整个三维空间依据六棱柱分割构型划分为多个单元格，并且每个节点记录自己所
在的单元格标志；接着每个单元格内的普通节点生成自身的节点交换信息；再接着每个单元格内的普通节点共同进入簇头选举阶段，选举出每个单元格内的簇头节点；最后每个单元格内的普通节点进入簇头轮换阶段。所述方法具体步骤如下：Step1、对仿真环境进行初始化，所有节点都处于发现状态，每个节点有一个唯一的标志node_id，所有节点根据GAF定位算法获取各自当前的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法，其特征在于：首先对仿真环境进行初始化，所有节点都处于发现状态，每个节点有一个唯一的标志，所有节点根据位算法获取各自当前的定位坐标信息；然后根据所有节点当前的定位坐标信息和所有节点的通信半径，将整个三维空间依据六棱柱分割构型划分为多个单元格，并且每个节点记录自己所在的单元格标志；接着每个单元格内的普通节点生成自身的节点交换信息；再接着每个单元格内的普通节点共同进入簇头选举阶段，选举出每个单元格内的簇头节点；最后每个单元格内的普通节点进入簇头轮换阶段。

【技术特征摘要】
1.一种三维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法，其特征在于：首先对仿真环境进行初始化，所有节点都处于发现状态，每个节点有一个唯一的标志，所有节点根据位算法获取各自当前的定位坐标信息；然后根据所有节点当前的定位坐标信息和所有节点的通信半径，将整个三维空间依据六棱柱分割构型划分为多个单元格，并且每个节点记录自己所在的单元格标志；接着每个单元格内的普通节点生成自身的节点交换信息；再接着每个单元格内的普通节点共同进入簇头选举阶段，选举出每个单元格内的簇头节点；最后每个单元格内的普通节点进入簇头轮换阶段。2.根据权利要求1所述的三维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：Step1、对仿真环境进行初始化，所有节点都处于发现状态，每个节点有一个唯一的标志node_id，所有节点根据GAF定位算法获取各自当前的定位坐标信息；其中，所有节点由汇聚节点、普通节点组成；仿真环境采用六棱柱作为三维空间的分割构型；Step2、根据所有节点当前的定位坐标信息和所有节点的通信半径，将整个三维空间依据六棱柱分割构型划分为多个单元格，并且每个节点记录自己所在的单元格标志cell_id；Step3、每个单元格内的普通节点生成自身的节点交换信息M；其中，节点交换信息M的结构为<node_id,cell_id,state,Ei>，state为当前节点状态，Ei为节点剩余能量...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晶，马晨，肖智斌，李英娜，江虹，范洪博，郭立，王斯韬，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53