一种无线传感器网络拓扑结构的构建方法技术

本发明专利技术涉及一种无线传感器网络拓扑结构的构建方法，所述方法包括：上位机计算无线传感器网络能量消耗最小时需要的簇头数量，每个节点寻找其邻居节点，每个节点计算其覆盖均匀度，根据每个节点的剩余能量和每个节点的覆盖均匀度计算权值，构建最小支配集MDS，构建连通支配集CDS，当有新的节点加入或者所述节点退出所述无线传感器网络时，重复以上步骤，完成所述拓扑结构的构建。本发明专利技术通过将无线传感器网络中节点形成分簇拓扑结构，可以保证数据在不失真的情况下，最大限度的发挥节能效果延长无线传感器网络寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种无线传感器网络拓扑结构的构建方法
本专利技术涉及一种无线传感器网络拓扑结构的构建方法，尤其涉及到一种基于率失真函数而建立的无线传感器网络拓扑结构。
技术介绍
无线传感器网络在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防控反恐等方面展现的广阔的应用前景引起了世界学术界和工业界的高度重视并引发了无线传感器网络研究的热潮。无线传感器网络中，由于传感器节点能量有限，如何最大限度地利用能源、减小网路能量消耗是关键问题之一。而拓扑控制无疑是无线传感器网络中一种有效的节能方法，而分簇的层次性拓扑结构广泛应用于无线传感器网络中。另一方面，在通信要求中低功耗是首要考虑的因素，而节点传输数据的能量消耗要远远大于节点计算数据的能量消耗，所以降低网络总能量消耗的重要途径是把节点传输的总数据量降低下来。在满足一定的失真度的前提下传输的数据量就可以满足需求，即在基站可以还原数据信息而没有必要把传感器节点采集到的数据全部传输到基站节点，从保证失真度的角度考虑传输多少数据量就能满足要求，这样结合数据融合思想的层次性网络结构，能最大限度的保证采集区域中的节点向上层传输的数据量是最小的，同时能达到数据不失真的目的。因此，在无线传感器网络中，怎样保证在数据不失真的情况下，最大限度的发挥节能效果延长网络寿命，拓扑控制成为一个急需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种无线传感器网络中基于率失真函数的拓扑结构构建方法，以提高无线传感器网络整体的节能效果，延长网络寿命。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种无线传感器网络拓扑结构的构建方法，所述方法包括以下步骤：步骤1：上位机根据无线传感器网络中传输来的三部分能量消耗参数计算出所述无线传感器网络能量消耗最小时需要的簇头数量；所述三部分能量消耗包括无线传感器网络初始启动时终端传输数据至簇头所消耗的能量、簇头压缩数据所消耗的能量以及簇头传输数据至基站所消耗的能量；步骤2：每个节点运行寻找邻居节点算法找到其邻居节点；步骤3：每个所述节点计算其覆盖均匀度；步骤4：根据每个所述节点的剩余能量和每个所述节点的覆盖均匀度计算权值；步骤5：构建最小支配集MDS，具体步骤如下：步骤a：当所述节点具有以下特征：在所有一跳邻居节点中和所有的一跳邻居节点的一跳邻居节点中具有最高的W值时，则所述节点作为MDS的成员之一，标记为C1；C1节点把其ID号传输给所述上位机，所述上位机记录下来，并把簇头数量从K减小为K-1；步骤b：所述上位机在所述无线传感器网络内除C1之外的节点重新寻找具有步骤a中特征的节点，标记为C2，由此所述上位机的簇头数量从K-1减少到K-2；步骤c：重复步骤a到步骤b直到所述上位机中簇头数量减少为零；所述无线传感器网络中得到了K个簇头，标记为C1，C2……Ck。步骤6：构建连通支配集CDS，具体步骤如下：步骤d：任意选择所述无线传感器网络中的两个簇头，并判断之间的距离，如果是三跳，则执行步骤e；如果是两跳，则执行步骤f；步骤e：在所述两簇头之间的最短路径上寻找具有最大权值的节点作为扩展的门节点加入到MDS中，连接所述门节点和与其相邻的两个簇头；同时所述门节点把其信息传输给所述上位机存储；循环处理直到找到所有的门节点，并把所有的门节点信息存储到所述上位机中；步骤f：在所述两簇头之间最短路径上选择具有最大权值的节点作为网关节点加入到MDS中，连接所述网关节点和与其相邻的两个簇头；同时所述网关节点把其信息传输给所述上位机存储；循环处理直到找到所有的网关节点，并把所有的网关节点存储到所述上位机中。步骤7：当有新的节点加入或者所述节点退出所述无线传感器网络时，重复步骤2到步骤6，完成所述拓扑结构的构建。所述无线传感器网络中的所有节点的初始状态包括所述节点的ID号、初始能量、位置信息和激活/睡眠状态；所述无线传感器网络中的所有节点的初始状态存储在所述上位机中，并且在整个所述无线传感器网络中共享参数；所述无线传感器网络中的所有节点按照所述节点本身所携带的算法完成自身的激活与睡眠状态之间的转换。所述步骤1中采用以下公式计算所述无线传感器网络能量消耗最小时需要的簇头数量：其中，a为圆形区域的半径，α'为能量消耗系数，α1为回路能量消耗系数，α2为天线能量消耗系数，dchar为区域特征半径，α'＝(α1+α2dchar)/dchar，n为圆形区域内无线传感器节点的个数，r为数据传输的速率，δ是路由影响系数，β为数据压缩系数，R(D)为率失真函数，γ为压缩率。c为过压缩，k0为圆形区域内簇头初始数量，k为能量最小化的簇头数量。所述步骤3中采用以下公式计算节点的覆盖均匀度：其中，Ui为第i个节点的覆盖均匀度，Ki为第i个节点的邻居节点数目，Di,j为无线网络中第i个节点和第j个节点的距离，Mi为第i个节点与它的其邻居节点之间的距离均值。所述步骤4中采用以下公式计算权值W：其中Wi是第i个节点的权值，Esi为第i个节点的剩余能量，Ui为第i个节点的覆盖均匀度。本专利技术的有益效果为：本专利技术通过将无线传感器网络中节点形成分簇拓扑结构，可以保证数据在不失真的情况下，最大限度的发挥节能效果延长无线传感器网络寿命。本专利技术中构建MDS步骤中的簇头数量是预先计算出来的，以能量最小化和率失真函数为基础计算簇头数量的方法，最大化的保证了无线传感器网络中节能效果。本专利技术用无线传感器网络节点的覆盖均匀度和节点剩余能量两个因素来计算权值，再依据权值的大小来依次选择簇头。这样就保证了簇头节点在网络中的均匀分布，不至于造成无线传感器网络区域中的覆盖空洞。附图说明：附图1为本专利技术所述的无线传感器网络拓扑结构的构建方法原理示意图附图2为本专利技术所述的MDS构建过程示意图附图3为本专利技术所述的CDS构建过程示意图具体实施方式：为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例对本专利技术作进一步详细说明。但所举实例不作为对本专利技术的限定。一种无线传感器网络拓扑结构的构建方法，所述无线传感器网络中的所有节点的初始状态包括所述节点的ID号、初始能量、位置信息和激活/睡眠状态；所述无线传感器网络中的所有节点的初始状态存储在上位机中，并且在整个无线传感器网络中共享参数；所述无线传感器网络中的所有节点按照节点本身所携带的算法完成自身的激活与睡眠状态之间的转换；所述方法包括以下步骤：步骤1：在无线传感器网络中，可以用LEACH算法预先启动，根据设定的无线传感器网络区域中节点的个数、区域半径、路由影响系数、以及区域当中的以簇头位置作为簇的圆心坐标计算出传感器节点到簇头节点的距离，然后根据率失真函数、数据融合的能量消耗系数、回路能量消耗系数、数据传输速率、压缩率及网络消耗能量模型，计算出整个无线传感器网络中的最优的数据融合簇头数量k。可以采用如下公式：其中，a为圆形区域的半径，α'为能量消耗系数，α1为回路能量消耗系数，α2为天线能量消耗系数，dchar为区域特征半径，α'＝(α1+α2dchar)/dchar，n为圆形区域内无线传感器节点的个数，r为数据传输的速率，δ是路由影响系数，β为数据压缩系数，R(D)为率失真函数，γ为压缩率。c为过压缩，k0为圆形区域内簇头初始数量，k为能量最小化的簇头数量。步骤2：每个节点运行质心算法、D本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线传感器网络拓扑结构的构建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：上位机根据无线传感器网络中传输来的三部分能量消耗参数计算出所述无线传感器网络能量消耗最小时需要的簇头数量；所述三部分能量消耗包括无线传感器网络初始启动时终端传输数据至簇头所消耗的能量、簇头压缩数据所消耗的能量以及簇头传输数据至基站所消耗的能量；步骤2：每个节点运行寻找邻居节点算法找到其邻居节点；步骤3：每个所述节点计算其覆盖均匀度；步骤4：根据每个所述节点的剩余能量和每个所述节点的覆盖均匀度计算权值；步骤5：构建最小支配集MDS，其具体步骤如下：步骤a：当所述节点具有以下特征：在所有一跳邻居节点中和所有的一跳邻居节点的一跳邻居节点中具有最高的W值时，则所述节点作为MDS的成员之一，标记为C1；C1节点把其ID号传输给所述上位机，所述上位机记录下来，并把簇头数量从K减小为K‑1；步骤b：所述上位机在所述无线传感器网络内除C1之外的节点重新寻找具有步骤a中特征的节点，标记为C2，由此所述上位机的簇头数量从K‑1减少到K‑2；步骤c：重复步骤a到步骤b直到所述上位机中簇头数量减少为零；所述无线传感器网络中得到了K个簇头，标记为C1，C2……Ck；步骤6：构建连通支配集CDS，其具体步骤如下：步骤d：任意选择所述无线传感器网络中的两个簇头，并判断之间的距离，如果是三跳，则执行步骤e；如果是两跳，则执行步骤f；步骤e：在所述两簇头之间的最短路径上寻找具有最大权值的节点作为扩展的门节点加入到MDS中，连接所述门节点和与其相邻的两个簇头；同时所述门节点把其信息传输给所述上位机存储；循环处理直到找到所有的门节点，并把所有的门节点信息存储到所述上位机中；步骤f：在所述两簇头之间最短路径上选择具有最大权值的节点作为网关节点加入到MDS中，连接所述网关节点和与其相邻的两个簇头；同时所述网关节点把其信息传输给所述上位机存储；循环处理直到找到所有的网关节点，并把所有的网关节点存储到所述上位机中；步骤7：当有新的节点加入或者所述节点退出所述无线传感器网络时，重复步骤2到步骤6，完成所述拓扑结构的构建。...

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络拓扑结构的构建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：上位机根据无线传感器网络中传输来的三部分能量消耗参数计算出所述无线传感器网络能量消耗最小时需要的簇头数量；所述三部分能量消耗包括无线传感器网络初始启动时终端传输数据至簇头所消耗的能量、簇头压缩数据所消耗的能量以及簇头传输数据至基站所消耗的能量；步骤2：每个节点运行寻找邻居节点算法找到其邻居节点；步骤3：每个所述节点计算其覆盖均匀度；步骤4：根据每个所述节点的剩余能量和每个所述节点的覆盖均匀度计算权值；步骤5：构建最小支配集MDS，其具体步骤如下：步骤a：当所述节点具有以下特征：在所有一跳邻居节点中和所有的一跳邻居节点的一跳邻居节点中具有最高的权值W时，则所述节点作为MDS的成员之一，标记为C1；C1节点把其ID号传输给所述上位机，所述上位机记录下来，并把簇头数量从K减小为K-1，K为大于或等于1的正整数；步骤b：所述上位机在所述无线传感器网络内除C1之外的节点重新寻找具有步骤a中特征的节点，标记为C2，由此所述上位机的簇头数量从K-1减少到K-2；步骤c：重复步骤a到步骤b直到所述上位机中簇头数量减少为零；所述无线传感器网络中得到了K个簇头，标记为C1，C2……Ck；步骤6：构建连通支配集CDS，其具体步骤如下：步骤d：任意选择所述无线传感器网络中的两个簇头，并判断之间的距离，如果是三跳，则执行步骤e；如果是两跳，则执行步骤f；步骤e：在所述两簇头之间的最短路径上寻找具有最大权值的节点作为扩展的门节点加入到MDS中，连接所述门节点和与其相邻的两个簇头；同时所述门节点把其信息传输给所述上位机存储；循环处理直到找到所有的门节点，并把所有的门节点信息存储到所述上位机中；步骤f：在所述两簇头之间最短路径上选择具有最大权值的节点作为网关节点加入到MDS中，连接所述网关节点和与其相邻的两个簇头；同时所述网关节点把其信息传输给所述上位机存储；循环处理直到找到所有的网关节点，并把所有的网关节点存储到所述上位机中；步骤7：当有新的节点加入或者所述节点退出所述无线传感器网络时，重复步骤2到步骤6，完成所述拓扑结构的构建。2.根据权利要求1所述的无线传感器网络拓扑结构的构建方法，其特征在于，所述无线传感器网络中的所有节点的初始状态包括所述节点的ID号、初始能量、位置信息和激活/...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨明欣，刘紫玉，张永强，邱硕，
申请(专利权)人：河北科技大学，
类型：发明
国别省市：河北;13