一種用于內(nèi)河水質(zhì)監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于內(nèi)河水質(zhì)監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制方法，包含網(wǎng)絡(luò)初始化階段，成簇階段，簇頭競選階段，簇內(nèi)通信階段，簇間通信階段。針對多匯聚節(jié)點、長距離雙線型分布的內(nèi)河水質(zhì)監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將網(wǎng)絡(luò)劃分成大小相等的虛擬格，一個虛擬格里的所有活躍的傳感器節(jié)點組成一個簇。每輪，簇選擇通信代價小、剩余能量多的節(jié)點作為簇頭，其余節(jié)點采用單跳數(shù)據(jù)傳輸方式將自身的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，簇頭進行數(shù)據(jù)融合后，采用簇間多跳數(shù)據(jù)傳輸方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送給較近的匯聚節(jié)點，若路徑不通，則將數(shù)據(jù)反向發(fā)送給較遠的匯聚節(jié)點。本發(fā)明有效地延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期，均衡了網(wǎng)絡(luò)的負載，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)的性能。
【專利說明】一種用于內(nèi)河水質(zhì)監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 發(fā)明屬于無線傳感網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種用于內(nèi)河水質(zhì)監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò) 的拓撲控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，人們飽嘗環(huán)境污染的惡果，也使得環(huán)境問題越來越受重視，特別是與人們 生產(chǎn)生活息息相關(guān)的水污染問題。我國水污染問題嚴峻，內(nèi)河污染尤為突出，內(nèi)河附近企業(yè) 的偷排行為隱蔽，人力監(jiān)管困難。因而，構(gòu)建有效的內(nèi)河水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)具有重大的現(xiàn)實意 義。傳統(tǒng)的監(jiān)測一般采用有線方式，存在建設(shè)維護成本高、環(huán)境條件要求嚴格的問題。具有 分布廣、組網(wǎng)簡單、監(jiān)測能力強、系統(tǒng)成本低等特點的無線傳感網(wǎng)絡(luò)提供了一種對內(nèi)河水質(zhì) 有效的監(jiān)測手段。
[0003] 無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, WSN)就是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的 大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信的方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)，從而協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的監(jiān)測信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器節(jié)點 采用有限能量的電池供電，計算能力和通信能力都很有限。對于自組織的無線傳感網(wǎng)絡(luò)而 言，網(wǎng)絡(luò)拓撲控制對網(wǎng)絡(luò)性能影響很大，良好的拓撲控制有利于延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間， 減小節(jié)點間通信干擾，提高網(wǎng)絡(luò)通信效率。無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲控制主要研究的問題是：在滿 足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過骨干網(wǎng)節(jié)點的選擇，剔除節(jié)點之間不必要的通信鏈 路，形成一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。分簇是一種比較常用的拓撲控制機制。由于傳感 器節(jié)點的無線通信模塊在空閑狀態(tài)時的能量消耗與在收發(fā)狀態(tài)是相當(dāng)，所以只有關(guān)閉節(jié)點 的通信模塊，才能大幅度地降低無線通信模塊的能量開銷?？紤]依據(jù)一定機制選擇某些節(jié) 點作為簇頭，簇頭對簇內(nèi)節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，關(guān)閉簇內(nèi)節(jié)點的通信模塊，由簇 頭構(gòu)建一個連通網(wǎng)絡(luò)來負責(zé)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)。這樣既保證了原有覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)通信， 也減少節(jié)點數(shù)據(jù)的傳輸總量和平均傳輸距離，從而達到降低通信能耗、延長網(wǎng)絡(luò)工作時間 的目的。
[0004] Heinzelman 等人提出了 LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) 算法，其基本思想是以循環(huán)的方式隨機選擇簇頭節(jié)點，將整個網(wǎng)絡(luò)的能量負載均勻分配到 網(wǎng)絡(luò)中的每個傳感器節(jié)點，從而達到降低網(wǎng)絡(luò)能耗，提高網(wǎng)絡(luò)生存周期的目的。但是LEACH 算法沒有考慮簇頭節(jié)點當(dāng)前的能量狀況，如果能量很低的節(jié)點當(dāng)選為簇頭節(jié)點，那么將會 加速該節(jié)點的死亡，影響整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。其次，每一輪循環(huán)都要重新構(gòu)造簇，而構(gòu) 造簇的能量開銷比較大，另外，遠離匯聚節(jié)點的簇頭節(jié)點可能會由于長距離發(fā)送數(shù)據(jù)而 過早耗盡自身能量，造成網(wǎng)絡(luò)分割。Stephanie等人針對LEACH協(xié)議存在的不足提出了 PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems)算法,其基本思 想是從網(wǎng)絡(luò)中距離Sink最遠的節(jié)點開始，采用貪婪算法，將網(wǎng)絡(luò)中的所有傳感器節(jié)點形成 一條鏈，使得節(jié)點在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，只需與它們最近的鄰居節(jié)點通信即可。節(jié)點與匯 聚節(jié)點間的通信是輪流進行的，即每個節(jié)點都要做一次鏈首節(jié)點，基于這種輪換通信機制， PEGASIS可使得網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗可以統(tǒng)一分配到每一個節(jié)點上，均衡了節(jié)點能耗，有效延 長了網(wǎng)絡(luò)生命周期。盡管PEGASIS算法避免了重構(gòu)簇的開銷，但由于傳感器節(jié)點需要知道 鄰居的能量狀態(tài)以便傳送數(shù)據(jù)，算法仍需要動態(tài)調(diào)整拓撲結(jié)構(gòu)。對那些利用率高的網(wǎng)絡(luò)而 言，拓撲的調(diào)整會帶來更大的開銷，算法所構(gòu)建的鏈中，遠距離的節(jié)點會引起過多的數(shù)據(jù)延 遲，而且鏈首節(jié)點的唯一性使得鏈首會成為瓶頸。
[0005] 另外，內(nèi)河水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)需要周期性的采集水質(zhì)參數(shù)，且內(nèi)河無線傳感網(wǎng)絡(luò)呈長 距離雙線型分布，因此，網(wǎng)絡(luò)能耗不均、數(shù)據(jù)冗余問題十分嚴重。而LEACH算法和PEGASIS 算法都是針對普通拓撲結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，LEACH算法假設(shè)每個簇頭都能夠直接和匯聚 節(jié)點進行通信，而在狹長結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中這個假設(shè)卻無法成立，PEGASIS雖然每個節(jié) 點數(shù)據(jù)傳輸距離較短，能耗較低，但是在狹長的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，PEGASIS協(xié)議建立的鏈路 較長，傳輸延遲大，無法滿足環(huán)境監(jiān)測這種實時性要求較強的應(yīng)用需求，此外鏈首的負擔(dān)較 重，數(shù)據(jù)傳輸極易失效。因此LEACH和PEGASIS兩種協(xié)議都無法直接應(yīng)用于內(nèi)河水質(zhì)監(jiān)測 無線傳感網(wǎng)絡(luò)中。
[0006] 針對狹長的帶狀無線傳感網(wǎng)絡(luò)，喬鋼柱等人提出了 PBCR(Position-based Chain Routing)算法，該算法根據(jù)地理位置信息將整個網(wǎng)絡(luò)劃分成若干個大小相等的條形區(qū)域， 相鄰的兩個條形區(qū)域中的任意兩個節(jié)點都可以直接通訊，條形區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點組成了一 個簇，區(qū)域內(nèi)節(jié)點周期性地根據(jù)剩余能量和到匯聚節(jié)點的距離來選取簇頭。PBCR算法把節(jié) 點的剩余能量作為一個參量引入算法，使得選出的簇頭更合適擔(dān)當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，簇內(nèi)能 耗更為均衡，但PBCR算法的簇頭競選機制考慮了剩余能量，沒有考慮通信代價，通信代價 大的節(jié)點成為簇頭，會使節(jié)點的通信能量消耗過多，節(jié)點過快死亡。 實用新型內(nèi)容
[0007] 針對現(xiàn)有問題的不足，本發(fā)明提供一種用于內(nèi)河水質(zhì)監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓撲控 制方法，能有效地延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，均衡網(wǎng)絡(luò)的負載，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的性能。
[0008] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0009] 一種用于內(nèi)河水質(zhì)監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制方法，包括以下步驟：
[0010] (1)、網(wǎng)絡(luò)初始化，在內(nèi)河中取一長方形區(qū)域作為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在長方形區(qū)域長向的 兩個對頂角處分別設(shè)置匯聚節(jié)點A和B，在長方形區(qū)域的兩個長邊上均勻的設(shè)置N個傳感器 節(jié)點；
[0011] (2)、使傳感器節(jié)點成簇，具體包括如下步驟：
[0012] (2a)、匯聚節(jié)點A和B廣播位置信息，獲知長方形網(wǎng)絡(luò)的分布范圍信息，即網(wǎng)絡(luò)的 長度L和寬度W，并且網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點獲知節(jié)點自身與匯聚節(jié)點A和B的距離信息；
[0013] (2b)、將網(wǎng)絡(luò)劃分成M個大小相等的虛擬格，虛擬格的寬w為W/2,虛擬格的長 1，每個虛擬格里的所有傳感器節(jié)點組成一個簇，共M個簇，設(shè)置虛擬格的寬w = W/2,長

【權(quán)利要求】
1. 一種用于內(nèi)河水質(zhì)監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制方法，其特征在于，包括以下步 驟： (1) 、網(wǎng)絡(luò)初始化，在內(nèi)河中取一長方形區(qū)域作為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在長方形區(qū)域長向的兩個 對頂角處分別設(shè)置匯聚節(jié)點A和B，在長方形區(qū)域的兩個長邊上均勻的設(shè)置N個傳感器節(jié) 占 . (2) 、使傳感器節(jié)點成簇，具體包括如下步驟： (2a)、匯聚節(jié)點A和B廣播位置信息，獲知長方形網(wǎng)絡(luò)的分布范圍信息，即網(wǎng)絡(luò)的長度 L和寬度W，并且網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點獲知節(jié)點自身與匯聚節(jié)點A和B的距離信息； (2b)、將網(wǎng)絡(luò)劃分成M個大小相等的虛擬格，虛擬格的寬w為W/2，虛擬格的長1， 每個虛擬格里的所有傳感器節(jié)點組成一個簇，共M個簇，設(shè)置虛擬格的寬W = W/2,長 1< -4w2/2且L mod 1 = 0,其中Cltl是各節(jié)點之間通信能耗模型的距離閾值，將M個 簇分別標記為C1, C2，…Cm，…，CM，其中，M = L/l，m為[1，M]內(nèi)任意整數(shù)，m為簇的序號； (3) 、簇頭競選，即選剩余能量多、通信代價小的簇內(nèi)節(jié)點作為簇頭，包括以下子步驟： (3a)、所有活躍的傳感器節(jié)點廣播自身的簇ID和節(jié)點ID信息，并且每個活躍的傳感器 節(jié)點獲得其所在簇的活躍節(jié)點數(shù)以及簇內(nèi)所有活躍節(jié)點的ID信息； (3b)、根據(jù)式（1)計算簇內(nèi)活躍傳感器節(jié)點的競爭因子，
其中，P (Cm，i)為簇Cm內(nèi)節(jié)點i的競爭因子，D (i，j)是簇Cm內(nèi)的節(jié)點j和節(jié)點i的距 離，N(m)為步驟（3a)中的活躍節(jié)點數(shù)，民⑴是節(jié)點i的剩余能量； (3c)、簇Cm內(nèi)節(jié)點廣播競爭因子信息，若節(jié)點接受到的競爭因子有大于本身的競爭因 子，則節(jié)點設(shè)置為本輪的簇內(nèi)節(jié)點，反之，若節(jié)點接受到的競爭因子都小于本身的競爭因子 則節(jié)點設(shè)置為本輪的簇頭節(jié)點，并標記為C m，其中，m為[1，M]內(nèi)任意整數(shù)，簇頭節(jié)點廣播通 告自身的簇頭信息，并通告簇內(nèi)節(jié)點可以發(fā)送信息。 (4) 、簇內(nèi)通信，簇內(nèi)節(jié)點之間采用單跳方式通信，簇頭節(jié)點根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點數(shù)分配TDM 時隙，簇內(nèi)節(jié)點在指定的時隙將各自的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點收到簇內(nèi)所有 數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)融合； (5) 、簇間通信，簇頭節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給與簇頭節(jié)點距離較近的匯聚節(jié)點，若簇頭節(jié)點 與匯聚節(jié)點的距離不大于距離閥值Cltl，直接將數(shù)據(jù)單跳傳輸給匯聚節(jié)點，反之，該簇頭節(jié)點 在傳輸方向上選擇相鄰簇的簇頭節(jié)點作為中繼節(jié)點；若該簇頭節(jié)點發(fā)出請求信息后，沒有 收到返回信息，則該簇頭節(jié)點將數(shù)據(jù)反向發(fā)送給較遠的匯聚節(jié)點。 (6) 、重復(fù)執(zhí)行步驟（2)到（5)，直到執(zhí)行次數(shù)達到指定輪數(shù)或者網(wǎng)絡(luò)死亡。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于內(nèi)河水質(zhì)監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制方法，其特 征在于：所述能耗模型具體如下：
ERy (k) = kEe (3) Edz(k) = kEd (4) 其中，一個節(jié)點X向另一個距離d的節(jié)點Y傳輸k比特數(shù)據(jù)時的能耗Etx由發(fā)射電路耗 損EtxJP功率放大耗損&rxa兩部分構(gòu)，EKy(k)為節(jié)點Y接收k比特數(shù)據(jù)的能量消耗，E dz(k) 為一個簇頭節(jié)點Z進行k比特數(shù)據(jù)融合所消耗的能量，Ee表示發(fā)送或者接收每比特數(shù)據(jù)時 的能量消耗，發(fā)送放大電路根據(jù)d值的不同分別采用不同的功率放大系數(shù)，當(dāng)d小于距離閥 值Cltl時，功率放大系數(shù)為Yf，反之則為Ym，其中，= Ed表示融合單位比特數(shù)據(jù) 耗費的能量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于內(nèi)河水質(zhì)監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制方法，其特 征在于：步驟（5)中選擇中繼節(jié)點時，簇頭節(jié)點Ci會向傳輸方向上的相鄰簇的簇頭發(fā)送中 繼請求信息，相鄰簇的簇頭節(jié)點h接收到請求后，返回自身能量信息給請求節(jié)點，簇頭節(jié)點 (^根據(jù)下跳能耗比
，選擇通信代價小，剩余能量多的相鄰簇的簇頭 節(jié)點作為其中繼節(jié)點，其中民(Cp為節(jié)點&的剩余能量，D (Ci，Cp為節(jié)點Ci和節(jié)點&之間 的距離。
【文檔編號】H04W40/08GK104394571SQ201410758201
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月10日
【發(fā)明者】江冰, 薛曉清, 胡鋼, 沙婷婷 申請人:河海大學(xué)常州校區(qū)