一种新型能耗均衡的传感器网络拓扑演化方法技术

本发明专利技术公开了一种新型能耗均衡的传感器网络拓扑演化方法，包括：随机部署区域内一定数量的传感器节点，并通过广播的形式记录邻居节点和通信距离；利用一阶无线电模型结合通信距离，计算出点对点的单位传输能耗；利用传感器网络的特殊属性以及节点的位置关系，建立传输数据量的估计模型；根据以上步骤中求得的传输距离，传输数据的估计量和节点剩余能量，为网络中的每条通信路径建立新型的通信边权值；利用求得通信边权值，计算出每个传感器节点的通信点权值；以无标度演化算法为基础，结合已有的通信点权值，演化生成整个拓扑网络；将距离sink节点小于d0的所有节点直接和sink节点构建拓扑连边。本发明专利技术提高了网络的生存周期，具有较高的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线传感器网络
，尤其涉及一种新型能耗均衡的传感器网络拓扑演化方法。
技术介绍
无线传感器网络是由大量随机分布的传感器节点构成，通过自组织和多跳的方式构成感知环境信息的通信网络，广泛应用于国防军事、环境监测、工业控制健康医疗、智能家居、公共安全等领域，将对社会的发展和人类的生活产生深远的影响。传感器网络中的节点分布密集，数量巨大，这一特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，因此传感器网络的软、硬件必须具有高鲁棒性和容错性，以满足传感器网络的功能要求。同时，传感器节点数目庞大，工业成本要求低廉，分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何在使用过程中节省能源，最大化网络的生命周期，是传感器网络面临的重要挑战。传感器网络的拓扑控制是指在节点MAC资源有限的条件下，通过传感器节点概率性选择邻居节点来建立无线通信的网络拓扑结构的方法。由于部分传感器经常因节点能量耗尽、恶劣环境等因素造成失效，造成传感器网络拓扑结构变动频繁，因此如何建立鲁棒性拓扑以解决节点随机失效造成的影响是传感网络中的关键问题。复杂网络理论经常被用于构建传感器拓扑结构。许多研究表明无标度网络在应对节点随机失效时，拓扑结构具有很高的鲁棒性。因此，无标度网络与传感器网络的结合已经成为研究的热点问题。目前相关的大部分传感器拓扑研究主要以BA无标度网络和BBV加权无标度网络为基础，结合传感器节点的剩余能量，从而建立相应的拓扑结构。从理论和仿真等角度可以看出，这些算法都可以较好地提高传感器网络抗毁性以及网络的生存周期。但目前的算法依然存在一些缺点：1)拓扑演化过程中，节点的权值、节点之间的边权计算都忽视了传输距离的影响。然而，传输距离在传感器网络的能耗环节扮演着重要的角色。超长的传输路径会造成大量的能耗，导致部分节点过早死亡，严重影响到整个网络的正常运转。2)为了延长网络的生存周期，传统的算法主要从节点的剩余能量入手，通过降低剩余能量低的节点的连入概率，达到整个网络生命周期的拓展。但从能量消耗角度考虑，这一类算法还不够全面。传感器网络的主要能耗存在于正常的网络运行阶段，传统的算法只考虑了网络演化生成阶段的能耗，使网络中剩余能量高的传感器节点度很大，剩余能量低的传感器节点度数相对较小。但在传感器网络建立初期，网络中节点剩余能量差距并不十分明显，这样的拓扑结构依然会导致节点度高的节点过早死亡，严重影响整个网络的正常运转。因此，这一类算法对传感器网络生存周期的提高效果依然非常有限。综上所述，目前的传感器网络拓扑演化方法存在超长的传输路径会造成大量的能耗，导致部分节点过早死亡，严重影响到整个网络的正常运转；只考虑了网络演化生成阶段的能耗，使网络中剩余能量高的传感器节点度很大，剩余能量低的传感器节点度数相对较小。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型能耗均衡的传感器网络拓扑演化方法，旨在解决目前的传感器网络拓扑演化方法存在超长的传输路径会造成大量的能耗，导致部分节点过早死亡，严重影响到整个网络的正常运转；只考虑了网络演化生成阶段的能耗，使网络中剩余能量高的传感器节点度很大，剩余能量低的传感器节点度数相对较小的问题。本专利技术是这样实现的，一种新型能耗均衡的传感器网络拓扑演化方法，所述新型能耗均衡的传感器网络拓扑演化方法包括以下步骤：步骤一，随机部署区域内一定数量的传感器节点，并通过广播的形式记录邻居节点和通信距离；步骤二，根据传输距离，传输数据压力的估计量，剩余节点，为网络中的每一个节点建立新型的通信边权值；传输距离，利用一阶无线电模型，计算点对点的单位能耗；利用节点的位置关系和传感器网络的特殊属性，建立传输数据量的估计模型；步骤三，利用求得通信边权值，计算出每个传感器节点的通信点权值；步骤四，以无标度演化算法为基础，结合已有的通信点权值，演化生成整个拓扑网络；步骤五，将距离sink节点小于d0的所有节点直接和sink节点构建拓扑连边。进一步，通过能量消耗模型，计算出各节点与其邻居节点的单位数据量的通信能耗；邻居节点集合是指与源节点通信距离小于d0的所有节点；计算公式为：eij＝(Eelec+εfsd2)ij，令计算结果[eij]为节点i到节点j的边权值。进一步，所述估计模型：其中，PMj是节点j的通信压力估计量，L为区域的边长，d(j,sink)为节点j到sink的距离。进一步，通信边权值的计算公式其中eij为求得到的边权，Ei，Ej为节点i和节点j的剩余能量，PMi，PMj为节点i和节点j的通信压力估计量，α，β为可调节系数；计算通信点权值，在无线传感器网络中，节点的权值由连接到该节点的边权构成，计算公式如下：其中Si为节点i的通信点权值,Θi为与节点i相连的节点集。进一步，拓扑生成，首先初始化拓扑，由m0个互相连接的节点构成；然后开始网络生长期，每一轮都有个新的节点允许连入到网络，并选择m个节点进行连接；每个新添入的节点都需要利用权值Si计算出邻居节点被选择连接的概率，选择连接概率公式如下：概率选择后，进行权值更新；最终完成整个网络的添边。本专利技术的另一目的在于提供一种利用所述新型能耗均衡的传感器网络拓扑演化方法的无线传感器网络。本专利技术的另一目的在于提供一种利用所述新型能耗均衡的传感器网络拓扑演化方法的环境监测系统。本专利技术的另一目的在于提供一种利用所述新型能耗均衡的传感器网络拓扑演化方法的智能家居。本专利技术提供的新型能耗均衡的传感器网络拓扑演化方法，通过考虑一阶无线电模型，从传输距离、传输数据量和剩余能量多角度入手，构建了新型的拓扑演化模型。不同于其他演化算法；本专利技术不仅考虑了演化初期的能量消耗(剩余能量)，还结合了网络运行期的能量消耗(传输距离和传输压力)，最终有效提高了整个网络的生存周期，提高了网络的性能；考虑到距离sink近的节点需要承担更多的中继传输任务，本专利技术加入了拓扑再连边机制，一定程度上减少了传输拥塞的产生；本专利技术以无标度网络为基础构建，保持了原有网络随机攻击下的鲁棒性。在能耗均衡算法的改善下，减少了某些传输压力较大的节点成为高节点度节点的概率，提高了整个网络恶意攻击下的鲁棒性。本专利技术与现有的算法相比，提高了网络的生存周期，具有较高的鲁棒性，可以应用于大规模无线传感器网络的拓扑构建中。附图说明图1是本专利技术实施例提供的新型能耗均衡的传感器网络拓扑演化方法流程图。图2是本专利技术实施例提供的实施例1的总流程图。图3是本专利技术实施例提供的节点数目为1000时，拓扑的构建仿真图。图4是本专利技术实施例提供的随着节点数量变化时，网络生命周期变化比较图。图5是本专利技术实施例提供的节点数目为1000时，能量均衡性系数变化比较图。图6是本专利技术实施例提供的节点数目为1000时，随机攻击下的平均最短路径比较图。图7是本专利技术实施例提供的节点数目为1000时，恶意攻击下的平均最短路径比较图。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，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术旨在从传感器网络的能耗入手，结合无标度网络，建立以传输距离、传输数据量的大小，剩余能量等基础多方面的演化概率算法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型能耗均衡的传感器网络拓扑演化方法，其特征在于，所述新型能耗均衡的传感器网络拓扑演化方法包括以下步骤：步骤一，随机部署区域内一定数量的传感器节点，并通过广播的形式记录邻居节点和通信距离；步骤二，利用一阶无线电模型结合通信距离，计算出点对点的单位传输能耗；利用传感器网络的特殊属性以及节点的位置关系，建立传输数据量的估计模型；根据以上步骤中求得的传输距离，传输数据的估计量和节点剩余能量，为网络中的每条通信路径建立新型的通信边权值；步骤三，利用求得通信边权值，计算出每个传感器节点的通信点权值；步骤四，以无标度演化算法为基础，结合已有的通信点权值，演化生成整个拓扑网络；步骤五，将距离sink节点小于d0的所有节点直接和sink节点构建拓扑连边。

【技术特征摘要】
1.一种新型能耗均衡的传感器网络拓扑演化方法，其特征在于，所述新型能耗均衡的传感器网络拓扑演化方法包括以下步骤：步骤一，随机部署区域内一定数量的传感器节点，并通过广播的形式记录邻居节点和通信距离；步骤二，利用一阶无线电模型结合通信距离，计算出点对点的单位传输能耗；利用传感器网络的特殊属性以及节点的位置关系，建立传输数据量的估计模型；根据以上步骤中求得的传输距离，传输数据的估计量和节点剩余能量，为网络中的每条通信路径建立新型的通信边权值；步骤三，利用求得通信边权值，计算出每个传感器节点的通信点权值；步骤四，以无标度演化算法为基础，结合已有的通信点权值，演化生成整个拓扑网络；步骤五，将距离sink节点小于d0的所有节点直接和sink节点构建拓扑连边。2.如权利要求1所述的新型能耗均衡的传感器网络拓扑演化方法，其特征在于，通过能量消耗模型，计算出各节点与其邻居节点的单位数据量的通信能耗；邻居节点集合是指与源节点通信距离小于d0的所有节点；计算公式为：Eelec+εfsd2，令计算结果[eij]为节点i到节点j的边权值。3.如权利要求1所述的新型能耗均衡的传感器网络拓扑演化方法，其特征在于，所述估计模型：PMj≈L2-0.25d(j,sink)2π0.25π+0.5d(j,sink)2π;]]>其中，PMj是节点j的通信压力估计量，L为区域的边长，d(j,sink)为节点j到sink的距离。4.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：白艺光，刘三阳，张朝辉，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61