一種基於位置信息的無線傳感器網絡動態拓撲控制方法

2023-04-23 01:33:51 4

專利名稱：一種基於位置信息的無線傳感器網絡動態拓撲控制方法
技術領域：
本發明屬於無線網絡協議技術領域，具體涉及一種無線傳感器網絡中基於位置信息的動 態拓撲控制方法。該方法主要用於無線傳感器網絡中節點承擔任務的均衡，以達到全網能量 均衡的目的。
背景技術：
近年來無線傳感器網絡從得到理論和工業界的廣泛關注以來得到了迅猛的發展，各種關 於傳感器網絡的新技術也備受重視。目前無線傳感器網絡由於受到成本和體積等因素的限制，傳感器節點的處理能力、無線 帶寬和電池容量都很有限。無線傳感器節點的能量在多數的情況下無法得到補充，因此盡可 能的延長無線傳感器網絡的工作壽命成為無線傳感器網絡設計中的關鍵問題之一。為了提高 無線傳感器網絡的壽命，網絡中每個節點的能量均衡問題已成為研究的重點問題。節點分簇 方法被學術及工業界普遍認為是提高能量有效性的可行方法。節點分簇具有拓撲管理方便、 能量利用高效、數據融合簡單等優點。傳感器網絡由傳感器節點和sink節點組成，傳感器節點負責數據的收集和傳輸，sink節 點是數據匯集節點，負責匯總網絡中傳感器節點發來的數據，同時也是整個網絡的控制節點， 對網絡中其他傳感器節點進行管理。GAF(Geographic adaptive fidelity地域自適應保真)算法是一種基於地理位置的拓撲控制 方法。GAF假設節點密集分布，在這些節點密集分布的區域內維持少數節點激活，完成路由 中繼轉發，大多數節點休眠。GAF工作方式如下首先，假設每個節點都具有自己相對於其他節點的確切位置信息， 這個位置信息可以通過GPS或其它的定位方式獲得。把網絡按地理位置分成虛擬的小網格， 網格中的節點輪流充當簇頭，使每個節點所承擔的傳輸任務較為均衡，以達到網格內能量均 衡的目的。為了讓兩個相鄰網格中的活動節點處於網格中的任何位置都能相互通信，這裡給出了確定網格邊長r的方法，滿足rS^，其中及是節點的傳輸半徑。按照這種方法，整個傳感器網絡被虛擬的分割成半徑為r的網格。另外，協議為每個節點設置一個狀態標識，始終處於三個狀態中的一種睡眠狀態、活 動狀態、探測狀態。節點初始化時進入探測狀態，並在7^時間後與同一個網格中的其它節點 交換探測消息(其中包括了節點相關的信息)，並進入活動狀態。如果在7^時間段內節點收 到網格內其他節點發來的探測消息則進入休眠狀態。當節點進入休眠狀態後，節點關閉無線 收發部分的電源，不接收任何網絡包，經過7S後重新進入探測狀態，與其它節點共同競爭後決定是否進入活動狀態。當節點在活動狀態時承擔數據轉發任務，經過r"時間後重新進入探測狀態。在使用GAF算法的網絡中，節點的壽命得到了有效的延長，因為一個網格中只有一個節 點處於活動狀態，其它節點都可以休眠來節省能量。另外，GAF根據節點剩餘能量來調整節 點處於活動狀態的時間和由探測狀態轉為活動狀態的優先級，使剩餘能量較多的節點更多的 處於活動狀態，使網格中的每個節點能量均衡。但是GAF算法存在一個重要的缺陷每個節點始終位於一個固定的網格裡，每個網格中 的節點也比較固定。這樣全網的節點的能量均衡性就無法保證，因為處在節點少的網格中的 節點承擔的傳輸數據的任務較重，而一個網格中有較多的節點可以相互分擔傳輸任務，則承 擔的數據傳輸任務較輕，節點可以由更長的休眠時間。任務的不均衡性導致了全網能量分配 的不均衡。發明內容本發明是針對上述GAF算法的缺點，在其基礎上做了進一步的改進，提出了一種更有利 於全網節點能量均衡的無線傳感器網絡中基於位置信息的動態拓撲控制方法。本發明的技術方案是在GAF無線網絡拓撲控制算法中，加入周期性改變原點位置機制 來改變網格中節點的數量以及全網拓撲，從而達到全網節點能耗均衡。本發明用於無線傳感器網絡中，可以實現全網能量均衡的效果。


圖1是一個使用GAF拓撲控制方案的例子圖。圖2是虛擬網格的移動圖。圖3是原點移動軌跡的一個例子圖。在圖1中灰色節點表示處在活動狀態。圖2表示坐標原點向左上方移動，虛擬方框從虛線框的位置向左上方移動到實線框的位置；灰色節點是移動坐標原點前的活動節點，黑色節 點是移動坐標原點後的活動節點(若在移動前後都處於活動狀態的節點顏色為黑色)，兩者的 位置沒有必然的聯繫。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的說明。本發明是在GAF無線網絡拓撲控制算法中，加入周期性改變原點位置機制來改變網格中 節點的數量以及全網拓撲，從而達到全網節點能耗均衡。在GAF算法實施之後生成的網絡拓撲結構與坐標原點的位置有關，網絡坐標原點固定後， 整個網絡的虛擬網格也就相應固定下來，而且在網絡運行的全過程中始終不變。本發明在GAF 無線網絡拓撲控制算法的基礎上，通過動態調整坐標原點，可以使每個節點與不同的節點處 於同一網格內，形成不同的拓撲結構。本發明中原點的移動採取隨機移動或周期性循環軌跡移動，移動範圍在一個虛擬網格內。如果採取周期性循環軌跡移動，每個周期移動的距離為二。 w的值可以根據節點的傳輸半徑和虛擬網格的尺寸決定，使節點移動後儘量改變在同一網格中節點的數量。圖3是原點移動 軌跡的一個例子。因為原點位置改變後，網絡拓撲需要一段時間才能穩定下來，這段時間大約和節點的一個最短狀態轉換周期ra+rrf+rs相當，所以原點移動周期r附要遠遠大於 如圖2所示，虛線網格是網絡初始化時設定的，經過一段時間rw (rw >> rfl+7W+7i)後，坐標原點向左上方移動^。原來處於網格ll的節點A，進入了網格21中。節點所處的網格2的變化引起了每個網格中節點數目的改變，移動之前網格23中只有1個節點，這個節點始終 必須處於活動狀態，相對處於節點較多的其它網格中的節點能量消耗較快。坐標原點移動後， 這個節點與其它3個節點進入同一個網格，共同分擔數據傳輸任務，能量的消耗的有效緩解。網絡在初始化後，依時間r附周期性的隨機(或按固定軌跡)移動原點位置。對網絡中每個節點獲得更新原點位置信息的方式，本發明提出了兩種具體實施方案。一種是中心控制方案，即由sink節點向全網擴散控制信令來通知網絡節點改變原點位置。另一 種是分布式全網同步方案，以全網節點時間同步為基礎，周期性的改變原點位置。所述的分布式全網同步方案它是以全網節點時間同步為基礎，周期性的改變原點位置。在運行GAF算法的傳感器網絡中，系統初始化時，網絡被分成半徑為r的多個虛擬網格，每個網格中的節點動態的選擇簇頭節點。經過時間r附後，每個節點同時根據新的原點位置和自身的位置調整自己所在的網格，並保持原點改變前所處的狀態繼續運行。由於位於同一網格中的鄰居節點的改變，當節點處於探測狀態時，與之競爭活動狀態的節點變成了新的同格節點。定時器7^觸發前，如果沒有同格節點活動，或沒有更高優先級的 節點發出探測包，則節點進入活動狀態。若原點改變的時刻節點處於活動狀態，節點繼續承 擔轉發數據的任務，定時器Tfl觸發時，節點進入休眠狀態。若原點改變時處於休眠狀態，節 點繼續休眠，定時器7i觸發後進入探測狀態。所述的中心控制方案它由sink節點向全網擴散控制信令來通知網絡節點改變原點位置。如果網絡中每個節點的時鐘不同步，就無法使用上述方案進行全網同步的拓撲改變。本 發明提出了在這種環境下的原點位置改變方法由sink節點作為全網的拓撲控制節點，向全 網擴散控制信令，通知全網節點更新原點位置，進而重新定位自身所處的虛擬網格。原點位置更新報文只需要攜帶新原點的位置信息，而且此消息對實時性要求不高，所以 可以由其它類型的報文攜帶傳輸，以節省網絡帶寬。在傳感器網絡中interest類型的消息是一 個全網擴散消息，很適合用於攜帶原點位置更新信息。因為原點位置更新信息到達各個節點的時間的差異性，可能會出現兩個相鄰的節點所擁 有的原點位置信息不一致的現象，但這並不影響數據的傳輸，而且網絡拓撲會在更新信息完 成擴散後的一個最短節點狀態更新周期內化+7W+7i穩定下來。在上述兩種方案中，原點位置移動可能會引起新的虛擬方格中有些網格中同時有多個活 動節點，而有些網格中沒有活動節點的情況。例如，圖2中，在原點移動後網格44中的活動 節點進入了它的相鄰網格54，而54中的活動節點仍然在54中。出現這種情況並不影響網絡 的拓撲結構，更不會影響數據傳輸。在原點移動後的一個狀態改變周期內，網絡拓撲會隨著 每個網格中的活動節點數的穩定而穩定下來。因此可以不必在拓撲控制算法當中考慮這個因 素。
權利要求
1、一種基於位置信息的無線傳感器網絡動態拓撲控制方法，其特徵在於在GAF無線網絡拓撲控制算法中，加入周期性改變原點位置的機制來改變網格中節點的數量以及全網拓撲，從而達到全網節點能耗均衡。
2、 根據權利要求1所述的一種基於位置信息的無線傳感器網絡動態拓撲控制方法，其特 徵在於所述的周期性改變原點位置的機制中，原點位置更新周期7>w要遠遠大於節點的一 個最短狀態轉換周期7^+7y+7i， &為節點活動狀態持續時間、7^為節點探測狀態持續時間、為節點休眠狀態持續時間)。
3、 根據權利要求1所述的一種基於位置信息的無線傳感器網絡動態拓撲控制方法，其特 徵在於所述的周期性改變原點位置的機制中，原點的移動採取隨機移動或周期性循環軌跡移動，移動範圍在一個虛擬網格內；如果採取周期性循環軌跡移動，每個周期移動的距離為二 ， r為網格寬度，w的值依根據節點的傳輸半徑和虛擬網格的尺寸而決定，使節點移動後儘量改變在同一網格中節點的數量。
4、 根據權利要求1所述的一種基於位置信息的無線傳感器網絡動態拓撲控制方法，其特 徵在於所述的周期性改變原點位置的機制中，周期性改變原點位置是以全網節點時間同步 為基礎，系統初始化時，網絡被分成半徑為r的多個虛擬網格，每個網格中的節點動態的選 擇簇頭節點，經過時間原點位置更新周期rm後，每個節點同時根據新的原點位置和自身的 位置調整自己所在的網格，並保持原點改變前所處的狀態繼續運行。
5、 根據權利要求1所述的一種基於位置信息的無線傳感器網絡動態拓撲控制方法，其特 徵在於所述的周期性改變原點位置的機制中，對於沒有全網節點時間同步的情況，通過sink 節點作為全網的拓撲控制節點，向全網擴散控制信令，通知網絡節點改變原點位置，進而重 新定位自身所處的虛擬網格。
全文摘要
本發明屬於無線傳感器網絡協議技術領域，具體涉及一種無線傳感器網絡中基於位置信息的動態拓撲控制方法。該方法針對GAF算法僅僅著眼於網格內部節點能量均衡，導致全網能量分配不均的缺點，對其做了進一步的改進，提出了一種更有利於全網能量均衡的拓撲控制方法。本發明使用動態調整坐標原點的方法，使全網周期性的形成不同的拓撲結構。本發明用於無線傳感器網絡中可以達到全網能量均衡的效果。
文檔編號H04L29/08GK101247414SQ200810061198
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月20日 優先權日2008年3月20日
發明者劉海濤, 鄭 姚, 鋒 張, 張寶賢, 壯 趙, 雪 高, 奎 黃 申請人:中科院嘉興中心微系統所分中心