海上搜救無線傳感器網絡拓撲及拓撲控制方法
【專利摘要】本發明公開一種海上搜救無線傳感器網絡拓撲，該網絡拓撲包含：若干一般傳感器節點，其相互無線連接組成網絡拓撲結構，實時監測搜救信息；匯聚節點，用于收集無線傳感器網絡的所有一般傳感器節點的監測信息；匯聚節點及若干所述一般傳感器節點相互間通過雙向對稱鏈路連接；當匯聚節點及若干一般傳感器節點中任意兩個節點間距小于其通信半徑，則該兩個節點直接通信，若大于通信半徑，則通過其他節點以多跳形式進行通信。本發明將節點位移的影響加入網絡模型中邊權的計算過程；充分利用最小生成樹結構拓撲冗余度低的優點；利用復雜網絡的小世界特性通過刪邊和添加長程邊減少最小生成樹結構的平均距離。
【專利說明】海上搜救無線傳感器網絡拓撲及拓撲控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及海上搜救無線傳感網拓撲控制技術，具體涉及一種海上搜救無線傳感器網絡拓撲及拓撲控制方法。
【背景技術】
[0002]海上搜救無線傳感網主要應用無線傳感網技術實現海上搜救活動當中對搜救目標的實時監測和跟蹤。該網絡可以彌補傳統海上搜救活動當中落水目標個體基本只能等待搜救人員的搜尋這種被動的局面。不僅可以將待救援個體的位置信息發送給搜救方，無線傳感器本身對環境及搜救目標的監測信息同樣可以發送給搜救方，為目標的快速搜尋提供更多的有益信息。
[0003]無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks, WSN)具有自組織、自適應及魯棒性較好的特點，其無線傳感器節點體積小、成本低、功耗低的特點。在監測環境中，網絡中的大量傳感器節點可迅速自組織為一個適應性較好的監測網絡，并且可以在惡劣環境下很好地執行任務。
[0004]隨著物聯網時代的來臨，WSN技術在海事領域的應用也逐漸興起，如溢油檢測、海事監控管理等。這些相關應用及研究為海上搜救無線傳感網的研究應用提供了很好的理論及實踐基礎。
[0005]在海上搜救無線傳感網中，要解決的一個重要問題就是盡可能延長該網絡的生命期，并且同時保證各節點信息可以傳輸給匯聚節點，以保證網絡監測信息可以及時有效地傳輸給搜救網絡中心供搜救部門使用。
[0006]WSN的拓撲控制問題是在滿足網絡覆蓋和聯通度的前提下，通過功率控制盒骨干網節點選擇，剔除節點間不必要的通信鏈路生成一個高效的數據轉發的網絡的拓撲結構。在WSN的網絡協議當中，拓撲控制起到協調MAC層及路由層的作用，為高效的路由選擇奠定基礎。通過拓撲控制可以減少網絡能耗，延長網絡生命期，并提高網絡的健壯性與穩定性。
[0007]現有的拓撲控制方法主要基于功率控制和層次型拓撲控制兩個方面，相關研究也較多，但由于資金、設備條件等因素，大部分拓撲控制方法仍處于理論研究階段，所進行的實驗也僅限于在仿真環境下觀察這些方法的優劣，沒有充分注意到在實際環境應用中要面臨的諸多挑戰。而對于海上搜救的環境而言，該網絡節點動態性很強，節點不可替換，且要求網絡生命期盡可能長，因此需要一種新的拓撲控制方法延長網絡生命期并適應網絡的動態變化。
【發明內容】
[0008]本發明提供一種海上搜救無線傳感器網絡拓撲及拓撲控制方法，解決海上搜救無線傳感網中動態拓撲控制的問題，該拓撲控制方法可以生成網絡平均距離及冗余度均較低的良好的拓撲結構。
[0009]為實現上述目的，本發明提供一種海上搜救無線傳感器網絡拓撲，其特點是，該網絡拓撲包含:
[0010]若干一般傳感器節點，其相互無線連接組成網絡拓撲結構，實時監測搜救信息；
[0011]匯聚節點，用于收集無線傳感器網絡的所有一般傳感器節點的監測信息；
[0012]上述匯聚節點及若干所述一般傳感器節點相互間通過雙向對稱鏈路連接；
[0013]當匯聚節點及若干一般傳感器節點中任意兩個節點間距小于其通信半徑，則該兩個節點直接通信，若大于通信半徑，則通過其他節點以多跳形式進行通信。
[0014]上述一般傳感器節點包含異構節點和普通節點；
[0015]上述異構節點為剩余能量充足的節點；上述普通節點為剩余能量非充足的節點；上述海上搜救無線傳感器網絡拓撲包含若干由一般傳感器節點組成的分簇，異構節點作為各個分簇的簇首。
[0016]上述無線傳感器網絡拓撲還包含有匯聚節點，其通過雙向對稱鏈路連接匯聚節點和/或一般傳感器節點，該匯聚節點還通過衛星連接因特網。
[0017]上述無線傳感器網絡拓撲中節點的天線為全向天線。
[0018]一種上述海上搜救無線傳感器網絡拓撲的拓撲控制方法，其特點是，該方法包含:
[0019]無線傳感器網絡通過最小生成樹方法形成初始拓撲結構；
[0020]對初始拓撲結構的無線傳感器網絡進行刪邊分簇；
[0021]根據節點剩余能量選出各分簇的簇首，建立簇首邊的長程邊。
[0022]上述無線傳感器網絡形成初始拓撲結構時，利用節點收發數據的能耗及節點位移，建立無線傳感器網絡中最小生成樹的權重計算方法，并求得邊權重。
[0023]上述無線傳感器網絡最小生成樹的權重計算方法包含:
[0024]節點i，j間傳輸k比特數據時總能耗Cij (k, (Ii)如式⑴:
[0025]Cij (k, (Iij) = Ee (k) +Et (k, (Iij)(I)
[0026]其中，Ek(k)為節點接收k比特數據時的能耗，Et (k，(Iij)為節點i發送k比特數據到節點j所消耗的能量；
[0027]無線傳感器網絡邊權重Wij如式⑵:
[0028]
【權利要求】
1.一種海上搜救無線傳感器網絡拓撲，其特征在于，該網絡拓撲包含: 若干一般傳感器節點，其相互無線連接組成網絡拓撲結構，實時監測搜救信息； 匯聚節點，用于收集無線傳感器網絡的所有一般傳感器節點的監測信息； 所述匯聚節點及若干所述一般傳感器節點相互間通過雙向對稱鏈路連接； 當匯聚節點及若干一般傳感器節點中任意兩個節點間距小于其通信半徑，則該兩個節點直接通信，若大于通信半徑，則通過其他節點以多跳形式進行通信。
2.如權利要求1所述的海上搜救無線傳感器網絡拓撲，其特征在于，所述一般傳感器節點包含異構節點和普通節點； 所述異構節點為剩余能量充足的節點；所述普通節點為剩余能量非充足的節點；所述海上搜救無線傳感器網絡拓撲包含若干由一般傳感器節點組成的分簇，異構節點作為各個分簇的簇首。
3.如權利要求1所述的海上搜救無線傳感器網絡拓撲，其特征在于，所述匯聚節點通過衛星連接因特網。
4.如權利要求1至3中任意一項權利要求所述的海上搜救無線傳感器網絡拓撲，其特征在于，所述無線傳感器網絡拓撲中節點的天線為全向天線。
5.一種如權利要求1至4中任意一項權利要求所述海上搜救無線傳感器網絡拓撲的拓撲控制方法，其特征在于，該方法包含: 無線傳感器網絡通過最小生成樹方法形成初始拓撲結構； 對初始拓撲結構的無線傳感器網絡進行刪邊分簇； 根據節點剩余能量選出各分簇的簇首，建立簇首邊的長程邊。
6.如權利要求5所述的拓撲控制方法，其特征在于，所述無線傳感器網絡形成初始拓撲結構時，利用節點收發數據的能耗及節點位移，建立無線傳感器網絡中最小生成樹的權重計算方法，并求得邊權重。
7.如權利要求6所述的拓撲控制方法，其特征在于，所述無線傳感器網絡最小生成樹的權重計算方法包含: 節點i，j間傳輸k比特數據時總能耗Cu (k，(Ii)如式(I):
Cij (k, (Iij) = Ee(k) +Et (k, (Iij)(I) 其中，Ek(k)為節點接收k比特數據時的能耗，Et (k，(Iij)為節點i發送k比特數據到節點j所消耗的能量； 無線傳感器網絡邊權重Wij如式⑵:
8.如權利要求7所述的拓撲控制方法，其特征在于，該拓撲控制方法還包含求基于邊權重的最小生成樹，并對最小生成樹所包含的邊的邊聚集系數進行從大到小的排序。
9.如權利要求5所述的拓撲控制方法，其特征在于，所述求基于邊權重的最小生成樹包含:從無線傳感器網絡任意的一個節點開始，尋找與該節點連接權重最小邊的鄰居節點，并將該節點和邊分別加入生成樹的點集和邊集；隨后在點集內以同樣方式尋找與該點集相連的權重最小邊的節點，繼續加入點集和邊集，直到無線傳感器網絡的最小生成樹構建完成。
10.如權利要求7所述的拓撲控制方法，其特征在于，所述無線傳感器網絡刪邊分簇包含: 將邊聚集系數最小的邊刪除，形成若干分簇，若分簇中一般傳感器節點距離匯聚節點的平均距離小于5，且分簇中節點的數量小于15，則繼續刪邊，直至一般傳感器節點距離匯聚節點的平均距離和分簇中節點的數量滿足要求。
【文檔編號】H04W40/02GK103906164SQ201410165963
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月23日 優先權日:2014年4月23日
【發明者】吳華鋒, 張倩楠, 張壽春 申請人:上海海事大學