[发明专利]一种基于复杂网络理论的无线传感器网络分组管理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于复杂网络理论的无线传感器网络分组管理方法，属于分布式拓扑管理技术领域。

背景技术

随着传感器技术、嵌入式技术以及通信技术的快速发展和日趋成熟，具备感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始广泛出现。为数众多的传感器节点随机分布于监测区域及周遭环境，以自组织的无线通信方式协同工作，并形成无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)，节点所采集的兴趣数据逐跳路由至汇聚节点，以实现对客观物理世界的感知和管理。

与通常意义的自组织网络相比，WSN多部署于环境恶劣区域，节点缺乏持续的能量供给，因此WSN首要设计目标即通过均衡高效的能耗方式延长网络生命期，其中WSN生命期一般定义为在传感器网络系统的流量路由过程中，最先因电池能量耗尽而失效的节点生命期。WSN网络拓扑管理的研究是推动WSN进一步发展的关键问题，网络拓扑作为上层协议运行的重要运行平台，良好性质的结构不仅能提高路由协议和MAC协议的效率，从而有助于实现WSN首要设计目标，而且还为时间同步、数据融合及目标定位等多种技术的实施提供支撑基础，因此拓扑结构的管理与网络性能的优化存在着密切的联系。拓扑管理机制从研究方向可归纳为节点功率管理和层次型拓扑结构组织两类，其中，节点功率管理机制指通过设置或动态调整节点的通信功率，以保证网络拓扑连通、双向连通或多连通；层次型拓扑管理渗透了分组管理的概念。

WSN的分组问题属于NP-hard问题，如何设计具有良好性能的近似解决方法是当前WSN研究领域的热点和难点之一。分组拓扑管理方法通常都可分为区域划分和组头选取两阶段，两阶段在方法中出现的先后顺序略有不同，主要有以下几种：

1)GAF是一种基于地理位置的分组方法，该方法将事件区域划分为虚拟单元格，节点按照自身位置归入相应的格内，并且定期在格内选取组头，然而GAF的实现必须依靠定位系统(如GPS)的辅助，使得其部署受到极大局限，此外组区域划分不够灵活，难以形成合适大小的组区域。

2)LEACH是一种自适应分组拓扑方法，周期性地产生组头，并依据组头分布进行组划分，但是由于组头位置具有较强随机性，致使骨干网的形成无法保障。

3)TopDisc是一种基于最小支配集的方法，通过泛洪方式为每个节点标记颜色，随后根据颜色区分组头和普通节点，TopDisc方法可使节点在密集部署的WSN内快速成组，并连接组头形成树状的骨干网，但TopDisc重复执行方法开销过大，且未考虑节点的剩余能量问题，损害了分组机制的合理性。

4)QCTC方法则是以网络生命期和平均能耗作为QoS目标，尽可能地降低节点通信功率，并且间隔地切换传输路径，从而实现了平均能耗的缩减和网络生命期的延长，但忽略了间隔调整方式的方法额外开销。

5)CLUSTERPOW方法是针对节点分布不均情况所提出的一种具有节点功率差异性的方法，CLUSTERPOW依照所处不同功率等级时节点间的直接可达关系，表述为不同拓扑层次的成组行为，从而可以转化为节点间的路由关系，在网络通信中节点根据该层次分组关系能切换至适当功率，避免了COMPOW中因极少数偏远节点而造成全体节点采用大功率的情形。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于复杂网络理论的无线传感器网络分组管理方法。本方法采用了复杂网络理论中的适应度模型，在适应度模型中加入了对节点剩余能量的考虑，在分布式方法的基础上作了改进，使得无线传感器网络获得了较优的拓扑结构，有效地延长了无线传感器网络的生命期。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种基于复杂网络理论的无线传感器网络分组管理方法，包括如下步骤：

步骤1：根据复杂网络理论建立适应度模型，计算无线传感器网络节点i对于未入网节点n的适应度，