專利名稱：雙向度有界的三維無線傳感器網絡拓撲控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種三維無線傳感器網絡拓撲控制方法，具體涉及一種對三維無線傳感器網絡提出的雙向度有界、高效節(jié)能、分布式的拓撲控制方法，屬于三維無線網絡拓撲控制領域，適合用于大規(guī)模、自組織、隨機部署、環(huán)境復雜以及節(jié)點能量有限的無線傳感器網
背景技術：
無線傳感器網絡是由大量具有數據采集、處理和無線通信能力的微型低功耗傳感器節(jié)點通過多跳的方式構成的自組織網絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息。無線傳感器網絡一般具有大規(guī)模、自組織、隨機部署、環(huán)境復雜、傳感器節(jié)點資源有限、網絡拓撲經常發(fā)生變化的特點。傳感器、感知器和觀察者構成了無線傳感器網絡的三個要素。早期對傳感器網絡研究，幾乎完全集中于理想的二維平面，它的一項基本假設是節(jié)點在二維平面分布。然而這種二維假設并不適用于水下網絡，因為大多數水下傳感器網絡系統(tǒng)要求節(jié)點分布在不同深度的水域中執(zhí)行感知任務。三維無線傳感器網絡是由部署在三維物理空間中、具有一定感知任務的傳感器節(jié)點組成的無線網絡系統(tǒng)?，F(xiàn)在已經有大量三維無線網絡的應用，如水下靜態(tài)傳感器網絡、移動水下設備網絡、空間環(huán)境監(jiān)測、森林火災預測、部署在建筑物各層的無線網絡等。尤其是近年來水下傳感器網絡研究的興起，推動了三維傳感器網絡系統(tǒng)的發(fā)展。構成三維無線傳感器網絡的節(jié)點體積微小，計算能力和通信能力相當有限，節(jié)點的能量依靠電池提供且不能得到后續(xù)補充。所以，傳感器節(jié)點在工作過程中的能量消耗高低直接關系到整個網絡的生存時間。如果每個節(jié)點都以最大功率進行通訊，不僅節(jié)點能量消耗非常迅速，而且必然會加劇節(jié)點之間信號的干擾，降低通訊效率。拓撲控制方法是一種設置每個節(jié)點發(fā)射功率即傳輸范圍的方法，其目標是通過控制節(jié)點的傳輸范圍，在減少系統(tǒng)能量消耗的前提下，保證整個網絡拓撲的連通性和覆蓋性。 拓撲控制在無線傳感器網絡研究中具有重要意義首先，拓撲控制是一種重要的節(jié)能技術； 其次，拓撲控制保證覆蓋質量和連通質量；再次，拓撲控制能夠降低通信干擾提高MAC協(xié)議和路由協(xié)議的效率，為數據融合提供拓撲基礎；此外，拓撲控制能夠提高網絡的可靠性、可擴展性等其他性能。拓撲控制在二維平面上有大量的研究結果，但國內外目前對三維空間的拓撲控制研究甚少。與二維無線傳感器網絡相比，三維無線傳感器網絡提出了許多新的問題和挑戰(zhàn)， 如他的問題難度增加；計算復雜度成倍上升；現(xiàn)實物理結構復雜。而且目前三維無線傳感器網絡的研究主要集中在其覆蓋質量、連通質量和路由等問題上。經過對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，目前適用于三維無線傳感器網絡的拓撲控制方法有以下幾個協(xié)議DLMST(Local Minimum Spanning Tree)十力、|。 《Applications of k-local MST for topology control and broadcasting in wireless ad hoc networks》所提的 LMST協(xié)議能夠擴展到三維網絡，能夠保證所處理后的網絡是連通的，但是它有可能會有很大的能量消耗，即它的能量擴展因子沒有界。2) CBTC (Cone-Based Distributed Topology Control)協(xié)議。CBTC 是一個能夠保證網絡連通性的基于方向的分布式算法，原來是一個用于二維無線傳感器網絡的協(xié)議。麻省理工大學的Bahramgiri 等人在文獻〈〈Fault-tolerant and 3-dimensional distributed topology control algorithms in wireless multi-hop networks》中將其推廣到三維空間，提出了容錯的CBTC協(xié)議。其核心是檢查以u為中心的角度為α的每個三維圓錐中是否都存在一個可通信的鄰居節(jié)點。他們證明了當α ^ 2 π/(3k)時，三維CBTC保持網絡圖的k-連通性。但是這種方法沒有提供能量有界和度有界的證明，而且基于方向的算法需要可靠的方向信息，節(jié)點需要配備多個有向天線，因而對傳感器節(jié)點提出了較高的要求。3)XTC 協(xié)議。Wattenhofer 等人在文獻《XTC :A practical topology control algorithm for ad-hoc networks》中提出一個基于鄰居的拓撲控制算法——XTC協(xié)議。協(xié)議的計算只依賴于局部信息，每個節(jié)點只需要和鄰居節(jié)點交換兩次信息。但是他們沒有對 XTC在三維中的拓撲結構做任何理論和實驗分析。4) 3DRNG、3DGG和3DYA0。RNG、GG、YAO是三種二維無線傳感器網絡的拓撲控制算法。Yu Wang 等人在文獻〈〈Energy—efficient topology control for three-dimensional sensor networks》將其推廣到三維空間，并且證明了 3DRNG、3DGG和3DYA0的拓撲特性。如 3DRNG具有連通性，但不具有能量支撐性；3DGG具有連通性，其能量t-Sparmer系數是1 ； 3DYA0具有連通性、能量支撐性和外向度有界性。綜上所述，目前所有提出的針對三維無線傳感器網絡的拓撲結構均沒有雙向(內向和外向)度有界的性質。節(jié)點度數有界是指在生成的拓撲結構中節(jié)點的鄰居個數小于一個常數k，降低節(jié)點的度數可以減少節(jié)點轉發(fā)消息的數量和路由計算的復雜度，這對于節(jié)約能量和降低網絡干擾具有重要意義。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種三維無線傳感器網絡的拓撲控制方法，保證其生成的拓撲結構具有雙向度有界和高效節(jié)能的特性。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的一種雙向度有界的三維無線傳感器網絡拓撲控制方法，包含如下步驟一、針對給定三維無線傳感器網絡中的任意節(jié)點U，計算其鄰居節(jié)點集Nlffie(U)，即 u的最大通信距離能覆蓋的節(jié)點集；二、以節(jié)點u的鄰居節(jié)點集Nlffie(U)為輸入，使用3DYA0算法對其進行處理，得到u 節(jié)點處理后的3DYA0鄰居節(jié)點集Ntc(U)；三、把3DYA0鄰居節(jié)點集Ntc(U)向u的鄰居節(jié)點集Nm(U)廣播；四、計算節(jié)點u的內向鄰居集(M)如果u e Nyg (ν)，那么把ν加入節(jié)點u的內向鄰居集中，SPveAG(M);五、以節(jié)點u的內向鄰居集AG(M)為輸入，使用與步驟二中相同的3DYA0算法對其進行處理，得到u節(jié)點處理后的鄰居節(jié)點集(M);六、把節(jié)點集(M)向U的鄰居節(jié)點集Nlffie(U)中所有鄰居廣播；
七、對于Ntc(U)中所有節(jié)點V，假如u也在(ν)中，那么就把ν加入Nytc(U)中；八、輸出節(jié)點u的雙向度有界的三維無線傳感器網絡拓撲Nytc(U),調整發(fā)射功率為可達到Nytc(U)中最遠的鄰居位置。有益效果本發(fā)明提出的方法是基于3DYA0的三維拓撲控制方法，具有雙向度有界和高效節(jié)能的特性，能夠在本地分布式實現(xiàn)，達到延長網絡生命周期，降低網絡干擾，提高網絡吞吐率的目的。目前國內外對三維空間的拓撲控制研究甚少，并且沒有一種拓撲結構能夠具有雙向度有界的性質。降低節(jié)點的度數可以減少節(jié)點轉發(fā)消息的數量和路由計算的復雜度，以達到降低網絡干擾和節(jié)約能量的目的。本發(fā)明提出的方法還具有能量支撐因子有界的特性。它集中了度數有界和能量控制兩種目前拓撲控制解決方案的優(yōu)點，更大程度延長了網絡的生命周期。本發(fā)明提出的方法考慮到傳感器節(jié)點有限的計算能力和通訊能力，方法復雜度和通訊次數都比較少，并且是分布式控制，網絡中的節(jié)點僅僅依靠自己常數跳鄰居的信息，不需要全局信息就能夠本地構造自己的拓撲結構。


圖1是雙向度有界的三維無線傳感器網絡拓撲控制方法的具體實現(xiàn)流程。圖2是使用固定劃分法的3DYA0結構。圖3是使用靈活劃分法的3DYA0結構。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的實施例做詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下屬的實施例。圖1給出了本發(fā)明所述的基于3DYA0的雙向度有界的三維傳感器網絡拓撲控制方法詳細的流程，具體的技術實施方案如下步驟一對于給定無線傳感器網絡中的任意節(jié)點U，計算其鄰居節(jié)點集Nuk (U)。具體的計算方法如下以節(jié)點u為球心，以無線傳感器節(jié)點發(fā)射功率能達到的最大通信距離R為半徑，形成一個球體。在給定的三維無線傳感器網絡中，如果節(jié)點V落在球體內，那么V就是U的鄰居節(jié)點。所有的節(jié)點V構成U的鄰居節(jié)點集Nlffie(U)。步驟二 使用3DYA0算法對節(jié)點u的鄰居節(jié)點集Nlffie(U)進行處理，得到u節(jié)點處理后的鄰居節(jié)點集Ntc (U)。作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，3DYA0算法采用固定劃分法或者靈活劃分法。下面具體描述這兩種劃分法的3DYA0拓撲結構。1)固定劃分法在固定劃分法中，對于任意節(jié)點，圓錐體的劃分方法都相同，并且劃分的圓錐體彼此不相交。具體可以有兩種劃分方法
第一種對任意節(jié)點u，首先使用三個正交平面(xy平面、yz平面和XZ平面)把u 的傳輸范圍UBG劃分成8個區(qū)域，每一個區(qū)域是1/8個球體；其次，再使用三個平面把每一個區(qū)域劃分成4個錐體，如圖2(a)所示，圖中所示的cl、c2和c3分別是所在圓弧的中點。 如此則把u的傳輸范圍劃分成了 32個彼此不相交的錐體。最后，在任意椎體內，對于u的鄰居節(jié)點集NUBe(u)，節(jié)點u只選擇錐體內長度最短的邊uv保留，這些有向邊uv形成了 3DYA0 拓撲結構Ntc(U)。這種劃分法形成的3DYA0結構的度數最大為32。第二種對任意節(jié)點u，首先使用三個正交平面(xy平面、yz平面和XZ平面)把u 的傳輸范圍UBG劃分成8個區(qū)域，每一個區(qū)域是1/8個球體；其次，使用6個平面把每一個區(qū)域劃分成7個錐體，如圖2(b)所示，其中，ci和ci’(i = 1,2,3)分別是所在圓弧的三等分點。如此則把u的傳輸范圍劃分成了 56個錐體。最后，在任意椎體內，對于u的鄰居節(jié)點集Nuk(U)，節(jié)點u只選擇錐體內長度最短的邊uv保留，這些有向邊uv形成了 3DYA0拓撲結構Ntc(U)。這種劃分法形成的3DYA0結構的度數最大為56。2)靈活劃分法在這種劃分法中，對于不同節(jié)點來說，錐體的劃分方法不同，劃分的圓錐體可以彼此相交。具體有兩種劃分方法第一種la)對任意節(jié)點U，首先計算其鄰居節(jié)點集；lb)對節(jié)點u的鄰居節(jié)點集中的任一鄰居節(jié)點V，設PROCESSED (ν) = 0 ；lc)對任一鄰居節(jié)點V，且有PROCESSED (ν) = 0，執(zhí)行以下步驟①以uv為軸，以一個小于π /3的角度θ為頂角，構建一個錐體；②節(jié)點u選擇錐體內最短的邊W保留，且對錐體內所有鄰居節(jié)點X，設 PROCESSED (χ) = 1 ；Id)這些有向邊Uw形成了 3DYA0拓撲結構Ntc(U)。如圖3(a)所示。第二種2a)對任意節(jié)點U，首先計算其鄰居節(jié)點集；2b)根據節(jié)點u到鄰居節(jié)點Vi的長度由小到大對u Vi進行排序，即Mu ViI彡|uvi+1||(i由1到m，m為鄰居節(jié)點個數))；2c)對所有鄰居節(jié)點 Vi (i 由 1 到 m)，設 PROCESSED (Vi) = 0 ；2d)對鄰居節(jié)點Vi (i由1到m)，假如PROCESSED (Vi) = 0，執(zhí)行以下步驟
①以u Vi為軸，以一個小于2 π /3的角度θ為頂角，構建一個錐體；②節(jié)點u選擇邊u Vi保留，且對錐體內所有鄰居節(jié)點w，設PROCESSED (w) = 1 ；2e)這些有向邊u Vi形成了 3DYA0拓撲結構Ntc(U)。如圖3(b)所示。步驟二處理之后，能夠保證處理后的網絡外向度數為一個常數。步驟三把3DYA0鄰居節(jié)點集Ntc(U)向u的鄰居節(jié)點集Nubc(U)中所有鄰居廣播。步驟四計算節(jié)點u的內向鄰居集如果u e Nyg(V)，那么把ν加入節(jié)點u的內向鄰居集冗⑷中，S卩I V e N; {u) 0步驟五以節(jié)點u的內向鄰居集(M)為輸入，選取和步驟二中相同的3DYA0算法
7對其進行處理，得到u節(jié)點處理后的鄰居節(jié)點集步驟五處理之后，能夠保證處理后的網絡內向度數為一個常數。步驟六把節(jié)點集(M)向u的鄰居節(jié)點集Nlffie(U)中所有鄰居廣播。步驟七對于Ntc (U)中所有節(jié)點V，假如u也在N; (ν)中，那么就把ν加入Nyyc (U) 中。步驟八輸出節(jié)點U的雙向度有界的三維無線傳感器網絡拓撲Nytc(U)，調整發(fā)射功率為可達到Nytc(U)中最遠的鄰居位置。本發(fā)明對于鄰居節(jié)點集和內向鄰居集分別采用3DYA0算法進行處理。由于3DYA0 算法具有連通性、能量支撐性和外向度有界性，因此本發(fā)明構造的三維無線傳感器網絡拓撲結構具有雙向度有界的特性。降低節(jié)點的度數可以減少節(jié)點轉發(fā)消息的數量和路由計算的復雜度，以達到降低網絡干擾和節(jié)約能量的目的。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，本發(fā)明提出這種雙向度有界的三維無線傳感器網絡拓撲控制方法能夠通過對任意滿足3DYA0結構的不同算法進行兩次操作達到節(jié)約能量，雙向度有界，延長網絡的生存時間，降低網絡干擾的目的。對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進，或者對其中部分技術特征進行等同替換，這些改進和替換也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種雙向度有界的三維無線傳感器網絡拓撲控制方法，包含如下步驟一、針對給定三維無線傳感器網絡中的任意節(jié)點u，計算其鄰居節(jié)點集Nlffie(U)，即u的最大通信距離能覆蓋的節(jié)點集；二、以節(jié)點u的鄰居節(jié)點集Nuk(U)為輸入，使用3DYA0算法對其進行處理，得到u節(jié)點處理后的3DYA0鄰居節(jié)點集Ntc(U)；三、把3DYA0鄰居節(jié)點集Ntc(U)向u的鄰居節(jié)點集Nuk(U)廣播；四、計算節(jié)點u的內向鄰居集％(M)如果ue Ntc(V)，那么把ν加入節(jié)點u的內向鄰居集《⑷中，即Ve《(M);五、以節(jié)點u的內向鄰居集《…)為輸入，使用與步驟二中相同的3DYA0算法對其進行處理，得到u節(jié)點處理后的鄰居節(jié)點集(M);六、把節(jié)點集(M)向u的鄰居節(jié)點集Nlffie(U)中所有鄰居廣播；七、對于Ntc(U)中所有節(jié)點V，假如U也在中，那么就把ν加入Nytc(U)中；八、輸出節(jié)點u的雙向度有界的三維無線傳感器網絡拓撲Nytc(U)，調整發(fā)射功率為可達到Nytc(u)中最遠的鄰居位置。
2.根據權利要求1所述的一種網絡拓撲控制方法，其特征在于，步驟二中采用的3DYA0 算法為固定劃分法。
3.根據權利要求2所述的一種網絡拓撲控制方法，其特征在于，所述固定劃分法為對任意節(jié)點u，首先使用三個正交平面把u的傳輸范圍UBG劃分成8個區(qū)域，每一個區(qū)域是1/8 個球體；其次，再使用三個平面把每一個區(qū)域劃分成4個錐體，如此則把u的傳輸范圍劃分成了 32個彼此不相交的錐體；最后，在任意椎體內，對于u的鄰居節(jié)點集Nlffie(U)，節(jié)點u只選擇錐體內長度最短的邊uv保留；這些有向邊uv形成了 3DYA0拓撲結構Ntc(u)，這種劃分法形成的3DYA0結構的度數最大為32。
4.根據權利要求2所述的一種網絡拓撲控制方法，其特征在于，所述固定劃分法為對任意節(jié)點u，首先使用三個正交平面把u的傳輸范圍UBG劃分成8個區(qū)域，每一個區(qū)域是1/8 個球體；其次，使用6個平面把每一個區(qū)域劃分成7個錐體，如此則把u的傳輸范圍劃分成了 56個錐體；最后，在任意椎體內，對于u的鄰居節(jié)點集NUBe(u)，節(jié)點u只選擇錐體內長度最短的邊uv保留，這些有向邊uv形成了 3DYA0拓撲結構Ntc(U)，這種劃分法形成的3DYA0 結構的度數最大為56。
5.根據權利要求1所述的一種網絡拓撲控制方法，其特征在于，步驟二中采用的3DYA0 算法為靈活劃分法。
6.根據權利要求5所述的一種網絡拓撲控制方法，其特征在于，所述靈活劃分法為la)對任意節(jié)點u，首先計算其鄰居節(jié)點集；lb)對節(jié)點u的鄰居節(jié)點集中的任一鄰居節(jié)點v，設PROCESSED (ν) = 0 ；Ic)對任一鄰居節(jié)點ν，且有PROCESSED (ν) = 0，執(zhí)行以下步驟①以uv為軸，以一個小于π/3的角度θ為頂角，構建一個錐體；②節(jié)點u選擇錐體內最短的邊W保留，且對錐體內所有鄰居節(jié)點X，設PROCESSED(χ) =1 ；Id)這些有向邊W形成了 3DYA0拓撲結構Ntc(U)。
7.根據權利要求5所述的一種網絡拓撲控制方法，其特征在于，所述靈活劃分法為 2a)對任意節(jié)點u，首先計算其鄰居節(jié)點集；2b)根據節(jié)點u到鄰居節(jié)點Vi的長度由小到大對u Vi進行排序，即I |u ViI彡|uvi+1||(i由1到m，m為鄰居節(jié)點個數))；2c)對所有鄰居節(jié)點Vi (i由1到m)，設PROCESSED (Vi) = 0 ；2d)對鄰居節(jié)點Vi (i由1到m)，假如PROCESSED(Vi) = 0，執(zhí)行以下步驟①以Uvi為軸，以一個小于2π/3的角度θ為頂角，構建一個錐體；②節(jié)點u選擇邊Uvi保留，且對錐體內所有鄰居節(jié)點w，設PROCESSED(w) = 1 ； 2e)這些有向邊u Vi形成了 3DYA0拓撲結構Ntc(U)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙向度有界的三維無線傳感器網絡拓撲控制方法，包含如下步驟一、對任意節(jié)點u，計算其鄰居節(jié)點集NUBG(u)；二、用3DYAO算法對NUBG(u)進行處理，得到NYG(u)；三、把NYG(u)向NUBG(u)廣播；四、計算節(jié)點u的內向鄰居集五、用步驟二中相同的3DYAO算法對進行處理，得到六、把向NUBG(u)中所有鄰居廣播；七、對于NYG(u)中所有節(jié)點v，假如u也在中，那么就把v加入NYYG(u)中；八、輸出節(jié)點u的雙向度有界的三維無線傳感器網絡拓撲NYYG(u)，調整發(fā)射功率為可達到NYYG(u)中最遠的鄰居位置。本發(fā)明具有雙向度有界和高效節(jié)能的特性，能夠在本地分布式實現(xiàn)，達到延長網絡生命周期，降低網絡干擾，提高網絡吞吐率的目的。
文檔編號H04W84/18GK102395182SQ20111042100
公開日2012年3月28日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權日2011年12月15日
發(fā)明者李凡, 王昱, 陳澤明 申請人:北京理工大學