基于節(jié)點鄰居關(guān)系的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲自愈算法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于節(jié)點鄰居關(guān)系的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲自愈算法，通過分析節(jié)點的鄰居關(guān)系尋找網(wǎng)絡(luò)的控制集DS，連通DS中的節(jié)點，獲得連通控制集CDS；通過啟發(fā)式的裁剪規(guī)則對前面得到的CDS進行裁剪，完成最小連通控制集MCDS的整個構(gòu)造；對全網(wǎng)進行失效節(jié)點的查詢，在失效節(jié)點的局部范圍內(nèi)重復(fù)MCDS構(gòu)造，局部修復(fù)后最終得到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)最小連通控制集MCDS’。仿真實驗表明，在大部分情況下該發(fā)明都能快速地產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)的一個接近最優(yōu)的MCDS。該發(fā)明僅依靠節(jié)點的鄰居信息快速地構(gòu)造一個新的MCDS’，很好地解決了由于節(jié)點失效所造成的網(wǎng)絡(luò)拓撲改變的問題，不僅能夠恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)拓撲的連通性，還有效地解決延長WSN生命期的問題。
【專利說明】基于節(jié)點鄰居關(guān)系的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲自愈算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于節(jié)點鄰居關(guān)系的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲自愈算法。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork, WSN)大多處于環(huán)境惡劣區(qū)域，節(jié)點缺乏持續(xù)的能量供給，因此WSN的首要設(shè)計目標(biāo)是通過均衡高效的能耗方式延長網(wǎng)絡(luò)生命期。WSN生命期的定義是目前WSN研究領(lǐng)域尚存爭議的問題之一。從WSN系統(tǒng)的完備性出發(fā)，部分國內(nèi)外研究機構(gòu)定義WSN生命期為在傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，最先因電池能量耗盡而失效的節(jié)點生命期。
[0003]然而，WSN往往處于惡劣環(huán)境以實現(xiàn)對珍貴數(shù)據(jù)的采集，因能量或外界因素造成的單點失效未必會使剩余網(wǎng)絡(luò)的連通性遭受完全破壞，其他節(jié)點所采集的區(qū)域數(shù)據(jù)仍有可能傳達至匯聚節(jié)點，所以單點失效后即終止WSN的運作顯然無法最大化WSN的部署價值。因此，從WSN的實際應(yīng)用角度，部分學(xué)者認為WSN生命期應(yīng)包括網(wǎng)絡(luò)局部失效后剩余節(jié)點仍可采集傳輸數(shù)據(jù)的WSN運作時間，即網(wǎng)絡(luò)由啟動開始直至無法提供有用信息為止的持續(xù)時間。本發(fā)明正是基于第二種WSN定義，研究了節(jié)點失效后拓撲的恢復(fù)，以保障剩余網(wǎng)絡(luò)的正常運作。
[0004]在滿足區(qū)域覆蓋性和節(jié)點連通性的基礎(chǔ)上，選擇最小數(shù)量的工作節(jié)點可降低能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)圖的一個連通控制集(Connected Dominating Set,⑶S)通常被用作該網(wǎng)絡(luò)的虛擬骨干網(wǎng)，在路由等方面起著重要的作用。由CDS構(gòu)造的一個虛擬骨干網(wǎng)極大地減少了路由開銷，負責(zé)路由的節(jié)點被限制在骨干網(wǎng)中的節(jié)點上。由于CDS中節(jié)點的工作負載較大，盡量減小CDS的規(guī)?？蓸O大地減小傳輸干擾和控制信息量。構(gòu)造一個最小的⑶S問題已證明是屬于NP-難的。
[0005]局部的求解CDS的協(xié)議可分為基于刪減的和基于增加的。
[0006]基于刪減的CDS協(xié)議以網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的集合開始，然后系統(tǒng)地刪除節(jié)點以獲得網(wǎng)絡(luò)的⑶S。這一類中最顯著的是Wu和Dai的裁剪方法。
[0007]基于增加的CDS協(xié)議開始于一個節(jié)點的子集，通常這個子集是不連通的，然后通過增加額外的節(jié)點連通這個子集，從而形成一個CDS。由于這個初始子集的不同，基于增加的⑶S協(xié)議可進一步劃分為基于最大獨立集MIS和基于Tree。
[0008]基于增加的協(xié)議一般比基于刪減的協(xié)議生成的CDS的規(guī)模更小,基于樹的協(xié)議產(chǎn)生更少的信息開銷。然而基于樹的構(gòu)造CDS協(xié)議通常通過定時器生成樹，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時，基于樹的CDS協(xié)議在構(gòu)造CDS時需要較多的時間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明旨在尋找一種協(xié)議，能夠快速的構(gòu)造CDS同時又具有基于樹的CDS協(xié)議的優(yōu)點。采用基于增加的協(xié)議構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)的一個CDS，首先尋找網(wǎng)絡(luò)的一個控制集(DominatingSet7DS),然后通過基于樹的方法來連通DS中的所有節(jié)點。通過構(gòu)造并動態(tài)更新最小連通控制集，提出一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)的局部修復(fù)算法，用以有效解決恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)拓撲連通性和延長WSN生命期的問題。
[0010]下面為該發(fā)明中用到的一些術(shù)語與定義:
[0011]Ni[j]:網(wǎng)絡(luò)中一個節(jié)點i的一跳鄰居以及其本身構(gòu)成的集合，即Ni[j]=N(i) U {1}，其中叭1)為節(jié)點i的一跳鄰居構(gòu)成的集合。將Ni[j]定義為節(jié)點i的閉鄰居。
[0012]Q:—個非遞增的有序隊列，其中存儲了在所有的Ni[j]中出現(xiàn)的節(jié)點并按出現(xiàn)的次數(shù)非遞增的順序排列，則Q中的第一個元素為在由Ni[j]構(gòu)成的集合中出現(xiàn)次數(shù)最多的節(jié)點。在Q上執(zhí)行的一個出列操作是指取出Q中的第一個元素。
[0013]DS:第一階段構(gòu)造的網(wǎng)絡(luò)的一個控制集DS，初始時DS為()。
[0014]⑶S:在網(wǎng)絡(luò)控制集DS的基礎(chǔ)上通過基于樹的方法來連通DS中的所有節(jié)點，得到網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的一個連通控制集⑶S。
[0015]MCDS:通過一種啟發(fā)式的裁剪規(guī)則對前面得到的CDS進行裁剪，最終完成的最小連通控制集MCDS。
[0016]MCDSj:節(jié)點失效情況下，局部修復(fù)后最終得到的當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)最小連通控制集MCDS’。
[0017]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0018]一種基于節(jié)點鄰居關(guān)系的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲自愈算法，
[0019]通過分析節(jié)點的鄰居關(guān)系尋找網(wǎng)絡(luò)的控制集DS，連通DS中的節(jié)點，獲得連通控制集 CDS ；
[0020]通過啟發(fā)式的裁剪規(guī)則對前面得到的CDS進行裁剪，完成最小連通控制集MCDS的整個構(gòu)造；
[0021]不斷對全網(wǎng)進行失效節(jié)點的查詢，在失效節(jié)點的局部范圍內(nèi)重復(fù)MCDS構(gòu)造，局部修復(fù)后最終得到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)最小連通控制集MCDS’。
[0022]進一步地，構(gòu)造DS的具體步驟為:
[0023]步驟1:傳感器網(wǎng)絡(luò)在剛剛部署時，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點以一定的功率廣播信息，發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點，并和鄰居節(jié)點形成雙向連接，形成網(wǎng)絡(luò)初始拓撲圖，每個節(jié)點擁有一個全網(wǎng)唯一ID ；
[0024]步驟2:網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點i獲取與每個鄰居節(jié)點的鏈路狀態(tài)，其中包括鄰接信息和對應(yīng)鏈路的權(quán)值，形成自己的原始鄰接表Ni [j]并在鄰居間交換Ni [j]；
[0025]步驟3:此時匯聚節(jié)點得到了全網(wǎng)的鄰接狀態(tài)，對所有節(jié)點的Ni[j]進行遍歷，找出在Ni[j]中出現(xiàn)的節(jié)點，并按節(jié)點出現(xiàn)次數(shù)的非遞增順序存放在隊列Q中；
[0026]步驟4:開始時，對Q執(zhí)行出列操作，假設(shè)取出的節(jié)點為U，則將u染為黑色，將Nu[j]中的所有節(jié)點(除了 u)染為灰色，則有DS — {u}；
[0027]步驟5:繼續(xù)對隊列Q中的白色節(jié)點執(zhí)行出列操作，假設(shè)取出的節(jié)點為V，則將V染為黑色，將Nv[j]中的白色節(jié)點染為灰色，則有DS = DS U M ；
[0028]步驟6:迭代執(zhí)行步驟4，直到網(wǎng)絡(luò)中不存在白色節(jié)點；
[0029]步驟7:黑色節(jié)點集即為整個網(wǎng)絡(luò)的控制集DS。
[0030]進一步地，構(gòu)造⑶S的具體步驟為:
[0031]步驟8:選擇|Ni [j] I最大的節(jié)點k為樹的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點，即為leader ；
[0032]步驟9:按照|Ni [j] I非遞增的順序檢查DS中除leader外的節(jié)點是否與leader之間存在一條路徑，該路徑僅由黑色節(jié)點構(gòu)成；
[0033]步驟10:若沒有，則選擇一條包含最少灰色節(jié)點且不能形成回路的路徑，將該路徑中的灰色節(jié)點染為黑色加入到DS中；
[0034]步驟11:若有，則返回步驟9 ;
[0035]步驟12:所有黑色節(jié)點的集合DS構(gòu)成了整個圖的一個連通控制集⑶S。
[0036]進一步地，構(gòu)造MCDS的具體步驟為:
[0037]步驟13:檢查由黑色節(jié)點形成的控制集⑶S的葉子節(jié)點i，是否存在僅由i控制的灰色節(jié)點；
[0038]步驟14:若不存在這樣的灰色節(jié)點，則從⑶S中刪除i ;
[0039]步驟15:若存在，則返回步驟13 ;
[0040]步驟16:檢查完所有葉子節(jié)點后，該過程結(jié)束，得到的所有黑色節(jié)點構(gòu)成了整個圖的一個最小連通控制集MCDS。
[0041 ] 進一步地，進行路徑規(guī)劃
[0042]步驟17:匯聚節(jié)點由全網(wǎng)原始的鄰接狀態(tài)，選擇權(quán)值最小的一條路徑到達當(dāng)前MCDS的leader ;網(wǎng)絡(luò)中所有灰色節(jié)點選取權(quán)值最短的路徑到達leader。
[0043]進一步地，失效節(jié)點的查詢具體步驟為:
[0044]步驟18:對于網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點每隔random(kl)時間，周期性的向匯聚節(jié)點發(fā)送報文。
[0045]步驟19:若匯聚節(jié)點在random(k2)時間內(nèi)收到網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的報文,貝U表示該節(jié)點有效，不作處理。
[0046]步驟20:若匯聚節(jié)點在等待random(k2)時間后尚未收到某節(jié)點報文,則確定該節(jié)點失效。
[0047]進一步地，局部修復(fù)具體為:
[0048]步驟21:若失效節(jié)點為灰色節(jié)點U，則去除該節(jié)點u，MCDS不受影響，返回步驟18。
[0049]步驟22:若失效節(jié)點為黑色節(jié)點V，則由Nv[j]和Nv[j]中的MCDS中節(jié)點的鄰居構(gòu)成集合V’，在V’上保持原有MCDS節(jié)點不變的情況下重復(fù)步驟I至步驟16，得到的MCDS以及原有MCDS的并集構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的新MCDS。
[0050]步驟23:對于構(gòu)成的當(dāng)前新M⑶S，再次對其進行裁剪重復(fù)步驟13至步驟16，得到網(wǎng)絡(luò)的最終MCDS’，返回步驟17。
[0051]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提出一種構(gòu)造最小連通控制集的有效算法MCDS，仿真實驗表明，該發(fā)明在大部分情況下都能快速地產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)的一個接近最優(yōu)的MCDS。該發(fā)明的局部修復(fù)方法僅依靠節(jié)點的鄰居信息快速地構(gòu)造一個新的MCDS’，很好地解決了由于節(jié)點失效所造成的網(wǎng)絡(luò)拓撲改變的問題。本發(fā)明不僅能夠恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)拓撲的連通性，還能有效地解決延長WSN生命期的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0052]圖1是網(wǎng)絡(luò)原始圖；
[0053]圖2是網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的DS圖；
[0054]圖3是網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的⑶S圖；[0055]圖4是網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的MCDS圖；
[0056]圖5是網(wǎng)絡(luò)的路徑規(guī)劃圖；
[0057]圖6是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點7失效圖；
[0058]圖7是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點2失效圖；
[0059]圖8是局部修復(fù)原始圖；
[0060]圖9是局部修復(fù)對應(yīng)的DS圖；
[0061]圖10是局部修復(fù)對應(yīng)的⑶S圖；
[0062]圖11是局部修復(fù)對應(yīng)的MCDS圖；
[0063]圖12是修復(fù)后網(wǎng)絡(luò)的MCDS’圖；
[0064]圖13是修復(fù)后網(wǎng)絡(luò)的路徑規(guī)劃圖。
【具體實施方式】
[0065]下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
[0066]針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在滿足區(qū)域覆蓋性和節(jié)點連通性的基礎(chǔ)上，實施例選擇最小數(shù)量的工作節(jié)點可降低能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。實施例采用無向帶權(quán)連通圖G=(V, E)表示一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中鏈路的權(quán)值與距離成正比。采用單位圓盤圖(Uni tDi skGraph，UDG)作為網(wǎng)絡(luò)模型，V是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的集合，E表示網(wǎng)絡(luò)中的所有鏈路，當(dāng)且僅當(dāng)任意兩個節(jié)點的歐幾里德距離最多為I時，這兩個節(jié)點是相連的，即它們在彼此的傳輸范圍內(nèi)。一個控制集(DominatingSet，DS)是一個子集V’(V’ GV)，使得V-V’中的每個節(jié)點與V’中某個節(jié)點相連。網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)圖的一個連通控制集(ConnectedDominatingSet,CDS)是一個控制集，且也是一個連通子圖。CDS中的節(jié)點叫作控制節(jié)點，其他節(jié)點稱為被控制節(jié)點。CDS通常被用作該網(wǎng)絡(luò)的虛擬骨干網(wǎng)，在路由等方面起著重要的作用。由CDS構(gòu)造的一個虛擬骨干網(wǎng)極大地減少了路由開銷，負責(zé)路由的節(jié)點被限制在骨干網(wǎng)中的節(jié)點上。
[0067]實施例提供一種基于節(jié)點鄰居關(guān)系的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲自愈算法，針對由于節(jié)點電池的耗盡等原因造成的網(wǎng)絡(luò)拓撲改變的情況，考慮到連通控制集在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的重要作用，通過構(gòu)造并動態(tài)更新最小連通控制集(MinimumConnected DominatingSet, MCDS),提出一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)的局部修復(fù)算法。實施例不僅能夠恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)拓撲的連通性，還能有效地解決延長WSN生命期的問題。
[0068]實施例主要分為3個階段:MCDS的構(gòu)造，失效節(jié)點的查詢和局部的修復(fù)。具體為:首先通過分析節(jié)點的鄰居關(guān)系尋找網(wǎng)絡(luò)的一個控制集DS，然后連通DS中的節(jié)點，從而獲得一個連通控制集CDS。最后通過一種啟發(fā)式的裁剪規(guī)則對前面得到的CDS進行裁剪，完成最小連通控制集MCDS的整個構(gòu)造。然后不斷對全網(wǎng)進行失效節(jié)點的查詢，在失效節(jié)點的局部范圍內(nèi)重復(fù)MCDS構(gòu)造，得到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)下的MCDS’。原始網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示。
[0069]第一階段:MCDS的構(gòu)造
[0070](I)構(gòu)造 DS
[0071]步驟1:傳感器網(wǎng)絡(luò)在剛剛部署時，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點以一定的功率廣播信息，發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點，并和鄰居節(jié)點形成雙向連接，形成網(wǎng)絡(luò)初始拓撲圖，每個節(jié)點擁有一個全網(wǎng)唯一ID0
[0072]步驟2:網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點i獲取與每個鄰居節(jié)點的鏈路狀態(tài)，其中包括鄰接信息和對應(yīng)鏈路的權(quán)值，形成自己的原始鄰接表Ni [j]并在鄰居間交換Ni [j]。
[0073]步驟3:此時匯聚節(jié)點得到了全網(wǎng)的鄰接狀態(tài)，對所有節(jié)點的NiU]進行遍歷，找出在NiU]中出現(xiàn)的節(jié)點，并按節(jié)點出現(xiàn)次數(shù)的非遞增順序存放在隊列Q中。
[0074]步驟4:開始時，對Q執(zhí)行出列操作。假設(shè)取出的節(jié)點為U，則將u染為黑色，將Nu[j]中的所有節(jié)點(除了 u)染為灰色，則有DS — {u}。
[0075]步驟5:繼續(xù)對隊列Q中的白色節(jié)點執(zhí)行出列操作。假設(shè)取出的節(jié)點為V，則將V染為黑色，將Nv[j]中的白色節(jié)點染為灰色，則有DS = DS U M0
[0076]步驟6:迭代執(zhí)行步驟4，直到網(wǎng)絡(luò)中不存在白色節(jié)點。
[0077]步驟7:黑色節(jié)點集即為整個網(wǎng)絡(luò)的控制集DS。如圖2所示。
[0078](2)構(gòu)造 CDS
[0079]步驟8:選擇I NiU] I最大的節(jié)點k為樹的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點，即為leader。
[0080]步驟9:按照INi [j] I非遞增的順序檢查DS中的節(jié)點(除了 leader)是否與leader之間存在一條路徑，該路徑僅由黑色節(jié)點構(gòu)成。
[0081]步驟10:若沒有，則選擇一條包含最少灰色節(jié)點且不能形成回路的路徑，將該路徑中的灰色節(jié)點染為黑色加入到DS中。
[0082]步驟11:若有，則返回步驟9。
[0083]步驟12:所有黑色節(jié)點的集合DS構(gòu)成了整個圖的一個連通控制集⑶S。如圖3所
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[0084](3)構(gòu)造 MCDS
[0085]步驟13:檢查由黑色節(jié)點形成的控制集⑶S的葉子節(jié)點i，是否存在僅由i控制的灰色節(jié)點。
[0086]步驟14:若不存在這樣的灰色節(jié)點，則從⑶S中刪除i。
[0087]步驟15:若存在，則返回步驟13。
[0088]步驟16:檢查完所有葉子節(jié)點后，該過程結(jié)束。得到的所有黑色節(jié)點構(gòu)成了整個圖的一個最小連通控制集MCDS。如圖4所示。
[0089](4)路徑規(guī)劃
[0090]步驟17:匯聚節(jié)點由全網(wǎng)原始的鄰接狀態(tài)，選擇權(quán)值最小的一條路徑到達當(dāng)前MCDS的leader ;網(wǎng)絡(luò)中所有灰色節(jié)點選取權(quán)值最短的路徑到達leader。如圖5所示。
[0091]第二階段:失效節(jié)點的查詢
[0092]步驟18:對于網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點每隔randomGO時間，周期性的向匯聚節(jié)點發(fā)送報文。
[0093]步驟19:若匯聚節(jié)點在random(k2)時間內(nèi)收到網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的報文,貝U表示該節(jié)點有效，不作處理。
[0094]步驟20:若匯聚節(jié)點在等待random(k2)時間后尚未收到某節(jié)點報文,則確定該節(jié)點失效。如圖6、圖7所示。
[0095]第三階段:局部的修復(fù)，圖8為局部修復(fù)的原始圖。
[0096]步驟21:若失效節(jié)點為灰色節(jié)點U，則去除該節(jié)點u，MCDS不受影響，返回步驟18。
[0097]步驟22:若失效節(jié)點為黑色節(jié)點V，則由Nv[j]和隊[」_]中的MCDS中節(jié)點的鄰居構(gòu)成集合V’，在V’上保持原有MCDS節(jié)點不變的情況下重復(fù)步驟I至步驟16，如圖9、圖10、圖11，得到的MCDS以及原有MCDS的并集構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的新MCDS。
[0098]步驟23:對于構(gòu)成的當(dāng)前新M⑶S，再次對其進行裁剪重復(fù)步驟13至步驟16，得到網(wǎng)絡(luò)的最終MCDS’，如圖12、圖13，返回步驟17。
[0099]實施例的正確性及技術(shù)優(yōu)勢分析如下:
[0100]首先，MCDS算法分為3個階段，通過第I階段的操作得到了網(wǎng)絡(luò)的一個控制集DS，即網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都被DS中的節(jié)點所控制。然后連通DS中的所有節(jié)點，形成了網(wǎng)絡(luò)的一個連通控制集CDS。盡管在第三階段對這個CDS進行了裁剪，但在裁剪的時候我們保證每個灰色節(jié)點至少有一個黑色鄰居節(jié)點，因此，這一步?jīng)]有破壞連通和控制的特性，即算法結(jié)束時，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點被一個較小的CDS所控制。故MCDS算法是正確的。
[0101]其次，每個節(jié)點由于受電池能量的限制其狀態(tài)始終在發(fā)生變化，因此，會造成網(wǎng)絡(luò)拓撲的改變。為了處理拓撲改變，重新構(gòu)造一個新的最小的連通控制集需要花費大量的時間和能量。本發(fā)明使用一種只基于節(jié)點鄰居信息的修復(fù)算法。如果失效的節(jié)點是一個普通節(jié)點，則MCDS不受影響。如果失效節(jié)點是一個控制節(jié)點，則MCDS將被改變，需要修復(fù)此改變，生成新網(wǎng)絡(luò)的一個MCDS’。
【權(quán)利要求】
1.一種基于節(jié)點鄰居關(guān)系的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲自愈算法，其特征在于: 通過分析節(jié)點的鄰居關(guān)系尋找網(wǎng)絡(luò)的控制集DS，連通DS中的節(jié)點，獲得連通控制集CDS ； 通過啟發(fā)式的裁剪規(guī)則對前面得到的CDS進行裁剪，完成最小連通控制集MCDS的整個構(gòu)造； 不斷對全網(wǎng)進行失效節(jié)點的查詢，在失效節(jié)點的局部范圍內(nèi)重復(fù)MCDS構(gòu)造，局部修復(fù)后最終得到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)最小連通控制集MCDS’。
2.如權(quán)利要求1所述的基于節(jié)點鄰居關(guān)系的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲自愈算法，其特征在于，構(gòu)造DS的具體步驟為: 步驟1:傳感器網(wǎng)絡(luò)在剛剛部署時，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點以一定的功率廣播信息，發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點，并和鄰居節(jié)點形成雙向連接，形成網(wǎng)絡(luò)初始拓撲圖，每個節(jié)點擁有一個全網(wǎng)唯一 ID ；步驟2:網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點i獲取與每個鄰居節(jié)點的鏈路狀態(tài)，其中包括鄰接信息和對應(yīng)鏈路的權(quán)值，形成自己的原始鄰接表Ni [j]并在鄰居間交換Ni [j]； 步驟3:此時匯聚節(jié)點得到了全網(wǎng)的鄰接狀態(tài)，對所有節(jié)點的Ni[j]進行遍歷，找出在Ni[j]中出現(xiàn)的節(jié)點，并按節(jié)點出現(xiàn)次數(shù)的非遞增順序存放在隊列Q中； 步驟4:開始時，對Q執(zhí)行出列操作，假設(shè)取出的節(jié)點為U，則將u染為黑色，將Nu[j]中的所有節(jié)點(除了 u)染為灰色，則有DS — {u}； 步驟5:繼續(xù)對隊列Q中的白色節(jié)點執(zhí)行出列操作，假設(shè)取出的節(jié)點為V，則將V染為黑色，將Nv[j]中的白色節(jié)點染為灰色，則有DS = DS U M ； 步驟6:迭代執(zhí)行步驟4，直到網(wǎng)絡(luò)中不存在白色節(jié)點； 步驟7:黑色節(jié)點集即為整個網(wǎng)絡(luò)的控制集DS。
3.如權(quán)利要求2所述的基于節(jié)點鄰居關(guān)系的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲自愈算法，其特征在于，構(gòu)造⑶S的具體步驟為: 步驟8:選擇|Ni [j] I最大的節(jié)點k為樹的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點，即為leader ； 步驟9:按照Ni [j] I非遞增的順序檢查DS中除leader外的節(jié)點是否與leader之間存在一條路徑，該路徑僅由黑色節(jié)點構(gòu)成； 步驟10:若沒有，則選擇一條包含最少灰色節(jié)點且不能形成回路的路徑，將該路徑中的灰色節(jié)點染為黑色加入到DS中； 步驟11:若有，則返回步驟9 ; 步驟12:所有黑色節(jié)點的集合DS構(gòu)成了整個圖的一個連通控制集CDS。
4.如權(quán)利要求1-3任一項所述的基于節(jié)點鄰居關(guān)系的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲自愈算法，其特征在于，構(gòu)造MCDS的具體步驟為: 步驟13:檢查由黑色節(jié)點形成的控制集CDS的葉子節(jié)點i，是否存在僅由i控制的灰色節(jié)點； 步驟14:若不存在這樣的灰色節(jié)點，則從CDS中刪除i ; 步驟15:若存在，則返回步驟13 ； 步驟16:檢查完所有葉子節(jié)點后，該過程結(jié)束，得到的所有黑色節(jié)點構(gòu)成了整個圖的一個最小連通控制集MCDS。
5.如權(quán)利要求4所述的基于節(jié)點鄰居關(guān)系的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲自愈算法，其特征在于，進行路徑規(guī)劃: 步驟17:匯聚節(jié)點由全網(wǎng)原始的鄰接狀態(tài)，選擇權(quán)值最小的一條路徑到達當(dāng)前MCDS的leader ;網(wǎng)絡(luò)中所有灰色節(jié)點選取權(quán)值最短的路徑到達leader。
6.如權(quán)利要求5所述的基于節(jié)點鄰居關(guān)系的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲自愈算法，其特征在于，失效節(jié)點的查詢具體步驟為: 步驟18:對于網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點每隔random(kl)時間，周期性的向匯聚節(jié)點發(fā)送報文。 步驟19:若匯聚節(jié)點在random(k2)時間內(nèi)收到網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的報文，則表示該節(jié)點有效，不作處理。 步驟20:若匯聚節(jié)點在等待random(k2)時間后尚未收到某節(jié)點報文,則確定該節(jié)點失效。
7.如權(quán)利要求6所述的基于節(jié)點鄰居關(guān)系的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲自愈算法，其特征在于，局部修復(fù)具體為: 步驟21:若失效節(jié)點為灰色節(jié)點U，則去除該節(jié)點u，MCDS不受影響，返回步驟18。步驟22:若失效節(jié)點為黑色節(jié)點V，則由Nv [j]和Nv [j]中的MCDS中節(jié)點的鄰居構(gòu)成集合V’，在V’上保持原有MCDS節(jié)點不變的情況下重復(fù)步驟I至步驟16，得到的MCDS以及原有MCDS的并集構(gòu) 成網(wǎng)絡(luò)的新MCDS。 步驟23:對于構(gòu)成的當(dāng)前新MCDS，再次對其進行裁剪重復(fù)步驟13至步驟16，得到網(wǎng)絡(luò)的最終MCDS’，返回步驟17。
【文檔編號】H04W40/24GK104010342SQ201410191686
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】宋燕琪, 沙超, 李肖肖, 劉 文, 沈天呈, 王汝傳, 黃海平 申請人:南京郵電大學(xué)