同构无线传感器网络中选定最优汇聚节点的方法

摘要

本发明公开了一种在同构无线传感器网络中选定最优汇聚节点的方法，主要涉及无线传感器网络的配置和管理。无线传感器网络随机部署后，使用者往往希望各传感器节点监测到的数据能通过最短的中继路径向汇聚节点传输，并希望所有节点中继路径的总长度最低，使网络总的中继通信能耗尽量低。本发明首先对网络中所有节点排序，依次作为起始节点进行宽度优先搜索，在搜索过程中采用限界技术以减小搜索空间，最终找到最小宽度优先生成树。然后，确定最优汇聚节点，同时确定其他节点向汇聚节点传输数据的最短中继路径路由。

权利要求

1.同构无线传感器网络中选定最优汇聚节点的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将网络中所有节点按其邻接节点数的非增次序排列，获得节点队列；

2)从节点队列中每次取一个节点作为起始节点，进行宽度优先搜索，得到宽度优先生成树；当所有节点都作为起始节点完成了搜索后，确定最小宽度优先生成树；

3)将步骤2)所得的最小宽度优先生成树的根节点确定为最优汇聚节点。

2.根据权利要求1所述的同构无线传感器网络中选定最优汇聚节点的方法，其特征在于：步骤2)的宽度优先搜索过程中，通过分枝限界来减小搜索空间。

3.根据权利要求2所述的同构无线传感器网络中选定最优汇聚节点的方法，其特征在于：步骤2)具体包括如下步骤：

21)给用于限界的上界赋初始值；

22)如果节点队列不为空，取其中最前一个未进行宽度优先搜索的节点作为一次宽度优先搜索的起始节点；否则，步骤2)结束；

23)从起始节点开始，按宽度优先的原则，对未扩展的节点进行扩展；每次节点扩展后，计算当前宽度优先生成树上各节点到根节点的路径的总长度，如果这个总长度大于或等于上界值，则对本次宽度优先搜索进行限界，转步骤22)；如果这个总长度小于上界值，则继续进行节点扩展，直到不再有未扩展的节点，得到一个从起始节点延伸到网络中所有节点的宽度优先生成树；

24)若步骤23)所得的宽度优先生成树上所有节点到起始节点的路径的总长度小于上界值，则这棵树是目前的最小宽度优先生成树，把这个总长度值赋予上界，记录这棵树为当前最小宽度优先生成树；转步骤22)。

4.根据权利要求1所述的同构无线传感器网络中选定最优汇聚节点的方法，其特征在于：步骤3)中，还包括将步骤2)所得的最小宽度优先生成树上 各节点到根节点的唯一路径确定为网络中其他节点到最优汇聚节点的最短中继路径的步骤。

5.根据权利要求4所述的同构无线传感器网络中选定最优汇聚节点的方法，其特征在于：步骤3)之后还包括在全网通告最优汇聚节点的ID和最短中继路径的路由信息的步骤。

说明书

同构无线传感器网络中选定最优汇聚节点的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及无线传感器网络技术，具体涉及一种无线传感器网络的配置、管理方法。

背景技术

[0002] 无线传感器网络随机部署后，使用者往往希望网络中各传感器节点监测到的数据能通过最短的中继路径向汇聚节点传输，相应的路由方式称为最小跳数路由(Minimum Hop Routing)或最短路径路由(Shortest Path Routing)，使用者也希望所有节点向汇聚节点传输数据的中继路径的总长度最短，使总的中继通信能耗尽量低，能否实现这一目标，在很大程度上取决于对数据汇聚节点或其位置的选择和确定。在传感器网络中选择最佳的数据汇聚节点，这实际上是一个最优化问题。

[0003] 现有技术对如何确定汇聚节点有一些研究，但仍存在各种问题。如现有的P-中值模型法和区域划分法，这两种确定汇聚节点的方法都是与地理位置相关的，在实际网络中并不可行，为传感器节点配备地理信息装置会使成本增加，同时P-中值模型法并未解决多跳路由问题，对降低通信能耗帮助不大，而区域划分法对传感节点分布不均的情况也不能有效处理；又如文献“林小竹，周珏嘉，慕春棣.无线传感器网络汇聚节点自组织选举协议.计算机工程与设计，2007，28(9)：2026-2029”采用基于洪泛的汇聚节点自组织选举，网络通信开销巨大，另外，该方法需要定时器操作，需要网络节点间时钟同步，增加了实施的复杂度。

发明内容

[0004] 有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提供一种高效、准确的同构无线传感器网络中选定最优汇聚节点的方法，能确定最优的汇聚节点，使其他所有节点向汇点传输数据的中继路径的总长度最小。

[0005] 本发明的目的是这样实现的：同构无线传感器网络中选定最优汇聚节点的方法，包括如下步骤：

[0006] 1)将网络中所有节点按其邻接节点数的非增次序排列，获得节点队列； [0007] 2)从节点队列中每次取一个节点作为起始节点，进行宽度优先搜索，得到宽度优先生成树；当所有节点都作为起始节点完成了搜索后，确定最小宽度优先生成树； [0008] 3)将步骤2)所得的最小宽度优先生成树的根节点确定为最优汇聚节点。 [0009] 进一步，步骤2)的宽度优先搜索过程中，通过分枝限界来减小搜索空间； [0010] 进一步，步骤2)具体包括如下步骤：

[0011] 21)给用于限界的上界赋初始值；

[0012] 22)如果节点队列不为空，取其中最前一个未进行宽度优先搜索的节点作为一次宽度优先搜索的起始节点；否则，步骤2)结束；

[0013] 23)从起始节点开始，按宽度优先的原则，对未扩展的节点进行扩展；每次节点扩展后，计算当前宽度优先生成树上各节点到根节点的路径的总长度，如果这个总长度大于或等于上界值，则对本次宽度优先搜索进行限界，转步骤22)；如果这个总长度小于上界值，则继续进行节点扩展，直到不再有未扩展的节点，得到一个从起始节点延伸到网络中所有节点的宽度优先生成树；

[0014] 24)若步骤23)所得的宽度优先生成树上所有节点到起始节点的路径的总长度小于上界值，则这棵树是目前的最小宽度优先生成树，把这个总长度值赋予上界，记录这棵树为当前最小宽度优先生成树；转步骤22)；

[0015] 进一步，步骤3)中，还包括将步骤2)所得的最小宽度优先生成树上各节点到根节点的唯一路径确定为网络中其他节点到最优汇聚节点的最短中继路径的步骤； [0016] 进一步，步骤3)之后还包括在全网通告汇聚节点的ID、和最短路径中继路由信息的步骤。

[0017] 本发明提出的方法容易实现，属于集中式处理方法，实施过程中网络通信开销小、效率高。本方法可在同构无线传感器网络中准确选定使所有传感器节点进行数据汇聚的中继总跳数最少、或中继路径总长度最短的汇聚节点位置；把相应位置上的节点设置为汇聚节点，在所有传感器节点等间隔地发出监测数据的情况下，将使网络数据汇聚耗费的通信能量最低，延长网络寿命。

[0018] 本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

[0019] 附图说明

[0020] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

[0021] 图1示出了本发明同构无线传感器网络中选定最优汇聚节点的方法的流程示意图；

[0022] 图2示出了搜寻最小宽度优先生成树的流程示意图；

[0023] 图3示出了单层同构传感器网络部署示意图；

[0024] 图4示出了搜寻到的最小宽度优先生成树和最优汇聚节点示意图。 [0025] 具体实施方式

[0026] 以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

[0027] 一个同构无线传感器网络随机部署后，用无向图对网络建模，把网络中所 有节点按其邻接节点数的非增次序排列，然后用一个基于宽度优先原则和限界技术的搜索方法，在图中搜寻最小宽度优先生成树，最后，确定最优汇聚节点，同时确定其他节点向汇聚节点传输数据的最短路径路由。本实施例的实施主体是传感器网络管理终端。 [0028] 如图1所示，本实施例的在同构无线传感器网络中选定最优汇聚节点的方法，包括以下步骤：

[0029] 步骤1：把网络中所有节点按其邻接节点数的非增次序排列，获得节点队列。 [0030] 步骤2：从节点队列中每次取一个节点作为起始节点，进行宽度优先搜索，得到宽度优先生成树；搜索过程中通过分枝限界来减小搜索空间；当所有节点都作为起始节点完成了搜索，即可确定最小宽度优先生成树。

[0031] 步骤3：把最小宽度优先生成树的根节点确定为最优汇聚节点；同时，最小宽度优先生成树上各节点到根节点有唯一的路径，确定为网络中其他节点到最优汇聚节点的最短中继路径。

[0032] 步骤4：在全网通告汇聚节点的ID、和最短中继路径路由信息。 [0033] 下面以应用到一个同构无线传感器节点随机撒布得到的单层网络为例，对本实施例进行详细说明，如图3所示，图3中空心圆表示传感器节点，网络管理终端把所有网络节点按其邻接节点数的非增次序排列；为便于后续说明，在图3中用标号v1标识了邻接节点数最多的节点(邻接节点数＝7)，用标号v2标识了邻接节点数次多的节点(邻接节点数＝6)。

[0034] 上述方法中，为发现网络中的最小宽度优先生成树，本实施例采用一种基于宽度优先原则和限界技术的搜索方法。图2所示为搜索最小宽度优先生成树方法的流程图。 [0035] 搜索方法的输入是邻接矩阵(存储网络节点之间的连接信息；邻接矩阵可以通过网络管理终端发起网络遍历得到)、和网络中所有节点按其邻接节点数的非增次序排序后的节点队列NODES；每次宽度优先搜索从NODES队列的取出一个节点作为搜索的起始节点。方法中用活节点队列OPEN存放每次搜索中已 访问但未扩展的节点的ID；用CLOSE节点表存放已访问且已扩展的节点的ID。用宽度优先编号BFN表示节点和汇点的距离，BFN越大，中继跳数越多。用宽度优先生成树结构BFT来保存搜索过程中得到的树边；用结构MBFT来保存当前最小宽度优先生成树的树边；用TBFT存放当前宽度优先生成树上各节点到树根的最短路径长度之和；用U表示搜索的上界，它等于当前最小宽度优先生成树上各节点到树根的最短路径长度之和。

[0036] 参见图2，搜索最小宽度优先生成树的方法包括以下步骤：

[0037] 步骤2.1：给上界U赋初始值为网络管理终端可处理的最大正整数。 [0038] 步骤2.2：如果NODES队列不为空，从中取最前一个未进行宽度优先搜索的节点，设为Vs；否则，本搜索方法结束。

[0039] 步骤2.3：给TBFN赋初始值等于0；把BFN的初始值0赋予节点Vs；标记它为“已访问”，把它的ID放入OPEN队列。

[0040] 步骤2.4：如果OPEN队列为空，转步骤2.5；否则，转步骤2.6。 [0041] 步骤2.5：如果U＞TBFN，则赋值U＝TBFN，把BFT中数据转存到MBFT中，清空CLOSE表，清空BFT结构。转步骤2.2。否则，清空CLOSE表，清空BFT结构。转步骤2.2。 [0042] 步骤2.6：从OPEN队列中取出一个节点ID，设为节点Vu；扩展节点Vu，把它所有未访问过的邻接节点(即扩展的子节点)的ID放入OPEN队列，把Vu的ID放入CLOSE表；设Vu扩展的子节点数为Nu，把BFN＝BFN(Vu)+1赋予这些节点，TBFN＝TBFN+BFN×Nu，把Vu扩展得到的树边存放到生成树结构BFT中。如果节点Vu找不到未访问过的邻接节点，则只把Vu的ID放入CLOSE表。

[0043] 步骤2.7：如果TBFN≥U，则搜索被限界，清空OPEN队列、CLOSE表、和BFT结构，转步骤2.2；否则，转步骤2.4。

[0044] 本发明的实施主体首先从NODES队列中取出图3中节点v1作为起始节点，开始宽度优先搜索；得到一棵宽度优先生成树，TBFN＝52，U＝52。然后从NODES队列中取出图3中节点v2作为起始节点，开始宽度优先搜索；得到宽度优先生 成树，TBFN＝49，小于原来的上界值，所以赋值U＝49。对NODES队列中后续节点进行类似的搜索处理，不再赘述。
当最后NODES队列为空时，得到存放在MBFT结构中的最小宽度优先生成树，如图4所示。 [0045] 可以看出，从NODES队列中取出第2个节点(图3中标号v2)作为起始节点进行宽度优先搜索，就能得到传感器网络的最小宽度优先生成树，以其TBFN(等于49)为上界，NODES队列中后续节点生成宽度优先生成树的过程中都会发生限界，有效地减小了搜索空间；这也说明本实施例的方法把网络节点按其邻接节点数的非增次序排列、依次作为起始节点进行搜索，对提高总的搜索效率是有益的。

[0046] 图4中最小宽度优先生成树的根节点(实心点)就是图3所示的同构无线传感器网络中最优的汇聚节点。在这棵最小宽度优先生成树上，各节点到汇聚节点有唯一一条路径，而且是中继跳数最少的路径，所以，网络中各传感器节点到汇聚节点的最短路径路由就确定了。最后，由网络管理终端把汇聚节点的ID、以及最短中继路径路由信息向全网节点通告。

[0047] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。