基于部分k連通的無線傳感網絡完全k連通實現方法技術

本發明專利技術公開了一種基于部分k連通的無線傳感網絡完全k連通實現方法，是利用 圖論的方式和部分k連通方法來實現無線傳感器網絡的完全k連通。該連通實現方法 以部分k機制為基礎，采用循環控制策略，達到傳感器網絡的完全k連通。對于任意 一個傳感器網絡，首先利用單位圓盤圖來抽象其中的每一個節點，形成一個無線傳感 器網絡模型圖；其次求解該網絡模型圖的加權完全圖，并利用貪婪算法求解加權完全 圖的k連通子圖；然后利用部分k連通機制增加新的節點，從而形成一個新的無線傳 感器網絡模型圖；最后以所形成的新的無線傳感器網絡模型圖進行循環處理，直到達 到完全k連通為止。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種無線傳感網絡完全/c連通實現方法，更特別的說，是一種基于部 分^連通方法的無線傳感網絡完全A連通實現方法。
技術介紹
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network,簡稱WSN)是由部署在監測區 域內大量微型傳感器節點組成，通過無線通信的方式形成一個多跳的自組織網絡系 統，其目的是協作地實時監測、感知和采集網絡監測區域內的各種環境或被監測對象 的信息，并將信息發送給使用者。一個傳感器節點一般由一個嵌入式處理單元、低功耗射頻模塊和一個或多個傳感 部件組成，并由電池供電。其節點結構決定了其處理能力、通訊能力、感知能力和供 電能力都非常有限。因此， 一般地，在大量分布的無線傳感器節點所夠成的多跳自組 織的無線傳感器網絡中，單個節點很難直接將數據發送給基站(Sink)節點，而需 要多個節點之間相互協作來進行數據采集和路由，其中，數據路由被認為是傳感器節 點最耗能的工作之一。正是因為節點的多方面能力都非常有限，因此，傳感器節點很容易失效。此外， 在很多無線傳感器網絡應用中，傳感器節點多部署在危險或惡劣環境下、或者部署在 人不方便到達的地方來采集相關的數據完成監測工作，一方面這些惡劣環境增加了很 多節點失效的不可控因素，另一方面使得更換節點電池或更換失效的節點幾乎不可 能。傳感器網絡的自組織工作方式決定了一個節點可能成為其它節點傳遞數據的路由 設施，因此，如果一個節點失效，不但它本身不能完成檢測工作，更可能帶來其它正 常工作節點的數據不能正常路由傳遞到Sink節點的可能，從而出現部分節點失效卻 導致整個網絡失效的情況。因此，如何提供有效方式來延長整個傳感器網絡的生命周期就顯得非常迫切。一 個簡單而有效的方式就是部署一定冗余量的節點，使得節點之間有多條路徑相連，即所謂的多連通。當節點之間有多條路徑相連時，如果一條路徑上有節點失效，其它的 路徑還可以完成數據路由，從而提高了無線傳感網絡的可靠性。傳感器網絡的A連通節點部署就是用多連通思想來提高網絡可靠性的方法。所謂 A連通是指無線傳感網絡中任意兩個節點之間都有*條獨立的路徑相互可達。A條獨 立的路徑是指至少存在A條路徑，這些路徑中彼此沒有重復的節點。^連通意味著無 線傳感器網絡中有A: -1個節點失效后，至少保證還有一條路徑連通。A連通是傳感器網絡領域研究的一個重點問題，專家學者已經提出了一些A:連通 部署方法，典型的代表是Jonathan L. Bredin等人實現的無線傳感網絡完全A:連通 方法，該方法利用圖論的知識，在初始的傳感器網絡(稱其中的節點為原始節點)來 尋找需要增加節點的位置，然后在所找到的每個位置增加A:個節點(稱新加的節點為 Steiner點)，并在原始節點位置再增加A:-l個節點。用該方法所形成的新的傳感器 網絡，任意兩個節點之間都是A:連通的，無論這個節點是原始節點還是Steiner點。從此方法的步驟可以看出，它需要在同一個物理位置放置多個傳感器節點，這種 方法在一定程度上增加了網絡的可靠性，但是效果卻是有限的。比如，傳感器節點的 失效可以分為兩大類，一類是因為節點電池耗盡或其它硬件故障等節點內部原因導致 的節點失效，另一類是因為諸如地震、臺風或動物踐踏等外部環境因素所造成的節點 失效，對于第一類失效，在一個物理位置上放置多個節點能達到一定的冗余，但是對 于第二類失效問題，外部環境使得同一個物理位置的節點同時失效的可能性較大，因 此，在這種情況下，在同一個物理位置部署多個節點，就很難真正達到冗余的目的。因此，本專利技術專利提出了一種新的A連通部署方法，該方法在達到節點A:連通的 同時，盡量避免在同一個物理位置放置多個節點。 發 明 內 容本專利技術的目的是利用圖論的方式和部分A:連通方法來實現無線傳感器網絡的完 全^連通。該基于部分^連通機制的無線傳感器網絡完全A連通實現方法以部分A:連 通機制為基礎，采用循環控制策略，達到傳感器網絡的完全A連通。對于任意一個傳 感器網絡(第一網絡圖)，首先利用單位圓盤圖來抽象其中的每一個節點，形成一個 無線傳感器網絡模型圖；其次求解該網絡模型圖的加權完全圖，并利用貪婪方法求解加權完全圖的A連通子圖；然后利用部分々連通機制增加新的節點，從而形成一個新的無線傳感器網絡模型圖(第二網絡圖)；最后以所形成的新的無線傳感器網絡模型圖進行循環處理，直到達到完全^連通為止。本專利技術的完全^連通實現方法解決了(1)連通度A:可預設的連通控制問題；(2)達到節點A:連通的同時，盡量避免在同 一個物理位置放置多個節點；(3)在有些情況下，所增加的節點總數量較少。本專利技術基于部分&連通的無線傳感器網絡完全&連通實現方法有五個部分內容，步驟一為構建第一網絡圖5(，￡、步驟二為構建加權完全圖《0^，￡、6/)、步驟 三為獲得々連通子圖G(7G,五G,wG)、步驟四為獲取第二網絡圖G'(7G',^')和步驟五為判斷第二網絡圖G'(W,^')是否為完全A:連通圖。本專利技術基于部分&連通的無線傳感器網絡完全A:連通實現方法的優點在于(1) 能夠實現傳感器網絡節點的^連通，同時盡量避免在同一個物理位置放置多個節點； (2)該方法不伹能夠在節點內部原因失效情況下提高網絡可靠性，對于因為外部環 境原因所造成的節點失效情況也能提高可靠性；(3)該方法能夠根據具體應用的要 求，維持任意大小的網絡連通度，具有較廣闊的應用范圍。 附圖說明圖1是本專利技術無線傳感網絡完全A:連通實現方法的處理流程圖。圖1A是本專利技術構建加權完全圖中執行模式一的處理流程圖。圖1B是本專利技術獲取A:連通子圖的處理流程圖。圖ic是本專利技術構建第二網絡圖的處理流程圖。圖2A是無線傳感網絡模型圖S(，^')的簡示結構圖。 圖2B是本專利技術的加權完全圖《(J^，i^,6/)的簡示結構圖。 圖2C是本專利技術的A連通子圖G(J^ ，￡6, W)的簡示結構圖。 圖2D是本專利技術的第二網絡圖G'(W^6')的簡示結構圖。 具體實施例方式下面將結合附圖對本專利技術做進一步的詳細說明。本專利技術的目的是利用圖論的方式和部分^連通方法來實現無線傳感器網絡的完 全々連通。該基于部分A:連通機制的無線傳感器網絡完全A連通實現方法以部分A:連 通機制為基礎，采用循環控制策略，達到傳感器網絡的完全^連通。對于任意一個傳 感器網絡，首先利用單位圓盤圖來抽象其中的每一個節點，形成一個無線傳感器網絡 模型圖(即第一網絡圖)；其次求解該網絡模型圖的加權完全圖，并利用貪婪方法求解加權完全圖的A連通子圖；然后利用部分&連通機制增加新的節點，從而形成一個 新的無線傳感器網絡模型圖(即第二網絡圖)；最后以第二網絡圖進行循環處理，直 到達到完全^連通為止。本專利技術的完全^連通實現方法解決了 (1)連通度/c可預設 的連通控制問題；(2)達到節點A:連通的同時，盡量避免在同一個物理位置放置多個節點；(3)在有些情況下，所增加的節點總數量較少。本專利技術的一種基于部分A:連通的無線傳感器網絡完全A:連通實現方法，包括有下 列五個處理步驟。步驟一構建無線傳感器網絡模型圖s(r W)根據傳感器節點F 、節點間的通信半徑及和節點間的距離構建無線傳感器網絡 模型圖S(,W)(簡稱第一網絡圖)，^本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于部分ｋ連通的無線傳感網絡完全ｋ連通實現方法，其特征在于包括有下列五個處理步驟：　步驟一：構建無線傳感網絡模型圖Ｓ（Ｖ↑［Ｓ］，Ｅ↑［Ｓ］）　根據傳感器節點Ｖ、節點間的通信半徑Ｒ和節點間的距離ｄ構建無線傳感網絡模型圖Ｓ（Ｖ↑［Ｓ］，Ｅ↑［Ｓ］），Ｖ↑［Ｓ］表示無線傳感網絡模型圖Ｓ（Ｖ↑［Ｓ］，Ｅ↑［Ｓ］）的頂點集合，Ｅ↑［Ｓ］表示無線傳感網絡模型圖Ｓ（Ｖ↑［Ｓ］，Ｅ↑［Ｓ］）的邊集合；　步驟二：構建加權完全圖Ｋ（Ｖ↑［Ｋ］，Ｅ↑［Ｋ］，ω↑［Ｋ］）采用執行模式一對步驟一獲得的第一網絡圖Ｓ（Ｖ↑［Ｓ］，Ｅ↑［Ｓ］）進行處理，獲得加權完全圖Ｋ（Ｖ↑［Ｋ］，Ｅ↑［Ｋ］，ω↑［Ｋ］），Ｖ↑［Ｋ］表示加權完全圖Ｋ（Ｖ↑［Ｋ］，Ｅ↑［Ｋ］，ω↑［Ｋ］）的頂點集合，Ｅ↑［Ｋ］表示加權完全圖Ｋ（Ｖ↑［Ｋ］，Ｅ↑［Ｋ］，ω↑［Ｋ］）的邊集合，ω↑［Ｋ］表示加權完全圖Ｋ（Ｖ↑［Ｋ］，Ｅ↑［Ｋ］，ω↑［Ｋ］）的權值集合；　所述執行模式一的處理步驟為：　執行步驟２１：求解加權完全圖Ｋ（Ｖ↑［Ｋ］，Ｅ↑［Ｋ］，ω↑［Ｋ］）的第二頂點集合Ｖ↑［Ｋ］初始時，設第二頂點集合Ｖ↑［Ｋ］為一個空集合，然后將第一網絡圖Ｓ（Ｖ↑［Ｓ］，Ｅ↑［Ｓ］）中的所有頂點都加入到第二頂點集合Ｖ↑［Ｋ］中；　執行步驟２２：求解加權完全圖Ｋ（Ｖ↑［Ｋ］，Ｅ↑［Ｋ］，ω↑［Ｋ］）的第二邊集合Ｅ↑［Ｋ］初始時，設第二邊集合Ｅ↑［Ｋ］為一個空集合，然后遍歷第二頂點集合Ｖ↑［Ｋ］中的任意兩個不同頂點構建一條邊加入到第二邊集合Ｅ↑［Ｋ］中；　執行步驟２３：求解加權完全圖Ｋ（Ｖ↑［Ｋ］，Ｅ↑［Ｋ］，ω↑［Ｋ］）的第二權值集合ω↑［Ｋ］根據第二邊集合Ｅ↑［Ｋ］中的每一條邊Ｅ↓［Ｋｍ］的長度計算該條邊所對應的權值ω↓［Ｅ↓［Ｋｍ］］，且ω↓［Ｅ↓［ｋｍ］］＝「Ｄ（Ｅ↓［Ｋｍ］）」－１，其中Ｄ（Ｅ↓［Ｋｍ］）表示邊Ｅ↓［Ｋｍ］的長度，「＊」表示對＊上取整。　步驟三：獲得ｋ連通子圖Ｇ（Ｖ↑［Ｇ］，Ｅ↑［Ｇ］，ω↑［Ｇ］）　根據步驟二所構建的加權完全圖Ｋ（Ｖ↑［Ｋ］，Ｅ↑［Ｋ］，ω↑［Ｋ］）和所要求的連通度ｋ，利用貪婪方法，構建一個ｋ連通子圖Ｇ（Ｖ↑［Ｇ］，Ｅ↑［Ｇ］，ω↑［Ｇ］），Ｖ↑［Ｇ］表示ｋ連通子圖Ｇ（Ｖ↑［Ｇ］，Ｅ↑［Ｇ］，ω↑［Ｇ］）的頂點集合，Ｅ↑［Ｇ］表示ｋ連通子圖Ｇ（Ｖ↑［Ｇ］，Ｅ↑［Ｇ］，ω↑［Ｇ］）的邊集合，ω↑［Ｇ］表示ｋ連通子圖Ｇ（Ｖ↑［Ｇ］，Ｅ↑［Ｇ］，ω↑［Ｇ］）的權值集合；　所述貪婪求解方法構建ｋ連通子圖Ｇ（Ｖ↑［Ｇ］，Ｅ↑［Ｇ］，ω↑［Ｇ］）的處理步驟為：　執行步驟３１：根據圖論構建一個預成型連通圖Ｇ↑［＊］（Ｖ↑［Ｇ＊］，Ｅ↑［Ｇ＊］），其中，Ｖ↑［Ｇ＊］＝Ｖ↑［Ｋ］，Ｅ↑［Ｇ＊］＝Φ，Φ表示空集合；Ｖ↑［Ｇ＊］表示預成型連通圖Ｇ↑［＊］（Ｖ↑［Ｇ＊］，Ｅ↑［Ｇ＊］）中的頂點集合，Ｅ↑［Ｇ＊］表示預成型連通圖Ｇ↑［＊］（Ｖ↑［Ｇ＊］，Ｅ↑［Ｇ＊］）中的邊集合；　執行步驟３２：將加權完全圖Ｋ（Ｖ↑［Ｋ］，Ｅ↑［Ｋ］，ω↑［Ｋ］）中的所有邊根據第二權值集合ω↑［Ｋ］中各邊權值從小到大的順序排列，將排序后的升序邊序列記為Ｅ↓［↑］↑［Ｋ］＝（Ｅ↓［↑Ｋ１］，Ｅ↓［↑Ｋ２］，……，Ｅ↓［↑Ｋｍ］），　則有邊權值關系ω↓［Ｅ↓［↑Ｋ１］］≤ω↓［Ｋ↓［↑Ｋ２］］≤……≤ω↓［Ｋ↓［↑Ｋｍ］］，則有邊距離關系Ｄ（Ｅ↓［↑Ｋ１］）≤Ｄ（Ｅ↓［↑Ｋ２］）≤……≤Ｄ（Ｅ↓［↑Ｋｍ］）；　Ｅ↓［↑Ｋ１］表示加權完全圖Ｋ（Ｖ↑［Ｋ］，Ｅ↑［Ｋ］，ω↑［Ｋ］）中依據邊的權值進行從小到大排列后長度最小的邊，簡稱升序長度最小邊，Ｅ↓［↑Ｋ２］表示加權完全圖Ｋ（Ｖ↑［Ｋ］，Ｅ↑［Ｋ］，ω↑［Ｋ］）中繼升序長度最小邊的下一個邊，簡稱升序長度依次邊，　Ｅ↓［↑Ｋｍ］表示加權完全圖Ｋ（Ｖ↑［Ｋ］，Ｅ↑［Ｋ］，ω↑［Ｋ］）中依據邊的權值進行從小到大排列后長度最長的邊，簡稱升序長度最長邊，　ω↓［Ｅ↓［↑Ｋ１］］表示升序長度最小邊的權值，　ω↓［Ｅ↓［↑Ｋ２］］表示升序長度依次邊的權值，　ω↓［Ｅ↓［↑Ｋｍ］］表示升序長度最長邊的權值，　Ｄ（Ｅ↓［↑Ｋ１］）表示升序長度最小邊的距離，　Ｄ（Ｅ↓［↑Ｋ２］）表示升序長度依次邊的距離，　Ｄ（Ｅ↓［↑Ｋｍ］）表示升序長度最長邊的距離，　執行步驟３３：從左向右取升序邊序列Ｅ↓［↑］↑［Ｋ］中的第一個元素Ｅ↓［↑Ｋ１］，并將Ｅ↓［↑Ｋ１］添加到預成型連通圖Ｇ↑［＊］（Ｖ↑［Ｇ＊］，Ｅ↑［Ｇ＊］）的邊集合Ｅ↑［Ｇ＊］中；　執行步驟３４：判斷預成型連通圖Ｇ↑［＊］（Ｖ↑［Ｇ＊］，Ｅ↑［Ｇ＊］）是否為ｋ連通圖，若是，則修改預成型連通圖Ｇ（Ｖ↑［Ｇ］，Ｅ↑［Ｇ］，ω↑［Ｇ］）中的頂點集合、邊集合，然后執行執行步驟３５；否則，順次取Ｅ↓［↑］↑［Ｋ］中的下一個元素，并將該...

【技術特征摘要】
1、一種基于部分k連通的無線傳感網絡完全k連通實現方法，其特征在于包括有下列五個處理步驟步驟一構建無線傳感網絡模型圖S(VS，ES)根據傳感器節點V、節點間的通信半徑R和節點間的距離d構建無線傳感網絡模型圖S(VS，ES)，VS表示無線傳感網絡模型圖S(VS，ES)的頂點集合，ES表示無線傳感網絡模型圖S(VS，ES)的邊集合；步驟二構建加權完全圖K(VK，EK，ωK)采用執行模式一對步驟一獲得的第一網絡圖S(VS，ES)進行處理，獲得加權完全圖K(VK，EK，ωK)，VK表示加權完全圖K(VK，EK，ωK)的頂點集合，EK表示加權完全圖K(VK，EK，ωK)的邊集合，ωK表示加權完全圖K(VK，EK，ωK)的權值集合；所述執行模式一的處理步驟為執行步驟21求解加權完全圖K(VK，EK，ωK)的第二頂點集合VK初始時，設第二頂點集合VK為一個空集合，然后將第一網絡圖S(VS，ES)中的所有頂點都加入到第二頂點集合VK中；執行步驟22求解加權完全圖K(VK，EK，ωK)的第二邊集合EK初始時，設第二邊集合EK為一個空集合，然后遍歷第二頂點集合VK中的任意兩個不同頂點構建一條邊加入到第二邊集合EK中；執行步驟23求解加權完全圖K(VK，EK，ωK)的第二權值集合ωK根據第二邊集合EK中的每一條邊EKm的長度計算該條邊所對應的權值且其中D(EKm)表示邊EKm的長度，表示對*上取整。步驟三獲得k連通子圖G(VG，EG，ωG)根據步驟二所構建的加權完全圖K(VK，EK，ωK)和所要求的連通度k，利用貪婪方法，構建一個k連通子圖G(VG，EG，ωG)，VG表示k連通子圖G(VG，EG，ωG)的頂點集合，EG表示k連通子圖G(VG，EG，ωG)的邊集合，ωG表示k連通子圖G(VG，EG，ωG)的權值集合；所述貪婪求解方法構建k連通子圖G(VG，EG，ωG)的處理步驟為執行步驟31根據圖論構建一個預成型連通圖G*(VG*，EG*)，其中，VG*＝VK，EG*＝Φ，Φ表示空集合；VG*表示預成型連通圖G*(VG*，EG*)中的頂點集合，EG*表示預成型連通圖G*(VG*，E*)中的邊集合；執行步驟32將加權完全圖K(VK，EK，ωK)中的所有邊根據第二權值集合ωK中各邊權值從小到大的順序排列，將排序后的升序邊序列記為E↑K＝(E↑K1，E↑K2，……，E↑Km)，則有邊權值關系則有邊距離關系D(E↑K1)≤D(E↑K2)≤……≤D(E↑Km)；E↑K1表示加權完全圖K(VK，EK，ωK)中依據邊的權值進行從小到大排列后長度最小的邊，簡稱升序長度最小邊，E↑K2表示加權完全圖K(VK，EK，ωK)中繼升序長度最小邊的下一個邊，簡稱升序長度依次邊，E↑Km表示加權完全圖K(VK，EK，ωK)中依據邊的權值進行從小到大排列后長度最長的邊，簡稱升序長度最長邊，表示升序長度最小邊的權值，表示升序長度依次邊的權值，表示升序長度最長邊的權值，D(E↑K1)表示升序長度最小邊的距離，D(E↑K2)表示升序長度依次邊的距離，D(E↑Km)表示升序長度最長邊的距離，執行步驟33從左向右取升序邊序列E↑K中的第一個元素E↑K1，并將E↑K1添加到預成型連通圖G*(VG*，EG*)的邊集合EG*中；執行步驟34判斷預成型連通圖G*(VG*，EG*)是否為k連通圖，若是，則修改預成型連通圖G(VG，EG，ωG)中的頂點集合、邊集合，然后執行執行步驟35；否則，順次取E↑K中的下一個元素，并將該元素添加到預成型連通圖G*(VG*，EG*)的邊集合EG*中，繼續執行執行步驟34；執行步驟35計算k連通子圖G(VG，EG，ωG)中每條邊所對應的權值，并將k連通子圖G(...

【專利技術屬性】
技術研發人員：蒲菊華，張艷青，韓志成，張碩，熊璋，
申請(專利權)人：蒲菊華，張艷青，韓志成，張碩，熊璋，
類型：發明
國別省市：11