一种大规模无线传感器网络拓扑发现方法及系统与流程
本发明涉及无线传感器网络的技术领域，特别是涉及一种大规模无线传感器网络拓扑发现方法及系统。
背景技术：
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是一种分布式传感网络，是将传感器进行无线组网的产物。具体地，无线传感器网络是将传感器布放在应用场景后，通过各个节点间的无线通信形成网络，并依靠网络将数据传送到汇聚节点，然后进行分析处理。随着无线通信技术和器件技术的不断发展，无线传感器网络的应用越来越广泛，在工业生产、农林畜牧、环境监测、医疗卫生、军事等领域均有较大的应用前景。
在实际应用中，无线传感器网络需要解决以下问题：
1)在许多应用中，传感器节点是随机布放的，网络开始运行时，需要通过一定的规则和方法建立拓扑结构，从而形成可以进行通信的网络。因此，需要根据网络的特点，快速形成网络的通信能力。
2)传感器节点的物理尺寸较小，所能携带的电池容量有限，故在许多应用场景中由于布放的物理位置关系，导致更换电池较为困难。因此，需要减小网络的整体能耗，尤其是防止个别节点的能量快速消耗，使得网络的生命周期得以延长。
因此，以上两个问题是无线传感器网络的组网关键。大规模无线传感器网络的特点是网络中的节点数量多，故需要采用分簇技术对节点进行分区管理，也有利于优化网络能耗。
现有技术中，大规模无线传感器网络拓扑建立方法包括以下几种：
(1)通过汇聚节点对全网的簇进行通信，建立有中心控制的拓扑结构，例如应用LEACH、HEED等算法。然而，该方法的缺点是需要传感器节点具备较大的发射功率，以实现全网的传感器节点都能与汇聚节点通信，因此导致网络规模受限。
(2)通过传感器节点建立拓扑发现机制，通过循序探测的方法，建立整个网络的骨干拓扑。这种方法可以适用于规模更大的无线传感器网络，其中具有代表性的算法为TopDisc算法。但是，该方法主要通过靠近汇聚节点的传感器节点发起，容易导致靠近汇聚节点的传感器节点能量消耗较大，一旦汇聚节点附近的传感器节点能量耗尽，很容易导致整个网络的拓扑发生崩溃。
因此，如何快速建立无线传感器网络的数据传输链路并降低网络平均能耗，成为大规模无线传感器网络拓扑发现机制实现的关键。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大规模无线传感器网络拓扑发现方法及系统通过多个节点同时发起拓扑发现过程以及网关节点的建立，快速建立了无线传感器网络的数据传输链路；通过所建立的分簇拓扑结构，降低了网络平均能耗，从而提升了网络生存时间。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种大规模无线传感器网络拓扑发现方法，包括以下步骤：包括以下步骤：步骤S1、在无线传感器网络中，若干无线传感器节点声明为簇头，并广播簇头声明；步骤S2、未加入簇的无线传感器节点接收到簇头声明后加入该簇并转发簇头声明，从而通过逐步拓扑探测形成簇；已加入簇的无线传感器节点根据新接收到的簇头声明的跳数，调整无线传感器节点的链路；步骤S3、当前簇的无线传感器节点在接收到其他簇的第一次簇头声明时，声明自身为当前簇和其他簇的网关节点，并发送网关声明；当前簇的其他无线传感器节点接收到其他簇的簇头声明时，根据其他无线传感器节点到当前簇头的跳数调整网关节点；步骤S4、根据无线传感器节点的能量等级，调整跳数；步骤S5、每隔一个固定的时间间隔，重复步骤S1-S4，重新发起无线传感器网络的拓扑发现过程。
根据上述的大规模无线传感器网络拓扑发现方法，其中：所述步骤S1包括以下步骤：
11)每个无线传感器设置簇头声明等待时间；
12)对于尚未加入簇的无线传感器节点，在其簇头声明等待时间内若没有收到邻近簇头的簇头声明，则确认自己为簇头，并广播簇头声明。
进一步地，根据上述的大规模无线传感器网络拓扑发现方法，其中：设置簇头声明等待时间包括以下步骤：
a)设定等待时间常数；
b)通过下式计算每个无线传感器节点的簇头声明等待时间上限：
其中，i为无线传感器节点的编号，TMax(i)为无线传感器节点i的簇头声明等待时间上限，E(i)为无线传感器节点i的的能量，CE为等待时间常数；
c)在0和TMax(i)之间选取一个随机数T(i)，作为无线传感器节点i簇头声明等待时间。
根据上述的大规模无线传感器网络拓扑发现方法，其中：所述步骤S2中，当形成簇后，对于已加入簇的无线传感器节点，如果新收到的簇头声明的跳数小于之前收到的簇头声明的跳数，则放弃与之前的簇头建立的链路，改为与新簇头建立链路。
根据上述的大规模无线传感器网络拓扑发现方法，其中：所述步骤S3中，已加入簇头为i所在簇的节点j，在收到其它簇p的簇头声明时，如果节点j至簇头p的跳数小于原网关节点到簇头p的跳数，则节点j声明自己为簇i和簇p的网关，而放弃原来的网关。
根据上述的大规模无线传感器网络拓扑发现方法，其中：所述步骤S4包括以下步骤：
1)设定Emax为整个无线传感器网络节点的最高能量值，将无线传感器节点的能量划分为nmax个等级，每个等级的能量值为其中x＝1,2,…,nmax，nmax表示最低能量等级；
2)当无线传感器节点的能量降到下一个能量等级后，将原先的跳数加1，其中，所述跳数是相对于不考虑能量等级修改的初始跳数而言，跳数的值为初始跳数加x。
同时，本发明还提供一种大规模无线传感器网络拓扑发现系统，包括簇头声明模块、簇形成模块、网关生成模块、跳数调整模块和循环模块；
所述簇头声明模块用于在无线传感器网络中，使若干无线传感器节点声明为簇头，并广播簇头声明；
所述簇形成模块用于使未加入簇的无线传感器节点接收到簇头声明后加入该簇并转发簇头声明，从而通过逐步拓扑探测形成簇；使已加入簇的无线传感器节点根据新接收到的簇头声明的跳数，调整无线传感器节点的链路‘
所述网关生成模块用于使当前簇的无线传感器节点在接收到其他簇的第一次簇头声明时，声明自身为当前簇和其他簇的网关节点，并发送网关声明；使当前簇的其他无线传感器节点接收到其他簇的簇头声明时，根据其他无线传感器节点到当前簇头的跳数调整网关节点；
所述跳数调整模块用于根据无线传感器节点的能量等级，调整跳数；
所述循环模块用于每隔一个固定的时间间隔，重新发起无线传感器网络的拓扑发现过程。
根据上述的大规模无线传感器网络拓扑发现系统，其中：所述步骤簇头声明模块执行以下操作：
11)设置每个无线传感器簇头声明等待时间；
12)对于尚未加入簇的无线传感器节点，在其簇头声明等待时间内若没有收到邻近簇头的簇头声明，则确认自己为簇头，并广播簇头声明。
进一步地，根据上述的大规模无线传感器网络拓扑发现系统，其中：设置簇头声明等待时间包括以下步骤：
a)设定等待时间常数；
b)通过下式计算每个无线传感器节点的簇头声明等待时间上限：
其中，i为无线传感器节点的编号，TMax(i)为无线传感器节点i的簇头声明等待时间上限，E(i)为无线传感器节点i的的能量，CE为等待时间常数；
c)在0和TMax(i)之间选取一个随机数T(i)，作为无线传感器节点i簇头声明等待时间。
根据上述的大规模无线传感器网络拓扑发现系统，其中：所述簇形成模块中，当形成簇后，对于已加入簇的无线传感器节点，如果新收到的簇头声明的跳数小于之前收到的簇头声明的跳数，则放弃与之前的簇头建立的链路，改为与新簇头建立链路。
根据上述的大规模无线传感器网络拓扑发现系统，其中：所述网关生成模块中，已加入簇头为i所在簇的节点j，在收到其它簇p的簇头声明时，如果节点j至簇头p的跳数小于原网关节点到簇头p的跳数，则节点j声明自己为簇i和簇p的网关，而放弃原来的网关。
根据上述的大规模无线传感器网络拓扑发现系统，其中：所述跳数调整模块中，通过以下步骤调整跳数：
1)设定Emax为整个无线传感器网络节点的最高能量值，将无线传感器节点的能量划分为nmax个等级，每个等级的能量值为其中x＝1,2,…,nmax，nmax表示最低能量等级；
2)当无线传感器节点的能量降到下一个能量等级后，将原先的跳数加1，其中，所述跳数是相对于不考虑能量等级修改的初始跳数而言，跳数的值为初始跳数加x。
如上所述，本发明的大规模无线传感器网络拓扑发现方法及系统，具有以下有益效果：
(1)通过无线传感器网络的多个节点同时发起拓扑发现过程以及网关节点的建立，快速建立了无线传感器网络的数据传输链路；
(2)通过所建立的分簇拓扑结构，降低了网络平均能耗，从而提升了网络生存时间。
附图说明
图1显示为本发明的大规模无线传感器网络拓扑发现方法的流程图；
图2为本发明的大规模无线传感器网络拓扑发现示意图；
图3显示为本发明的大规模无线传感器网络拓扑发现系统的结构示意图。
元件标号说明
1 簇头声明模块
2 簇形成模块
3 网关生成模块
4 跳数调整模块
5 循环模块
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
设定无线传感器随机布放在一个较大的区域中，汇聚节点位于该区域中。每个无线传感器网络的通信范围有限，无法遍及整个网络区域。
参照图1，本发明的大规模无线传感器网络拓扑发现方法包括以下步骤：
步骤S1、在无线传感器网络中，若干无线传感器节点声明为簇头，并广播簇头声明。
具体地，步骤S1包括以下步骤：
11)每个无线传感器设置簇头声明等待时间。
优选地，通过以下方式来设置簇头声明等待时间：
a)设定等待时间常数CE。
其中，等待时间常数CE用来统一调节等待时间的长短，其由具体的应用来确定。
b)计算每个无线传感器节点簇头声明等待时间上限。
其中，通过下式计算每个无线传感器节点i的簇头声明等待时间上限：
其中，i为无线传感器节点的编号，TMax(i)为无线传感器节点i的簇头声明等待时间上限，E(i)为无线传感器节点i的的能量，CE为等待时间常数。
需要说明的是，无线传感器节点的编号是随机设置的，汇聚节点的编号设置为0。
c)在0和簇头声明等待时间上限TMax(i)之间选取一个随机数T(i)，作为无线传感器节点i簇头声明等待时间，即
T(i)＝Random[TMax(i)]
12)对于尚未加入簇的无线传感器节点，在其簇头声明等待时间内若没有收到邻近簇头的簇头声明，则确认自己为簇头，并广播簇头声明。
其中，簇头声明表示为H(i,k,n)，i表示簇头号，k表示发出或转发簇头声明的节点号，n表示从簇头节点到本节点的跳数。因此，作为簇头的无线传感器节点的簇头声明可以表示为H(i,i,1)。
步骤S2、未加入簇的无线传感器节点接收到簇头声明后加入该簇并转发簇头声明，从而通过逐步拓扑探测形成簇；已加入簇的无线传感器节点根据新接收到的簇头声明的跳数，调整无线传感器节点的链路。
具体地，未加入簇的无线传感器节点j在收到邻近簇头的簇头声明H(i,k,n)后，加入该簇，并发出入簇响应M(i,j,k)，同时转发簇头声明H(i,j,n+1)。在入簇响应M(i,j,k)中，i表示簇头号，j表示加入簇的无线传感器节点的编号，k表示无线传感器节点j通过节点k加入该簇。
需要说明的是，当无线传感器节点j收到的簇头声明的跳数n大于等于网络最大跳数nmax时，无线传感器节点j不再转发该簇头声明。这个机制是为了防止簇头声明无限制被转发下去的一个停止机制。当网络结构固定不变时，理论上不会出现n大于nmax的簇头声明。当然，由于无线网络的结构会发生动态变化，因此有可能会发生簇头声明的n大于nmax的情况。这是因为随着网络结构变化，跳数也跟着变化。此时无线传感器节点只要收到了这个声明，还是应该加入该簇的，等到下一次重新分簇的时候再考虑是否改变。
当形成簇后，簇成员节点根据后续接收到的簇头声明，按照一定规则优化簇内链路。具体地，对于已加入簇的无线传感器节点j，如果新收到的邻近簇头的簇头声明H(i,k,n)的跳数n小于之前收到的簇头声明H(I,k1,m)的跳数m，则放弃与之前的邻近无线传感器节点k1建立的链路，改为与无线传感器节点k建立链路。如果n大于m，则忽略新收到的这个簇头声明。
步骤S3、当前簇的无线传感器节点在接收到其他簇的第一次簇头声明时，声明自身为当前簇和其他簇的网关节点，并发送网关声明；当前簇的其他无线传感器节点接收到其他簇的簇头声明时，根据其他无线传感器节点到当前簇头的跳数调整网关节点。
具体地，已加入簇头为i所在簇的无线传感器节点j，在收到其它簇的第一次簇头声明H(p,q,m)时，声明自己为簇i和簇p的网关，并发出网关声明G(i,p,m+n)。其中n为无线传感器节点j至簇头i的跳数，m为无线传感器节点j至簇头p的跳数。
已加入簇头为i所在簇的传感器节点j，在收到其它簇的簇头声明H(p,q,r)时，如果r<m，则声明自己为簇i和簇p的网关，而放弃原来的网关。其中，r为无线传感器节点j至簇头p的跳数。
至此，整个无线传感器网络中的节点经过上述过程全部加入簇，并成为簇头节点或簇成员节点；部分簇成员节点同时成为网关节点。而汇聚节点可以作为一个不会声明为簇头的特殊簇成员节点。如图2所示的大规模无线传感器网络拓扑示意图则清楚地显示了簇头节点(△)、簇成员节点(○)和网关节点(□)之间的关系。需要说明的是，汇聚节点可以位于无线传感器网络之中的任意地点，而不限于图2中所示的网络边缘。
步骤S4、根据无线传感器节点的能量等级，调整跳数。
具体地，跳数调整方法包括以下步骤：
1)设定Emax为整个无线传感器网络节点的最高能量值，将无线传感器节点的能量划分为nmax个等级，每个等级的能量值为其中x＝1,2,…,nmax，nmax表示最低能量等级。
2)当无线传感器节点的能量降到下一个能量等级后，将原先的跳数加1，即“跳数+1”替换原“跳数”。此时的跳数相对于不考虑能量等级修改的“初始跳数”而言，“跳数”的值是“初始跳数+x”。
其中，当x降至nmax，不再考虑能量等级的下降。
通过上述能量告警机制，对能耗较大的无线传感器节点施加惩罚因子，从而减小其成为网关节点的概率。当全网大多数节点的能量等级都下降以后，下降等级更多的节点，所受到的惩罚因子也越大。
步骤S5、每隔一个固定的时间间隔，重复步骤S1-S4，重新发起无线传感器网络的拓扑发现过程。
经历固定的拓扑建立时间段后，汇聚节点发起路由信息收集，管理拓扑并广播路由。每隔一个固定的长时间间隔，重新发起拓扑发现过程。这是因为经历一段时间以后，无线传感器网络中节点能量的分布会发生较大的变化，簇头节点、网关节点的能量消耗会比较大。通过一个固定的时间间隔之后对拓扑的重新建立，来重新发起对网络拓扑结构的发现，使得新的拓扑结构更有利于网络能量消耗的均衡以及全网生存时间的延长。
参照图3，本发明的大规模无线传感器网络拓扑发现系统包括簇头声明模块1、簇形成模块2、网关生成模块3、跳数调整模块4和循环模块5。
簇头声明模块1用于在无线传感器网络中，使若干无线传感器节点声明为簇头，并广播簇头声明。
具体地，簇头声明模块1执行以下操作：
11)设置每个无线传感器簇头声明等待时间。
优选地，通过以下方式来设置簇头声明等待时间：
a)设定等待时间常数CE。
其中，等待时间常数CE用来统一调节等待时间的长短，其由具体的应用来确定。
b)计算每个无线传感器节点簇头声明等待时间上限。
其中，通过下式计算每个无线传感器节点i的簇头声明等待时间上限：
其中，i为无线传感器节点的编号，TMax(i)为无线传感器节点i的簇头声明等待时间上限，E(i)为无线传感器节点i的的能量，CE为等待时间常数。
需要说明的是，无线传感器节点的编号是随机设置的，汇聚节点的编号设置为0。
c)在0和簇头声明等待时间上限TMax(i)之间选取一个随机数T(i)，作为无线传感器节点i簇头声明等待时间，即
T(i)＝Random[TMax(i)]
12)对于尚未加入簇的无线传感器节点，在其簇头声明等待时间内若没有收到邻近簇头的簇头声明，则确认自己为簇头，并广播簇头声明。
其中，簇头声明表示为H(i,k,n)，i表示簇头号，k表示发出或转发簇头声明的节点号，n表示从簇头节点到本节点的跳数。因此，作为簇头的无线传感器节点的簇头声明可以表示为H(i,i,1)。
簇形成模块2与簇头声明模块1相连，用于使未加入簇的无线传感器节点接收到簇头声明后加入该簇并转发簇头声明，从而通过逐步拓扑探测形成簇；使已加入簇的无线传感器节点根据新接收到的簇头声明的跳数，调整无线传感器节点的链路。
具体地，未加入簇的无线传感器节点j在收到邻近簇头的簇头声明H(i,k,n)后，加入该簇，并发出入簇响应M(i,j,k)，同时转发簇头声明H(i,j,n+1)。在入簇响应M(i,j,k)中，i表示簇头号，j表示加入簇的无线传感器节点的编号，k表示无线传感器节点j通过节点k加入该簇。
需要说明的是，当无线传感器节点j收到的簇头声明的跳数n大于等于网络最大跳数nmax时，无线传感器节点j不再转发该簇头声明。这个机制是为了防止簇头声明无限制被转发下去的一个停止机制。当网络结构固定不变时，理论上不会出现n大于nmax的簇头声明。当然，由于无线网络的结构会发生动态变化，因此有可能会发生簇头声明的n大于nmax的情况。这是因为随着网络结构变化，跳数也跟着变化。此时无线传感器节点只要收到了这个声明，还是应该加入该簇的，等到下一次重新分簇的时候再考虑是否改变。
当形成簇后，簇成员节点根据后续接收到的簇头声明，按照一定规则优化簇内链路。具体地，对于已加入簇的无线传感器节点j，如果新收到的邻近簇头的簇头声明H(i,k,n)的跳数n小于之前收到的簇头声明H(I,k1,m)的跳数m，则放弃与之前的邻近无线传感器节点k1建立的链路，改为与无线传感器节点k建立链路。如果n大于m，则忽略新收到的这个簇头声明。
网关生成模块3与簇形成模块2相连，用于使当前簇的无线传感器节点在接收到其他簇的第一次簇头声明时，声明自身为当前簇和其他簇的网关节点，并发送网关声明；使当前簇的其他无线传感器节点接收到其他簇的簇头声明时，根据其他无线传感器节点到当前簇头的跳数调整网关节点。
具体地，已加入簇头为i所在簇的无线传感器节点j，在收到其它簇的第一次簇头声明H(p,q,m)时，声明自己为簇i和簇p的网关，并发出网关声明G(i,p,m+n)。其中n为无线传感器节点j至簇头i的跳数，m为无线传感器节点j至簇头p的跳数。
已加入簇头为i所在簇的传感器节点j，在收到其它簇的簇头声明H(p,q,r)时，如果r<m，则声明自己为簇i和簇p的网关，而放弃原来的网关。其中，r为无线传感器节点j至簇头p的跳数。
至此，整个无线传感器网络中的节点经过上述过程全部加入簇，并成为簇头节点或簇成员节点；部分簇成员节点同时成为网关节点。而汇聚节点可以作为一个不会声明为簇头的特殊簇成员节点。如图2所示的大规模无线传感器网络拓扑示意图则清楚地显示了簇头节点、簇成员节点和网关节点之间的关系。需要说明的是，汇聚节点可以位于无线传感器网络之中的任意地点，而不限于图2中所示的网络边缘。
跳数调整模块4与网关生成模块3相连，用于根据无线传感器节点的能量等级，调整跳数。
具体地，跳数调整方法包括以下步骤：
1)设定Emax为整个无线传感器网络节点的最高能量值，将无线传感器节点的能量划分为nmax个等级，每个等级的能量值为其中x＝1,2,…,nmax，nmax表示最低能量等级。
2)当无线传感器节点的能量降到下一个能量等级后，将原先的跳数加1，即“跳数+1”替换原“跳数”。此时的跳数相对于不考虑能量等级修改的“初始跳数”而言，“跳数”的值是“初始跳数+x”。
其中，当x降至nmax，不再考虑能量等级的下降。
通过上述能量告警机制，对能耗较大的无线传感器节点施加惩罚因子，从而减小其成为网关节点的概率。当全网大多数节点的能量等级都下降以后，下降等级更多的节点，所受到的惩罚因子也越大。
循环模块5与跳数调整模块4和簇头声明模块1相连，用于每隔一个固定的时间间隔，重新依次通过簇头声明、簇形成、网关生成和跳数调整等步骤来发起无线传感器网络的拓扑发现过程。
经历固定的拓扑建立时间段后，汇聚节点发起路由信息收集，管理拓扑并广播路由。每隔一个固定的长时间间隔，重新发起拓扑发现过程。这是因为经历一段时间以后，无线传感器网络中节点能量的分布会发生较大的变化，簇头节点、网关节点的能量消耗会比较大。通过一个固定的时间间隔之后对拓扑的重新建立，来重新发起对网络拓扑结构的发现，使得新的拓扑结构更有利于网络能量消耗的均衡以及全网生存时间的延长。
综上所述，本发明的大规模无线传感器网络拓扑发现方法及系统通过多个节点同时发起拓扑发现过程以及网关节点的建立，快速建立了无线传感器网络的数据传输链路；通过所建立的分簇拓扑结构，降低了网络平均能耗，从而提升了网络生存时间。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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