本發(fā)明屬于無線通信，特別是一種考慮跳數(shù)、距離約束的定向傳感器網(wǎng)絡連通方法。

背景技術：

1、隨著物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡的快速發(fā)展，定向傳感器網(wǎng)絡作為一種高效的通信模型，已廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、智能農(nóng)業(yè)、無人機集群和邊緣計算等領域。在傳統(tǒng)全向通信的網(wǎng)絡模型中，節(jié)點可以向任意方向均勻廣播信號，但其能耗高、信號干擾嚴重，難以滿足資源受限環(huán)境中的性能要求。相比之下，定向傳感器網(wǎng)絡通過定向天線限制通信覆蓋范圍，不僅顯著降低了能耗，還能提升信號質(zhì)量并減少干擾。然而，在定向傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的通信范圍受天線方位角和覆蓋角度的限制，導致網(wǎng)絡拓撲稀疏化和連通性變差。為保證網(wǎng)絡的可靠連通性，通常需要同時考慮多個約束條件，包括節(jié)點間的通信距離限制、網(wǎng)絡的跳數(shù)限制以及節(jié)點的度限制等。其中，通信距離限制用于確保信號覆蓋范圍內(nèi)的通信質(zhì)量；跳數(shù)限制用于控制路徑延遲和網(wǎng)絡開銷；節(jié)點度限制用于平衡網(wǎng)絡負載和能量消耗。如何在滿足上述約束條件的同時構建高效的網(wǎng)絡拓撲結構，是定向傳感器網(wǎng)絡研究中的關鍵問題。

2、現(xiàn)有的網(wǎng)絡連通方法主要針對全向傳感器網(wǎng)絡設計，多基于廣度優(yōu)先搜索、深度優(yōu)先搜索或最小生成樹方法，這些方法在定向傳感器網(wǎng)絡中存在以下不足：

3、(1)缺乏對節(jié)點方向覆蓋特性的考慮，導致算法無法充分利用定向天線的能效優(yōu)勢；

4、(2)對通信距離和跳數(shù)限制的約束能力較弱，容易造成不必要的能量浪費和網(wǎng)絡拓撲的不穩(wěn)定性；

5、(3)未能針對節(jié)點的方向性和鄰居節(jié)點分布進行優(yōu)化選擇，導致網(wǎng)絡連接效率低下。

6、為解決上述問題，需要一種同時考慮跳數(shù)、距離和方向覆蓋約束的網(wǎng)絡連通方法，通過對節(jié)點間的連接關系進行優(yōu)化設計，在滿足網(wǎng)絡連通性的基礎上，實現(xiàn)通信能耗的最小化和網(wǎng)絡性能的提升。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明公開一種考慮跳數(shù)、距離約束的定向傳感器網(wǎng)絡連通方法，生成滿足多約束條件的高效網(wǎng)絡拓撲，旨在解決現(xiàn)有全向通信方法在定向傳感器網(wǎng)絡中連通性差、能量消耗高及拓撲不穩(wěn)定的問題。

2、本發(fā)明的技術方案為：本發(fā)明通過構建一種結合廣度優(yōu)先搜索和子節(jié)點選擇的優(yōu)化算法，生成滿足多約束條件的高效網(wǎng)絡拓撲。方法以節(jié)點的方向覆蓋角、通信范圍和最大跳數(shù)為主要參數(shù)，動態(tài)調(diào)整節(jié)點的天線方位角及子節(jié)點選擇策略，從而優(yōu)化網(wǎng)絡的連通率、總跳數(shù)和通信距離。具體步驟如下：

3、s1：廣度優(yōu)先搜索網(wǎng)絡遍歷；

4、從網(wǎng)絡中選擇一個節(jié)點作為主節(jié)點，采用廣度優(yōu)先搜索算法逐層遍歷整個網(wǎng)絡。在每次遍歷過程中，根據(jù)當前節(jié)點的跳數(shù)是否達到預設最大跳數(shù)限制h，判斷是否繼續(xù)擴展連接。對當前節(jié)點的所有未訪問鄰居節(jié)點，調(diào)用子節(jié)點選擇算法篩選出符合約束條件的子節(jié)點，并將這些子節(jié)點加入到網(wǎng)絡連接中，同時記錄連接關系和跳數(shù)。

5、s2：子節(jié)點選擇與天線方位角計算；

6、通過子節(jié)點選擇算法對當前節(jié)點的潛在鄰居節(jié)點集合進行篩選。具體包括：

7、s2.1：方位角計算：根據(jù)鄰居節(jié)點的坐標計算相對于當前節(jié)點的方位角，并將這些方位角從小到大排序；

8、s2.2：滑動窗口優(yōu)化：以天線方向覆蓋角φ為窗口寬度，遍歷所有可能的角度范圍，選擇節(jié)點數(shù)量最多窗口(若該節(jié)點有父節(jié)點，則該窗口必須包含父節(jié)點)作為最優(yōu)方向范圍；

9、s2.3：方位角調(diào)整：對選定窗口內(nèi)的節(jié)點計算其最大方位角和最小方位角，取平均值作為當前節(jié)點的天線方位角，從而調(diào)整通信方向；

10、s2.4：子節(jié)點數(shù)量限制：若選定窗口內(nèi)的子節(jié)點數(shù)超過子節(jié)點數(shù)量限制k，則優(yōu)先選擇距離最近的k個子節(jié)點。

11、s3：網(wǎng)絡拓撲生成與優(yōu)化；

12、s3.1：網(wǎng)絡拓撲生成：遍歷網(wǎng)絡中每個節(jié)點，將其依次作為主節(jié)點，重復廣度優(yōu)先搜索和子節(jié)點選擇操作，生成多個滿足跳數(shù)和距離約束的網(wǎng)絡拓撲結構。

13、s3.2：對每個網(wǎng)絡拓撲結構進行以下指標計算：

14、1)連通率：表示成功連接的節(jié)點數(shù)占總節(jié)點數(shù)的比例；

15、2)總跳數(shù)：從主節(jié)點到其他節(jié)點路徑跳數(shù)的總和；

16、3)總通信距離：網(wǎng)絡中所有連接的通信距離之和。

17、s3.3：通過上述指標評估，對生成的網(wǎng)絡拓撲采用以下優(yōu)選機制：首先選擇連通率最高的網(wǎng)絡拓撲；若連通率相同，則選擇總跳數(shù)最少的拓撲；若總跳數(shù)相同，則進一步選擇總通信距離最短的拓撲，最終得到滿足多約束條件的最優(yōu)網(wǎng)絡結構。

18、本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點是：

19、(1)本發(fā)明的網(wǎng)絡連通方法，在滿足連通性要求的前提下，顯著降低了通信能耗，提升了網(wǎng)絡效率；

20、(2)本發(fā)明的網(wǎng)絡連通方法中，通過滑動窗口優(yōu)化算法動態(tài)調(diào)整天線方位角，實現(xiàn)對方向覆蓋范圍的高效利用；

21、(3)本發(fā)明的網(wǎng)絡連通方法，綜合考慮跳數(shù)、距離和方向覆蓋約束，確保網(wǎng)絡拓撲的穩(wěn)定性和適應性；

22、(4)本發(fā)明的網(wǎng)絡連通方法適用于無人機編隊、智能交通監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測等復雜分布式網(wǎng)絡場景。

技術特征：

1.一種考慮跳數(shù)、距離約束的定向傳感器網(wǎng)絡連通方法，其特征在于，具體包括：

2.根據(jù)權利要求1所述的考慮跳數(shù)、距離約束的定向傳感器網(wǎng)絡連通方法，其特征在于，s1中，考慮跳數(shù)限制的廣度優(yōu)先搜索：

3.根據(jù)權利要求1所述的考慮跳數(shù)、距離約束的定向傳感器網(wǎng)絡連通方法，其特征在于，s2中，具體步驟為：

4.根據(jù)權利要求1所述的考慮跳數(shù)、距離約束的定向傳感器網(wǎng)絡連通方法，其特征在于，s3中，具體步驟為：

5.根據(jù)權利要求5所述的考慮跳數(shù)、距離約束的定向傳感器網(wǎng)絡連通方法，其特征在于，s3.2中：連通率：表示成功連接的節(jié)點數(shù)占總節(jié)點數(shù)的比例；總跳數(shù)：從主節(jié)點到其他節(jié)點路徑跳數(shù)的總和；總通信距離：網(wǎng)絡中所有連接的通信距離之和。

6.根據(jù)權利要求5所述的考慮跳數(shù)、距離約束的定向傳感器網(wǎng)絡連通方法，其特征在于，s3.3中，優(yōu)選規(guī)則為：首先選擇連通率最高的拓撲；若連通率相同，則選擇總跳數(shù)最少的拓撲；若總跳數(shù)相同，則選擇通信距離最短的拓撲；輸出滿足上述規(guī)則的最優(yōu)網(wǎng)絡拓撲。

技術總結
本發(fā)明公開了一種考慮跳數(shù)、距離約束的定向傳感器網(wǎng)絡連通方法，通過對每個節(jié)點作為主節(jié)點進行遍歷建立網(wǎng)絡拓撲，采用廣度優(yōu)先搜索算法并考慮距離和跳數(shù)約束逐層遍歷網(wǎng)絡，利用子節(jié)點選擇策略算法對當前節(jié)點的潛在子節(jié)點進行篩選，篩選條件包括節(jié)點之間的通信距離、方位角和子節(jié)點數(shù)量限制。通過滑動窗口機制，選擇包含最多子節(jié)點且通信距離最短的角度范圍，并計算主節(jié)點的天線方位角，以優(yōu)化連接效率和能耗。在生成多個可能的網(wǎng)絡拓撲后，然后通過評估網(wǎng)絡的連通率、跳數(shù)和通信距離，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡的最佳連通性和能效。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明在滿足連通性要求的前提下，顯著降低了通信能耗，提升了網(wǎng)絡效率。

技術研發(fā)人員：吳定程,徐學永,羅冠,劉夢楠,湯深權,陸暢,尹世梅,王家偉,程楚楚,柴培,黎健
受保護的技術使用者：北方信息控制研究院集團有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/15