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一种物联网系统层次型抗毁性拓扑构建方法

更新时间：2019-12-10 20:43:41 大小：947K 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：物联网 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

针对物联网系统复杂应用环境中由关键节点失效导致的系统拓扑结构的脆弱性问题,提出了一种抗毁性k-连通拓扑结构的构建方法.首先把系统分成若干个互不交叠的簇,然后对网络中存在的关键节点进行检测,并利用簇头节点的移动性构建以关键节点为中心的局部k-连通拓扑结构,达到去除关键节点和提高网络抗毁性的目的.构建了簇间的k-连通拓扑结构,给出了物联网智能安防系统应用仿真实验,并通过节点的介数中心性、网络的平均连通度和网络的鲁棒性验证了所提抗毁性方案的可行性和有效性.

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2018 年 10 月  
北 京 邮 电 大 学 学 报  
Oct. 2018  
第 41 卷 第 5 期  
Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications  
Vol. 41 No. 5  
文章编号:1007-5321(2018)05-0103-07  
DOI:10. 13190 / j. jbupt. 2018-172  
种物联网系统层次型抗毁性拓扑构建方法  
陈雯柏, 崔晓丽, 郝 翠, 王文凯  
(北京信息科技大学 自动化学院, 北京 100101)  
摘要: 针对物联网系统复杂应用环境中由关键节点失效导致的系统拓扑结构的脆弱性问题,提出了一种抗毁性 k-  
连通拓扑结构的构建方法. 首先把系统分成若干个互不交叠的簇,然后对网络中存在的关键节点进行检测,并利用  
簇头节点的移动性构建以关键节点为中心的局部 k-连通拓扑结构,达到去除关键节点和提高网络抗毁性的目的.  
构建了簇间的 k-连通拓扑结构,给出了物联网智能安防系统应用仿真实验,并通过节点的介数中心性、网络的平均  
连通度和网络的鲁棒性验证了所提抗毁性方案的可行性和有效性.  
关
键
词: 物联网系统; 关键节点; 局部 k-连通拓扑结构; 抗毁性  
中图分类号: TN929ꢀ 53 文献标志码: A  
Hierarchical Invulnerability Topology Construction Method for IoT System  
CHEN Wen-bai, CUI Xiao-li, HAO Cui, WANG Wen-kai  
(School of Automation, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100101, China)  
Abstract: To enhance the system topology vulnerability caused by the failure of critical nodes in the In-  
ternet of Things (IoT) system based complex application environments, a construction method of the sur-  
vivable k-connected topology is proposed. Firstly, all nodes of network system are classified into non-o-  
verlapping clusters. Then, the cut points existed in the network are detected, and the cut point centered  
a local k-connected topology is constructed by use of the motion of the cluster head nodes, so that the  
critical nodes can be effectively removed to improve the network survivability. Finally, all the cluster  
head nodes are selected to form the backbone network which also acts as the global inter-cluster k-con-  
nected topology. The proposed method is evaluated by the simulation in an IoT-based intelligent monito-  
ring system. The results proves the feasibility and validity of the proposed method in terms of the betwee-  
ness centrality of nodes, the network average connectivity and the network robustness.  
Key words: internet of things system; critical nodes; local k-connected topology; invulnerability  
物联网作为第四次工业革命核心技术之一,通  
过人与人、人与物以及物与物之间的互联,实现环境  
与状态信息实时共享以及智能化采集、传输、处理、  
执行[1-2] . 物联网系统终端局部信息交互,进而实现  
物联网系统整体规划和人类社会与物理系统的融  
合. 通过可靠感知物理世界人、机、物、环境异构全  
要素信息,将动态网络环境下的海量感知数据实时  
传输至信息层,集成规约多源多模态异构数据,并精  
准控制混杂动态环境下异构执行器资源协同工  
作[3-4]  
.
在复杂和恶劣的应用环境中,由于能量的有限  
性、任务的对抗性与节点感知的局限性等因素容易  
导致系统节点失效进而引发系统拓扑结构的断裂,  
从而影响系统的功能和任务的完成. 网络拓扑结构  
收稿日期: 2018-08-06  
作者简介万:方陈数雯柏据(1975—), 男, 教授, 硕士生导师, E-mail: chenwb@ bistu. edu. cn.  
104  
北 京 邮 电 大 学 学 报  
第 41 卷  
的抗毁性和健壮性是物联网系统协同完成任务的关  
键. FAN 等[5] 提出了无线传感器网络的概率覆盖算  
法来增强网络拓扑的覆盖面积. DAI 等[6] 构建了一  
个 k-连通的 k-支配集作为骨干网络来平衡效率和网  
络的容错性. Basu 等[7] 通过移动网络中的某些节  
点到新的位置,使网络构建成双连通的,以提高网络  
的抗毁性. ROOSSET V 等[8] 提出分布式 k-连通算  
法,对每个 sink 节点的邻居节点进行 k-值检测.  
Varadarajan 等[9] 针对移动机器人网络,提出了一种  
新颖的基于节点移动的拓扑控制方案,将静态节点  
和移动节点放在一个不规则的六边形中,结合动态  
拓扑管理,提高网络的可靠性和连通性. 基于分簇  
的层次型拓扑结构可有效对节点进行管理,节点能  
耗得以减少并具有较好的网络可扩展性[10-11] . 笔者  
着眼于关键节点导致的物联网系统拓扑结构的脆弱  
性问题,提出一种抗毁性能较强的层次型物联网系  
统拓扑构建方法,并以物联网智能安防应用系统进  
行了仿真验证.  
存在 k-条 顶 点 不 相 交 的 路 径, 那 么 图 G 是 k-连  
通的.  
定义 5 对于无向图 G = (V,E) 中的任意一个  
节点 vi ,若存在另外一个节点 vj ,使得这两个节点之  
间的欧式距离 dis( vi ,vj ) 小于等于通信半径 R,即  
dis(vi ,vj )≤R,并且满足 ρv v = 1,则将节点 vj 称作节  
i
j
点 vi 的 1-跳邻居节点(1-跳邻居),记作 vj ∈N1 (vi ).  
定义 6 节点 vi 的 1-跳邻居图由 vi 、vi 的 1-跳  
邻居节点 N1 (vi )和这些节点间构成的边集组成,即  
G1v = ( vi ∪N1 ( vi ),E1v ) ⊂G,其中 E1v = {( vi ,vj ) |  
i
i
i
dis(vi ,vj )≤R﹠ρv v = 1},vj ∈N1 (vi ).  
i
j
假设 1 系统初始化阶段,节点之间拓扑结构  
是一个连通的网络. 每个节点具有唯一 ID,能够获  
取自身位置信息,通信半径 R 可调整,平时处在静  
止状态,能按需移动.  
2 系统模型与相关定义  
k-连通拓扑结构基于层次型分簇拓扑构建. 分  
簇是将整个网络划分为若干个单元簇,每个簇由 1  
个簇头节点和若干个簇内成员节点组成. 簇头构成  
高一级的骨干网络,进而使网络形成层次型的拓扑  
结构. 簇头负责簇内节点数据采集和簇间数据转  
发. 分簇有利于节点的层次化管理与系统的扩展.  
k-means 算法可使样本聚类成 k 个簇.  
1 系统模型与相关定义  
系统模型:将 n 个移动节点随机放置在二维方  
形监控区域中. 用无向图 G = (V,E)表示节点拓扑  
结构. 如果两个节点 i 和 j 之间可以进行正常的信  
息交互,则 ρij = 1,否则 ρij = 0. 系统中,若任意节点  
对之间的欧式距离小于等于节点的通信半径 R,即  
dis(vi ,vj )≤R,并且 ρij = 1,则说明节点 i 和 j 能够进  
行信息交互. 其中 λn = {1,2…n},V(G) = {vi ,i∈  
λn }为系统节点集合,E( G) = ( vi ,vj ) | vi ,vj ∈V﹠  
dis(vi ,vj ) ＜ R﹠ρij = 1 表示系统边集,即系统中节点  
之间存在的通信链路集合.  
本文提出的 k-连通拓扑控制方法由 3 阶段组  
成:第 1 个阶段是节点分簇;第 2 个阶段是簇内局部  
k-连通拓扑控制;第 3 个阶段是簇间 k-连通拓扑控制.  
1) 采用 k-means 算法把系统节点分成若干个  
互不相交叠的簇. 首先随机选取 k 个聚类质心,计  
算样本距离 k 个聚类质心的距离,将样本归类为距  
离最小时的质心对应的类,然后重新计算该类的质  
心,直至所有 k 个质心向量都不再发生变化.  
2) 当簇内节点拓扑好之后,在每个簇中检测关  
键节点,采用 Harary 图的思想,通过给关键节点的  
1-跳邻居节点逆时针排序,使关键节点的 1-跳邻居  
节点构建成连通的拓扑结构,从而使得关键节点与  
其 1-跳邻居节点共同构建成局部的 2 连通或者局部  
3 连通拓扑结构来达到去关键节点的目的,消除关  
键节点对网络的影响.  
笔者引入以下相关定义与假设:  
定义 1 在图 G 中,如果顶点对 vi 与 vj 间存在  
两条路径,并且除了顶点 vi 与 vj 之外这两条路径中  
不存在相同顶点,那么这两条路径就被称作顶点不  
相交路径.  
定义 2 如果无向图 G 任意两个节点之间至少  
存在一条路径,那么这个图是单连通图.  
定义 3 若无向图 G 至少含有 3 个顶点,当且  
仅当任意两个顶点 i,j∈V 之间存在两条顶点不相  
交的路径(i,j),则图 G 是双连通的.  
3) 在去除关键节点的每个簇中选举簇头,簇头  
之间同样采用 Harary 图来构建 k-连通的拓扑结构.  
2. 1 簇内局部 k-连通拓扑结构的构建  
定义 4 在图 G( t) = ( V( t),E( t)) 中的 t 时  
刻,如果去除其中任意 k ꢁ 1 个节点,不会使图的连  
万方数据  
通分量增加,也就是说,如果任意两个节点之间至少  
分簇后,给定每个节点相同的通信半径. 节点  

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