專利名稱：異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中能耗均衡和延時雙優(yōu)化拓撲控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和無線網(wǎng)絡(luò)拓撲控制技術(shù)，涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制技術(shù)，特別涉及一種異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中能耗均衡和延時雙優(yōu)化拓撲控制方法。
背景技術(shù)：
在物聯(lián)網(wǎng)時代，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溝通物理世界與信息世界方面起著舉足輕重的作用。具有RFID閱讀器功能的傳感器節(jié)點能夠以無接觸的方式讀取其無線信號覆蓋范圍內(nèi)的物體上的RFID標簽信息，以多跳的方式傳輸?shù)叫畔⒅行?，實現(xiàn)對物體的查詢、監(jiān)控、追蹤。無線組網(wǎng)簡單、易維護、前期投資小、易擴展。但是節(jié)點以電池供電，能量儲備有限，在一些部署環(huán)境下，能量無法補充(如野外的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測)，能量的耗盡意味著網(wǎng)絡(luò)壽命的終結(jié)。即使在能量可補充的環(huán)境下(如對大型港口露天貨場的監(jiān)控)，也希望能量能夠以某種盡可能均衡的方式耗盡，這樣既可以降低充電頻率也可以維持兩次充電間隔期間的網(wǎng)絡(luò)性能的穩(wěn)定性(如減輕可能的能量空洞對網(wǎng)絡(luò)性能的影響)。已有的相關(guān)拓撲控制技術(shù)對能耗均衡性的考慮不夠全面(如未闡述能耗均衡拓撲一旦形成，能維持多久、如何維護、維護代價與拓撲性能如何折中等問題)，更未考慮對延時的優(yōu)化。貨物的失竊、有毒氣體的泄漏、火警等事件的發(fā)送對延時有著苛刻的要求。視頻監(jiān)控等應(yīng)用所需的海量數(shù)據(jù)傳輸更是增強了延時保障的必要性。異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)通常指多種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(如2G和3G蜂窩無線通信網(wǎng)、WLAN、 WiMax等)并存的網(wǎng)絡(luò)，在本發(fā)明中，特指由參數(shù)異構(gòu)的傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)，這些參數(shù)包括節(jié)點最大發(fā)射功率、接收靈敏度、初始能量儲備值、處理器能力、存儲與緩存能力等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決技術(shù)問題是提供一種異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中能耗均衡和延時雙優(yōu)化拓撲控制方法，該異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中能耗均衡和延時雙優(yōu)化拓撲控制方法能實現(xiàn)兼顧能耗均衡和延時，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)拓撲的優(yōu)化。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中能耗均衡和延時雙優(yōu)化拓撲控制方法，包括邏輯鄰居選擇、 鏈路對稱化、邏輯鄰居調(diào)整三個階段，對于一個異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)，在拓撲生成或拓撲更新之初，執(zhí)行前兩個階段，在兩次拓撲更新之間執(zhí)行邏輯鄰居調(diào)整以延長拓撲更新周期、減少拓撲更新次數(shù)。所述的邏輯鄰居選擇包括以下步驟(節(jié)點在確定發(fā)射功率時，其所覆蓋的所有節(jié)點稱為其物理鄰居，若只考慮能耗優(yōu)化目標，則減少發(fā)射功率可相應(yīng)減少物理鄰居數(shù)，此時無需使用邏輯鄰居這個概念。在考慮多個目標進行拓撲優(yōu)化時，節(jié)點鄰居數(shù)就不能只依靠調(diào)節(jié)發(fā)射功率來控制了。在本發(fā)明中，為節(jié)點取最大發(fā)射功率時覆蓋的每個物理鄰居計算一種兼顧能耗均衡和延時的度量，根據(jù)度量值從大到小選擇若干節(jié)點作為鄰居，此時節(jié)點應(yīng)調(diào)節(jié)其發(fā)射功率覆蓋到這些鄰居，但此發(fā)射功率也可能覆蓋更多的節(jié)點，因此需要邏輯鄰居這個概念來特指節(jié)點認可的鄰居。將邏輯鄰居限定到一個合適值，主要是考慮到， 只讓邏輯鄰居參與尋路包的轉(zhuǎn)發(fā)，也只有被選擇的邏輯鄰居參與路由響應(yīng)包和數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，因此，邏輯鄰居數(shù)小可以簡化路由選擇，但其數(shù)量太少則會影響網(wǎng)絡(luò)連通。)任一節(jié)點i執(zhí)行如下算法選擇k個最近鄰節(jié)點I、節(jié)點i在時刻&使用它的最大發(fā)射功率Pt_max, i廣播包含如下節(jié)點信息的數(shù)據(jù)包它的唯一身份標識idp最大發(fā)射功率PtHp在歐拉平面上的坐標(Xyyi)、初始能量儲備Ep在時刻h時的剩余能量矽；2、節(jié)點i接收它的所有物理鄰居廣播的包含所述節(jié)點信息的數(shù)據(jù)包，并存儲在它的鄰居列表NlQ)中；3、節(jié)點i分別計算如下值，并存儲在它的鄰居列表NL(i)中3. I、為鄰居集N(i)中每個物理鄰居計算鏈路度量值；對第j個物理鄰居，計算鏈路i — j的度量值Λ j ；3. 2、為鄰居集N(i)中每個剩余能量大于平均初始能量的物理鄰居計算第一能耗均衡因子；為每個剩余能量不大于平均初始能量的物理鄰居計算第二能耗均衡因子；第一能耗均衡因子
權(quán)利要求
1.一種異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中能耗均衡和延時雙優(yōu)化拓撲控制方法，其特征在于，包括邏輯鄰居選擇、鏈路對稱化、邏輯鄰居調(diào)整三個階段，對于一個異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)，在拓撲生成或拓撲更新之初，執(zhí)行前兩個階段，在兩次拓撲更新之間執(zhí)行邏輯鄰居調(diào)整以延長拓撲更新周期、減少拓撲更新次數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中能耗均衡和延時雙優(yōu)化拓撲控制方法，其特征在于，所述的邏輯鄰居選擇包括以下步驟 任一節(jié)點i執(zhí)行如下算法選擇k個最近鄰節(jié)點 1)、節(jié)點i在時刻h使用它的最大發(fā)射功率Pt_max,,廣播包含如下節(jié)點信息的數(shù)據(jù)包 它的唯一身份標識idp最大發(fā)射功率Pt_max, i、在歐拉平面上的坐標(Xi, Yi)、初始能量儲備Ep在時刻h時的剩余能量< ； 2)、節(jié)點i接收它的所有物理鄰居廣播的包含所述節(jié)點信息的數(shù)據(jù)包，并存儲在它的鄰居列表隊(i)中； 3)、節(jié)點i分別計算如下值，并存儲在它的鄰居列表隊(i)中 、3.I、為鄰居集N(i)中每個物理鄰居計算鏈路度量值； 對第j個物理鄰居，計算鏈路i — j的度量值A(chǔ)j ； 、 3.2、為鄰居集N(i)中每個剩余能量大于平均初始能量的物理鄰居計算第一能耗均衡因子；為每個剩余能量不大于平均初始能量的物理鄰居計算第二能耗均衡因子；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中能耗均衡和延時雙優(yōu)化拓撲控制方法，其特 征在于，度量值^的計算方法為:
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中能耗均衡和延時雙優(yōu)化拓撲控制方法，其特征在于，公式
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中能耗均衡和延時雙優(yōu)化拓撲控制方法，其特 征在于，對于所述干擾概率P w，它是節(jié)點i為節(jié)點j的鄰居集N(j)中每個節(jié)點k計算的 干擾概率PW，其特點是1)為便于節(jié)點i計算，N(j)中每個節(jié)點k需要記錄自身的數(shù)據(jù)發(fā)送情況，并定期匯報 節(jié)點j，再由節(jié)點j提供給節(jié)點i使用；2)節(jié)點k需要記錄其每個數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)拈_始與結(jié)束時刻，由于節(jié)點緩沖區(qū)的限制，隨 著時間的推移，刪除舊記錄，僅保留與緩沖區(qū)容量相當(dāng)?shù)淖钚掠涗洠?)當(dāng)節(jié)點k需要向節(jié)點j匯報數(shù)據(jù)幀傳輸記錄時，加上它為每個數(shù)據(jù)幀標記的發(fā)送時 亥IJ，當(dāng)節(jié)點j接收后，立刻轉(zhuǎn)換成自身時鐘刻度；4)在節(jié)點j準備轉(zhuǎn)交這些記錄給節(jié)點i使用時，再加上節(jié)點j自身的發(fā)送時刻，當(dāng)節(jié)點 i接收后，也立刻轉(zhuǎn)換成自身時鐘刻度；5)若數(shù)據(jù)幀較短，忽略發(fā)送和接收時間，否則可依據(jù)數(shù)據(jù)幀長度和傳輸速率計算； 當(dāng)節(jié)點i將節(jié)點k的數(shù)據(jù)幀發(fā)送記錄中的時間刻度轉(zhuǎn)換成自身時間刻度后，就可以與自身同時間段的數(shù)據(jù)幀發(fā)送記錄進行比對，通過比對，得出重合部分占總比對部分的百分 t匕，使用這個百分比值作為干擾概率Pkj的度量，并使用公式Pkj= a .pkJ+(l-a) p kj, M來更新Pt的值，其中，a是一個平滑因子，它決定了一個老的干擾概率的值所占權(quán) 重。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中能耗均衡和延時雙優(yōu)化拓撲控制方法，其特 征在于，鏈路對稱方法如下任一節(jié)點i執(zhí)行如下算法使它與邏輯鄰居間的鏈路成為對稱鏈路1)、節(jié)點i在時刻t2使用它的最大發(fā)射功率Pt__,,廣播包含如下信息的數(shù)據(jù)包它的 唯一身份標識idp鄰居列表隊⑴；2)、節(jié)點i接收它的鄰居發(fā)送的包含上述信息的數(shù)據(jù)包，并按如下步驟計算具有對稱 鏈路的鄰居集2. 1、節(jié)點i檢查它的每個物理鄰居是否將它選擇為邏輯鄰居；·2.2、若是，但它未將對方視為邏輯鄰居，則將對方加為邏輯鄰居并向?qū)Ψ桨l(fā)確認； 否則，等待對方的確認； ·2.2. I、若向?qū)Ψ桨l(fā)了確認，則返回步驟2. I ； ·2.2. 2、若在等待對方的確認且超時前收到，則返回步驟2. 1，否則將對方從邏輯鄰居集中刪除后，再返回步驟2. I; ·2.3、若不是，則返回步驟2. I檢查下一個物理鄰居，直到所有的物理鄰居都檢查到。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中能耗均衡和延時雙優(yōu)化拓撲控制方法，其特征在于，所述邏輯鄰居調(diào)整的方法如下 在兩次邏輯鄰居選擇執(zhí)行間隔期，任一節(jié)點i執(zhí)行如下邏輯鄰居調(diào)整方法 1)、當(dāng)遇到下列情況，節(jié)點i依據(jù)單跳鏈路的能耗Prelay⑷=(ai+a2dY)r，其中，CI1=αη+α12，而Ci11和Ci12分別是發(fā)射器和接收器電子元器件能耗，Ci2是無線放大器能耗，d是發(fā)射器和接收器間的距離，Y是路徑損耗指數(shù)，dY的意思是d的Y次方；從隊(i)中保存的該鄰居剩余能量值中減去相應(yīng)的能耗值，并更新其能耗率 I. I、當(dāng)節(jié)點i向某個鄰居發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)消息包且消息包的最終目的地不是此鄰居時； I. 2、當(dāng)節(jié)點i在接收到某個鄰居轉(zhuǎn)發(fā)的消息包時； 1.3、當(dāng)節(jié)點i偵聽到某個鄰居轉(zhuǎn)發(fā)消息包時； 2)、當(dāng)遇到下列情況,節(jié)點i依據(jù)公式Pt(d)= (αη+α2·(Γ) ·γ從Nji)中保存的該鄰居剩余能量值中減去相應(yīng)的能耗值，并更新其能耗率 2.I、當(dāng)節(jié)點i在接收到某個鄰居發(fā)送的消息包時； 2.2、當(dāng)節(jié)點i偵聽到某個鄰居發(fā)送消息包時； 其中PT(d)為以速率r bits/s發(fā)送消息的能耗；Ci11 α2 ^cIy含義同前； 3)、當(dāng)遇到下列情況,節(jié)點i依據(jù)公式Pt(d) = (α12) ·γ從Nlj⑴中保存的該鄰居剩余能量值中減去相應(yīng)的能耗值，并更新其能耗率 3.I、當(dāng)節(jié)點i向某個鄰居發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)消息包且消息包的最終目的地是此鄰居時； 3.2、當(dāng)節(jié)點i偵聽到某個鄰居接收消息包時； 其中PT(d)為以速率r bits/s發(fā)送消息的能耗；a12，r含義同前； 4)、節(jié)點i周期性地檢查隊(i)中是否有剩余能量值小于且能耗率大于非邏輯鄰居的邏輯鄰居節(jié)點若有，則在對方確認后替換之(若有多個滿足要求的非邏輯鄰居，遵循鏈路度量Ψ值大者優(yōu)先的原則)； 5)、若無或無法得到對方確認或已達到替換次數(shù)上限，則執(zhí)行邏輯鄰居選擇算法和鏈路對稱化算法進行拓撲調(diào)整。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項所述的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中能耗均衡和延時雙優(yōu)化拓撲控制方法，其特征在于，邏輯鄰居數(shù)k為5。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中能耗均衡和延時雙優(yōu)化拓撲控制方法，包括邏輯鄰居選擇、鏈路對稱化、邏輯鄰居調(diào)整三個階段，對于一個異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)，在拓撲生成或拓撲更新之初，執(zhí)行前兩個階段，在兩次拓撲更新之間執(zhí)行邏輯鄰居調(diào)整以延長拓撲更新周期、減少拓撲更新次數(shù)。該異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中能耗均衡和延時雙優(yōu)化拓撲控制方法能實現(xiàn)兼顧能耗均衡和延時，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)拓撲的優(yōu)化。
文檔編號H04W52/02GK102625426SQ20121005641
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月6日
發(fā)明者于敬暉, 桂勁松 申請人:中南大學(xué)