專利名稱：基于第二代小波零樹編碼的最小能耗自適應匯聚路由方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡的匯聚路由方法，具體地指一種基于第二代小波零樹編碼的最小能耗自適應匯聚路由方法。
背景技術：
無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點在能量、計算能力、存儲容量和通信帶寬等各方面的資源都非常有限，如何節(jié)省能量、提高傳感器網(wǎng)絡的生存時間是無線傳感器網(wǎng)絡設計的首要問題。 在監(jiān)測數(shù)據(jù)為聲音、圖像或視頻等復雜數(shù)據(jù)的傳感器網(wǎng)絡中，將各個節(jié)點采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)獨立地發(fā)送到Sink節(jié)點(匯聚節(jié)點)，然后進行數(shù)據(jù)處理會導致信息傳送效率大幅降低， 浪費大量的節(jié)點能量和通信帶寬。為了避免上述問題，必須在網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中采用數(shù)據(jù)匯聚技術對采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理。監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯聚是一個比較復雜的計算過程，尤其是網(wǎng)絡需要采集比較復雜的多媒體數(shù)據(jù)時，匯聚能耗不能被忽略。已有的實驗結果表明聲音信號的匯聚能耗往往達到10nJ/bit以上，圖像數(shù)據(jù)匯聚能耗能達到75nJ/bit。 傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點在接收數(shù)據(jù)時的能耗約為50nJ/bit。因此在這類網(wǎng)絡中，匯聚開銷已和通信開銷相當，即使進行最簡單的匯聚處理，匯聚能耗也不能被忽略。但是經(jīng)典匯路由算法都沒有考慮匯聚能耗，如GIT、PEGASIS和TEEN等。在匯聚開銷較大的網(wǎng)絡中，如果交匯點處數(shù)據(jù)間的融合度較小，數(shù)據(jù)匯聚帶來的傳輸開銷的減少可能還不能彌補匯聚處理本身所消耗的能量，那么數(shù)據(jù)匯聚不僅沒有必要，而且還增大網(wǎng)絡能耗，所以需要綜合考慮網(wǎng)絡的傳輸開銷和匯聚開銷，選擇最優(yōu)的自適應匯聚路由，使網(wǎng)絡總能耗最小，目前對這類路由算法的研究還較少。Bhong等提出了一種 DAGP匯聚路由算法，研究了匯聚開銷和傳輸開銷對匯聚路由的影響，但這種方法對于周期性上報數(shù)據(jù)的傳感器網(wǎng)絡并不適用。Luohong等提出了一種綜合考慮傳輸和匯聚開銷的自適應匯聚路由算法AFST。但該算法以二叉樹為基礎建立網(wǎng)絡節(jié)點的傳輸拓撲結構，嚴重增加了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)和傳輸距離，影響了網(wǎng)絡性能的進一步優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足而提供一種基于第二代小波零樹編碼的最小能耗自適應匯聚路由方法，該方法綜合考慮匯聚開銷和通信開銷，減少了數(shù)據(jù)傳輸量，節(jié)約了網(wǎng)絡能耗。實現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術方案是一種基于第二代小波零樹編碼的最小能耗自適應匯聚路由方法，包括以下步驟(I)設網(wǎng)絡G = (V，E)中邊e = (u,v)的權重ω (e)為傳輸單位數(shù)據(jù)時網(wǎng)絡能耗， 其中V表示所有的源節(jié)點和Sink節(jié)點，E表示所有源節(jié)點和Sink節(jié)點之間的傳輸鏈路；(2)分別利用Prime算法和Dijkstra算法計算以Sink節(jié)點為根節(jié)點的最小生成樹和最短路徑樹；(3)構造一棵性能介于所述最小生成樹和最短路徑樹之間的α -平衡生成樹作為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的初始傳輸路徑；(4)在所述α-平衡生成樹中，如果節(jié)點V到Sink節(jié)點的路徑是最短傳輸路徑，令該節(jié)點V的判斷標識Θ (V) = O ;否則,令該節(jié)點V的判斷標識Θ (V) = I ;(5)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，對于Θ (V) = O的節(jié)點，計算其匯聚得益，并進行自適應匯聚，然后利用零樹編碼算法對自適應匯聚后的數(shù)據(jù)進行壓縮，將壓縮后的數(shù)據(jù)沿最短傳輸路徑直接發(fā)送至Sink節(jié)點,在Sink節(jié)點處進行解壓；(6)對于Θ (V) = I的節(jié)點，如果數(shù)據(jù)在V處的匯聚得益大于0，則進行匯聚處理， 把匯聚后的數(shù)據(jù)利用零樹編碼算法進行壓縮，并按傳輸路徑向Sink節(jié)點發(fā)送；否則，節(jié)點V 將其自身數(shù)據(jù)壓縮后按傳輸路徑發(fā)送到下一跳節(jié)點，而節(jié)點V的各子節(jié)點從最短路徑樹中獲取各自的最短路徑邊，每個子節(jié)點將自身數(shù)據(jù)利用零樹編碼算法壓縮，按各自的最短路徑邊直接發(fā)送至Sink節(jié)點,在Sink節(jié)點處進行解壓。在上述技術方案中，步驟(3)中構造α -平衡生成樹包括以下步驟(3-1)給定α的值，且α > I，最小生成樹中的每一個節(jié)點V分配一個變量d (V)， 用于記錄V到根節(jié)點的路徑權重和，初始時，對最小生成樹中的每個非根節(jié)點V，令d(v)= 00 ;對根節(jié)點 r = Sink,令 d(r) = O ；(3-2)遍歷最小生成樹,對每個節(jié)點V，判斷該節(jié)點在最小生成樹中到根節(jié)點的路徑權重和是否超過最短路徑樹中V到根節(jié)點的路徑權重和的α倍如果超過，則把最短路徑樹中V到根節(jié)點的路徑邊添加至當前網(wǎng)絡中，調(diào)整d(v)的值為最短路徑樹中V到根節(jié)點的路徑權重和；否則，保持V的路徑不變；(3-3)在后繼的遍歷中，如果某個節(jié)點V的路徑權重和值d(v)變小，那么遍歷到與V直接相連的節(jié)點u時，對節(jié)點u到Sink節(jié)點的路徑權重和d(u)的值和傳輸路徑作以下調(diào)整如果 d(U) > ω (u, v)+d(v),則 d(u)調(diào)整為 d(u) = ω (u, v)+d(v),節(jié)點 u 到 r 的路徑調(diào)整為u — V — path (V, r),其中path (v, r)表示在當前最小生成樹中V到根節(jié)點r 的路徑；否則，節(jié)點u到Sink節(jié)點的路徑權重和d(u)及傳輸路徑保持不變，當最小生成樹的所有節(jié)點遍歷完成后，則調(diào)整后的生成樹結構即為α -平衡生成樹。進一步地，α-平衡生成樹中α的取值為
權利要求
1.一種基于第二代小波零樹編碼的最小能耗自適應匯聚路由方法，其特征在于包括以下步驟(1)以網(wǎng)絡G= (V，E)中邊e = (U，V)的權重ω (e)為傳輸單位數(shù)據(jù)時網(wǎng)絡能耗，其中V表示所有的源節(jié)點和Sink節(jié)點，E表示所有源節(jié)點和Sink節(jié)點之間的傳輸鏈路；(2)分別利用Prime算法和Dijkstra算法計算以Sink節(jié)點為根節(jié)點的最小生成樹和最短路徑樹；(3)構造一棵性能介于所述最小生成樹和最短路徑樹之間的α-平衡生成樹作為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的初始傳輸路徑；(4)在所述α-平衡生成樹中，如果節(jié)點V到Sink節(jié)點的路徑是最短傳輸路徑，令該節(jié)點V的判斷標識Θ (V) = O ;否則,令該節(jié)點V的判斷標識Θ (V) = I ;(5)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，對于Θ(V) = O的節(jié)點，計算其匯聚得益，并進行自適應匯聚，然后利用零樹編碼算法對自適應匯聚后的數(shù)據(jù)進行壓縮，將壓縮后的數(shù)據(jù)沿最短傳輸路徑直接發(fā)送至Sink節(jié)點,在Sink節(jié)點處進行解壓；(6)對于Θ(V) = I的節(jié)點，如果數(shù)據(jù)在V處的匯聚得益大于0，則進行匯聚處理，把匯聚后的數(shù)據(jù)利用零樹編碼算法進行壓縮，并按傳輸路徑向Sink節(jié)點發(fā)送；否則，節(jié)點V將其自身數(shù)據(jù)壓縮后按傳輸路徑發(fā)送到下一跳節(jié)點，而節(jié)點V的各子節(jié)點從最短路徑樹中獲取各自的最短路徑邊，每個子節(jié)點將自身數(shù)據(jù)利用零樹編碼算法壓縮，按各自的最短路徑邊直接發(fā)送至Sink節(jié)點,在Sink節(jié)點處進行解壓。
2.根據(jù)權利要求I所述基于第二代小波零樹編碼的最小能耗自適應匯聚路由方法，其特征在于，步驟(3)中構造α-平衡生成樹包括以下步驟(3-1)給定α的值，且α > 1，最小生成樹中的每一個節(jié)點V分配一個變量d(v)，用于記錄V到根節(jié)點的路徑權重和，初始時，對最小生成樹中的每個非根節(jié)點V,令d (V) =°° ； 對根節(jié)點r = Sink,令d(r) = O ；(3-2)遍歷最小生成樹，對每個節(jié)點V，判斷該節(jié)點在最小生成樹中到根節(jié)點的路徑權重和是否超過最短路徑樹中V到根節(jié)點的路徑權重和的α倍如果超過，則把最短路徑樹中V到根節(jié)點的路徑邊添加至當前網(wǎng)絡中，調(diào)整d(v)的值為最短路徑樹中V到根節(jié)點的路徑權重和；否則，保持V的路徑不變；(3-3)在后繼的遍歷中，如果某個節(jié)點V的路徑權重和值d(v)變小，那么遍歷到與V直接相連的節(jié)點u時，對節(jié)點u到Sink節(jié)點的路徑權重和d (U)的值和傳輸路徑作以下調(diào)整 如果d (U) > ω (u, V) +d (V),則d (U)調(diào)整為d (U) = ω (u, v) +d (v),節(jié)點u到r的路徑調(diào)整為u — V — path (V, r),其中path (v,r)表示在當前最小生成樹中V到根節(jié)點r的路徑；否則，節(jié)點u到Sink節(jié)點的路徑權重和d (U)及傳輸路徑保持不變，當最小生成樹的所有節(jié)點遍歷完成后，則調(diào)整后的生成樹結構即為α -平衡生成樹。
3.根據(jù)權利要求2所述基于第二代小波零樹編碼的最小能耗自適應匯聚路由方法，其特征在于所述α-平衡生成樹中α的取值為《 = (1 +七)。
4.根據(jù)權利要求I所述基于第二代小波零樹編碼的最小能耗自適應匯聚路由方法，其特征在于所述匯聚得益通過以下步驟得出(4-1)當節(jié)點V只有一個子節(jié)點u時，匯聚得益通過式(I)計算得出，
5.根據(jù)權利要求4所述基于第二代小波零樹編碼的最小能耗自適應匯聚路由方法，其特征在于所述自適應匯聚判斷如下(1)如果匯聚得益大于0，則在節(jié)點V處進行匯聚；(2)如果匯聚得益不大于0，直接將數(shù)據(jù)按傳輸路徑發(fā)送至Sink節(jié)點。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于第二代小波零樹編碼的最小能耗自適應匯聚路由方法，屬于無線傳感器網(wǎng)絡的高能效路由技術領域。本方法首先構造一棵性能介于最小生成樹和最短路徑樹之間的α-平衡生成樹作為數(shù)據(jù)的初始傳輸路徑；然后，節(jié)點數(shù)據(jù)按照初始路徑進行傳輸，在傳輸過程中根據(jù)匯聚得益，自適應判斷是否匯聚并相應調(diào)整其傳輸路徑；最后對匯聚處理后的數(shù)據(jù)采用第二代小波零樹編碼算法進行壓縮，以進一步減小數(shù)據(jù)傳輸量。該方法主要針對監(jiān)測數(shù)據(jù)為聲音、圖像或視頻等復雜數(shù)據(jù)的無線傳感器網(wǎng)絡，在數(shù)據(jù)匯聚非常必要且匯聚開銷不能忽視的情況下，能夠建立高能效路由，提高網(wǎng)絡生存時間。
文檔編號H04W40/10GK102612080SQ201210061690
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權日2012年3月9日
發(fā)明者李春林, 李臘元, 汪祥莉 申請人:武漢理工大學