專利名稱：無線傳感網(wǎng)中的有偏向低代價生成樹的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無線傳感網(wǎng)中的有偏向低代價生成樹計算方法。該方法主要用于在由可充電節(jié)點和不可充電節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)先選擇可充電節(jié)點組成有偏向低代價生成樹，從而盡量減少不可充電節(jié)點的工作量以減少其能量消耗，達(dá)到延長網(wǎng)絡(luò)生命期的目的。
背景技術(shù)：
近些年來，無線多跳網(wǎng)絡(luò)(無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)、無線mesh網(wǎng)絡(luò)等)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并取得了迅猛的發(fā)展。在這一領(lǐng)域的諸多研究方向中，盡可能的延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作壽命成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中的關(guān)鍵問題之一。由于受到成本和體積等因素的限制，大多數(shù)普通無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電池容量都十分有限且無法得到補充。為提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命，通過在網(wǎng)絡(luò)中布設(shè)一部分可充電節(jié)點(如具備太陽能電池的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點)，并設(shè)計能量高效型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以利用這些節(jié)點分擔(dān)較多的通信任務(wù)，在許多應(yīng)用環(huán)境中收到了良好的效果，成為一種被人們普遍接 受的提高網(wǎng)絡(luò)壽命解決方案。網(wǎng)絡(luò)的生成樹算法是路由協(xié)議的核心內(nèi)容。已有研究成果顯示，在無線傳感網(wǎng)中，構(gòu)建最小生成樹是NP完全問題。在多項式時間內(nèi)，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際情況和應(yīng)用需求有針對性地構(gòu)造低代價網(wǎng)絡(luò)生成樹，同時貼合網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用需求，有利于更好地完成網(wǎng)絡(luò)的工作任務(wù)。對于同時存在可充電節(jié)點和不可充電節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，針對節(jié)點不同的能量情況，在網(wǎng)絡(luò)中建立有偏向低代價生成樹，可以極大提高網(wǎng)絡(luò)的能量利用效率，從而提升網(wǎng)絡(luò)生存期。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種無線傳感網(wǎng)中的有偏向低代價生成樹計算方法。該方案主要用于在由可二次充電和不可二次充電兩類節(jié)點組成的無線傳感網(wǎng)中，針對可二次充電節(jié)點和不可二次充電節(jié)點不同的能量情況，在構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)生成樹時，優(yōu)先選擇可二次充電節(jié)點以生成有偏向低代價的生成樹，同時，在節(jié)點類別同等條件下，優(yōu)先選擇能夠擴(kuò)展更多新節(jié)點加入到生成樹上的節(jié)點，從而盡量減少不可二次充電節(jié)點的工作量以減少其能量消耗、同時抑制生成樹的大小。令G(V，E)代表網(wǎng)絡(luò)圖，其中V(G)代表節(jié)點的集合、E(G)代表網(wǎng)絡(luò)中邊的集合；圖中兩個節(jié)點X G V(G)和y G V(G)-{x}之間的距離記做dxy，如果滿足dxy彡R，則稱邊(X，y) G E(G)代表集合的減法運算,每個節(jié)點配備一套全向天線,R代表節(jié)點的最大傳輸半徑；對于網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點x，N(X)代表節(jié)點X的一跳鄰居節(jié)點集合，其中X G V(G)，對于y G N(X)，有(x，y) G E(G);網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點包含可二次充電節(jié)點和不可二次充電節(jié)點，可二次充電節(jié)點可以通過太陽能、機(jī)械方式等手段從自然界獲取能量并轉(zhuǎn)化為電量，可二次充電節(jié)點集合記做A，不可二次充電節(jié)點由電池供電，該節(jié)點集合記做B，A+B=V(G)，ΑηΒ=0,由于匯聚節(jié)點具有無限能量(即與任何一個不可充電節(jié)點相比，匯聚節(jié)點具有非常大的能量，因此，可以認(rèn)作成為具有無限能量)，因此，可以令其歸屬于集合A，其中“+”代表集合的加法運算或稱合并運算；對于任意鏈路(X，y) e E(G),令w(x，y)代表鏈路(χ, y)的代價，w(x，y)=l ;本方法的目標(biāo)是建立低代價生成樹；如果G(V，E)是不連通的，則網(wǎng)絡(luò)不存在生成樹，任務(wù)失敗返回。其中有偏向低代價的生成樹計算方法為令π (X)代表節(jié)點X在所求生成樹上的上一跳節(jié)點；集合W代表白色節(jié)點集合，初始時所有節(jié)點屬于白色節(jié)點集合，這類節(jié)點的代價估計C (X)為m，g卩尚未與已建立的樹建立任何關(guān)系；集合GREY代表灰色節(jié)點集合，表示這類節(jié)點的代價估計已經(jīng)不再是無窮，但其相關(guān)計算尚未完畢；集合P代表已經(jīng)計算完畢的節(jié)點集合，其包括以下步驟1)對于網(wǎng)絡(luò)中的所有χ e V(G),設(shè)其為白色節(jié)點、上一跳節(jié)點(χ)為0,灰色節(jié)點集合GREY和已經(jīng)計算完畢的節(jié)點集合P均為02)從可二次充電節(jié)點集合A中選擇度數(shù)最大的節(jié)點t ;如果不唯一，則從中隨機(jī)選擇一個為t ;將t設(shè)為灰色節(jié)點，且c(t)=0 ； π (t)=t ；3)令E=GREY Π A ;如果|E|彡I,則從E中選擇白色鄰居數(shù)最多的節(jié)點，如果不唯一，則從中隨機(jī)選擇；否則|E|=0，則從GREY集合中選擇白色鄰居數(shù)最多的節(jié)點，如果不唯一，則從中隨機(jī)選擇；然后將所選擇的節(jié)點從灰色節(jié)點改變?yōu)橛嬎阃戤叺墓?jié)點；將所選擇的節(jié)點記做χ ;其中IeI代表集合E中元素的個數(shù)；4)對于步驟3)中所選擇的節(jié)點χ來說,對于所有的u e N(x),如果u e W,那么c (u)=c (x)+w(x, u), Ji (u) =x，并將該節(jié)點由白色節(jié)點改變?yōu)榛疑?jié)點；此時如果集合GREY中仍有節(jié)點，則返回步驟3)；5)根據(jù) V(T)=V(G), E(T) = K JI (x)，x) x e V(T)}構(gòu)造有偏向低代價生成樹 T。
具體實施例方式有偏向低代價生成樹計算方法令Ji (χ)代表節(jié)點χ在所求生成樹上的上一跳節(jié)點，也稱父親節(jié)點；集合W代表白色節(jié)點集合，初始時所有節(jié)點屬于白色節(jié)點集合，這類節(jié)點的代價估計CU)為⑴，即尚未與已建立的樹建立任何關(guān)系；集合GREY代表灰色節(jié)點集合，表示這類節(jié)點的代價估計已經(jīng)不再是無窮，但其相關(guān)計算尚未完畢；集合P代表已經(jīng)計算完畢的節(jié)點集合；c(x)代表從信源沿低代價生成樹上的路徑到節(jié)點χ的路徑代價；1)對于所有的 X e V(G),執(zhí)行π(χ)=0, C(X)= ；2) W=V (G)，GREY=0,P=0;3)從集合A選擇度數(shù)最大的節(jié)點；如果不唯一，則從中隨機(jī)選擇一個，所選節(jié)點記做t ；4) GREY= {t}, c (t) =0 ； π (t) =t ；5)令E=GREY Π A ;如果E≥1,則從E中選擇白色鄰居數(shù)最多的節(jié)點，如果不唯一，則從中隨機(jī)選擇；否則|E|=0，則從GREY集合中選擇白色鄰居數(shù)最多的節(jié)點，如果不唯一，則從中隨機(jī)選擇；所選擇的節(jié)點記做X ; |E|代表集合E中元素的個數(shù)；6) GREY=GREY- {x} , P=P+ {χ}；
7)對于所有的 u G N(x)，如果 u G W,那么 c (u) =c (X)+w(x,u), n (u) =x,ff=ff-{u},GREY=GREY+{u}；8)如果集合GREY仍不為空，則轉(zhuǎn)語句5)；

9)構(gòu)造生成樹 T，具體如下V⑴=V(G)，E (T) = {(((x)，x) x G V(T)}；10)T即是所構(gòu)建的樹。
權(quán)利要求
1.一種無線傳感網(wǎng)中有偏向低代價生成樹構(gòu)建方法，其特征在于在由可二次充電和不可二次充電兩類節(jié)點組成的無線傳感網(wǎng)中，針對可二次充電節(jié)點和不可二次充電節(jié)點不同的能量情況，在構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)生成樹時，優(yōu)先選擇可二次充電節(jié)點以生成有偏向低代價的生成樹，同時，在節(jié)點類別同等條件下，優(yōu)先選擇能夠擴(kuò)展更多新節(jié)點加入到生成樹上的節(jié)點，從而盡量減少不可二次充電節(jié)點的工作量以減少其能量消耗、同時抑制生成樹的大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于G(V，E)代表網(wǎng)絡(luò)圖，V(G)代表節(jié)點的集合、E(G)代表網(wǎng)絡(luò)中邊的集合；網(wǎng)絡(luò)圖中兩個節(jié)點X e V(G)和y e V(G)-{x}之間的距離dxy小于等于節(jié)點的最大傳輸半徑，則稱邊(x，y) e E(G);對于網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點X，N(x)代表節(jié)點X的一跳鄰居節(jié)點集合，其中X e V(G)，對于y e N(X)，有(x，y) e E(G);網(wǎng)絡(luò)中可二次充電節(jié)點集合記做A，不可二次充電節(jié)點集合記做B，A+B=V (G)，ΑηΒ=0,匯聚節(jié)點具有無限能量屬于集合A ;對于任意鏈路(x，y) e E(G)，令w(x，y)代表鏈路(x，y)的代價，w(x, y)=l。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于有偏向低代價的生成樹計算方法為令η (χ)代表節(jié)點X在所求生成樹上的上一跳節(jié)點；集合W代表白色節(jié)點集合，初始時所有節(jié)點屬于白色節(jié)點集合，這類節(jié)點的代價估計C(X)為⑴，即尚未與已建立的樹建立任何關(guān)系；集合GREY代表灰色節(jié)點集合，表示這類節(jié)點的代價估計已經(jīng)不再是無窮，但其相關(guān)計算尚未完畢；集合P代表已經(jīng)計算完畢的節(jié)點集合，其包括以下步驟 1)對于網(wǎng)絡(luò)中的所有χe V(G),設(shè)其為白色節(jié)點、上一跳節(jié)點(χ)為0，灰色節(jié)點集合GREY和已經(jīng)計算完畢的節(jié)點集合P均為0; 2)從可二次充電節(jié)點集合A中選擇度數(shù)最大的節(jié)點t;如果不唯一，則從中隨機(jī)選擇一個為t ;將t設(shè)為灰色節(jié)點，且c (t) =O ； π (t)=t ； 3)令E=GREYΠ Α;如果E彡I,則從E中選擇白色鄰居數(shù)最多的節(jié)點，如果不唯一，則從中隨機(jī)選擇；否則|E|=0，則從GREY集合中選擇白色鄰居數(shù)最多的節(jié)點，如果不唯一，則從中隨機(jī)選擇；然后將所選擇的節(jié)點從灰色節(jié)點改變?yōu)橛嬎阃戤叺墓?jié)點；將所選擇的節(jié)點記做χ ;其中IeI代表集合E中元素的個數(shù)； 4)對于步驟3)中所選擇的節(jié)點X來說，對于所有的Ue N(X)，如果U e W，那么c (u)=c (x)+w(x, u), Ji (u) =x，并將該節(jié)點由白色節(jié)點改變?yōu)榛疑?jié)點；此時如果集合GREY中仍有節(jié)點，則返回步驟3)； 5)根據(jù)V(T)=V(G),E(T) = K π (χ)，x) x e V(T)}構(gòu)造有偏向低代價生成樹T。
全文摘要
本發(fā)明屬于無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無線傳感網(wǎng)中的有偏向低代價生成樹計算方法。該方法主要用于在由可充電節(jié)點和不可充電節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)先選擇可充電節(jié)點組成有偏向低代價生成樹，從而盡量減少不可充電節(jié)點的工作量以減少其能量消耗，達(dá)到延長網(wǎng)絡(luò)生命期的目的。
文檔編號H04W84/18GK103068071SQ20121056858
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月23日
發(fā)明者尹崇祿, 趙壯, 賀靜, 梅武鋼 申請人:江蘇中科泛聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司