專利名稱：無線自組織與傳感網中的基于中繼團和地理位置的組播方法
技術領域：
本發(fā)明屬于無線自組織與傳感器網絡協(xié)議技術領域，具體涉及一種無線自組織與傳感器網絡中的基于中繼團的組播方法。
背景技術：
近些年來，無線多跳網絡(無線傳感器網絡、移動Ad hoc網絡、無線mesh網絡等)領域的相關技術得到了學術界和工業(yè)界的廣泛關注，并取得了迅猛的發(fā)展。在這一領域的諸多研究方向中，盡可能的延長無線傳感器網絡的工作壽命成為無線傳感器網絡設計中的關鍵問題之一。由于受到成本和體積等因素的限制，大多數(shù)普通無線傳感器網絡節(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絡的壽 命，通過在網絡中布設一部分可二次充電節(jié)點(如具備太陽能電池的網絡節(jié)點)，并設計能量高效型網絡協(xié)議以利用這些節(jié)點分擔較多的通信任務，在許多應用環(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絡壽命解決方案。構造基于中心的組播樹(core-based tree)是實現(xiàn)高效無線自組織與傳感網組播、延長網絡壽命的一種重要方法。傳統(tǒng)基于中心的組播樹構造方案中，中心通常指某一個節(jié)點。這樣，這個節(jié)點很可能成為網絡的瓶頸。本發(fā)明中選擇由可二次充電節(jié)點組成的連通的網絡子圖(稱中繼團)來擔任中心支撐區(qū)域，當多個潛在的中繼團存在時，選擇其中最優(yōu)的，在此基礎上，構造性能優(yōu)化的中心樹，從而優(yōu)化組播性能、延長網絡壽命。

發(fā)明內容
本發(fā)明涉及一種以中繼團為中心支撐區(qū)的組播結構構造方法。該方法主要用于由可二次充電節(jié)點和不可二次充電節(jié)點組成的無線自組織與傳感網，多個可二次充電節(jié)點可以組成連通子網，也稱中繼團。該方法通過選擇恰當?shù)闹欣^團作為中心區(qū)，構建組播結構，并降低組播代價。構造組播結構的過程中，盡量選擇可二次充電節(jié)點擔任組播轉發(fā)節(jié)點，當必須選擇不可二次充電節(jié)點時，盡量選擇數(shù)量少的不可二次充電節(jié)點加入該結構中，從而達到優(yōu)化網絡性能、延長網絡生命期的目的。一種無線自組織與傳感網中的基于中繼團的組播方法，其特征在于在無線傳感網中，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，首先構造由可二次充電節(jié)點組成的連通子圖作為備選中繼團，然后構造基于各個備選中繼團、覆蓋組播組成員的基于幾何距離的最短路徑樹，根據(jù)備選中繼團和組播成員的位置關系選擇最優(yōu)中繼團來進行組播分組轉發(fā)。所述方法中備選中繼團構造方法具體如下I)令Gi，i=l，2，3，…代表第i個備選中繼團；令C=A;2)構造拓撲圖G，即對于兩個節(jié)點X e V(G)和y e V(G)-{x}，如果滿足dxy (R，則稱邊(X，y) e E(G)，其中dxy為節(jié)點x和y之間的距離，R為節(jié)點的最大傳輸半徑；
3)設i=l,任選節(jié)點X e C,基于廣度優(yōu)先算法求解從X到拓撲圖G中其他各點的距離，然后將包括X自身在內的所有從X的距離為O的節(jié)點加入到集合Gi中，然后執(zhí)行C=C-Gi ;如果C仍不為空，則i=i+l，重復執(zhí)行步驟3)，直到C為空，當C為空的時候i的值就是備選中繼團的數(shù)量M。其中，令G(V，E)代表網絡圖，V(G)代表節(jié)點的集合、E(G)代表網絡中邊的集合；網絡中可二次充電節(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 ;設定每個節(jié)點X e A，其每條出行鏈路代價為O ;每個節(jié)點y e B，其每條出行鏈路代價為I。所述方法中選擇最優(yōu)中繼團的方法如下對于每一個備選中繼團Gi執(zhí)行下述操作假設Gi包括k個節(jié)點，其中第X個節(jié)點記做Gi, X，其中i=l, 2，3，…，M, I < X < k,k > I ;組播成員du與備選中繼團Gi之間的距離Distui為min{dduCi，x 11≤x≤k},其中給定組播成員組D= {dl, d2,…，dK} ,K≥2,1≤u≤K,dduei，x表示組播成員du和節(jié)點Gi，X之間的幾何距離，如果du屬于當前備選中繼團，則兩者之間距離為0，組播成員du和中繼團Gi之間最小距離值所對應的節(jié)點記做Nodeui ;中繼團Gi與所有組播成員的距離之和為Σκκκ Disti ;與所有組播成員的距離之和最小的那個備選中繼團為最優(yōu)中繼團。所述方法中基于最優(yōu)中繼團的組播分組轉發(fā)方法具體如下I)每條組播數(shù)據(jù)，總是先從組播信源傳送到最優(yōu)中繼團，然后先在該中繼團內部洪泛，然后再通過與各個組播成員與該中繼團最近的團內節(jié)點，通過基于位置的分組逐跳轉發(fā)方法單播傳遞給相應組播成員；2)從組播信源傳送到最優(yōu)中繼團的數(shù)據(jù)傳送方法如下如果組播信源屬于最優(yōu)中繼團，則認為組播分組已經到達最優(yōu)中繼團，可以直接在該中繼團內洪泛；否則，如果組播信源是最佳中繼團外節(jié)點、但屬于數(shù)據(jù)組播成員，則直接通過基于位置的分組逐跳轉發(fā)方法將組播分組單播給其在中繼團上的最近節(jié)點；如果組播信源既不屬于中繼團、也不屬于組播成員，則直接將組播分組單播給中繼團內的任意一個節(jié)點或其中某知名節(jié)點，當組播分組碰到最優(yōu)中繼團第一個分組后，將開始在最優(yōu)中繼團內的洪泛過程；剩余步驟與步驟I)中一致。
具體實施例方式在本發(fā)明中令G(V，E)代表網絡圖，其中V(G)代表節(jié)點的集合、E (G)代表網絡中邊的集合；圖中兩個節(jié)點X e V(G)和y e V(G)-{x}之間的距離記做dxy，如果滿足dxy (R，則稱邊(x，y) e 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);網絡中的節(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、機械方式等手段從自然界獲取能量并轉化為電量，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，其中“+”代表集合的加法運算或稱合并運算。本方法執(zhí)行過程要求具有全網各個節(jié)點的位置信息、各對節(jié)點之間的距離信息；設定每個節(jié)點X的每條出行鏈路代價為O, X e A ;每個節(jié)點y的每條出行鏈路代價為1，y e B。
本方法的目標是對于給定組播成員組D= {dl，d2,…，dK}，K彡2，建立低代價高能效組播結構，覆蓋D中所有成員，K代表集合D中元素的數(shù)量。中繼團構造方法目標構造集合A中節(jié)點的連通子圖，如果集合A中節(jié)點是不連通的，則構造多個離散的連通子圖；每個這樣的連通子圖稱作一個備選中繼團。具體實施方法1)令Gi，i=l，2，3，…代表第i個備選中繼團；令C=A;2)構造拓撲圖G，即對于兩個節(jié)點X e V(G)和y e V(G) -{x}，如果滿足dxy (R，則稱邊(x，y) e E(G)；3)設i=l，任選X e C，基于廣度優(yōu)先算法求解從X到G中其他各點的距離，然后將所有從X的距離為O的那些節(jié)點，包括X自己，加入到集合Gi中，然后執(zhí)行C=C-Gi;如果 C仍不為空，則i=i+l，重復執(zhí)行步驟3)，直到C為空，當C為空的時候i的值就是備選中繼團的數(shù)量，記做M。最優(yōu)中繼團的選取方法對于每一個備選中繼團Gi，i=l, 2，3，…，M，執(zhí)行下述操作假設Gi包括k個節(jié)點，k彡1，其中第X個節(jié)點記做Gi, X,其中I彡X彡k;對于組播成員du, I彡u彡K,與備選中繼團Gi之間的距離Distui為min{dduei，x| I彡x彡k}，其中dduei，x表示組播成員du和節(jié)點Gi，x之間的幾何距離，如果du屬于當前備選中繼團，則兩者之間距離為0，組播成員du和中繼團Gi之間最小距離值所對應的節(jié)點記做Nodeui ;中繼團Gi與所有組播成員的距離之和為SKKliDisti ;最優(yōu)中繼團為與所有組播成員的距離之和最小的那個備選中繼團?；谧顑?yōu)中繼團的組播分組轉發(fā)方法I)每條組播數(shù)據(jù)，總是先從組播信源傳送到最優(yōu)中繼團，然后先在該中繼團內部洪泛，然后再通過與各個組播成員與該中繼團最近的團內節(jié)點，通過基于位置的分組逐跳轉發(fā)方法單播傳遞給相應組播成員；2)從組播信源傳送到最優(yōu)中繼團的數(shù)據(jù)傳送方法如下如果組播信源屬于最優(yōu)中繼團，則認為組播分組已經到達最優(yōu)中繼團，可以直接在該中繼團內洪泛；否則，如果組播信源是最優(yōu)中繼團外節(jié)點、但屬于數(shù)據(jù)組播成員，則直接通過基于位置的分組逐跳轉發(fā)方法將組播分組單播給其在中繼團上的最近節(jié)點；否則組播信源既不屬于中繼團、也不屬于組播組，則直接將組播分組單播給中繼團內的任意一個節(jié)點或其中某知名節(jié)點，當組播分組碰到最優(yōu)中繼團第一個分組后，將開始在最優(yōu)中繼團內的洪泛過程；剩余步驟與步驟I)中一致。
權利要求
1.一種無線自組織與傳感網中的基于中繼團的組播方法，其特征在于在無線傳感網中，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，首先構造由可二次充電節(jié)點組成的連通子圖作為備選中繼團，然后構造基于各個備選中繼團、覆蓋組播組成員的基于幾何距離的最短路徑樹，根據(jù)備選中繼團和組播成員的位置關系選擇最優(yōu)中繼團來進行組播分組轉發(fā)。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，其中備選中繼團構造方法具體如下1)令Gi，i=l,2，3，…代表第i個備選中繼團；令C=A ；2)構造拓撲圖G，即對于兩個節(jié)點Xe V(G)和y e V(G)-{x}，如果滿足dxy ( R，則稱邊(X，y) e E(G)，其中dxy為節(jié)點x和y之間的距離，R為節(jié)點的最大傳輸半徑；3)設i=l，任選節(jié)點Xe C，基于廣度優(yōu)先算法求解從X到拓撲圖G中其他各點的距離， 然后將包括X自身在內的所有從X的距離為O的節(jié)點加入到集合Gi中，然后執(zhí)行C=C-Gi ; 如果C仍不為空，則i=i+l，重復執(zhí)行步驟3)，直到C為空，當C為空的時候i的值就是備選中繼團的數(shù)量M。其中，令G(V，E)代表網絡圖，V(G)代表節(jié)點的集合、E(G)代表網絡中邊的集合；網絡中可二次充電節(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 ;設定每個節(jié)點X e A,其每條出行鏈路代價為O ;每個節(jié)點y e B ,其每條出行鏈路代價為I。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，其中選擇最優(yōu)中繼團的方法如下對于每一個備選中繼團Gi執(zhí)行下述操作假設Gi包括k個節(jié)點，其中第X個節(jié)點記做Gi, X，其中i=l, 2，3，…，M, I彡X彡k,k彡I ;組播成員du與備選中繼團Gi之間的距離 Distui為min{dduCi，x 11彡x彡k},其中給定組播成員組D= {dl, d2,…，dK} ,K彡2,1彡u彡K, dduei，x表示組播成員du和節(jié)點Gi，X之間的幾何距離，如果du屬于當前備選中繼團，則兩者之間距離為0，組播成員du和中繼團Gi之間最小距離值所對應的節(jié)點記做Nodeui ;中繼團 Gi與所有組播成員的距離之和為Σκκκ Disti ;與所有組播成員的距離之和最小的那個備選中繼團為最優(yōu)中繼團。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，其中基于最優(yōu)中繼團的組播分組轉發(fā)方法具體如下1)每條組播數(shù)據(jù)，總是先從組播信源傳送到最優(yōu)中繼團，然后先在該中繼團內部洪泛， 然后再通過與各個組播成員與該中繼團最近的團內節(jié)點，通過基于位置的分組逐跳轉發(fā)方法單播傳遞給相應組播成員；2)從組播信源傳送到最優(yōu)中繼團的數(shù)據(jù)傳送方法如下如果組播信源屬于最優(yōu)中繼團，則認為組播分組已經到達最優(yōu)中繼團，可以直接在該中繼團內洪泛；否則，如果組播信源是最佳中繼團外節(jié)點、但屬于數(shù)據(jù)組播成員，則直接通過基于位置的分組逐跳轉發(fā)方法將組播分組單播給其在中繼團上的最近節(jié)點；如果組播信源既不屬于中繼團、也不屬于組播成員，則直接將組播分組單播給中繼團內的任意一個節(jié)點或其中某知名節(jié)點，當組播分組碰到最優(yōu)中繼團第一個分組后，將開始在最優(yōu)中繼團內的洪泛過程；剩余步驟與步驟I) 中一致。
全文摘要
本發(fā)明屬于無線自組織與傳感器網絡協(xié)議技術領域，具體涉及一種無線自組織與傳感器網絡中的基于中繼團的組播方法。在無線傳感網中，針對可充電節(jié)點和不可充電節(jié)點不同的能量情況，首先構造由可充電節(jié)點組成的連通子圖作為備選中繼團，然后構造基于各個備選中繼團、覆蓋組播組成員的基于幾何距離的最短路徑樹，根據(jù)備選中繼團和組播成員的位置關系選擇最優(yōu)中繼團來進行組播分組轉發(fā)。該方法降低組播代價,減小不可充電節(jié)點擔任組播分組轉發(fā)的負擔、優(yōu)化網絡性能、延長網絡生命期。
文檔編號H04W40/22GK103024854SQ20121057013
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月25日 優(yōu)先權日2012年12月25日
發(fā)明者賀靜, 趙壯, 梅武鋼, 尹崇祿 申請人:北京銀易通網絡科技有限公司