專利名稱：面向具有可充電節(jié)點(diǎn)和單匯聚節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感網(wǎng)能量高效組播方案的制作方法
面向具有可充電節(jié)點(diǎn)和單匯聚節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感網(wǎng)能量高效組播方案技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向具有可充電節(jié)點(diǎn)和單匯聚節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感網(wǎng)能量高效組播方案。該方法主要用于在建立組播路由時(shí)，盡量選擇能量充沛及可充電節(jié)點(diǎn)完成轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，從而達(dá)到均衡和節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能耗的目的。
背景技術(shù)：
近些年來(lái)，無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)(無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)、無(wú)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(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作壽命成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電池容量都十分有限且無(wú)法得到補(bǔ)充。為提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)中布設(shè)一部分可充電節(jié)點(diǎn)(如具備太陽(yáng)能電池的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn))，并設(shè)計(jì)能量高效型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以利用這些節(jié)點(diǎn)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。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以監(jiān)測(cè)區(qū)域和感知數(shù)據(jù)為目的，網(wǎng)絡(luò)由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)和少量或單個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)(SinkNode)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)匯總網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。匯聚節(jié)點(diǎn)是傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)，因而，它需要周期性向網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信息，或?qū)木W(wǎng)外接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給傳感器節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感網(wǎng)組播路由正是針對(duì)這一通信需求而產(chǎn)生。設(shè)計(jì)高效節(jié)能的組播路由方案能夠有利于提高匯聚節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)間下行數(shù)據(jù)流的發(fā)送效率，同時(shí)極大的均衡和節(jié)省網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種面向具有可充電節(jié)點(diǎn)和單匯聚節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感網(wǎng)能量高效組播方案。本發(fā)明通過(guò)在建立組播路由的過(guò)程中，盡量使能量充沛及可充電節(jié)點(diǎn)承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，達(dá)到均衡并節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量消耗的目的。
本發(fā)明要求網(wǎng)絡(luò)中具有三類無(wú)線節(jié)點(diǎn)，也稱三種節(jié)點(diǎn)屬性，其中，第一類無(wú)線節(jié)點(diǎn)可以從自然界獲取能量，記做集合A ;第二類無(wú)線節(jié)點(diǎn)僅通過(guò)電池供電，不可進(jìn)行二次充電，記做集合N，第三類無(wú)線節(jié)點(diǎn)為匯聚節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中有且僅有一個(gè)，記做SinkNode， SinkNode節(jié)點(diǎn)具有無(wú)限能量(與任何一個(gè)不可充電節(jié)點(diǎn)相比，匯聚節(jié)點(diǎn)具有非常大的能量， 因此，可以認(rèn)作具有無(wú)限能量，即通常這樣的節(jié)點(diǎn)被認(rèn)為具有unlimited energy);A和N的交集為空，SinkNodegAuN ;節(jié)點(diǎn)i的剩余能量比率記做Ei,為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量與其最大電池容量的比值。
網(wǎng)絡(luò)的通信任務(wù)為通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)的集合(記做D， DcAuN, |D|>1 )傳輸一塊由多個(gè)數(shù)據(jù)包組成的數(shù)據(jù)。
基于網(wǎng)絡(luò)中各 個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量狀態(tài)及其節(jié)點(diǎn)屬性的分布式組播樹建立方法，包括通過(guò)為能量情況不同的節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的組播樹構(gòu)建信令TreeConstruction分組的延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)和路徑代價(jià)更新方法，和組播樹建立請(qǐng)求響應(yīng)方法，最終使組播樹盡量由代價(jià)最小的路徑組成，從而達(dá)到均衡、節(jié)約能量開(kāi)銷的目的。
具體實(shí)施方式
(一)節(jié)點(diǎn)代價(jià)計(jì)算方法
如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)X屬于集合N，即該節(jié)點(diǎn)僅靠電池供電，無(wú)法補(bǔ)充能量，則其代價(jià)f (x)=l/Ex，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)X屬于集合A，即其為可充電節(jié)點(diǎn)，則如果Εχ>1/2，則其代價(jià) f (x)=0，否則 f(x)=l/Ex。SinkNode 的代價(jià)為 O。
(二)路徑代價(jià)計(jì)算方法
對(duì)于一條有向簡(jiǎn)單路徑p=(s=Vl，V2,…，vk=t)，其中s為信源，t為信宿，則該路徑的代價(jià) C (P) = Σ x e p_{t}f (X)。
(三)組播樹結(jié)構(gòu)的建立方法
步驟1:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)從匯聚節(jié)點(diǎn)SinkNode到|D|個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組播任務(wù)時(shí)，由SinkNode作為組播信源生成一個(gè)TreeConstruction消息,該消息攜帶以下信息樹的建立發(fā)起節(jié)點(diǎn)SinkNode ;該次路由建立請(qǐng)求的標(biāo)識(shí)號(hào)SessionID ;該消息迄今為止所走過(guò)路徑的代價(jià)C(PSinkN(KJ (PSinkNode代表到SinkNode為止的路徑，C (P)代表路徑P的代價(jià))， 初值為O ;該消息所走過(guò)路徑的節(jié)點(diǎn)列表，初值為{SinkNode};然后SinkNode節(jié)點(diǎn)向其鄰居廣播該消息。
步驟2 :當(dāng)一個(gè)普通傳感器節(jié)點(diǎn)X從一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)Y收到一個(gè)TreeConstruction 消息后，它將執(zhí)行以下操作
I)如果第一次收到該消息，則本地記錄與該組播相關(guān)的信息到達(dá)本節(jié)點(diǎn)的路徑代價(jià)c (Py) +f (x)，(Py代表到節(jié)點(diǎn)y為止的路徑，C (P)代表路徑P的代價(jià))上一跳節(jié)點(diǎn)為y， 同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)度計(jì)算方式如下如果xe A，且民>1/2，則定時(shí)器時(shí)間長(zhǎng)度為T/10，否則其長(zhǎng)度設(shè)定為f (x)T;
2)如果定時(shí)器超時(shí)之前收到一條新的TreeConstruction消息，且其所攜帶的路徑代價(jià)加f(x)之后小于本地存儲(chǔ)的路徑代價(jià)，則將本地記錄的路徑代價(jià)、上一跳信息修改成與新的TreeConstruction消息相一致，即將本地記錄的路徑代價(jià)更新為“TreeConstruction消息所攜帶的路徑代價(jià)加f (x) ”，上一跳信息更新為該 TreeConstruction消息的發(fā)送節(jié)點(diǎn)；
3)如果定時(shí)器超時(shí),則轉(zhuǎn)發(fā)該TreeConstruction消息,其中攜帶下述信息路徑代價(jià)計(jì)算方式如下
如身1X^D， 則 C (Px) = C (Py) +f (X)；
如果X e D，則 C (Px) = f (X);
4)轉(zhuǎn)發(fā)TreeConstruction消息之后，中間節(jié)點(diǎn)x將不再接受與本次組播建立請(qǐng)求相關(guān)的 TreeConstruction 消息；
5)如果X e D,當(dāng)X轉(zhuǎn)發(fā)完畢TreeConstruction消息之后，它將向其上一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送TreeReply消息,每個(gè)收到TreeReply消息的節(jié)點(diǎn)將發(fā)送該消息的節(jié)點(diǎn)記做為本節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，將其上一跳節(jié)點(diǎn)記做為其父親節(jié)點(diǎn)，并向該節(jié)點(diǎn)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該TreeReply消息,直到該消息到達(dá)一個(gè)之前曾向上轉(zhuǎn)發(fā)該消息的節(jié)點(diǎn)或組播信源；
沒(méi)有收到TreeR印Iy消息的中間節(jié)點(diǎn)，在一段時(shí)間之后，其本地記錄的與該組播組相關(guān)的表項(xiàng)將被超時(shí)刪除。
組播信源收 到TreeR印Iy消息之后，就可以向下發(fā)送組播數(shù)據(jù)，樹上的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)向下轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種面向具有可充電節(jié)點(diǎn)和單匯聚節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感網(wǎng)能量高效組播方法，其特征在于網(wǎng)絡(luò)中包括可二次充電的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的集合A和不可二次充電的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的集合N，還包括一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)SinkNode，其中A和N的交集為空，SmkNodegA^N ;在該網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)集合D傳輸由多個(gè)數(shù)據(jù)包組成的數(shù)據(jù)塊，具體實(shí)現(xiàn)方法為根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量狀態(tài)及其節(jié)點(diǎn)屬性計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)代價(jià)和路徑代價(jià)，為能量不同的節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的組播樹構(gòu)建信令TreeConstruction分組的延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)和路徑代價(jià)更新方法，以及組播樹建立請(qǐng)求響應(yīng)方法；其中DcAuN, |D|>1，|D I代表集合D的大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述節(jié)點(diǎn)代價(jià)和路徑代價(jià)的計(jì)算方法為若節(jié)點(diǎn)X e N，則其節(jié)點(diǎn)代價(jià)f(x)=l/Ex ;若節(jié)點(diǎn)X e A，則如果Εχ>1/2，則其節(jié)點(diǎn)代價(jià)f(x)=0,否則f(x)=l/Ex ;匯聚節(jié)點(diǎn)的代價(jià)為O ;對(duì)于一條有向簡(jiǎn)單路徑P=G=V1, V2,… ，vk=t),則該路徑的代價(jià)C(P)= Σ xeP_{t}f (X),其中s為信源，t為信宿，Ex為節(jié)點(diǎn)X的剩余能量比率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，其中描述的通過(guò)為能量情況不同的節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的組播樹構(gòu)建信令TreeConstruction分組的延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)和路徑代價(jià)更新方法, 具體如下由SinkNode作為組播信源生成一個(gè)TreeConstruction消息，然后向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播該信令分組，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)X從其一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)I收到該TreeConstruction消息后，如果是第一次收到該消息，則本地記錄與該組播會(huì)話相關(guān)的信息到達(dá)本節(jié)點(diǎn)的路徑代價(jià)C(Py)+f(x)，上一跳節(jié)點(diǎn)為y，同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器；如果節(jié)點(diǎn)在定時(shí)器超時(shí)之前收到一條新的TreeConstruction消息，且其所攜帶的路徑代價(jià)加f (x)之后小于本地存儲(chǔ)的路徑代價(jià)，則將本地記錄的路徑代價(jià)、上一跳信息修改成與新的TreeConstruction消息相一致，即將本地記錄的路徑代價(jià)更新為“TreeConstruction消息所攜帶的路徑代價(jià)加f (X) ”,上一跳信息更新為該TreeConstruction消息的發(fā)送節(jié)點(diǎn)；如果定時(shí)器超時(shí)，貝丨J 轉(zhuǎn)發(fā)該TreeConstruction消息，其中攜帶路徑代價(jià)的計(jì)算方式為如果x^D ,則C(Px) = C (Py)+f (X);如果 X e DjljC(Px)= f(x),轉(zhuǎn)發(fā)完畢該 TreeConstruction 消息之后，節(jié)點(diǎn) x 將不再接受新的與本組播會(huì)話相關(guān)的TreeConstruction消息；Py代表到節(jié)點(diǎn)y為止的路徑，C(P)代表路徑P的路徑代價(jià)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，其中所描述的由SinkNode作為組播信源生成TreeConstruction消息，具體組成如下該消息攜帶以下信息樹的建立發(fā)起節(jié)點(diǎn)SinkNode,用以標(biāo)示當(dāng)次建立請(qǐng)求的會(huì)話標(biāo)識(shí)SessionID,該消息迄今為止所走過(guò)路徑的代價(jià)C(PSinkN(KJ，初值為0，該消息所走過(guò)路徑的節(jié)點(diǎn)列表，初值為{SinkNode}，然后 SinkNode節(jié)點(diǎn)向其鄰居廣播該消息；PSinkN()de代表到SinkNode為止的路徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，其中所描述的組播樹建立請(qǐng)求響應(yīng)方法，具體如下如果X e D,當(dāng)X轉(zhuǎn)發(fā)完畢TreeConstruction消息之后,它將向其上一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送TreeReply消息,每個(gè)收到TreeReply消息的節(jié)點(diǎn)將發(fā)送該消息的節(jié)點(diǎn)記做為本節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，將其上一跳節(jié)點(diǎn)記做為其父親節(jié)點(diǎn)，并向該父親節(jié)點(diǎn)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該TreeReply消息，直到該消息到達(dá)一個(gè)之前曾向上轉(zhuǎn)發(fā)該消息的節(jié)點(diǎn)或組播信源；沒(méi)有收到TreeR印Iy 消息的中間節(jié)點(diǎn)，在一段時(shí)間之后，其本地記錄的與該組播組相關(guān)的表項(xiàng)將被超時(shí)刪除。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于定時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)度計(jì)算方式如下如果X e八且匕>1/2，則定時(shí)器時(shí) 間長(zhǎng)度為T/10，否則其長(zhǎng)度設(shè)定為f(x)T。
全文摘要
本發(fā)明屬于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向具有可充電節(jié)點(diǎn)和單匯聚節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感網(wǎng)能量高效組播方案。該方案是一種基于網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量狀態(tài)及其節(jié)點(diǎn)屬性的分布式組播樹建立方法，包括通過(guò)為能量情況不同的節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的組播樹構(gòu)建信令TreeConstruction分組的延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)和路徑代價(jià)更新方法，和組播樹建立請(qǐng)求響應(yīng)方法，最終使組播樹盡量由代價(jià)最小的路徑組成，從而達(dá)到均衡、節(jié)約能量開(kāi)銷的目的。
文檔編號(hào)H04W4/10GK103052037SQ20121058178
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者賀靜, 趙壯, 梅武鋼, 尹崇祿 申請(qǐng)人:北京循天行信息技術(shù)有限公司