降低鏈路間干擾的拓撲控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種降低鏈路間干擾的拓撲控制方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)中不能保證降低鏈路間干擾的問題。其實現(xiàn)過程為：首先，由中心控制節(jié)點構(gòu)建最大功率拓撲；其次，由中心控制節(jié)點以邊的干擾度為標準，遍歷最大功率拓撲的邊集合中的所有邊，對該邊集合進行刪減優(yōu)化，構(gòu)建全網(wǎng)拓撲；再次，由中心控制節(jié)點向網(wǎng)絡中除中心控制節(jié)點外的所有節(jié)點廣播全網(wǎng)拓撲信息；最后，由網(wǎng)絡中除中心控制節(jié)點外的所有節(jié)點根據(jù)收到的全網(wǎng)拓撲信息確定自己的邏輯鄰節(jié)點，并調(diào)整自己的發(fā)射功率。本發(fā)明具有降低節(jié)點能耗，減小鏈路間干擾的優(yōu)點，可用于無線傳感網(wǎng)絡。
【專利說明】降低鏈路間干擾的拓撲控制方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于無線通信領域，特別涉及一種構(gòu)建網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的方法，可用于無線傳感網(wǎng)絡。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡是由一組隨機分布的微小節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡，每個微小節(jié)點由傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信單元構(gòu)成。無線傳感器網(wǎng)絡綜合了傳感器、低功耗、通訊以及微機電等技術(shù)，具有實時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)督控制和信息共享與存儲管理等功能，是一種充滿發(fā)展?jié)摿Φ木W(wǎng)絡通信系統(tǒng)。
[0003]能量保持與降低干擾是無線傳感器網(wǎng)絡中兩個較為重要的研究方面。在拓撲控制方面，近幾年來大量的研究工作主要聚焦在如何設計算法以降低網(wǎng)絡節(jié)點的能耗，幾個較為典型的算法，如 N.Li 等作者在 IEEE Transactions on Wireless Communications 上發(fā)表的文章 “Design and Analysis of an MST-Based Topology Control Algorithm，，提到的 LMST 算法，Y.Shen 等作者在 ACM SIGCOMM Computer Communication Review 上發(fā)表的文章 “A shortest-path-based topology control algorithm in wireless mult1-hopnetworks"中提到的LSP算法等，已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注，由于低能耗拓撲結(jié)構(gòu)通常具有稀疏性、節(jié)點度低等特性，因此人們普遍認為低能耗的拓撲也意味著低干擾，所以在這類算法中，很少有在降低節(jié)點能耗的同時明確考慮如何降低節(jié)點之間的干擾。
[0004]然而，M.Burkhart 等作者在 ACM MobiHoc2004 上發(fā)表的文章 “Dose topologycontrol reduce interference?”中揭示在能量保持與降低干擾之間并沒有確定的關(guān)系，也即，一個低能耗拓撲控制算法并不能確保其最終的拓撲結(jié)構(gòu)是低干擾的。
[0005]目前，為了降低干擾，研究者已經(jīng)提出了若干拓撲控制算法。按照干擾模型的不同，這些算法大致可以分為兩大類:一類 是考慮一對節(jié)點在通信過程中對其傳輸范圍內(nèi)的節(jié)點造成的干擾，即基于邊干擾點的干擾模型的低干擾拓撲控制算法，如M.Burkhart等作者在 ACM MobiHoc2004 上發(fā)表的文章 “Dose topology control reduce interference?”中提出的LISE算法；另一類是考慮單個節(jié)點對其傳輸范圍內(nèi)的節(jié)點造成的干擾，即基于點干擾點的干擾模型的低干擾拓撲控制算法，如G.Feng等作者在Wirel.Commun.Mob.Comput2012 上發(fā)表的文章 “ Interference minimum network topologies for Networksad hoc networks〃中提出的BIMA算法。由于在研究基于底層拓撲的信道分配問題或調(diào)度問題時，需要考慮一對節(jié)點在通信過程中對其傳輸范圍內(nèi)可以通信的鏈路造成的干擾，而上述兩類算法都無法保證能降低鏈路間的干擾，進而無法提供一個良好的底層拓撲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的問題，提出一種降低鏈路間干擾的拓撲控制方法，以降低節(jié)點能耗，減小鏈路間的干擾，實現(xiàn)底層拓撲。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明網(wǎng)絡拓撲控制方法包括如下步驟:[0008](I)網(wǎng)絡中除中心控制節(jié)ο外所有節(jié)點u向中心控制節(jié)點ο發(fā)送一次Hello數(shù)據(jù)包，中心控制節(jié)點ο獲取最大功率拓撲Gmax = (V (Gmax)，E (Gmax))，其中V (Gmax)為最大功率拓撲Gmax的節(jié)點集合，E(Gmax)為最大功率拓撲Gmax的邊集合:
[0009](2)網(wǎng)絡中的中心控制節(jié)點O計算最大功率拓撲中每條邊的干擾度:
[0010](2a)中心控制節(jié)點O判斷邊集合E(Gmax)中任意兩條邊(Xyi)與(Xj, y」)是否相互干擾，若邊(Xj, Yj)上有至少一個節(jié)點Xj或Yj在節(jié)點Xi或節(jié)點Ji的傳輸半徑r范圍內(nèi)，則邊(Xi, Yi)干擾到邊(Xj, Yj)；
[0011](2b)中心控制節(jié)點ο計算邊集合E(Gmax)中每條邊(x，y)的干擾度，即在邊集合E(Gmax)范圍內(nèi)統(tǒng)計邊(x，y)干擾到的邊的總個數(shù)；
[0012](3)中心控制節(jié)點ο構(gòu)建全網(wǎng)拓撲G= (V(G)，E(G))，其中V(G)為全網(wǎng)拓撲G的節(jié)點集合，包括中心控制節(jié)點O和網(wǎng)絡中除中心控制節(jié)O外所有節(jié)點u，E (G)為所構(gòu)建的全網(wǎng)拓撲G的邊集合；
[0013](4)中心控制節(jié)點ο將所述全網(wǎng)拓撲G的節(jié)點集合V(G)和邊集合E(G)記錄在拓撲更新消息MSG中，并以泛洪的方式向網(wǎng)絡中除中心控制節(jié)ο外的所有節(jié)點u廣播該MSG消息；
[0014](5)網(wǎng)絡中除中心控制節(jié)ο外所有節(jié)點u根據(jù)上述MSG消息，確定自己的邏輯鄰節(jié)點，并調(diào)整自己的發(fā)射功率。
[0015]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0016]I)本發(fā)明由于在計算干擾時考慮了邊與邊的相互干擾，因此采用本發(fā)明方法構(gòu)建的底層拓撲，更有利于處理信道分配或鏈路調(diào)度過程中的鏈路干擾問題；
[0017]2)本發(fā)明由于以鏈路間的干擾為權(quán)重，并在拓撲構(gòu)建中考慮到了任意節(jié)點組合間的最短路徑長度，使得本發(fā)明能在保證歐式距離t-Spanner特性的前提下，降低節(jié)點能耗，減小鏈路間的干擾。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明適用的無線網(wǎng)絡場景示意圖；
[0019]圖2為圖1中50個節(jié)點網(wǎng)絡場景時形成的最大功率拓撲圖；
[0020]圖3為本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖；
[0021]圖4為本發(fā)明中心控制節(jié)點構(gòu)建全網(wǎng)拓撲的子流程圖；
[0022]圖5為本發(fā)明與現(xiàn)有拓撲控制算法對節(jié)點最大干擾度的仿真對比圖；
[0023]圖6為本發(fā)明與現(xiàn)有拓撲控制算法對節(jié)點最大傳輸半徑的仿真對比圖。
【具體實施方式】
[0024]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式做進一步詳細描述。
[0025]參照圖1，本發(fā)明使用的無線網(wǎng)絡由η個分布在二維平面區(qū)域內(nèi)的同質(zhì)節(jié)點組成，假設其中一個節(jié)點為中心控制節(jié)點O，剩余為網(wǎng)絡中除中心控制節(jié)O外的所有節(jié)點U。每個節(jié)點具有唯一的身份認證號碼ID號，并可以通過GPS或是其他定位技術(shù)來獲取它自身的位置信息。在網(wǎng)絡中，各節(jié)點間的無線信道為加性高斯白噪聲信道。所有節(jié)點通過全向天線與周圍節(jié)點通信，最大發(fā)射功率均為Ρ_。所有節(jié)點的發(fā)射功率P可以在最小和最大之間連續(xù)調(diào)節(jié)，即O < P < Pmax。每個節(jié)點的發(fā)射功率對應的傳輸距離為該節(jié)點的傳輸半徑r，最大發(fā)射功率Pniax對應的傳輸半徑為最大傳輸半徑R，兩個節(jié)點之間存在無線鏈路的充要條件為它們之間的歐式距離小于或等于傳輸半徑r。
[0026]當網(wǎng)絡中所有節(jié)點均使用最大發(fā)射功率Pmax傳輸時形成的拓撲結(jié)構(gòu)為最大功率拓撲，如圖2所示，最大功率拓撲表示為:Gmax = (V (Gmax) ,E(Gmax))，其中V(Gmax)為最大功率拓撲Gmax的節(jié)點集合，E(Gmax)為最大功率拓撲Gmax的邊集合。這里的最大功率拓撲為無向拓撲，即在邊集合E(Gmax)中(x，y)與(y，x)為同一條邊，在以后的說明中，均以(x，y)表示。
[0027]參照圖3，本發(fā)明的實現(xiàn)步驟如下:
[0028]步驟1，中心控制節(jié)點O構(gòu)建最大功率拓撲Gmax。
[0029](Ia)中心控制節(jié)點O和網(wǎng)絡中除中心控制節(jié)點O外的所有節(jié)點U，構(gòu)成最大功率拓撲Gmax的節(jié)點集合V (Gmax)；
[0030](Ib)網(wǎng)絡中除中心控制節(jié)O外的所有節(jié)點U以最大發(fā)射功率Pmax通過泛洪的方式向中心控制節(jié)點ο發(fā)送一次Hello數(shù)據(jù)包,該Hello數(shù)據(jù)包中包含節(jié)點u的身份認證號碼ID號和位置信息；
[0031](Ic)中心控制節(jié)點ο接收網(wǎng)絡中除自己外的所有節(jié)點u發(fā)送的Hello數(shù)據(jù)包,并將Hello數(shù)據(jù)包中的信息記錄在自己的全網(wǎng)節(jié)點信息表中；
[0032](Id)中心控制節(jié)點O根據(jù)自己的全網(wǎng)節(jié)點信息表中的節(jié)點位置信息，計算全網(wǎng)中任意兩節(jié)點X，I間的歐式距離d(x, y): [0033]
【權(quán)利要求】
1.一種降低鏈路間干擾的拓撲控制方法，包括如下步驟: (1)網(wǎng)絡中除中心控制節(jié)O外所有節(jié)點u向中心控制節(jié)點O發(fā)送一次Hello數(shù)據(jù)包，中心控制節(jié)點ο獲取最大功率拓撲Gmax = (V (Gmax)，E (Gmax))，其中V (Gmax)為最大功率拓撲Gmax的節(jié)點集合，E(Gmax)為最大功率拓撲Gmax的邊集合: (2)網(wǎng)絡中的中心控制節(jié)點ο計算最大功率拓撲中每條邊的干擾度: (2a)中心控制節(jié)點ο判斷邊集合E(Gmax)中任意兩條邊(X yi)與(Xj, y」)是否相互干擾，若邊(? Yj)上有至少一個節(jié)點\或在節(jié)點Xi或節(jié)點Ii的傳輸半徑r范圍內(nèi)，則邊(Xi, Yi)干擾到邊(Xj, Yj); (2b)中心控制節(jié)點ο計算邊集合E (Gmax)中每條邊(X，y)的干擾度，即在邊集合E (Gmax)范圍內(nèi)統(tǒng)計邊(x，y)干擾到的邊的總個數(shù)； (3)中心控制節(jié)點ο構(gòu)建全網(wǎng)拓撲G=(V(G)，E(G))，其中V(G)為全網(wǎng)拓撲G的節(jié)點集合，包括中心控制節(jié)點ο和網(wǎng)絡中除中心控制節(jié)ο外所有節(jié)點u，E (G)為所構(gòu)建的全網(wǎng)拓撲G的邊集合； (4)中心控制節(jié)點ο將所述全網(wǎng)拓撲G的節(jié)點集合V(G)和邊集合E(G)記錄在拓撲更新消息MSG中，并以泛洪的方式向網(wǎng)絡中除中心控制節(jié)ο外的所有節(jié)點u廣播該MSG消息； (5)網(wǎng)絡中除中心控制節(jié)ο外所有節(jié)點u根據(jù)上述MSG消息，確定自己的邏輯鄰節(jié)點，并調(diào)整自己的發(fā)射功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拓撲控制方法，其中步驟(I)所述的網(wǎng)絡中除中心控制節(jié)ο外所有節(jié)點u向中心控制節(jié)點ο發(fā)送一次Hello數(shù)據(jù)包，是指節(jié)點u用最大發(fā)射功率Pmax以泛洪的方式向中心控制節(jié)點ο發(fā)送自己的Hello數(shù)據(jù)包。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拓撲控制方法，其中步驟(I)所述的中心控制節(jié)點ο獲取最大功率拓撲Gmax = (V (Gmax)，E (Gmax))，按如下步驟獲取: (Ia)中心控制節(jié)點ο和網(wǎng)絡中除中心控制節(jié)點ο外所有節(jié)點u構(gòu)成最大功率拓撲Gmax的節(jié)點集合V (Gmax)； (Ib)網(wǎng)絡中除中心控制節(jié)ο外所有節(jié)點u向中心控制節(jié)點ο發(fā)送自己的Hello數(shù)據(jù)包，該Hello數(shù)據(jù)包中包含節(jié)點u的身份認證號碼ID號和位置信息； (Ic)中心控制節(jié)點ο接收網(wǎng)絡中除自己外的其他所有節(jié)點u發(fā)送的Hello數(shù)據(jù)包，并將Hello數(shù)據(jù)包中的信息記錄在自己的全網(wǎng)節(jié)點信息表中； (Id)中心控制節(jié)點ο根據(jù)全網(wǎng)節(jié)點信息表中的位置信息，計算全網(wǎng)中任意兩點X，y間的歐式距離d(x，y)； (Ie)中心控制節(jié)點ο根據(jù)節(jié)點最大傳輸半徑R和所述歐式距離d(x，y)判斷任意兩點間的連接關(guān)系，得到最大功率拓撲Gmax的邊集合E (Gmax)； (If)用節(jié)點集合V(Gmax)和所述的邊集合E(Gmax),共同構(gòu)成最大功率拓撲:Gmax =(V (Gmax)，E (Gmax))。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拓撲控制方法，其中步驟(3)所述的中心控制節(jié)點ο構(gòu)建全網(wǎng)拓撲G= (V (G)，E(G))，按如下步驟構(gòu)建:` (3a)初始化全網(wǎng)拓撲: 中心控制節(jié)點ο將全網(wǎng)拓撲G的節(jié)點集合V(G)初始化成最大功率拓撲中的所有節(jié)點，將全網(wǎng)拓撲G的邊集合E(G)初始化成最大功率拓撲中的所有邊；中心控制節(jié)點ο建立最短路徑集合P = {pe(x，y)}，其中pe(x，y)為節(jié)點集合V (G)中任意一對節(jié)點組合< X，I >在全網(wǎng)拓撲G中的最短路徑，若邊(X，y) e E(G),則pG(x,y)=φ，0為空集，若邊(.t、v),則中心控制節(jié)點ο基于全網(wǎng)拓撲G計算pe(X，y)； (3b)中心控制節(jié)點ο將邊集合E (G)中所有未被遍歷過的邊按干擾度從大到小排序，選出干擾度最大的邊并建立測試拓撲? = (Ρ(0),禽0)), 為節(jié)點集合V(G)中的全部節(jié)點，左(0)為邊集合E(G)去掉邊(i,f)后的集合，若邊集合E(G)中的邊全部遍歷過，則全網(wǎng)拓撲G構(gòu)建完成； (3c)中心控制節(jié)點ο以歐式距離為權(quán)重，計算節(jié)點組合<.0 >在測試拓利G中的最短路徑P0(無乃，并判斷P0(iJ)能否滿足歐式距離t-Spanner特性，若不能滿足，則中心控制節(jié)點ο返回步驟(3b)，若能滿足，則中心控制節(jié)點ο執(zhí)行步驟(3d)； (3d)中心控制節(jié)點ο找出最短路徑集合P中用到邊(tj>)的所有節(jié)點組合< m，η >，構(gòu)成引用集合:= K吼77 HeH，若引用集合T(x，y)為空集，中心控制節(jié)點ο執(zhí)行步驟(3f )，若引用集合T不為空集，則中心控制節(jié)點執(zhí)行步驟(3e ); (3e)中心控制節(jié)點ο以歐式距離為權(quán)重,計算引用集合T中每對節(jié)點組合< m，n >在測試拓撲0中的最短路徑Pd(m，n)，并判斷& ("?能否滿足歐式距離t-Spanner特性，若有至少一對節(jié)點組合不能滿足，則中心控制節(jié)點ο返回步驟(3b )，若引用集合T中所有節(jié)點組合均能滿足，則中心控制節(jié)點ο執(zhí)行步驟(3f)； (3f)中心控制節(jié)點ο將邊CU.)從邊集合E(G)中刪去，若邊集合E(G)中存在未被遍歷的邊，則中心控制節(jié)點ο更新邊集合E (G)中邊的干擾度，并將節(jié)點組合<.U.>在測試拓撲中的最短路徑A(夂刃以及引用集合T中每對節(jié)點組合< m，η >在測試拓撲d中的最短路徑;更新到最短路徑集合P中，并返回步驟(3b)，若邊集合E(G)中的邊全部遍歷過,則全網(wǎng)拓撲G構(gòu)建完成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拓撲控制方法，其中步驟(5)所述的網(wǎng)絡中除中心控制節(jié)點ο外所有節(jié)點u根據(jù)所述MSG消息確定自己的邏輯鄰節(jié)點，并調(diào)整自己的發(fā)射功率，按如下步驟進行: (5a)節(jié)點u根據(jù)所述MSG消息，將全網(wǎng)拓撲G上的一跳鄰節(jié)點v作為邏輯鄰節(jié)點，并構(gòu)成邏輯鄰節(jié)點集:LNU = {v e V(G) I (u, v) e E(G)}； (5b)節(jié)點u根據(jù)邏輯鄰節(jié)點，將自己的發(fā)射功率調(diào)整為能夠覆蓋到最遠的邏輯鄰節(jié)點所需要的最小功率PLNM，即PLM=max{Pw,y? I ve LiVJ ?
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的拓撲控制方法，其中所述步驟(3a)、步驟(3c)和步驟(3e)中的最短路徑，是通過使用Dijkstra算法或Bellman-Ford算法計算得到。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的拓撲控制方法，其中所述步驟(3c)中的歐式距離T-spanner特性，是指節(jié)點組合< 三》> 在測試拓撲0中的最短路徑4汰夕)滿足
【文檔編號】H04W84/18GK103442382SQ201310416501
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月12日
【發(fā)明者】王璽鈞, 盛敏, 劉夢霞, 翟道森, 張琰, 李建東 申請人:西安電子科技大學