本發(fā)明涉及路由求解，更具體地，涉及一種解決傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中的斯坦納樹問題的細(xì)胞擴散算法。

背景技術(shù)：

1、傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器通常分布在廣大的地域，且數(shù)量眾多；傳感器網(wǎng)絡(luò)往往網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量很差，要在傳感器網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)高效的多播(multicast)傳輸，是非常困難的。

2、傳感器網(wǎng)絡(luò)中加入haps網(wǎng)格，高空平臺站(haps)是在平流層運行的技術(shù)。多個haps站(例如飛艇和氣球)可以通過無線方式互連，形成haps網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。haps網(wǎng)格可以覆蓋地球表面的巨大區(qū)域，是為分布在廣闊區(qū)域的廣泛接收者進行信號廣播的絕佳選擇。對于訂閱的應(yīng)用程序，廣播消息可以以一對多消息的形式傳遞，稱之為選擇組廣播(sgb)的機制，讓haps可以提供有質(zhì)量保證的sgb服務(wù)，這本質(zhì)上是圖論中斯坦納樹問題(stp)。在收到消息的地面站可以把消息再通過現(xiàn)有的連接方式(有線或無線的點對點雙向連接)。

3、給定一個無向圖g＝{v,e}，其邊權(quán)重為非負(fù)(coste>0)和一個頂點子集(終端節(jié)點，t∈v(g))，斯坦納樹問題是找到一棵具有最小權(quán)重(mins(∑e∈e(s)coste))的樹包含所有給定的終端節(jié)點(t∈v(s))(但可能包括其他頂點)。

4、stp問題是一個np難問題，現(xiàn)有的一些網(wǎng)絡(luò)路由中stp相關(guān)問題的解決方案大多基于啟發(fā)式或近似算法。一些基于分解技術(shù)減少問題規(guī)模的方法的最新算法已經(jīng)出現(xiàn)，它們在大多數(shù)情況下快速、準(zhǔn)確地解決了較大規(guī)模的stp問題。這表明stp在大多數(shù)情況下可能具有可計算的精確算法，但此前的多播路由方案沒有使用精確解的。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的首要目的是提供一種解決傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中的斯坦納樹問題的細(xì)胞擴散算法，實現(xiàn)在haps網(wǎng)絡(luò)sgb路由應(yīng)用中的精確解法；本發(fā)明的進一步目的是提供一種解決傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中的斯坦納樹問題的細(xì)胞擴散算法系統(tǒng)；本發(fā)明的第三個目的是提供一種計算機介質(zhì)。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明的第一方面提供一種解決傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中的斯坦納樹問題的細(xì)胞擴散算法，包括以下步驟：

4、構(gòu)建無向超圖，其中的節(jié)點定義為包含高空平臺網(wǎng)絡(luò)的子區(qū)域，邊定義為區(qū)域間的連接，邊的權(quán)值定義為區(qū)域間的連接數(shù)量。通過超圖構(gòu)建，可以利用mst最小生成樹算法構(gòu)建區(qū)域間的樹結(jié)構(gòu)，然后計算每個區(qū)域的stp解，然后合并得到最終解；

5、構(gòu)建無向圖，其中無向圖的節(jié)點定義為高空平臺站，高空平臺站包括需要連接地面廣播接收端的高空平臺站或終端和中轉(zhuǎn)高空平臺站節(jié)點，邊定義為點之間的網(wǎng)絡(luò)鏈接，邊的成本為通信質(zhì)量的度量；

6、令所述無向圖中代表終端的節(jié)點的集合為終端節(jié)點集，利用細(xì)胞擴散算法求解，所述細(xì)胞擴散算法令所述終端節(jié)點集中的所有節(jié)點成為第一代細(xì)胞，并定義每個細(xì)胞的初始化成本為0，每一個細(xì)胞包括內(nèi)核，所述內(nèi)核表示細(xì)胞中包含的終端節(jié)點號的集合；

7、令每個細(xì)胞沿著當(dāng)前所在節(jié)點的邊開始擴展，擴展到相鄰節(jié)點后，細(xì)胞的成本基于上一輪拓展時細(xì)胞的成本加上擴展邊的成本，且新細(xì)胞的內(nèi)核并入擴當(dāng)前節(jié)點中其它細(xì)胞的內(nèi)核集合；

8、當(dāng)不同的細(xì)胞擴展到同一節(jié)點時，互相合并形成新的細(xì)胞，細(xì)胞的內(nèi)核相互合并形成新細(xì)胞，然后從當(dāng)前節(jié)點繼續(xù)向外擴展；

9、通過跟蹤細(xì)胞的內(nèi)核中包括所有終端節(jié)點號的細(xì)胞，獲得高空平臺站網(wǎng)絡(luò)的選擇組廣播路由解。

10、本發(fā)明的細(xì)胞擴散算法可以集成分解技術(shù)。

11、在進一步的實施例中，構(gòu)建無向圖后，還包括步驟：

12、若所述無向圖中的某一條邊的成本大于刪除這條邊后兩個節(jié)點之間的最短路徑的成本，則刪除所述邊，將所述無向圖中所有滿足上述條件的邊刪除。

13、在進一步的實施例中，當(dāng)內(nèi)核相同的細(xì)胞通過不同的路徑到達(dá)所述無向圖中的某個節(jié)點，保留細(xì)胞成本最低的細(xì)胞構(gòu)成路徑。

14、在進一步的實施例中，將所述無向圖分割成若干子圖，不同子圖間的所有連接邊集合作為邊割集，不同子圖間的路由規(guī)劃采用最小生成樹算法確定，同一子圖內(nèi)的路由規(guī)劃采用所述細(xì)胞擴散算法確定。

15、在進一步的實施例中，選擇一個表示終端的節(jié)點作為最小斯坦納樹的根，從根開始，根據(jù)從根開始的跳數(shù)進行頂點擴展，在擴展的某個步驟，把所述無向圖分為兩個部分，即圖分成兩個分區(qū)，其中，將包含根頂點的部分子圖稱為上部，將其他部分稱為下部，分別選擇保留邊割集中不同的邊構(gòu)成不同的上部和下部，并利用所述細(xì)胞擴散算法計算所有情況下子圖的斯坦納樹smt路由方案，并將同一邊割集選擇方案中的兩個子圖的路由方案合并，得到該邊割集選擇下的路由方案。

16、在進一步的實施例中，所述分別選擇保留邊割集中不同的邊的情況，包括：

17、當(dāng)邊割集有k條邊時，會有2k-1種保留情況。

18、在進一步的實施例中，利用所述細(xì)胞擴散算法計算所有情況下成本最低的結(jié)果作為子圖的路由方案，包括：

19、對于上部的計算，將上部中的切邊頂點改為終端節(jié)點，再使用所述細(xì)胞擴散算法得到路由方案；

20、對于下部的計算，將下部所有切邊頂點合并為1個頂點，并以該頂點為終端，再使用所述細(xì)胞擴散算法得到路由方案。

21、在進一步的實施例中，所述將兩個子圖的路由方案合并，包括：

22、當(dāng)下部切邊頂點合并時，在下部記錄與切邊頂點原來連接的邊，在合并上下部的路由方案過程中，根據(jù)記錄的與切邊頂點原來連接的邊，將下部的路由方案替換為無向圖中的邊結(jié)構(gòu)。

23、本發(fā)明的第二方面提供一種解決傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中的斯坦納樹問題的細(xì)胞擴散算法系統(tǒng)，包括：

24、超圖構(gòu)建模塊，構(gòu)建無向超圖，其中的節(jié)點定義為包含高空平臺網(wǎng)絡(luò)的子區(qū)域，邊定義為區(qū)域間的連接，邊的權(quán)值定義為區(qū)域間的連接數(shù)量，通過超圖構(gòu)建，可以利用mst最小生成樹算法構(gòu)建區(qū)域間的樹結(jié)構(gòu)，然后計算每個區(qū)域的stp解，然后合并得到最終解；

25、圖構(gòu)建模塊，構(gòu)建無向圖，其中無向圖的節(jié)點定義為高空平臺站，高空平臺站包括需要連接地面廣播接收端的高空平臺站或終端和中轉(zhuǎn)高空平臺站節(jié)點，邊定義為點之間的網(wǎng)絡(luò)鏈接，邊的成本為通信質(zhì)量的度量；

26、細(xì)胞模塊，令所述無向圖中代表終端的節(jié)點的集合為終端節(jié)點集，利用細(xì)胞擴散算法求解，所述細(xì)胞擴散算法令所述終端節(jié)點集中的所有節(jié)點成為第一代細(xì)胞，并定義每個細(xì)胞的初始化成本為0，每一個細(xì)胞包括內(nèi)核，所述內(nèi)核表示細(xì)胞中包含的終端節(jié)點號的集合；

27、擴展模塊，令每個細(xì)胞沿著當(dāng)前所在節(jié)點的邊開始擴展，擴展到相鄰節(jié)點后，細(xì)胞的成本基于上一輪拓展時細(xì)胞的成本加上擴展邊的成本，且新細(xì)胞的內(nèi)核并入擴當(dāng)前節(jié)點中其它細(xì)胞的內(nèi)核集合；

28、合并模塊，當(dāng)不同的細(xì)胞擴展到同一節(jié)點時，互相合并形成新的細(xì)胞，細(xì)胞的內(nèi)核相互合并形成新細(xì)胞，然后從當(dāng)前節(jié)點繼續(xù)向外擴展；

29、跟蹤模塊，通過跟蹤細(xì)胞的內(nèi)核中包括所有終端節(jié)點號的細(xì)胞，獲得高空平臺站網(wǎng)絡(luò)的選擇組廣播路由解。

30、本發(fā)明的第三方面提供一種計算機介質(zhì)，所述計算機介質(zhì)上存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時，完成所述的基于細(xì)胞擴散算法的高空平臺站網(wǎng)絡(luò)的選擇組廣播路由方法。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是：

32、本發(fā)明提出一種跳數(shù)約束的stp求解器，即細(xì)胞擴散(cell-expansion)算法，用于求解小規(guī)模的stp。跳數(shù)約束的stp是np難的，但在有界樹寬圖中它是可解的。在本發(fā)明中，cell-expansion算法被設(shè)計為區(qū)域內(nèi)stp求解器。輪數(shù)(迭代計數(shù))被認(rèn)為是復(fù)雜性度量。同時，region-cut-split算法合并多個區(qū)域的haps網(wǎng)格。通過結(jié)合這兩種算法，開發(fā)了大規(guī)模haps網(wǎng)絡(luò)sgb問題求解器。通過本發(fā)明的設(shè)計，即使一個網(wǎng)絡(luò)有數(shù)百甚至數(shù)千個節(jié)點(考慮到haps的覆蓋范圍和haps之間的通信距離，這個規(guī)模已經(jīng)可以完全覆蓋任何國家)，使用這個框架也可以在幾秒鐘內(nèi)完成計算。