CN102740393A - 一种基于动态规划的无线传感器网络路由方法 - Google Patents

Abstract

一种基于动态规划的无线传感器网络路由方法，该方法采用动态规划来设计传感器网络的路由控制。本发明根据传感器网络中数据传送的多跳特征，首先得到网络中节点跳数的生成算法；然后基于动态规划的思想，把节点选取由二进制位表示；最后进行压缩状态，得到动态规划转移方程和路由求解方法。无线传感器网络进行路由时，信息一般需要由源节点经过自组织选定好的中间节点，传递给网络中的目标节点。本发明的目的是减少传感器网络节点传输时间、提高通信速率，利用动态规划算法，减少路由能量，达到传感器节点传输时间的最小化。本发明对传感器的硬件配置要求低，能实现大幅度的减少传输时间，适合大规模的无线传感器网络的路由设计。

Description

一种基于动态规划的无线传感器网络路由方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络的路由控制，主要利用动态规划的方法减少传感器网络节点信息传输时间，提高通信速率的问题，属于无线传感器网络、动态规划、人工智能和分布式计算交叉技术应用领域。

背景技术

无线传感器网络是一种集成传感器、自动控制、网络传输与储存、信息处理与分析等技术的信息网络形态。无线传感器网络节点一般由存储器、处理器、传感器、无线通讯、电池等硬件组成。在目前技术发展中，人们可以通过手机、因特网等无线通讯技术控制传感器网络节点的开启或关闭,获得各种网络信息，对所获的网络信息进行显示、储存或分析，还可以通过网络传输到数据收集中心。无线传感器网络的发展及应用主要归因于各位电子设备的微型化、智能化、廉价性。无线传感器网络可以部署于野外,网络节点探询附近的同类传感器网络节点，实现相互间的通信，并自动构建网络拓扑和实现数据传输。

在无线传感器网络中，任何数据传输都离不开路由协议。无线传感器网络路由负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，主要包括两个方面的功能：寻找源节点和目的节点的优化路径、将数据分组沿着路径正确转发。无线传感器网络路由设计多方面要求如下：

（1）无线传感器网络路由要求具有能量高效性

传感器网络节点体积微小，通常只能携带能量十分有限的电池。由于传感器节电结点个数众多，成本要求低廉，地域分布广，而且部署区域环境复杂，所以传感器节点通过更换电池的方式是不现实的。可见，提高能量效率、延长整个网络生存期是无线传感器网络路由设计的首要目标和要求。

（2）无线传感器网络路由要求以数据为中心

由于节点分布不是预先计划的，而且节点位置也不是预先确定的，这样就有一些节点由于发生较多错误或者不能执行指定任务而被中止运行。为了在网络中监视目标对象，在路由中一般需要配置冗余节点，实现以数据为中心。无线传感器网络节点之间可以通过通信和协作，共享数据，保证获得被监视对象比较全面的数据。

（3）无线传感器网络路由要求具有高容错性和高度协作性

在无线传感器网络中，数据处理由节点自身完成，目的是减少无线链路中传送的数据量，只有与其他节点相关的信息才在链路中传送。传感器网络节点易为能源耗尽或环境干扰而失效，但部分传感节点的失效不应影响整个网络的任务。这就需要路由协议能够适应高度的拓扑时变，又可不引入过多的协议开销或过长的路由发现延迟。

对于无线传感器网络路由而言，路由的传输时间和传输效率对整个网络性能影响很大。在传统的无线传感器网络中，路由节点的个数众多，导致信息在网络中的传输效率低下。现在无线传感器网络路由的研究问题是：在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过无线传感网络中路径的选择，减少节点之间不必要的通信链路，提高网络的通讯速率。

动态规划方法恰好通常用于解决具有最优性质的问题。在这类问题中，可能有多个可行解，每个解对应于一个最优值。该方法将待求问题分成若干分子问题，先求解子问题，然后从这些子问题的解得到原问题的解。在求解子问题的同时，记录下每个子问题的解，当需要重复计算相同子问题的时候，直接找出已求得的答案，避免了大量的重复计算，减少了计算时间。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于动态规划的无线传感器网络路由方法，无线传感器网络进行路由时，信息一般需要由源节点经过自组织选定好的中间节点，传递给网络中的目标节点。本发明的目的是减少传感器网络节点传输时间、提高通信速率，利用动态规划算法，减少路由能量，达到传感器节点传输时间的最小化。

技术方案：本发明首先利用传感器网络中数据传送的多跳特征，得到网络中节点跳数的生成算法；然后基于动态规划的思想，把节点选取由二进制位表示，最后进行压缩状态，得到动态规划转移方程和路由求解方法。

步骤1：建立目标函数

1）用邻接矩阵表示法对无线传感器网络进行建图；

2）根据邻接矩阵表示的图，建立目标函数；在目标函数中，每访问一个节点都会得到一个当前的最佳路径；同时，用一个变量，通过状态压缩的方式，记录在当前节点有哪些节点被访问过，最终访问完所有节点时，将得到最优路线所需的最少时间；

步骤2：给每个节点设一个标记变量，表示该节点是否被访问过，如果该节点被访问，标记变量置为1；如果该节点未被访问，标记变量置为0；

步骤3：把状态编码为一个10位的二进制数；

步骤4：根据状态编码，定义两个节点之间传输的传播时间和延时时间，以及节点内部的传播时间和延时时间；

步骤5：根据无线传感器网络对应的邻接矩阵，得到中间节点的状态转移方程；根据状态转移方程，对每个节点分别按图中的顺序进行状态转移；

步骤6：在所有节点都进行状态转移后，依次根据每个节点的状态值得到最优无线传感路由传播路径。

所述的邻接矩阵表示法是指：设图G有n个无线传感器网络节点v₁,v₂,…,v_n，令A(G)=(a_ij)_n×n，其中

由元素a_ij构成的一个n×n方阵A(G)为图G的邻接矩阵，i,j=1,2,...,n。

所述的状态压缩的方式是指：给每个节点进行标号，一共有n个节点及起始点，用变量A_i表示不同的节点是否已被访问，A_i=1,2,...n：当A_i＝1，表示节点i已被访问过；当A_i=0，表示节点i未被访问过，在此基础上，组合各个节点当前的状态S_i，节点在访问过程中的时间花费用变量表示。

有益效果：本发明所述基于动态规划的无线传感器网络路由方法，利用动态规划的方法选择最优路径，使节点的平均传输时间最少，提高网络的通信速率。具体来说，本发明所述的方法具有如下的有益效果：

（1）本发明所述的基于动态规划的无线传感器网络路由方法和一般的路由方法相比，当n≥10时，动态规划的效率明显比一般的方法高；由状态转移方程分析得知，此算法的时间复杂度为O(2ⁿ×n²)；而一般的路由方法时间复杂度为O(n!)。附图1中对比了二者时间随n增长的速度。

（2）本发明所述的路由节点路径选择过程是根据动态规划的状态压缩模型，最优性地选择一些中间节点作为转发节点，减少了中间节点的传输时间。

附图说明

图1是基于动态规划的无线传感器网络路由节点选择算法。

具体实施方式

一．体系结构

1、基于动态规划的无线传感器网络模型

无线传感器网络路由通过网络节点协作完成。节点间链路的带宽、时延和分组丢失率等参数通过相应的路由协议来获得和维护。这里将无线传感器网络抽象成一个具有顶点集合V和边集合E的加权无向图G(V，E)，集合V的元素称为节点，其中端节点分别代表无线传感器网络中的源节点和目的节点，其他节点则代表网络中的转发节点；集合E的元素称为路径，用E_ij表示节点i到节点j的路径集，其中i,j∈V。两节点间可能存在多条路径，其权值d_ij表示从节点i到节点j的链路相邻两次差错传输平均时间间隔、平均时延和带宽可用的平均时间。引入一个逻辑变量U_ij，当U_ij=1，节点选择路径E_ij到目的节点；当U_ij=0,表示其它情况。这里，i为源到目的节点的跳数；j为源到目的节点。

本发明给出如下定义：对于选定的路径P_j=1→...→N，节点1到N的平均时延定义为：平均时延为D(P_j)<=T₀。这里T₀是无线传感器网络应用业务所允许的最大端到端平均时延。考虑到端到端的多径路由问题受链路瓶颈带宽和可靠性的影响，节点1到N的具有最大瓶颈链路带宽可用平均时间和应用业务相邻两次差错传输平均时间间隔分别定义为：最大瓶颈链路带宽可用的平均时间TTX(P_j)。利用最优化理论建立多目标优化问题模型，用来求解满足时延要求，且具有最大带宽可用平均时间和最大相邻两次差错传输平均时间间隔的通信路由。

2、基于动态规划的路由选择准则

本发明基于动态规划的路由选择准则包括最优化原理和凸集定理，。

本发明所述的最优化原理是指：若p₁,N∈p₁,N(x₁)是最优策略，则对于任意的k，1<k＜N，其子策略p_k，N对于由x₁和p₁,k-1确定的以x_k为起点的第k到N后部子过程也是最优策略。不论过去的状态和决策如何，对于前面的决策形成的当前的状态而言，余下的各个决策必定构成最优策略。

本发明所述的凸集定理是指：称基于凸集X∈E_n的函数f(x)为凸的，是当任意两点x₁,x₂∈X且对所有λ∈[0,1]，有f[λ·x₂+(1-λ)x₁]≤λ·f(x₂)+(1-λ)f(x₁)]成立。对于特定的动态多目标路由问题，考虑简化算法的计算复杂度，采用双变量凸规划法来优化路径选择准则，即一个优化目标是链路数据传输带宽可用平均时间TTX，另一个优化目标是链路数据相邻两次差错传输平均时间间隔T_s。考虑到网络可靠性和吞吐率这两个性能指标关于路径长度存在权衡关系且非凹的，可以构造一个凸空间，即具有统一时间量纲的凸规划路由准则CPRM，并由本发明所述的最优化原理，可知CPRM集是非凹的，因此可得到最优综合路径准则CPRM。公式CPRM=λ×TTX+（1-λ)×T_s中T_s参数侧面反映了网络传输拥塞或链路可靠性。考虑在整个业务传输期间，统计两次数据相邻两次差错传输的平均时间间隔近似为T_s。TTX是反映该条路由总吞吐率情况；λ是网络传输可靠性和吞吐率之间的平衡参数，通过仿真实验来估计，且0≤λ≤1。

二．基于动态规划的网络传感器节点路由控制方法

步骤1：建立目标函数

用邻接矩阵表示法对无线传感器网络进行建图；在图的基础上，建立目标函数；根据目标函数，每访问一个节点生成一个当前的最佳路径；同时，用一个变量，通过状态压缩的方式，记录有哪些节点被访问过；在访问完所有节点后，得到最优路线所需的最少时间。

本发明所述的邻接矩阵表示法是指：设图G有n个无线传感器网络节点v₁,v₂,…,v_n，令A(G)=(a_ij)_n×n，其中

由元素a_ij(i,j=1,2,...,n)构成的一个n×n方阵A(G)为图G的邻接矩阵。

本发明所述的状态压缩是指：给每个节点进行标号，一共有n个节点及起始点，用变量A_i（A_i=1,2,...n)表示不同的节点是否已被访问：当A_i＝1，表示节点i已被访问过；当A_i=0，表示节点i未被访问过。在此基础上，组合各个节点当前的状态S_i，节点在访问过程中的时间花费用变量表示。

步骤2：给每个节点设一个标记变量，表示该节点是否被访问过。如果该节点被访问，标记变量置为1；如果该节点未被访问，标记变量置为0。

步骤3：把状态编码为一个10位的二进制数。

步骤4：根据状态编码，定义两个节点之间传输的传播时间和延时时间，以及节点内部的传播时间和延时时间。

步骤5：根据无线传感器网络对应的邻接矩阵，得到中间节点的状态转移方程；根据状态转移方程，对每个节点分别按图中的顺序进行状态转移。

步骤6：在所有节点都进行状态转移后，依次根据每个节点的状态值得到最优无线传感路由传播路径。

下面对附图本发明的某些实施例作更详细的描述，假设无线传感器网络有11个节点。

根据图1，本发明建立在动态规划的基础上，具体的实施方式如下:

步骤1：建立目标函数：每访问一个节点得到一个当前的最佳路径，用f[S_i,P_i]来表示，最终访问完所有节点将得到最优路线所需的最少时间C_min。

①S_i表示已访问过的节点

②P_i表示当前所在的节点。例如，S_i=1101表示第1、3、4号节点已被访问；P_i=3表示此时刚好在节点3处。

步骤2：设置标记变量：标记某个节点是否被访问过

步骤3：编码：利用编码，一个状态S_i用一个10位的二进制数表示。即：S_i=A₁₀A₉A₈A₇A₆A₅A₄A₃A₂A₁

步骤4：定义状态：

t[i][j]表示从节点A_i出发至节点A_j所花费的延时时间；

c[i]表示在节点A_i花费的延时时间；

T[i][j]表示从节点A_i出发至节点A_j所花费的传播时间；

g[i]表示在节点A_i花费的处理时间；

上述i=1...11,j=1...11。

步骤5：状态转移方程：f[S_i,P_i]=min{f[S_i′,P_i′]+t[P′_i][P_i]}。

其中S_i'为S_i的上一层状态，P_i'为S_i'中的某个位置，t[P′_i][P_i]表示由状态S_i转移到状态S_i'的最少时间。

步骤6：求最短时间总和： $C_{\min }=\underset{i=11,j=11}{\overset{i=11,j=11}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(c\right[i]+t[i\left]\right[j\left]\right).$

步骤7：构造最优路径：根据每个节点的状态值，构造出源节点到目标节点的最优路径。

以下是基于动态规划的路由方法和一般路由方法的比较示意

Claims (3)

1.一种基于动态规划算法的无线传感器网络路由控制方法，其特征在于该方法包含的步骤为：

步骤1：建立目标函数

1）用邻接矩阵表示法对无线传感器网络进行建图；

2）根据邻接矩阵表示的图，建立目标函数；在目标函数中，每访问一个节点都会得到一个当前的最佳路径；同时，用一个变量，通过状态压缩的方式，记录在当前节点有哪些节点被访问过，最终访问完所有节点时，将得到最优路线所需的最少时间；

步骤2：给每个节点设一个标记变量，表示该节点是否被访问过，如果该节点被访问，标记变量置为1；如果该节点未被访问，标记变量置为0；

步骤3：把状态编码为一个10位的二进制数；

步骤4：根据状态编码，定义两个节点之间传输的传播时间和延时时间，以及节点内部的传播时间和延时时间；

步骤5：根据无线传感器网络对应的邻接矩阵，得到中间节点的状态转移方程；根据状态转移方程，对每个节点分别按图中的顺序进行状态转移；

步骤6：在所有节点都进行状态转移后，依次根据每个节点的状态值得到最优无线传感路由传播路径。

2.根据权利要求1所述的基于动态规划算法的无线传感器网络路由控制方法，其特征在于所述的邻接矩阵表示法是指：设图G有n个无线传感器网络节点v₁,v₂,…,v_n，令A(G)=(a_ij)_n×n，其中

由元素a_ij构成的一个n×n方阵A(G)为图G的邻接矩阵，i，j=1,2,...,n。

3.根据权利要求1所述的基于动态规划算法的无线传感器网络路由控制方法，其特征在于所述的状态压缩的方式是指：给每个节点进行标号，一共有n个节点及起始点，用变量A_i表示不同的节点是否已被访问，A_i=1,2,...n：当A_i＝1，表示节点i已被访问过；当A_i=0，表示节点i未被访问过，在此基础上，组合各个节点当前的状态S_i，节点在访问过程中的时间花费用变量表示。