CN102970724B - 一种绿色路由单步选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绿色路由单步选择方法，属于计算机网络领域。其操作步骤为：①获取节点v_i的协作节点集合H(v_i)；②获取协作节点集合H(v_i)中所有节点的当前寿命；③从协作节点集合H(v_i)中依次选取1个或2个寿命最大的节点作为中继节点v_j，进行数据传输；④计算协作节点集合H(v_i)中各节点的剩余能量；⑤在步骤④操作的基础上，将步骤③指定的下一跳节点作为源节点，回到步骤一，开始下一轮的路由选择及数据传输，直到数据传输到目的节点。本发明提供的方法，与已有的路由选择算法相比，具有以下优点：①避免了网络中单一节点因频繁参与协作路由而耗尽能量；②提升了网络整体的生存时间。

Description

一种绿色路由单步选择方法

技术领域

本发明涉及一种绿色路由单步选择方法，属于计算机网络领域。

背景技术

伴随着“绿色网络”建设与经济社会的高速发展，新型通信网络对于能耗、环境的要求日益突出，改善生态环境事关经济社会可持续发展和人民生活质量提高。北京市提出建设“世界城市”的目标，更是对环境科学与工程研究提出了新任务、新要求。

规模的扩大和网络设备的更新，使得目前的网络在能源消耗、资源使用等方面存在诸多问题：目前信息和通信技术领域的碳排放占全球的2%，这一比例将在2020年翻一番；2008年网络基础设施，包括路由器、服务器、交换机、冷却设施等设备共消耗8680亿度电，占全球总耗电量的5.3%；互联网骨干网络的忙时最大平均链路利用率不足30%，很多网络的闲时链路利用率在5%以下。

清华大学林闯教授在《绿色网络和绿色评价：节能机制、模型和评价》中初步将绿色网络解释为一种以节省网络能耗为目的的网络，实际上绿色网络还应该是满足未来需求的可持续发展的网络，需要从网络的物理能耗、路由选择方式、网络生存性等多方面展现其绿色属性。

目前的路由算法主要追求单个节点的能量节省，对整个网络的生存时间欠缺考虑，造成网络中单一节点能量耗尽的情况较为严重。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术存在的缺陷，从无线网络的整体性能考虑，提出了一种绿色路由单步选择方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种绿色路由单步选择方法，用于从无线网络中的源节点（用v_i表示）向其下一跳节点（用v_j表示）发送数据时的路由单步选择，其操作过程为：

步骤一、获取节点v_i的协作节点集合H(v_i)。

其操作步骤包括第1.1步至第1.7步。具体为：

第1.1步：令协作节点集合H(v_i)初始状态为空集。用N(v_i)表示节点v_i的所有一跳邻居(v_i,v_i+1)节点集合，用v_k表示集合N(v_i)中的元素，即v_k∈N(v_i)。集合N(v_i)由第1.2步计算得到。

第1.2步：获取集合N(v_i)：令N(v_i)初始状态下包含除节点v_i外的所有节点；依次考察N(v_i)中的每一个节点v_k，如果节点v_i与节点v_k之间的距离d(v_i,v_k)＞D(v_i)或d(v_k,v_j)＞D(v_k)，则将节点v_k从集合N(v_i)删除；否则，将节点v_k保留。

其中，为节点间最大直接通信距离，P_max(v_i)为每个节点的最大发射功率，α为传输路径损耗指数，一般取2~4；τ为v_i与v_k之间成功通信时所需的最低信噪比S表示信号功率，N表示噪声功率。

第1.3步：对经过第1.2步的操作后剩余的节点按照与节点v_i的距离d(v_i,v_k)从小到大对节点v_k重新排序，并从前至后依次编码为V₁,V₂,...V_m(即距离v_i最远的点为V_m)，m为经过第1.2步的操作后集合N(v_i)的大小。

第1.4步：按照公式（1）依次计算从节点v_i到节点V_p（1≤p≤m）传输数据所需要的能量，用符号P(v_i,V_p)表示，并找到其最大值

P(v_i,V_p)=(d(v_i,V_p))^α·τ                                        （1）

其中，参数α、τ意义同第1.2步。

第1.5步：按照公式（2）更新各节点能量。

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{t+1}\left(v_i\right)=E_t\left(v_i\right)-P(v_i,V_p)\\ E_{t+1}\left(V_p\right)=E_t\left(V_p\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，E_t(v_i)表示节点v_i的当前能量，其初始值由人为给定；E_t+1(v_i)表示节点v_i的剩余能量，E_t(V_p)表示节点V_p的当前能量，E_t+1(V_p)表示节点V_p的剩余能量。

第1.6步：按照剩余能量大小降序排列集合N(v_i)中的各节点，并从前至后依次编码为V₁′,V₂′,...V_m′。从节点集合{V₁′,V₂′,...V_m′}中依次选择k＝1,2,3，...个节点进行协作通信，直至k个节点的能量满足公式（3）。

$\underset{q=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{t+1}\left(V_q^{\′}\right)\·{\left(d(V_q^{\′},v_p)\right)}^{-\mathrm{\α}}\≥\mathrm{\τ}---\left(3\right)$

第1.7步：令E_s为各协作节点能量之和，如公式（4）所示：

$E_s=\frac{\underset{q=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{t+1}\left(v_q^{\′}\right)\·{\left(d(v_q^{\′},v_p)\right)}^{-\mathrm{\α}}-\mathrm{\τ}}{\underset{q=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(d(v_q^{\′},v_p)\right)}^{-\mathrm{\α}}},---\left(4\right)$

若E_t+1-E_s+P_max(v_i)＜(d(v_i,v_p))^α·τ，则{V′₁,V′₂,...V′_k}为协作通信节点集合H(v_i)；否则，采用直接传输方式通信，协作通信节点集合为{v_i}。

步骤二、获取协作节点集合H(v_i)中所有节点的当前寿命。

在步骤一操作的基础上，获取协作节点集合H(v_i)中所有节点的当前寿命，其操作步骤包括第2.1步至第2.4步。具体为：

第2.1步：协作节点集合H(v_i)中各节点V_p在初始时刻的能量为步骤O中给定的初始能量值，用符号E₀(V_p)表示；

第2.2步：在n个节点构成的网络中，可形成n(n-1)条不同的通信路径；经过节点v_i及其协作节点之间链路传输数据的总路径数用φ_i表示，φ_i通过公式（5）计算得到。

${\mathrm{\φ}}_i=\underset{p=1}{\overset{\left|H\left(v_i\right)\right|}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ip}}---\left(5\right)$

其中，β_ip表示包含节点v_i和其协作节点集合H(v_i)中第p个节点的路径数。

第2.3步：通过公式（6）计算协作节点集合H(v_i)中各节点的一次传输数据所需的平均能量，用符号E_p(V_p)表示。

$E_p\left(V_p\right)=\underset{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ik}}}{\mathrm{\Σ}}P(v_i,V_p)\·{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ik}}/n(n-1)---\left(6\right)$

第2.4步：计算协作节点集合H(v_i)中各节点的当前寿命（用L_t(V_p)表示），如公式（7）所示。

$L_t\left(V_p\right)=\frac{E_t\left(V_p\right)}{E_p\left(V_p\right)}---\left(7\right)$

步骤三、在步骤二操作的基础上，从协作节点集合H(v_i)中依次选取1个或2个寿命最大的节点作为中继节点，用v_j表示，进行数据传输。

步骤四、在步骤三操作的基础上，计算协作节点集合H(v_i)中各节点的剩余能量，其操作步骤包括第4.1步至第4.4步。具体为：

第4.1步：通过公式（8）计算协作节点集合H(v_i)中各节点V_p的剩余能量，用符号E_t+1(V_p)表示。

$\left\{\begin{array}{cc}{E}_{t+1}\left(V_p\right)=E_t\left(V_p\right)-P_{\max }(v_i,V_p),& V_p\∈H\left(v_i\right)\\ E_{t+1}\left(V_p\right)=E_t\left(V_p\right),& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(8\right)$

第4.2步：对节点V_p进行以下处理：如果E_t+1(V_p)≤0，将该节点V_p从协作节点集合H(v_i)中删除；否则，保留该节点。

步骤五、在步骤四操作的基础上，将步骤三指定的下一跳节点作为源节点，回到步骤一，开始下一轮的路由选择及数据传输，直到数据传输到目的节点。

有益效果

本发明提供了一种绿色路由单步选择方法，与已有的路由选择算法相比，具有以下优点：①避免了网络中单一节点因频繁参与协作路由而耗尽能量；②提升了网络整体的生存时间。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中由10个无线网络节点组成的无线网络拓扑图；其中，v₀至v₉为无线网络节点；A为网络节点v₅的通信范围；B为网络节点v₈的通信范围；

图2为本发明具体实施方式中节点v₃和节点v_i的剩余能量示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，无线网络节点v₀至v₉组成一个无线网络，其中A为网络节点v₅的通信范围；B为网络节点v₈的通信范围；此时，节点v₅需要传输数据至节点v₉，采用本发明提出的绿色路由单步选择方法进行传输，其具体过程如下：

在本实施例中的应用环境参数设置为：各节点的初始能量为E₀(v₀)＝E₀(v₁)＝E₀(v₂)＝…＝E₀(v₉)＝32τ，传输路径损耗指数α＝2。

步骤一、获取源节点v_i的协作节点集合H(v_i)，此时v_i即为v₅。

第1.1步：令H(v_i)为空集，N(v_i)为网络中所有节点组成的集合；

第1.2步：获取N(v_i)。如图1所示，节点v_i和v_j的传输范围分别以各自为中心的虚线圆A、B所示，因此仅节点v₃、v₄满足条件d(v_i,v_k)＜D(v_i)且d(v_k,v_j)＜D(v_k)。

第1.3步：根据距离节点v_j的大小，重排v₃、v₄为V₁=v₃、V₂=v₄。

第1.4步：根据公式（1）可得P_max(v_i,V_p)＝P(v_i,V₂)＝P(v_i,v₄)。

第1.5步：根据公式（2）更新节点V₁、V₂的剩余能量。

第1.6步：按照剩余能量大小重新排列V₁、V₂为v₁′＝v₁、v₂′＝v₂，且节点v₁′的能量即可满足公式（3），因此，不需要尝试选择节点v₁′、v₂′作为协作节点。

第1.7步：节点v₁′的能量满足公式（4），因此，参与协作通信的节点集合为{v_i、v₃}。

步骤二、获取协作节点集合H(v_i)中所有节点的当前寿命。

第2.1步：获取当前时刻网络中各节点的能量E_t(V_p)。

第2.2步：计算网络中n(n-1)条路径中经过链路(v_i、v₃)的路径数量。

第2.3步：按照公式（6）分别计算节点v_i、v₃进行依次数据传输所需的能量。

第2.4步：按照公式（7）计算节点v_i、v₃当前的寿命。

步骤三、依次尝试选择节点集合{v_i}、{v_i、v₃}进行数据传输。

步骤四、按照公式（8）更新步骤三中节点v_i、v₃的剩余能量，如图2所示，每个节点对应的柱状图表示该节点的全部能量，灰色部分表示消耗掉的能量，白色部分表示剩余能量。当仅有节点v_i进行数据传输时，其剩余寿命L_t+1(v_i)≤0，因此，选择节点集合{v_i、v₃}进行数据传输，节点的剩余寿命更新后均大于0。

步骤五、以节点v₈为源节点，返回步骤一。

循环迭代步骤一至步骤五，直到数据成功传送到v₉。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种绿色路由单步选择方法，用于从无线网络中的源节点v_i向其下一跳节点v_j发送数据时的路由单步选择，其特征在于：其操作过程为：

步骤一、获取节点v_i的协作节点集合H(v_i)；

其操作步骤包括第1.1步至第1.7步；具体为：

第1.1步：令协作节点集合H(v_i)初始状态为空集；用N(v_i)表示节点v_i的所有一跳邻居(v_i,v_i+1)节点集合，用v_k表示集合N(v_i)中的元素，即v_k∈N(v_i)；集合N(v_i)由第1.2步计算得到；

第1.2步：获取集合N(v_i)：令N(v_i)初始状态下包含除节点v_i外的所有节点；依次考察N(v_i)中的每一个节点v_k，如果节点v_i与节点v_k之间的距离d(v_i,v_k)>D(v_i)或d(v_k,v_j)>D(v_k)，则将节点v_k从集合N(v_i)删除；否则，将节点v_k保留；

其中，为节点间最大直接通信距离，P_max(v_i)为每个节点的最大发射功率，α为传输路径损耗指数，取2～4；τ为v_i与v_k之间成功通信时所需的最低信噪比S表示信号功率，N表示噪声功率；

第1.3步：对经过第1.2步的操作后剩余的节点按照与节点v_i的距离d(v_i,v_k)从小到大对节点v_k重新排序，并从前至后依次编码为V₁,V₂,...V_m，即距离v_i最远的点为V_m，m为经过第1.2步的操作后集合N(v_i)的大小；

第1.4步：按照公式(1)依次计算从节点v_i到节点V_p传输数据所需要的能量，用符号P(v_i,V_p)表示，并找到其最大值1≤p≤m；

$P\left(v_i{,V}_p\right)={\left(d(v_i,V_p)\right)}^{\mathrm{\α}}\·\mathrm{\τ}---\left(1\right)$

其中，参数α、τ意义同第1.2步；

第1.5步：按照公式(2)更新各节点能量；

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{t+1}\left(v_i\right)=E_t\left(v_i\right)-P(v_i,V_p)\\ E_{t+1}\left(V_p\right)=E_t\left(V_p\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，E_t(v_i)表示节点v_i的当前能量，其初始值由人为给定；E_t+1(v_i)表示节点v_i的剩余能量，E_t(V_p)表示节点V_p的当前能量，E_t+1(V_p)表示节点V_p的剩余能量；

第1.6步：按照剩余能量大小降序排列集合N(v_i)中的各节点，并从前至后依次编码为V₁',V₂',...V_m'；从节点集合{V₁',V₂',...V_m'}中依次选择k＝1,2,3,…个节点进行协作通信，直至k个节点的能量满足公式(3)；

$\underset{q=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{t+1}\left(V_q^{\′}\right)\·{\left(d(V_q^{\′},v_p)\right)}^{-\mathrm{\α}}\≥\mathrm{\τ}---\left(3\right)$

第1.7步：令E_s为各协作节点能量之和，如公式(4)所示：

$E_s=\frac{\underset{q=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{t+1}\left({v^{\′}}_q\right)\·{\left(d\left({{v^{\′}}_q,v}_p\right)\right)}^{-\mathrm{\α}}-\mathrm{\τ}}{\underset{q=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(d({v^{\′}}_q,v_p)\right)}^{-\mathrm{\α}}},---\left(4\right)$

若E_t+1-E_s+P_max(v_i)＜(d(v_i,v_p))^α·τ，则{V'₁,V'₂,...V'_k}为协作通信节点集合H(v_i)；否则，采用直接传输方式通信，协作通信节点集合为{v_i}；

步骤二、获取协作节点集合H(v_i)中所有节点的当前寿命；

在步骤一操作的基础上，获取协作节点集合H(v_i)中所有节点的当前寿命，其操作步骤包括第2.1步至第2.4步；具体为：

第2.1步：协作节点集合H(v_i)中各节点V_p在初始时刻的能量为步骤1.5中给定的初始能量值，用符号E₀(V_p)表示；

第2.2步：在n个节点构成的网络中，可形成n(n-1)条不同的通信路径；经过节点v_i及其协作节点之间链路传输数据的总路径数用φ_i表示，φ_i通过公式(5)计算得到；

${\mathrm{\φ}}_i=\underset{p=1}{\overset{\left|H\left(v_i\right)\right|}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ip}}---\left(5\right)$

其中，β_ip表示包含节点v_i和其协作节点集合H(v_i)中第p个节点的路径数；

第2.3步：通过公式(6)计算协作节点集合H(v_i)中各节点的一次传输数据所需的平均能量，用符号E_p(V_p)表示；

$E_p\left(V_p\right)=\underset{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ik}}}{\mathrm{\Σ}}P(v_i,V_p)\·{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ik}}/n(n-1)---\left(6\right)$

第2.4步：计算协作节点集合H(v_i)中各节点的当前寿命L_t(V_p)，如公式(7)所示；

$L_t\left(V_p\right)=\frac{E_t\left(V_p\right)}{E_p\left(V_p\right)}---\left(7\right)$

步骤三、在步骤二操作的基础上，从协作节点集合H(v_i)中依次选取1个或2个寿命最大的节点作为中继节点，用v_j表示，进行数据传输；

步骤四、在步骤三操作的基础上，计算协作节点集合H(v_i)中各节点的剩余能量，其操作步骤包括第4.1步至第4.4步；具体为：

第4.1步：通过公式(8)计算协作节点集合H(v_i)中各节点V_p的剩余能量，用符号E_t+1(V_p)表示；

$\left\{\begin{array}{cc}{E}_{t+1}\left(V_p\right)=E_t\left(V_p\right)-P_{\max }(v_i,V_p),& V_p\∈H\left(v_i\right)\\ E_{t+1}\left(V_p\right)=E_t\left(V_p\right),& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(8\right)$

第4.2步：对节点V_p进行以下处理：如果E_t+1(V_p)≤0，将该节点V_p从协作节点集合H(v_i)中删除；否则，保留该节点；

步骤五、在步骤四操作的基础上，将步骤三指定的中继节点作为源节点，回到步骤一，开始下一轮的路由选择及数据传输，直到数据传输到目的节点。