CN103037317A

CN103037317A - 无线自组织与传感网中的基于中继团的节能组播方法

Info

Publication number: CN103037317A
Application number: CN2012105660795A
Authority: CN
Inventors: 贺静; 赵壮; 梅武钢; 尹崇禄
Original assignee: WUXI UBISENSING SOFTWARE TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUXI UBISENSING SOFTWARE TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-12-23
Filing date: 2012-12-23
Publication date: 2013-04-10

Abstract

本发明属于无线自组织与传感器网络协议技术领域，具体涉及一种无线自组织与传感器网络中的基于中继团的组播方法。在由可充电节点和不可充电节点组成的无线自组织与传感器网络中，多个可充电节点可以组成连通子网，也称中继团。该方法通过基于各节点剩余能量及其类别的节点关联链路代价设置策略，选择恰当的中继团作为组播支撑区，构建基于中继团的最优组播结构，降低组播代价。在此基础上，达到减小不可充电节点工作量及其能耗、延长网络生命期的目的。

Description

无线自组织与传感网中的基于中继团的节能组播方法

技术领域

本发明属于无线自组织与传感器网络协议技术领域，具体涉及一种无线自组织与传感器网络中的基于中继团的组播方法。

背景技术

近些年来，无线多跳网络（无线传感器网络、移动Ad hoc网络、无线mesh网络等）领域的相关技术得到了学术界和工业界的广泛关注，并取得了迅猛的发展。

在这一领域的诸多研究方向中，尽可能的延长无线传感器网络的工作寿命成为无线传感器网络设计中的关键问题之一。由于受到成本和体积等因素的限制，大多数普通无线传感器网络节点的电池容量都十分有限且无法得到补充。为提高无线传感器网络的寿命，通过在网络中布设一部分可充电节点（如具备太阳能电池的网络节点），并设计能量高效型网络协议以利用这些节点分担较多的通信任务，在许多应用环境中收到了良好的效果，成为一种被人们普遍接受的提高网络寿命解决方案。

构造基于中心的组播树（core-based tree）是实现高效无线自组织与传感网组播、延长网络寿命的一种重要方法。传统基于中心的组播树构造方案中，中心通常指某一个节点。这样，这个节点很可能成为网络的瓶颈。本发明中选择由可充电节点组成的连通的网络子图（称中继团）来担任中心，当多个潜在的中继团存在时，选择其中最优的，在此基础上，构造性能优化的中心树，从而优化组播性能、延长网络寿命。

发明内容

本发明涉及一种以中继团为中心的组播结构构造方法。该方法主要用于由可二次充电节点和不可二次充电节点组成的无线自组织与传感网，多个可二次充电节点可以组成连通子网，也称中继团。该方法通过选择恰当的中继团作为中心区，构建组播结构，并降低组播代价。构造组播结构的过程中，尽量选择可二次充电节点，当必须选择不可二次充电节点时，尽量选择数量少、剩余能量尽量高的不可二次充电节点加入该结构中，以延长不可二次充电节点寿命，从而达到延长网络生命期的目的。

一种无线自组织与传感网中的基于中继团的组播方法，其特征在于：在无线传感网中，针对可二次充电节点和不可二次充电节点不同的能量情况，首先构造由可二次充电节点组成的连通子图作为备选中继团，构造基于各个备选中继团的最短路径树，从中选择最优组播结构，如果网络中不存在这样的结构，则通过基于各节点剩余能量及其类别的节点关联链路代价设置方法，选择由不可二次充电节点组成的组播结构。

令G(V,E)代表网络图，其中V(G)代表节点的集合、E(G)代表网络中边的集合；图中两个节点x∈V(G)和y∈V(G)-{x}之间的距离记做d_xy，如果满足d_xy≤R，则称边(x,y)∈E(G)，“-”代表集合的减法运算，每个节点配备一套全向天线，R代表节点的最大传输半径；对一个节点x,N(x)代表节点x的一跳邻居节点集合，其中x∈V(G)，对于y∈N(x)，有(x,y)∈E(G)；网络中的节点包含可二次充电节点和不可二次充电节点，可二次充电节点可以通过太阳能、机械方式等手段从自然界获取能量并转化为电量，可二次充电节点集合记做A，不可二次充电节点由电池供电，该节点集合记做B，A+B=V(G)，

其中“+”代表集合的加法运算或称合并运算；对于一个节点u∈B，E_u代表其剩余能量，对于v∈N(u),则链路代价c(u,v)=1/E_u；对于u∈A，则其每一条出行链路的代价都设为0。

本方法执行过程要求具有全网拓扑信息、各个节点的类别信息、网络中各条边的代价信息、各个节点的能量剩余状态信息。

本方法的目标是：对于给定组播成员组D，|D|≥2，建立低代价高能效组播结构，覆盖D中所有成员，|D|代表集合D中元素的数量。

所述的备选中继团构造方法具体如下：

1)令Gi,i=1,2,3,…代表第i个备选中继团;令C=A;

2)设i=1,任选节点x∈C，基于广度优先算法求解从x到网络图G中其他各节点的距离，然后将所有从x的距离为0的节点，包括x自己，加入到集合Gi中，然后执行C=C-Gi；如果C仍不为空，则i=i+1,重复执行步骤2)，直到C为空；当C为空的时候i的值就是备选中继团的数量M。

所述的组播方法，其中基于中继团的组播结构构造方法具体如下：

1）对于每一个备选中继团Gi,i=1,2,3,…,M，执行下述操作：从Gi中任意选择一个节点x作为信源，求解网络图G中以节点x为根的最短路径树，并从树上剪去所有没有到达D中任何成员的树枝，从而求得一棵覆盖组播组D的最短路径树SPTi；如果不存在上述能够覆盖组播组D的所有成员的最短路径树SPTi，则Gi作为中继团的代价为无穷，即无法覆盖所有组播成员，否则，所得到的最短路径树SPTi的链路代价就是备选中继团Gi的代价；

2）如果每个备选中继团Gi的代价均为无穷，则网络中不存在基于中继团的组播结构；否则在1≤i≤M之内，中继团代价最小的一个，就是所求中继团，该团所对应的组播结构T就是所求组播结构；构造T有两种方法：（1）T=SPTi；（2）V(T)=V(SPTi)+V(Gi)，E(T)=E(SPTi)+E(Gi)；

如果网络中不存在基于任何中继团的组播结构，则对于所有节点x∈B，求解以节点x为根的最短路径树，如果存在能够覆盖D中所有成员的最短路径树，则从中选择代价最小的一个，作为组播结构。

具体实施方式

中继团构造方法：

目标：构造集合A中节点的连通子图，如果集合A中节点是不连通的，则构造多个离散的连通子图；每个这样的连通子图称作一个备选中继团。

实施方法：

1)令Gi,i=1,2,3,…代表第i个备选中继团；令C=A;

2)设i=1,任选x∈C,基于广度优先算法求解从x到G中其他各点的距离，然后将所有从x的距离为0的那些节点，包括x自己，加入到集合Gi中，然后执行C=C-Gi;如果C仍不为空，则i=i+1,重复执行步骤2)，直到C为空；当C为空的时候i的值就是备选中继团的数量，记做M。

基于中继团的组播结构构造方法：

1)对于每一个备选中继团Gi,i=1,2,3,…,M，执行下述操作：从Gi中任意选择一个节点x作为信源，求解图G中以x为根的最短路径树（Minimal costpath based tree），并从树上剪去所有没有到达D中任何成员的树枝，从而求得一棵覆盖组播组D的最短路径树，记做SPTi；如果存在任何属于D中的成员，该成员不属于SPTi，则Gi作为中继团的代价为无穷，即：无法覆盖所有组播成员，否则，所得到的最短路径树SPTi的代价就是备选中继团Gi的代价；其中最短路径上可能包含由其它备选中继团上的可二次充电节点组成的子路段（subpath）；

2)如果对于所有1≤i≤M来说，都有Gi作为备选中继团的代价为无穷，则网络中不存在基于中继团的组播结构；否则在1≤i≤M之内，中继团代价最小的一个，就是所求中继团，该团所对应的组播结构，记做T，就是所求组播结构；构造T有两种方法：（1）T=SPTi；（2）V(T)=V(SPTi)+V(Gi),E(T)=E(SPTi)+E(Gi)；

如果网络中不存在基于任何中继团的组播结构的话，那么对于所有x∈B，求解以x为根的最短路径树，如果存在能够覆盖D中所有成员的最短路径树，则从中选择代价最小的一个作为组播结构；否则任务失败返回。

Claims

1.一种无线自组织与传感网中的基于中继团的组播方法，其特征在于：在无线传感网中，针对可二次充电节点和不可二次充电节点不同的能量情况，首先构造由可二次充电节点组成的连通子图作为备选中继团，构造基于各个备选中继团的最短路径树，从中选择最优组播结构，如果网络中不存在这样的结构，则通过基于各节点剩余能量及其类别的节点关联链路代价设置方法，选择由不可二次充电节点组成的组播结构。

2.根据权利要求1所述的组播方法，其特征在于，其中备选中继团构造方法具体如下：

1)令Gi,i=1,2,3,…代表第i个备选中继团;令C=A;

2)设i=1,任选节点x∈C，基于广度优先算法求解从x到网络图G中其他各节点的距离，然后将包括x自身在内的所有与x的距离为0的节点加入到集合Gi中，然后执行C=C-Gi；如果C仍不为空，则i=i+1,重复执行步骤2)，直到C为空；当C为空的时候i的值就是备选中继团的数量M；

其中，令G(V,E)代表网络图，V(G)代表节点的集合、E(G)代表网络中边的集合；网络图中两个节点x∈V(G)和y∈V(G)-{x}之间的距离d_xy小于等于节点的最大传输半径，则称边(x,y)∈E(G)；对于网络中的一个节点x，N(x)代表节点x的一跳邻居节点集合，其中x∈V(G)，对于y∈N(x)，有(x,y)∈E(G)；网络中可二次充电节点集合记做A，不可二次充电节点集合记做B，A+B=V(G)，

对于一个节点u∈B，E_u代表其剩余能量，对于v∈N(u)，则链路代价c(u,v)=1/E_u；对于u∈A，则其每一条出行链路的代价都设为0。

3.根据权利要求2所述的组播方法，其特征在于，其中基于中继团的组播结构构造方法具体如下：

1)对于每一个备选中继团Gi,i=1,2,3,…,M，执行下述操作：从Gi中任意选择一个节点x作为信源，求解网络图G中以节点x为根的最短路径树，并从树上剪去所有没有到达组播成员组D中任何成员的树枝，从而求得一棵覆盖组播成员组D的最短路径树SPTi；如果不存在上述能够覆盖D的所有成员的最短路径树SPTi，则Gi作为中继团的代价为无穷，即无法覆盖所有组播成员，否则，所得到的最短路径树SPTi的链路代价就是备选中继团Gi的代价；

2)如果每个备选中继团Gi的代价均为无穷，则网络中不存在基于中继团的组播结构；否则在1≤i≤M之内，代价最小的中继团就是所求中继团，该团所对应的组播结构T就是所求组播结构；构造T有两种方法：（1）T=SPTi；（2）V(T)=V(SPTi)+V(Gi),E(T)=E(SPTi)+E(Gi)；

3)如果网络中不存在基于任何中继团的组播结构，则对于所有节点x∈B，求解以节点x为根的最短路径树，如果存在能够覆盖D中所有成员的最短路径树，则从中选择代价最小的一个，作为组播结构。