CN103068071A - 无线传感网中的有偏向低代价生成树的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线传感网络协议技术领域，具体涉及一种无线传感网中的有偏向低代价生成树计算方法。该方法主要用于在由可充电节点和不可充电节点组成的无线传感器网络中优先选择可充电节点组成有偏向低代价生成树，从而尽量减少不可充电节点的工作量以减少其能量消耗，达到延长网络生命期的目的。

Description

无线传感网中的有偏向低代价生成树的构建方法

技术领域

本发明属于无线传感网络协议技术领域，具体涉及一种无线传感网中的有偏向低代价生成树计算方法。该方法主要用于在由可充电节点和不可充电节点组成的无线传感器网络中优先选择可充电节点组成有偏向低代价生成树，从而尽量减少不可充电节点的工作量以减少其能量消耗，达到延长网络生命期的目的。

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。

网络的生成树算法是路由协议的核心内容。已有研究成果显示，在无线传感网中，构建最小生成树是NP完全问题。在多项式时间内，依据网络实际情况和应用需求有针对性地构造低代价网络生成树，同时贴合网络和应用需求，有利于更好地完成网络的工作任务。对于同时存在可充电节点和不可充电节点的无线传感器网络，针对节点不同的能量情况，在网络中建立有偏向低代价生成树，可以极大提高网络的能量利用效率，从而提升网络生存期。

发明内容

本发明是一种无线传感网中的有偏向低代价生成树计算方法。该方案主要用于在由可二次充电和不可二次充电两类节点组成的无线传感网中，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，在构造网络生成树时，优先选择可二次充电节点以生成有偏向低代价的生成树，同时，在节点类别同等条件下，优先选择能够扩展更多新节点加入到生成树上的节点，从而尽量减少不可二次充电节点的工作量以减少其能量消耗、同时抑制生成树的大小。

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)，

由于汇聚节点具有无限能量（即：与任何一个不可充电节点相比，汇聚节点具有非常大的能量，因此，可以认作成为具有无限能量），因此，可以令其归属于集合A,其中“+”代表集合的加法运算或称合并运算；对于任意链路(x,y)∈E(G)，令w(x,y)代表链路(x,y)的代价，w(x,y)=1；本方法的目标是建立低代价生成树；如果G(V，E)是不连通的，则网络不存在生成树，任务失败返回。

其中有偏向低代价的生成树计算方法为：令π(x)代表节点x在所求生成树上的上一跳节点；集合W代表白色节点集合，初始时所有节点属于白色节点集合，这类节点的代价估计c(x)为∞，即尚未与已建立的树建立任何关系；集合GREY代表灰色节点集合，表示这类节点的代价估计已经不再是无穷，但其相关计算尚未完毕；集合P代表已经计算完毕的节点集合，其包括以下步骤：

1）对于网络中的所有x∈V(G),设其为白色节点、上一跳节点π(x)为

灰色节点集合GREY和已经计算完毕的节点集合P均为

2）从可二次充电节点集合A中选择度数最大的节点t；如果不唯一，则从中随机选择一个为t；将t设为灰色节点，且c(t)=0；π(t)=t；

3）令E=GREY∩A；如果|E|≥1,则从E中选择白色邻居数最多的节点，如果不唯一，则从中随机选择；否则|E|=0，则从GREY集合中选择白色邻居数最多的节点，如果不唯一，则从中随机选择；然后将所选择的节点从灰色节点改变为计算完毕的节点；将所选择的节点记做x；其中|E|代表集合E中元素的个数；

4）对于步骤3)中所选择的节点x来说，对于所有的u∈N(x)，如果u∈W，那么c(u)=c(x)+w(x,u)，π(u)=x，并将该节点由白色节点改变为灰色节点；此时如果集合GREY中仍有节点，则返回步骤3）；

5）根据V(T)=V(G)，E(T)={(π(x)，x)：x∈V(T)}构造有偏向低代价生成树T。

具体实施方式

有偏向低代价生成树计算方法：

令π(x)代表节点x在所求生成树上的上一跳节点，也称父亲节点；集合W代表白色节点集合，初始时所有节点属于白色节点集合，这类节点的代价估计c(x)为∞，即尚未与已建立的树建立任何关系；集合GREY代表灰色节点集合，表示这类节点的代价估计已经不再是无穷，但其相关计算尚未完毕；集合P代表已经计算完毕的节点集合；c(x)代表从信源沿低代价生成树上的路径到节点x的路径代价；

1)对于所有的x∈V(G)，执行

c(x)=∞；

2)W=V(G)，

3)从集合A选择度数最大的节点；如果不唯一，则从中随机选择一个，所选节点记做t；

4)GREY={t}，c(t)=0；π(t)=t；

5)令E=GREY∩A；如果|E|≥1,则从E中选择白色邻居数最多的节点，如果不唯一，则从中随机选择；否则|E|=0，则从GREY集合中选择白色邻居数最多的节点，如果不唯一，则从中随机选择；所选择的节点记做x；|E|代表集合E中元素的个数；

6)GREY=GREY-{x}，P=P+{x}；

7)对于所有的u∈N(x)，如果u∈W，那么c(u)=c(x)+w(x，u)，π(u)=x，W=W-{u}，GREY=GREY+{u}；

8)如果集合GREY仍不为空，则转语句5)；

9)构造生成树T，具体如下：V(T)=V(G)，E(T)={((π(x)，x)：x∈V(T)}；

10)T即是所构建的树。

Claims (3)

1.一种无线传感网中有偏向低代价生成树构建方法，其特征在于：在由可二次充电和不可二次充电两类节点组成的无线传感网中，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，在构造网络生成树时，优先选择可二次充电节点以生成有偏向低代价的生成树，同时，在节点类别同等条件下，优先选择能够扩展更多新节点加入到生成树上的节点，从而尽量减少不可二次充电节点的工作量以减少其能量消耗、同时抑制生成树的大小。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：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)，

汇聚节点具有无限能量属于集合A；对于任意链路(x,y)∈E(G)，令w(x,y)代表链路(x,y)的代价，w(x,y)=1。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：有偏向低代价的生成树计算方法为：令π(x)代表节点x在所求生成树上的上一跳节点；集合W代表白色节点集合，初始时所有节点属于白色节点集合，这类节点的代价估计c(x)为∞，即尚未与已建立的树建立任何关系；集合GREY代表灰色节点集合，表示这类节点的代价估计已经不再是无穷，但其相关计算尚未完毕；集合P代表已经计算完毕的节点集合，其包括以下步骤：

1）对于网络中的所有x∈V(G),设其为白色节点、上一跳节点π(x)为

灰色节点集合GREY和已经计算完毕的节点集合P均为

2）从可二次充电节点集合A中选择度数最大的节点t；如果不唯一，则从中随机选择一个为t；将t设为灰色节点，且c(t)=0；π(t)=t；

3）令E=GREY∩A；如果|E|≥1,则从E中选择白色邻居数最多的节点，如果不唯一，则从中随机选择；否则|E|=0，则从GREY集合中选择白色邻居数最多的节点，如果不唯一，则从中随机选择；然后将所选择的节点从灰色节点改变为计算完毕的节点；将所选择的节点记做x；其中|E|代表集合E中元素的个数；

4）对于步骤3)中所选择的节点x来说，对于所有的u∈N(x)，如果u∈W，那么c(u)=c(x)+w(x,u)，π(u)=x，并将该节点由白色节点改变为灰色节点；此时如果集合GREY中仍有节点，则返回步骤3）；

5）根据V(T)=V(G)，E(T)={(π(x)，x)：x∈V(T)}构造有偏向低代价生成树T。