CN106231631B - 一种基于树型Ad-hoc无线网络的信息收集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于树型Ad‑hoc无线网络的信息收集方法，设计一类可以快速将节点的消息传送到树形网络根节点处的方法。根据节点有无标签，节点的消息是否有限制以及节点的工作状态（发送和接收）设计了四种不同的方法，来实现在不同情况下将节点的消息尽可能快的传送到根节点，从而解决Ad‑hoc无线通信网络中根节点处的信息收集发生冲突的问题，减小信息丢失的概率，提高网络中的信息收集效率。本发明不依赖于树形网络的拓扑结构，因此适用于各种树型Ad‑hoc网络规模的场景，具有广泛的应用。

Description

一种基于树型Ad-hoc无线网络的信息收集方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于树型Ad-hoc无线网络的信息收集方法。

背景技术

Ad-hoc网是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络，又称为多跳网（Multi-hopNetwork）、无基础设施网（Infrastructureless Network）或自组织网（Self-organizingNetwork）。整个网络没有固定的基础设施，每个节点都是移动的，并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。在这种网络中，由于终端无线覆盖取值范围的有限性，两个无法直接进行通信的用户终端可以借助其它节点进行分组转发。每一个节点同时是一个路由器，能完成发现以及维持到其它节点路由的功能。

现有的基于洪泛的路由协议和基于历史的路由协议，没有使用轮询调度的方法，网络信息收集效率低。针对树型Ad-hoc无线网络中的信息收集问题，现有的研究成果还不能满足大规模数据传输的需求，极大的限制了网络的发展。

发明内容

本发明提出一种基于树型Ad-hoc无线网络的信息收集方法，以解决Ad-hoc无线通信网络中根节点处的信息收集发生冲突的问题，减小信息丢失的概率。

为实现上述发明目的，本发明提出的技术方案是：

一种基于树型Ad-hoc无线网络的信息收集方法，根据树形Ad-hoc无线网络节点收发消息有无限制，节点有无标签以及能否同时收发消息，有四种优选实施方式为：（1）消息无限制，节点有标签且不考虑节点能否同时收发时采用的消息无限制的确定性方法；（2）消息有限制，节点无标签且不考虑节点能否同时收发时采用的Fire-and-Forward方法；（3）消息有限制，节点有标签且节点不能同时接收和发送时采用的消息有限制的确定性方法；（4）消息有限制，节点有标签且节点能同时接收和发送时采用的消息有限制的随机性方法，其中消息有限制指发送一次消息，至多包含一条信息；消息无限制指发送一次消息，可由多条信息聚合而成；节点有标签指节点有label(v)，即依次使用集合中的整数按照从上至下从左至右的顺序对节点v进行标记，n为正整数；节点无标签指节点无label(v)。

根据本发明所述一种基于树型Ad-hoc无线网络的信息收集方法，所述消息无限制，节点有标签且不考虑节点能否同时收发时，采用的消息无限制的确定性方法，时间复杂度为，按如下步骤：

（1）、将树形网络T中节点v收集信息的总时间划分为阶段s，每个阶段再等分为连续的三步，分别为3s，3s+1和3s+2，依次称为RR-step，ALL-step和SEL-step。

（2）、节点可以传送消息的时刻称为激活点，记节点v的激活点为a_v ，若节点v是叶子节点，则，即叶子节点在时刻0就可以传送消息；若节点v是内部节点，则a_v指v收到来自所有孩子节点的消息的时刻，即只有在节点v收到所有孩子节点发送来的消息后，才可以传送消息。

（3）、用集合中的整数对节点v进行标记，记为label(v)，记F_i为正整数集，对任一阶段，节点v在阶段s的第二步——ALL-step发送消息；若，则节点v在阶段s的第三步——SEL-step发送消息；若，节点v在阶段s的第一步——RR-step发送消息；若且，则节点v处于接收状态。

进一步根据本发明所述一种基于树型Ad-hoc无线网络的信息收集方法，所述消息有限制，节点有标签且节点能同时接收和发送时，采用的消息有限制的随机性方法，时间复杂度为，按如下步骤：

（1）、记height₂(v)为树T中节点v的高度，表示树T的浓密程度，height₂(v)按照如下规则来取值：

在树T中，若节点v是叶子节点，则，若节点v是内部节点，则将节点v的孩子节点中最大的height₂(v)值记为g，若节点v的孩子节点中至少有2个孩子节点的，则，若节点v的孩子节点中不存在2个或2个以上孩子节点的，则；

按照上述规则，获得每个节点v的height₂(v)，每个节点的信息包含该节点的height₂(v)值，当节点v收到这样的来自其孩子节点的信息，节点v能获得其height₂(v)，随后将这些信息传递给其父节点。

（2）、“”表示大于等于X的最小正整数，记为L，将节点v收集信息的总时间划分为L+1个阶段，对阶段h，其中，又可分为，在阶段h，只有的节点可以参与信息的传送，考虑一个的节点，有以下两阶段：

在ALL阶段，即，对于每一步，若节点v包含未被发送的任何信息，则节点v发送信息；

在RR阶段，即，对于每一步，若节点v包含信息，则节点v发送信息。

进一步根据本发明所述一种基于树型Ad-hoc无线网络的信息收集方法，所述消息有限制，节点有标签且节点不能同时接收和发送时，采用的消息有限制的确定性方法，时间复杂度为，按如下步骤：

（1）、用集合中的整数对节点v进行标记，记为label(v)，将所有节点的标签随机的分为L组，即，其中B_i包含m个节点，，表示运行时间的最小值。

（2）、随机将每一组中的节点按照标签递增的顺序进行排列。

（3）、记L组中的一组为，且B_q组有步，其中，所以第q组的步骤范围为，在第q组，在发送B_q中第个节点的信息。

根据本发明所述一种基于树型Ad-hoc无线网络的信息收集方法，所述消息有限制，节点无标签且不考虑节点能否同时收发时，采用的Fire-and-Forward方法，记无线网络拓扑结构为树T，根节点为r，对于任意节点，在时刻t，节点v以的概率决定触发，若节点v决定触发且t-1时刻没有发送信息，则v在时刻t触发；若节点v决定不触发且节点v在t时刻以前收到信息，则v在t时刻转发该信息；若节点v不满足以上的所有条件，则节点v处于空闲状态。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、提高了网络中的信息收集效率；

2、提出了一种合理高效的网络节点分组策略；

3、适用于各种树型Ad-hoc网络规模的场景，具有广泛的应用。

附图说明

图1为一种基于树型Ad-hoc无线网络的信息收集方法的四种优选实施方式；

图2为本发明实施方式二所述树T浓密程度示意图。

具体实施方式

为本领域技术人员更好理解本发明所述方法，以下结合附图，对本发明所述方案和效果作进一步详细描述。

参照图1，根据树形Ad-hoc无线网络节点收发消息有无限制，节点有无标签以及能否同时收发消息将本发明分为四种优选实施方式。其中，消息有限制指发送一次消息，至多包含一条信息；消息无限制指发送一次消息，可由多条信息聚合而成。节点有标签指节点有label(v)，即依次使用集合，按照从上至下从左至右的顺序对节点v进行标记；节点无标签指节点无label(v)。四种优选实施方式为：消息无限制，节点有标签且不考虑节点能否同时收发时采用的消息无限制的确定性方法；消息有限制，节点无标签且不考虑节点能否同时收发时采用的Fire-and-Forward方法；消息有限制，节点有标签且节点不能同时接收和发送时采用的消息有限制的确定性方法；消息有限制，节点有标签且节点能同时接收和发送时采用的消息有限制的随机性方法。

记T表示树，且树T中的节点数为n，将树T中所包含的节点分为三类：根节点r，内部节点和叶子节点。其中，根节点r只有一个，指的是树T的最高一层的节点；叶子节点指树T的最低层的所有节点；内部节点指树T中除了根节点r和叶子节点以外的所有节点。将树T中除根节点之外的节点分为互不相交的集合，每一个集合称为树T的子树。将节点的子树的根节点称为孩子节点。

时间复杂度是一个函数，它定量描述了该算法的运行时间，用O符号表述。

实施例一

消息无限制，节点有标签且不考虑节点能否同时收发时，采用消息无限制的确定性方法，时间复杂度为。具体步骤如下：

步骤（1）、划分阶段，将树形网络T中节点v收集信息的总时间划分为阶段s，每个阶段再等分为连续的三步，分别为3s，3s+1和3s+2，依次称为RR-step，ALL-step和SEL-step。

步骤（2）、明确激活点，节点可以传送消息的时刻称为激活点。记节点v的激活点为a_v，若节点v是叶子节点，则，即叶子节点在时刻0就可以传送消息；若节点v是内部节点，则a_v指v收到来自所有孩子节点的消息的时刻，即只有在节点v收到所有孩子节点发送来的消息后，才可以传送消息。

步骤（3）、发送消息，用集合中的整数对节点v进行标记，记为label(v)。记F_i为正整数集，对任一阶段，节点v在阶段s的第二步——ALL-step发送消息；若，则节点v在阶段s的第三步——SEL-step发送消息；若，节点v在阶段s的第一步——RR-step发送消息；若且，则节点v处于接收状态。

实施例二

消息有限制，节点有标签且节点能同时接收和发送时，采用消息有限制的随机性方法，时间复杂度为，具体步骤如下：

步骤（1）、预处理，参照图2，记height2(v)为树T中节点v的高度，表示树T的浓密程度。height2(v)按照如下规则来取值：

（1-1）、在树T中，若节点v是叶子节点，则；

（1-2）、若节点v是内部节点，则将节点v的孩子节点中最大的height2(v)值记为g，若节点v的孩子节点中至少有2个孩子节点的，则；若节点v的孩子节点中不存在2个或2个以上孩子节点的，则；

按照上述规则，获得每个节点v的height2(v)，每个节点的信息包含该节点的height2(v)值。当节点v收到这样的来自其孩子节点的信息，节点v能获得其height2(v)，随后将这些信息传递给其父节点。

步骤（2）、阶段划分和消息发送，记为L，将节点v收集信息的总时间划分为L+1个阶段，其中“”表示大于等于X的最小正整数。对阶段h，其中，又可分为。在阶段h，只有的节点可以参与信息的传送。具体来说，一个的节点，有以下两阶段：

在ALL-step，即。对于每一步，若节点v包含未被发送的任何信息，则节点v发送信息；

在RR-step，即。对于每一步，若节点v包含信息，则节点v发送信息。

实施例三

消息有限制，节点有标签且节点不能同时接收和发送时，采用消息有限制的确定性方法，时间复杂度为，具体步骤如下：

步骤（1）、将标签分组，用集合中的整数对节点v进行标记，记为label(v)。将所有节点的标签随机的分为L组，即，其中B_i包含m个节点，，表示运行时间的最小值。

步骤（2）、对标签排序，随机将每一组中的节点按照标签递增的顺序进行排列，但不限于该排序规则。

步骤（3）、发送消息，记L组中的一组为，且Bq组有步，其中，第q组的步骤范围为，在第q组，在发送B_q中第个节点的信息。

实施例四

消息有限制，节点无标签且不考虑节点能否同时收发时，采用Fire-and-Forward方法，时间复杂度为，实施方式如下：

在该方法中，节点v有两种传送信息的方式，第一种是触发（Fire），即节点v只能传送自己本身所拥有的信息，第二种是转发（Forward），即节点v只能传送之前收到的来自孩子节点的信息，称为Fire-and-Forward方法。记无线网络拓扑结构为树T，根节点为r，对于任意节点，在时刻t，节点v以的概率决定触发。若节点v决定触发且t-1时刻没有发送信息，则v在时刻t触发；若节点v决定不触发且节点v在t时刻以前收到信息，则v在t时刻转发该信息；若节点v不满足以上的所有条件，则节点v处于空闲状态。

以上仅是对本发明的实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (1)

1.一种基于树型Ad-hoc无线网络的信息收集方法，其特征在于，包括：步骤一，首先判定树形Ad-hoc无线网络节点收发消息有无限制、判定节点有无标签以及能否同时收发消息；步骤二，基于步骤一的判定结果分别采用如下信息收集方法：(1)对于树形Ad-hoc无线网络节点收发消息无限制、节点有标签且不考虑节点能否同时收发的情况，所述信息收集方法采用消息无限制的确定性方法；(2)对于树形Ad-hoc无线网络节点收发消息有限制、节点无标签且不考虑节点能否同时收发时的情况，所述信息收集方法采用Fire-and-Forward方法；(3)对于树形Ad-hoc无线网络节点收发消息有限制、节点有标签且节点不能同时接收和发送的情况，所述信息收集方法采用消息有限制的确定性方法；(4)对于树形Ad-hoc无线网络节点收发消息有限制、节点有标签且节点能同时接收和发送的情况，所述信息收集方法采用消息有限制的随机性方法；其中消息有限制是指发送一次消息，至多包含一条信息；消息无限制指发送一次消息，可由多条信息聚合而成；节点有标签指节点有label(v)，即依次使用集合{0，1，…，n-1}中的整数按照从上至下从左至右的顺序对节点v进行标记；节点无标签指节点无label(v)；

其中，所述消息无限制的确定性方法，时间复杂度为O(n)，包括如下步骤：

(1-1)、将树形网络T中节点v收集信息的总时间划分为阶段s，每个阶段再等分为连续的三步，分别为3s，3s+1和3s+2，依次称为RR-step，ALL-step和SEL-step；

(1-2)、节点可以传送消息的时刻称为激活点，记节点v的激活点为a_v，若节点v是叶子节点，则a_v＝0，即叶子节点在时刻0就可以传送消息；若节点v是内部节点，则a_v指v收到来自所有孩子节点的消息的时刻，即只有在节点v收到所有孩子节点发送来的消息后，才可以传送消息；

(1-3)、用集合{0，1，…，n-1}中的整数对节点v进行标记，记为label(v)，记F_i为正整数集{0，1，…，i-1}，对任一阶段s＝a_v,a_v+1,…,a_v+n+1，节点v在阶段s的第二步——ALL-step发送消息；若label(v)∈F_{s mod n}，则节点v在阶段s的第三步——SEL-step发送消息；若label(v)∈s mod n，节点v在阶段s的第一步——RR-step发送消息；若且label(v)≠s mod n，则节点v处于接收状态；

所述消息有限制的随机性方法，时间复杂度为O(n log n)，包括如下步骤：

(2-1)、记height₂(v)为树T中节点v的高度，表示树T的浓密程度，height₂(v)按照如下规则来取值：

在树T中，若节点v是叶子节点，则height₂(v)＝0，若节点v是内部节点，则将节点v的孩子节点中最大的height₂(v)值记为g，若节点v的孩子节点中至少有2个孩子节点的height₂(v)＝g，则height₂(v)＝g+1，若节点v的孩子节点中不存在2个或2个以上孩子节点的height₂(v)＝g，则height₂(v)＝g；

按照上述规则，获得每个节点v的height₂(v)，每个节点的信息包含该节点的height₂(v)值，当节点v收到这样的来自其孩子节点的信息，节点v能获得其height₂(v)，随后将这些信息传递给其父节点；

(2-2)、阶段划分和消息发送，记为L，将节点v收集信息的总时间划分为L+1个阶段，表示大于等于X的最小正整数，对阶段h，其中h＝0，1，…，L，又可分为3nh，3nh+1，...，3nh(h+1)-1，在阶段h，只有height₂(v)＝h的节点可以参与信息的传送，考虑一个height₂(v)＝h的节点，有以下两阶段：

在ALL-step，即t＝3nh，3nh+1，…，3nh+2n-1，对于每一步t＝3nh，3nh+1，…，3nh+2n-1，若节点v包含未被发送的任何信息ρ_u，则节点v发送信息ρ_u；

在RR-step，即t＝3nh+2n+u，u＝0，1，...，n-1，对于每一步t＝3nh+2n+u，u＝0，1，...，n-1，若节点v包含信息ρ_u，则节点v发送信息ρ_u；

所述消息有限制的确定性方法，时间复杂度为O(n^1.5)，包括如下步骤：

(3-1)、用集合{0，1，…，n-1}中的整数对节点v进行标记，记为label(v)，将所有节点的标签随机的分为L'组，即B₁,B₂,...,B_L',其中B_i包含m个节点，表示运行时间的最小值；

(3-2)、随机将每一组中的节点按照标签递增的顺序进行排列，但不限于该排序规则；

(3-3)、记L'组中的一组为B_q，且B_q组有s'＝s₁+n步，其中q＝0,1,...,L',第q组的步骤范围为[s′(q-1)，s′q-1]，在第q组，在s'(q-1)+τ发送B_q中第j个节点的信息,0≤τ≤s'-1，1≤j≤m；

所述Fire-and-Forward方法，时间复杂度为O(n log n)，具体包括：记无线网络拓扑结构为树T，根节点为r，对于任意节点v≠r，在时刻t，节点v以1/n的概率决定触发，若节点v决定触发且t-1时刻没有发送信息，则v在时刻t触发；若节点v决定不触发且节点v在t时刻以前收到信息，则v在t时刻转发该信息；若节点v不满足以上的所有条件，则节点v处于空闲状态。