CN108135019A - 一种递增式递归计算约束下的路由算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种递增式递归计算约束下的路由算法，包括如下步骤：将拓扑图中离汇聚节点最远的节点作为起始节点，起始节点到汇聚节点的最短路径作为初始路径；对节点nⁱ的每个不在路径P^i‑1上的邻居，将节点nⁱ到该邻居的边、以及该邻居到汇聚节点的最短路径相连得到第i连接路径；根据各邻居节点所对应的第i连接路径的全网总通信开销挑出节点nⁱ的最佳邻居，以最佳邻居对应的第i连接路径来更新路径P^i‑1，获得第i处理路径Pⁱ；重复该处理直到遍历初始路径，获得最终处理路径；对处在最终处理路径上的节点以最终处理路径作为该节点传送网内处理结果的路由；对不在最终处理路径上的节点，以该节点与最终处理路径上最佳节点之间的最短路径作为该节点传送源数据的路由。

Description

一种递增式递归计算约束下的路由算法

技术领域

本发明属于计算机网络技术领域，更具体地，涉及一种递增式递归计算约束下的路由算法。

背景技术

在很多基于无线传感器网络的数据汇聚和融合应用中，采用网内处理技术是有效降低无线传感器网络的通信开销的方式。运用网内处理技术，各个传感器节点不再是中继原始数据给汇聚节点，而是对收到的数据进行一定的计算，然后将计算后的结果中继给下一跳节点，由此可显著降低传输开销。

我们期望：采用网内处理的无线传感器网络中的汇聚节点最终所获得的数据结果，能与未采用网内处理的无线传感器网络中的汇聚节点对所有原始数据的处理结果一致或接近，这样，进行网内处理才具有替代直接传输原始数据这种方式的意义。因此，需要将在本应在汇聚节点执行的计算任务无失真地拆分并分配到网络中的各个节点上执行；而路由规划则是降低通信总开销的关键。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种递增式递归计算约束下的路由算法，其目的在于为网络中的节点规划一条路由，使得路由上的节点根据分配的计算子任务，将收到的数据与本地数据进行处理，并按照规划的路由将处理的结果传给下一个节点，以降低网络通信总开销。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种递增式递归计算约束下的路由算法，包括如下步骤：

(1)根据网络各节点的连接关系建立拓扑图G＝(V，E)；其中，V为网络节点的集合，E为节点之间的直接连接关系(边)的集合；

(2)将拓扑图G中离汇聚节点S最远的节点作为路由的起始节点，记为n¹；将起始节点n¹到汇聚节点S的最短路径作为网内处理的初始路径，初始路径P¹＝{n¹,n²,…nⁱ,…,S}，其中nⁱ为初始路径P¹上第i个节点；将i初始化为1；

(3)对节点nⁱ的每个不在路径Pⁱ上的邻居，将节点nⁱ到该邻居的边、以及该邻居到汇聚节点S的最短路径相连得到第i连接路径；

根据所述各邻居节点所对应的第i连接路径的全网总通信开销，从所有邻居节点中挑出节点nⁱ的最佳邻居，以所述最佳邻居对应的第i连接路径来更新路径Pⁱ，获得第i网内处理路径Pⁱ⁺¹；

(4)令i＝i+1，并重复步骤(3)，直到nⁱ为当前路径Pⁱ中的倒数第二个节点，此时的路径Pⁱ即为最终网内处理路径P’；

(5)对所有处在最终网内处理路径P’上的节点，以最终网内处理路径P’作为该节点传送网内处理结果的路由；

对所有不在最终网内处理路径P’上的节点，以该节点到最终网内处理路径P’上的最佳节点之间的最短路径作为该节点传送其源数据的路由，使得该最短路径上传送源数据的通信开销、以及该最佳节点沿着最终网内处理路径P’至汇聚节点S传送递归计算结果中增量部分的通信开销之和最小。

优选地，上述递增式递归计算约束下的路由算法，其步骤(3)中获取最佳邻居的方法具体如下：

从节点nⁱ的所有不在路径Pⁱ上的邻居节点中，挑选以下邻居作为最佳邻居：

将最佳邻居对应的第i连接路径作为网内处理的路径时全网的总通信开销最小、且该总通信开销比以路径Pⁱ作为网内处理的路径时全网的总通信开销小。

优选地，上述递增式递归计算约束下的路由算法，对任一个不在路径Pⁱ的节点A，该节点A在路径Pⁱ上对应的最佳节点A^*根据以下方法选取：所选取的最佳节点A^*使得通信开销C_A最小；

其中，通信开销C_A＝节点A到Pⁱ上所选取的节点的最短路径长度*源数据大小+所选取的节点到汇聚节点沿Pⁱ的路径长度*递增计算的增量。

优选地，上述递增式递归计算约束下的路由算法，全网的总通信开销根据以下方法获取：

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于能够针对当前递归计算中所要传递中结果增长情况，尽可能将网内处理路径延伸更大的范围，使得更多的节点加入该路径中，直至新的延伸不能带来进一步的全网总通信开销的降低为止；因此，最终可以实现较低的全网总通信开销；相比较而言，现有方法基本不关注结果的增长程度，采用固定模式进行路由，性能相对较差。

本发明提供的递增式递归计算约束下的路由算法，针对只能被拆分成递归计算模式的计算任务，将拆分后的、先后次第衔接的各计算子任务，采用本发明所规划的路由分配给网络各节点，使得路由上的节点根据分配的计算子任务，将收到的数据与本地数据进行处理，然后按照路由规则将处理的结果传给下一个节点，适用于递归计算的结果为恒定数据长度的情况；基于该路由的递归计算，可显著降低网络通信总开销。

附图说明

图1是本发明采用实施例提供的路由进行网内处理的流程示意图；

图2是采用本发明的路由算法对随机分布100个节点进行路由计算的结果示意图；其中，(a)为初始网内处理的路径，(b)为给出第一次邻居更新后的网内处理的路径，(c)为完成更新的网内处理的路径(实线)、以及路径之外其它节点的路由；

图3是实施例中在具有5个传感器节点的网络结构中采用本发明提供的路由算法进行路由规划的示意图；其中，(a)为一个汇聚节点与五个传感器节点组成的简单拓扑图G；(b)为网内处理的初始路径P；(c)为步骤(3)获得的路径；(d)为步骤(5)获得的路径；

图4是采用两种现有方法对图3所示的网络进行路由规划所获得的路由的全网总通信开销示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例所提供的恒等递归计算约束下的路由算法，包括如下步骤：

(1)根据网络各节点的连接关系建立拓扑图G＝(V，E)；其中，V为网络节点的集合，E为节点之间的边的集合；

(2)将拓扑图G中离汇聚节点S最远的节点作为路由的起始节点，记为n¹；将起始节点n¹到汇聚节点S的最短路径作为网内处理的初始路径，初始路径P＝{n¹,n²,…nⁱ,…,S}，其中nⁱ为P上第i个节点；

(3)对起始节点n¹的每个不在初始路径P上的邻居，将起始节点n¹到该邻居的边、以及该邻居到汇聚节点S的最短路径相连得到第一连接路径；

根据所述各邻居节点所对应的连接路径的全网总通信开销所从所有邻居中的挑出起始节点n¹的最佳邻居，以所述最佳邻居对应的第一连接路径来更新初始路径P，获得第一网内处理路径；

(4)对第一网内处理路径中n²节点的每个不在该处理路径上的邻居，将第一网内处理路径上n¹到n²的路径、n²到该邻居的边、以及该邻居到汇聚节点S的最短路径相连得到第二连接路径；

根据所述n²节点的各邻居节点所对应的第二连接路径的全网总通信开销所从所有邻居中的挑出起始节点n²的最佳邻居，以所述最佳邻居对应的第二连接路径来更新第一网内处理路径，获得第一网内处理路径；

(5)采用步骤(4)的方法，对第二网内处理路径中n³节点的每个不在该处理路径上的邻居进行处理，获得第三网内处理路径；

并对nⁱ节点，i≥4，直至汇聚节点S，采用步骤(3)同样递增式递归的方法处理，获得最终网内处理路径P’；

(6)对所有处在最终网内处理路径P’上的节点，以最终网内处理路径P’作为该节点传送网内处理结果的路由；

对所有不在最终网内处理路径P’上的节点，以最终网内处理路径P’某个最佳节点之间的最短路径作为该节点传送其源数据的路由，使得该最短路径上传送源数据的通信开销、以及该最佳节点沿着最终网内处理路径P’至汇聚节点S来传送递归计算结果中增量部分的通信开销之和最小。

以下结合具体实施例进一步阐释本发明所提供的恒等递归计算约束下的路由算法。

图2所示，是采用本发明实施例的方法对随机分布的100个节点的路由计算获得的结果示意图；

图2(a)内实线所示是初始网内处理的路径、虚线所示是该路径之外其它节点的路由；图2(b)内实线所示是第一次邻居更新后的网内处理的路径、虚线所示是该路径之外其它节点的路由；图2内实线所示是最终完成更新的网内处理的路径、虚线所示是该路径之外其它节点的路由。

为进一步详细阐述本发明所提供的恒等递归计算约束下的路由算法的处理过程，结合图3所示意的实例进行详细描述如下：

图3所示意的网络中包括一个汇聚节点和5个传感器节点；对该网络采用实施例所提供的恒等递归计算约束下的路由算法进行路由规划的方法，具体包括如下步骤：

第1步：根据一个汇聚节点和五个传感器节点组成简单拓扑图G，如图3(a)所示；该拓扑图各边上的长度(或边权)相等；

第2步：G中离汇聚节点S最远的节点为A；选择A到S的最短路径A—>B—>C—>S作为网内处理的初始路径P，如图3(b)；若以P为网内处理时的路径，各边的传输开销如图3(b)所示，其中R为源数据大小，r为对每个源数据进行网内处理后的计算结果的增量；此时全网的通信开销为：R+(R+r)+R+2R+(R+4r)＝6R+5r；

第3步：当前P中的第一个节点(即A)有一个不在P上的邻居，即E；于是，边A—>E、以及E到S的最短路径E—>D—>C—>S相连得到路径A—>E—>D—>C—>S，如图3(c)所示，以该相连路径为网内处理时路径时各边的传输开销如图3(c)中所示；此时全网的通信开销为：R+(R+r)+(R+2r)+R+(R+4r)＝5R+7r。当R>2r时，5R+7r将小于以P为网内处理路径时的全网通信开销6R+5r。因此，可以更新P为A—>E—>D—>C—>S，其对应的全网通信开销为5R+7r；

第4步：当前P中的第二个节点(即E)没有不在P上的邻居；继续观察当前P中的第三个节点(即D)；

第5步：当前P中的第三个节点(即D)有一个不在P上的邻居，即B。于是，路径A—>E—>D、边B—>E、以及E到S的最短路径B—>C—>S相连得到路径A—>E—>D—>B—>C—>S，如图3(d)所示；以该相连路径为网内处理时路径，各边的传输开销如图3(d)中所示；此时全网的通信开销为：R+(R+r)+(R+2r)+(R+3r)+(R+4r)＝5R+10r，大于以P为网内处理路径时的全网通信开销；因此，不对P进行更新；继续观察当前P中的第四个节点(即C)；

第6步：当前P中的第四个节点(即C)没有不在P上的邻居。然后，继续观察当前P中的第五个节点，也是最后一个节点(即S)。算法停止。此时的P为最终网内处理路径，与图3(c)所示相同；

第7步：节点B不在最终的P上。于是，B选择P上的一个最佳节点作为传送B的源数据的目的节点，使得传送其源数据至该最佳节点的通信开销、以及该最佳节点沿着P至汇聚节点S来传送递归计算结果中增量部分r的通信开销之和最小。可见，B选择的P上最佳节点为节点C，相应的通信开销之和为R+r。由此，确定了节点B传送其源数据的路由：B—>C，与图3(c)所示相同。

作为对比，图4中给出采用两种现有方法对图3所示的网络进行路由规划所获得的路由的全网总通信开销；其中，图4(a)是基于最短路径的路由算法下的全网总通信开销为6R+5r，当R>2r时，该开销大于实施例中采用本发明的路由算法下的总开销5R+7r；图4(b)是基于最长路径的路由算法下的全网总通信开销为5R+10r，该开销也大于实施例中采用本发明的路由算法下的总开销5R+7r。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种递增式递归计算约束下的路由算法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据网络各节点的连接关系建立拓扑图G＝(V，E)；其中，V为网络节点的集合，E为节点之间的边的集合；

(2)将拓扑图G中离汇聚节点S最远的节点作为路由的起始节点，记为n¹；将起始节点n¹到汇聚节点S的最短路径作为网内处理的初始路径，初始路径P¹＝{n¹,n²,…nⁱ,…,S}，其中nⁱ为初始路径P¹上第i个节点；将i初始化为1；

(3)对节点nⁱ的每个不在路径Pⁱ上的邻居，将节点nⁱ到该邻居的边、以及该邻居到汇聚节点S的最短路径相连得到第i连接路径；

根据所述各邻居节点所对应的第i连接路径的全网总通信开销，从所有邻居节点中挑出节点nⁱ的最佳邻居，以所述最佳邻居对应的第i连接路径来更新路径Pⁱ，获得第i网内处理路径Pⁱ⁺¹；

(4)令i＝i+1，并重复步骤(3)，直到nⁱ为当前路径Pⁱ中的倒数第二个节点，此时的路径Pⁱ即为最终网内处理路径P’；

(5)对所有处在最终网内处理路径P’上的节点，以最终网内处理路径P’作为该节点传送网内处理结果的路由；

对所有不在最终网内处理路径P’上的节点，以该节点到最终网内处理路径P’上的最佳节点之间的最短路径作为该节点传送其源数据的路由。

2.如权利要求1所述的路由算法，其特征在于，挑选最佳邻居的方法具体如下：

从节点nⁱ的所有不在路径Pⁱ上的邻居节点中，挑选以下邻居作为最佳邻居：

将最佳邻居对应的第i连接路径作为网内处理的路径时全网的总通信开销最小、且该总通信开销比以路径Pⁱ作为网内处理的路径时全网的总通信开销小。

3.如权利要求2所述的路由算法，其特征在于，对不在路径Pⁱ的节点A，该节点A在路径Pⁱ上对应的最佳节点A^*根据以下方法选取：所选取的最佳节点A^*使得通信开销C_A最小；

其中，通信开销C_A＝节点A到Pⁱ上所选取的节点的最短路径长度*源数据大小+所选取的节点到汇聚节点沿Pⁱ的路径长度*递增计算的增量。

4.如权利要求1或2或3所述的路由算法，其特征在于，所述全网的总通信开销根据以下方法获取：