CN110062400A - 任意二维与三维传感器网络拓扑带约束的节点线性化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对任意二维与三维传感器网络拓扑带约束的节点线性化方法，包括：指定传感器网络中一对或多对源点与终点，采用限制性广播方式，构建一条或多条从源点出发到达终点的初始节点序列，标识初始节点序列上的点；计算节点序列附近的节点的邻居关系并根据自然增长原则标识节点，实现节点序列的自然增长；对于通过自然增长原则不能进行标识的孤立节点，计算该节点成为分支节点的可能性，通过引入局部孤立节点序列实现迭代自然增长，最终形成完整的节点序列。本发明提出的约束节点线性化方法具有普遍性，适用于具有任意形状的二维与三维传感器，并且只依赖节点之间的邻居关系，算法具有分布式、低通信功耗和低复杂度的优点。

Description

任意二维与三维传感器网络拓扑带约束的节点线性化方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络技术应用领域，更具体地讲，尤其适用于无线传感器网络中需要遍历网络节点以实现节点充电、或通过数据骡进行数据采集与聚合的应用。
背景技术
无线传感器网络的功能实现与网络节点的线性化紧密相关，利用传感器网络拓扑关系计算覆盖整个传感器网络节点的单一路径，可以提升许多网络应用的性能。例如在数据收集或电池充电、串行或线性数据融合、空间索引等应用中改善对移动代理的运动路径的规划等。当前，关于网络节点线性化的代表性方法有以下几种：Xiaomeng Ban提出一种构造空穴传感器网络空间填充曲线的方法,其具体做法是先将除一个孔以外的所有孔映射到“狭缝”，然后沿着唯一孔的内边界和外边界之间来回反弹构造曲线。MayankGoswami利用黎曼曲面上的霍奇分解定理和全纯微分，提出将高亏格三维曲面网络共形映射到平面Tori的并集，然后在此并集上生成一个稠密的空间填充曲线。Chen Wang提出通过构造REEB图将网络分解为多个区域，首先在区域内生成线性节点序列，然后跨区域连接串行遍历方案，生成三维表面网络的空间填充曲线。上述代表性方法只是应用于二维或三维空间表面传感器网络结构，对三维实体网络结构并不适用。另外，上述方法并不具备针对特定的源节点和目标节点生成空间填充曲线的能力，也不具备针对多对源节点-目标节点同时生成多条并行的空间填充曲线的能力。
发明内容
针对现有方法的不足，本发明提出了一种针对任意二维与三维传感器网络结构，在给定源点与目标节点的约束下进行线性化的通用方法。
本发明提供了一种任意二维与三维传感器网络拓扑带约束的节点线性化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据给定的源节点与目标节点，通过网络内洪泛计算一条源节点到目标节点的最短路径，标识最短路径上的所有节点，并以源节点为根节点，记录每个标识节点的父节点和/或子节点，得到约束节点线性化的初始化节点序列；
(2)采用逐步迭代方式，对初始化节点序列中任意一对相邻节点，寻找一个共同邻居节点，标识该邻居节点，并加入到线性化节点序列中，以实现节点序列的自然增长，产生一个新的线性化节点序列；
(3)重复上述步骤，直至没有新节点加入线性化节点序列；
(4)对未标识节点，通过限制性洪泛判断其是否为分支节点；
(5)对于被已标识节点包围的单个未标识节点，将其设置为该节点的某一邻居节点的分支节点，形成单节点往返回路；对于被已标识节点包围的两个连通的未标识节点，将其中一个节点设置为他们共同邻居节点的分支节点，形成具有两个节点的环路；对于被已标识节点包围的三个或三个以上的连通的未标识节点，未标识节点将首先与其他未标识节点两两组成多个环路，然后在多个环路上实现局部自然增长。
本发明的一个实施例中，所述带约束的节点线性化是指，以给定的一对或多对源节点-目标节点为起始点和终点，遍历所有网络节点且尽可能减少重复遍历节点的一条有向路径(空间填充曲线)，使得该路径上的节点序列覆盖整个网络。
本发明的一个实施例中，所述步骤(1)中的“洪泛”是指：源节点首先以广播的方式发送数据给它的邻居节点，每个邻居节点再将数据转发给各自的除发送数据来的节点之外的其他邻居节点。如此继续下去，直到数据转发到目标节点为止。
本发明的一个实施例中，所述步骤(2)中的“自然增长”是指：在第i次迭代时，对任意相邻的标识节点寻找一个中间节点标识节点并将的子节点和的父节点均变更为而的父节点和字节点则分别为
本发明的一个实施例中，所述步骤(1)、(4)和(5)中的标识节点是指：设置节点的布尔变量bflag为true，设置节点的上游节点为父节点，设置节点的下游节点为子节点。当节点为源节点时，没有父节点；当节点为目标节点时，没有子节点，其中，在节点初始化时bflag为false。
本发明的一个实施例中，(4)、(5)、(7)中的“分支节点”是指：设已标识状态的节点p，p的父节点为p0，但p0的子节点为p1，即p不是p0的子节点，此时，p为p0的分支节点。也就是说，分支节点是不能通过自然增长方式实现状态标识的已标识节点。
本发明的一个实施例中，所述步骤(5)中的“包围”是指：对于未标识状态的节点组成的连通域，连通域的外围要么没有邻居节点，要么邻居节点都是已标识状态的节点。
本发明的一个实施例中，判断节点序列已经完成的原则是：当网络内所有的已标识节点的邻居节点也都是已标识节点，则节点序列构建完成。
本发明的一个实施例中，在具体应用中对节点序列进行遍历时，由源节点作为当前节点开始，如果当前节点存在分支节点，则应先从分支节点进入环路，遍历完环路又回到当前节点。直到当前节点的所有分支节点被遍历完，再遍历子节点。如果环路中的节点也存在分支节点，采用深度优先搜索的方式遍历。
与现有技术相比，本发明的技术效果体现在：
本发明计算全连通无线传感器网络的线性化节点序列，只依赖节点之间的一跳邻居数据，与网络拓扑结构没有关系，可适用于任意二维、三维表面或实体网络拓扑结构，方法只在初始化阶段由源点S发起一次全网洪泛，其余阶段的通信能耗主要集中在周期性的M1探测消息上，但当节点感知到所有邻居的bflag状态都为true时，便停止了M1消息的发送。传统的货郎担算法是集中式的全局算法，并不适合传感器网络这样的分布式网络，本发明设计的是一个全局算法的分布式近似方法，在基本保留全局算法优越性的同时具备分布式特性。本发明提出的方法无论是时间复杂度还是通信复杂度，均与网络节点数成线性关系，不会因传感器网络的节点数增加而影响性能，因而具有良好的可扩展性；本发明提出的方法在构建节点序列的整个过程中始终保证节点序列是从源点S开始到目标节点E结束，并且对于节点S和E并没有特殊的要求。因此，对于任意一对节点，本发明提出的方法都能构建出一条线性化节点序列。如果在网络内同时指定多对源点-终点，并行应用本发明提出的方法，也可构建出多条节点序列来。另外，虽然我们在描述方法时将整个过程划分为三个阶段，但在实际实施过程中并没有额外的开销去严格界定这三个阶段，而主要依靠节点对邻居节点的状态变化来感知的。
附图说明
图1是本发明任意二维与三维传感器网络通用节点约束线性化的流程示意图；
图2是本发明实施例中针对环面(a)和笑脸(b)二维传感器网络结构，在给定源点(粉红色点)和终点(绿色点)的约束下得到的节点线性序列初始化图；
图3是本发明实施例中CSFC在自然增长阶段网络动态变化原理图；(a)是变化前的状态，(b)是变化后的状态；
图4是本发明实施例中CSFC在节点序列的完善阶段单个孤岛节点状态变化示意图，(a)是变化前的孤岛节点状态，(b)是变化后的孤岛节点状态；
图5是本发明实施例中CSFC在节点序列的完善阶段两个连通孤岛节点状态变化示意图，(a)是连通孤岛节点变化前的状态，(b)是连通孤岛节点变化后的状态；
图6是本发明实施例中CSFC在节点序列的完善阶段多个(≥3)连通孤岛节点状态变化示意图，(a)是连通孤岛节点变化前的状态，(b)是连通孤岛节点变化后的状态；
图7是本发明实施例中针对两亏格的三维实体传感器网络结构，经过自然增长阶段得到的线性节点序列，图中绿色节点为不能进行自然增长的孤岛节点；蓝色节点为孤岛节点的邻居节点，黑色节点为源点和终点；
图8是本发明实施例中针对两亏格的三维实体传感器网络拓扑结构，通过本发明得到的最终线性节点序列，图中黑色线条为网络初始化后得到的节点线性序列；粉红色点为源点，绿色点为终点；
图9是本发明实施例中针对三亏格的三维实体传感器网络拓扑结构，通过本发明得到的最终线性节点序列，图中黑色线条为网络初始化后得到的节点线性序列；粉红色点为源点，绿色点为终点；
图10是本发明实施例中针对三亏格的三维表面传感器网络拓扑结构，在给定5对源点和终点的约束下得到的5条节点线性序列初始化图；
图11是本发明实施例中针对三亏格的三维表面传感器网络拓扑结构，在给定5对源点和终点的约束下得到的5条完整的节点线性序列图。
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补充说明。
所谓约束节点线性化，即指定网络中的源点和终点，构建从源点出发，遍历网络中所有的节点，最终到达终点的节点序列计算过程。如图1所示，本发明方法分为三个阶段，具体包括以下流程：
前提：
假定每个节点都保存一个邻居集合，该邻居集合中包含有该节点的所有邻居节点。同时，该邻居集合中的每个邻居节点也保存有该邻居节点的邻居集合。例如节点A的邻居集合为(邻居节点1(邻居节点11，邻居节点12)，邻居节点2(邻居节点21，邻居节点22，邻居节点23)，邻居节点3……,邻居节点n)。设布尔变量bflag为true时表示节点在线性节点序列内，bflag为false时表示节点不在线性节点序列内。每个节点在算法执行前设置bflag为false，设置每个节点的邻居集合里每个邻居的bflag为false。
第一阶段：节点序列初始化阶段
源点S发起一个网络洪泛操作，并据此创建一个基于S的广播树，导出从S到目标节点E的最短路径SP(S,E)。最短路径上的每个节点p都保存其父节点的记录，节点S将自身标记为父节点。
节点E沿SP(S,E)反方向发送一条消息，直到到达节点S，SP(S,E)上的每个节点p设置bflag为true，并且根据在路径SP(S,E)上相邻节点的上下游关系标识节点的父节点和子节点，其中S为上游方向，P为下游方向，并且在每个节点的邻居节点集合里将该节点的父节点和/或子节点的bflag设置为true。初始化后的SP(S,E)记为CSFC(S,E)。
第二阶段：节点序列自然增长阶段
CSFC(S,E)内(bflag＝true)的节点如果发现邻居集合里存在某个或多个邻居的bflag为false，则发送广播消息M1，M1消息中包含节点自身的nodeid和该节点父节点的nodeid和该节点子节点的nodeid。当一个bflag为false的节点p3接收到来自p1、p2两个节点的广播消息时，设置邻居集合里p1和p2节点的bflag值为true，并判断如果p1和p2彼此也是邻居关系(假定p1是p2的父节点)，则p3是p1和p2的公共邻居(p3∈CN(p1,p2))，p3发送消息M2给p1请求加入CSFC，M2消息中包含p3的nodeid。
p1收到来自p3的M2消息后，将p3加入候选节点列表，延迟一段时间后选择nodeid最小的候选节点作为子节点，例如p12作为其子节点。同时通知p2将其父节点改为p12，通知p12将其父节点改为p1，子节点改为p2，bflag状态改为true。
第三阶段：节点序列的完善阶段
当bflag为false的节点p发现所有的邻居节点的bflag都为true,且不存在p的两个邻居节点彼此互为邻居的情况，则节点p随机选择一个邻居节点N1作为其父节点,同时标记N1为p的子节点，把p加入N1的分支列表，记为p∈BL(N1)。注意：此时会产生一个循环，节点p将被访问两次。
当bflag为false的节点p重复几次接收到来自相同节点的M1消息时，发现有两个邻居节点m和n：m的bflag为true，n的bflag为false，且节点m与n也是互为邻居关系，则将m标记为p的父节点，n标记为p的子节点，p标记为n的父节点，m标记为n的子节点，把p加入到m的分支列表，记为p∈BL(m)。注意：此时会产生一个循环，节点p和n将被访问两次。
当网络中不再有节点发送M1消息时，算法结束，所有的节点都加入到线性节点序列中了。在遍历节点时，从S节点开始，如果S节点的分支列表里存在分支节点，则选择分支节点进行遍历，否则选择子节点进行遍历，最终到达目标节点E。
以下是本发明提出的约束线性化算法的伪码：
本发明所应用的传感器网络仅仅利用了传感器间的连接信息，连接信息可以通过邻居探测包很容易获得。
在图2(a)环面中中，源点(矩形点)首先发起全网洪泛，当洪泛消息传播到终点(圆形点)时，终点停止转发洪泛消息，并向其上游节点反向发起构建初始化线性节点序列的消息，消息逆向转发到源点后便形成图2(a)所示的初始化线性节点序列。同理，在图2(b)笑脸中形成如图2(b)所示的初始化线性节点序列，其中，矩形点为源点，圆形点为终点。
在图3(a)中，当M节点收到来自ni和ni+1的M1消息时，M判断ni和ni+1互为邻居，且ni是ni+1的父节点，则M是ni的子节点，是ni+1的父节点。从而形成新的线性节点序列图3(b)，实现序列的自然增长。
在图4(a)中，带箭头的实线表示线性节点序列的上下游关系，虚线表示邻居关系，当N1节点接收到邻居广播的M1消息后，发现所有的邻居的bflag值都为true，且邻居之间不能够成邻居关系，则如图4(b)所示，N1随机选择P点作为父节点，同时将P作为子节点，N1作为P的分支节点保存到P的分支节点列表里。
在图5(a)中，被线性节点序列包围的只有N1和N2节点，N1和N2节点互为邻居，但N1和N2的邻居节点彼此不能构成邻居，则如图5(b)所示，N1随机选择P点作为父节点，同时将N2作为子节点，N2作为P的父节点，N1作为P的分支节点保存到P的分支节点列表里。
在图6(a)中，被线性节点序列包围的有多个节点，被包围节点是连通的，但被包围节点的bflag为true的邻居彼此不能构成邻居，则被包围节点采用图5所示的策略，产生多个分支节点，得到如图6(b)所示的节点序列。
图7是本发明实施例中针对两亏格的三维实体传感器网络结构，经过自然增长阶段得到的线性节点序列，图中菱形节点为不能进行自然增长的孤岛节点。圆形节点为孤岛节点的邻居节点，六边形节点为源点和终点。
图8是本发明实施例中针对两亏格的三维实体传感器网络拓扑结构，通过本发明得到的最终线性节点序列，图中黑色线条为网络初始化后得到的节点线性序列。六边形节点为源点，圆形节点为终点。
图9是本发明实施例中针对三亏格的三维实体传感器网络拓扑结构，通过本发明得到的最终线性节点序列，图中黑色线条为网络初始化后得到的节点线性序列。六边形节点为源点，圆形节点为终点。
图10是本发明实施例中针对三亏格的三维表面传感器网络拓扑结构，在给定5对源点和终点的约束下得到的5条节点线性序列初始化图。
图11是本发明实施例中针对三亏格的三维表面传感器网络拓扑结构，在给定5对源点和终点的约束下得到的5条完整的节点线性序列图。
本领域的技术人员容易理解，附图所示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 (9)

1.一种任意二维与三维传感器网络拓扑带约束的节点线性化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据给定的源节点与目标节点，通过网络内洪泛计算一条源节点到目标节点的最短路径，标识最短路径上的所有节点，并以源节点为根节点，记录每个标识节点的父节点和/或子节点，得到约束节点线性化的初始化节点序列；
(2)采用逐步迭代方式，对初始化节点序列中任意一对相邻节点，寻找一个共同邻居节点，标识该邻居节点，并加入到线性化节点序列中，以实现节点序列的自然增长，产生一个新的线性化节点序列；
(3)重复上述步骤，直至没有新节点加入线性化节点序列；
(4)对未标识节点，通过限制性洪泛判断其是否为分支节点；
(5)对于被已标识节点包围的单个未标识节点，将其设置为该节点的某一邻居节点的分支节点，形成单节点往返回路；对于被已标识节点包围的两个连通的未标识节点，将其中一个节点设置为他们共同邻居节点的分支节点，形成具有两个节点的环路；对于被已标识节点包围的三个或三个以上的连通的未标识节点，未标识节点将首先与其他未标识节点两两组成多个环路，然后在多个环路上实现局部自然增长。
2.根据权利要求1所述的任意二维与三维传感器网络拓扑带约束的节点线性化方法，其特征在于，所述带约束的节点线性化是指，以给定的一对或多对源节点-目标节点为起始点和终点，遍历所有网络节点且尽可能减少重复遍历节点的一条有向路径，使得该路径上的节点序列覆盖整个网络。
3.根据权利要求1或2所述的任意二维与三维传感器网络拓扑带约束的节点线性化方法，其特征在于，所述步骤(1)中的“洪泛”是指：源节点首先以广播的方式发送数据给它的邻居节点，每个邻居节点再将数据转发给各自的除发送数据来的节点之外的其他邻居节点，如此继续下去，直到数据转发到目标节点为止。
4.根据权利要求1或2所述的任意二维与三维传感器网络拓扑带约束的节点线性化方法，其特征在于，所述步骤(2)中的“自然增长”是指：在第i次迭代时，对任意相邻的标识节点寻找一个中间节点标识节点并将的子节点和的父节点均变更为而的父节点和字节点则分别为
5.根据权利要求1或2所述的任意二维与三维传感器网络拓扑带约束的节点线性化方法，其特征在于，所述步骤(1)、(4)和(5)中的标识节点是指：设置节点的布尔变量bflag为true，设置节点的上游节点为父节点，设置节点的下游节点为子节点，当节点为源节点时，没有父节点；当节点为目标节点时，没有子节点，其中，在节点初始化时bflag为false。
6.根据权利要求1或2所述的任意二维与三维传感器网络拓扑带约束的节点线性化方法，其特征在于，所述步骤(4)、(5)、(7)中的“分支节点”是指：设已标识状态的节点p，p的父节点为p0，但p0的子节点为p1，即p不是p0的子节点，此时，p为p0的分支节点，也就是说，分支节点是不能通过自然增长方式实现状态标识的已标识节点。
7.根据权利要求1或2所述的任意二维与三维传感器网络拓扑带约束的节点线性化方法，其特征在于，所述步骤(5)中的“包围”是指：对于未标识状态的节点组成的连通域，连通域的外围要么没有邻居节点，要么邻居节点都是已标识状态的节点。
8.根据权利要求1或2所述的任意二维与三维传感器网络拓扑带约束的节点线性化方法，其特征在于，判断节点序列已经完成的原则是：当网络内所有的已标识节点的邻居节点也都是已标识节点，则节点序列构建完成。
9.根据权利要求1或2所述的任意二维与三维传感器网络拓扑带约束的节点线性化方法，其特征在于，在具体应用中对节点序列进行遍历时，由源节点作为当前节点开始，如果当前节点存在分支节点，则应先从分支节点进入环路，遍历完环路又回到当前节点，直到当前节点的所有分支节点被遍历完，再遍历子节点，如果环路中的节点也存在分支节点，采用深度优先搜索的方式遍历。
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