一种面向高效信息传输的虚拟骨干网构建方法技术

本发明专利技术提出了一种同时考虑路由约束和权重的虚拟骨干网构建方法，该方法充分考虑节点剩余能量、架设成本以及节点间通信时延问题，提出一种时间复杂度为O(n3)的算法构建考虑权重的α路由约束连通控制集来形成虚拟骨干网。在满足了α

【技术实现步骤摘要】
一种面向高效信息传输的虚拟骨干网构建方法


[0001]本专利技术属于网络通信领域，具体地提出了一种考虑权重的路由约束的虚拟骨干网构建方法，该方法通过约束路径长度，不但可以有效地节约能量、减少干扰、延长网络寿命，也可有效减少异构传感器网络中各个节点之间传输跳数，减少延迟。

技术介绍

[0002]线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是由一组传感器节点以自组织的方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。无线传感器网络具有以下特点：1、无中心。在无线传感器网络中，所有节点的地位都是平等的，没有预先指定的中心，是一个对等式网络。各节点通过分布式算法来相互协调，在无人值守的情况下，节点就能自动组织起一个测量网络。2、电源容量有限。为了测量真实世界的具体值，各个节点会密集地分布于待测区域内，人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期使用的能量，或者自己从外汲取能量(太阳能)。当自身携带的电池的能量耗尽，往往被废弃，甚至造成网络的中断。3、自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。4、多跳(Multi
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hop)路由。无线传感器网络节点通信能力有限，覆盖范围只有几十到几百米，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。5、安全性的问题。无线信道、有限的能量，分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。6、动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；也可能由于工作的需要而被添加到网络中。无线传感器网络与传统层次结构的无线网络存在着显著不同。由于无中心控制，这种网络最初的结构是平面式的，在节点数目增多时路由开销很大，可扩展性较差，因此平面式结构不适合无线传感器网络，从而使构造层次型拓扑结构成为必要。而且由于嵌入式传感器、超大规模集成电路和无线电技术的飞速发展，无线传输的成本相对较低，但是没有固定的基础建站设施，使网络中节点的维护困难，节点电池很难更换或者充电，传感器节点在空闲状态的能量消耗与在接受状态的能量消耗相当，制定恰当的管理策略使网络中的冗余节点从空闲模式转换为睡眠模式将能有效地节约能量。同时，如果信息传输过程使用简单的泛洪方式，则极易造成能量的耗费并产生大量的信号干扰，引起广播风暴。将虚拟骨干网应用于无线传感器网络中可以极大程度地解决上述问题，虚拟骨干网将整个网络划分为骨干节点和非骨干节点，非骨干节点只需要将消息发送到其所在虚拟骨干网中的骨干节点即可，这些周围骨干节点将帮助它将这些消息转发到其目的节点.虚拟骨干网通过将路由任务限制在骨干节点上来提高网络的路由效率，降低网络运行过程中的能耗.同时含有虚拟骨干结构的无线传感器网络中，非骨干节点平时可以处于休眠状态，只需负责发送本节点数据监测，可以大大减少非骨干节点的能量消耗，若我们在构建虚拟骨干网时考虑将电量充足的节点选作骨干节点或者动态构建虚拟骨干网，用剩余电量较高的普通节点来
代替电量低的原骨干节点，则可以将极大地提升整体网络的生存周期。
[0003]通过虚拟骨干进行信息传输，如果一个非CDS节点想要向另一个非CDS节点发送消息，它首先将消息发送到相邻的CDS节点。然后将路线的搜索范围缩小到CDS中。消息被中继到目的地的相邻CDS节点接受后，该节点可以将消息传递到目的地。这样可能造成时间上的极大延迟，如图1(a)所示，1号节点在无线传感器网络中原本可以直接与2号节点通信，但是构建了虚拟骨干网之后，1，2号节点都不是骨干节点，他们之间可能会经历7跳才能通信，这就会使1、2号节点之间的通信有极大的延迟。当我们把节点1也加入骨干节点后，这一问题就能得到解决。考虑到信息交流的时效问题，我们使用α倍路由约束的虚拟骨干网(αMOC
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CDS)，来解决以上问题。
[0004]考虑到现实应用中，无线网络中的每一个节点在信息传输的过程中都可能具有不同的重要性(或优先级)、在生产或架设的过程中需要花费不同的代价，例如：剩余电量、在线时长、生产成本和架设成本等，这就导致了人们需要给不同的节点赋以不同的权重，以方便研究。在一个点赋权的无线网络中，不仅要考虑虚拟骨干网中节点数的多少，更重要的是要考虑其总权值的大小。通常，一个赋权无线网络被模型化为一个点赋权单位圆盘图(unit disk graph，UDG)，相应地赋权无线网络中的最小权虚拟骨干问题被抽象为点赋权UDG中的最小权连通控制集(minimum weight connected dominating set，MWCDS)问题进行研究。最小权连通控制集是为给定的单位圆盘图选择一个具有最小权值的顶点子集，使图的每个顶点都包含在这个子集中或在这个子集中有一个邻居，且由该顶点子集导出的子图是连通的。
[0005]根据以上两点，我们可以得知，在构建虚拟骨干网的过程中权重和路径长度都是我们不得不考虑的两个重要因素。但是目前的研究中，大部分学者都只考虑其中一种情况去构建虚拟骨干网，这就导致他们的研究在实际应用中适用范围较小。所以我们提出了构建同时考虑权重和虚拟骨干网的路径长度的连通控制集问题。该问题在无向图的基础上，考虑节点剩余能量以及架设成本，构造节点权值函数，并提出一种分布式算法构建路由约束连通控制集形成骨干网，有效延长网络生命周期，减少平均传输路径长度，减少通信时延。

技术实现思路

[0006][专利技术目的]：本专利技术提出了一种考虑权重的路由约束虚拟骨干网构建方法，该种方法能保证节点剩余能量充沛以及架设成本较低，同时相较于传统的虚拟骨干网，有效减少网络中各个节点之间传输跳数，减少延迟。
[0007][技术方案]：本专利技术的技术方案是：
[0008]1.构建虚拟骨干网
[0009]构建虚拟骨干网的问题可以转化为图论中的连通控制集(CDS)的构建问题。在无线传感器网络中，利用图G＝(V，E)描述网络拓扑结构，V代表网络中所有节点，E代表网络中的所有边。C为V的一个子集，如果V\C中的每个顶点都在C中有邻点，则子集C称为控制集。如果由C导出的子图G[C]是连通的，则称C为连通控制集。为了方便理解，对基本的概念解释如下
[0010]定义1 独立集(Independent Set，IS)和极大独立集(Maximal Independent Set，
MIS).设G＝(V，E)是一个无向图，子集称为一个独立集当且仅当对每一对节点u，独立集I称之为极大独立集当且仅当在V中不存在节点w∈V\I使得I U|w|仍然是G的一个独立集.。
[0011]定义2 控制集(Dominating Set，DS).对于给定的单位圆盘图G＝(V，E)的一个子集S，其被称为G的一个控制集，则对于任意节点u∈V，要么u∈S，要么u在S中至少存在一个邻点。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.面向高效信息传输的虚拟骨干网构建方法，其最主要特征在于：在使用连通支配集构建虚拟骨干网时，同时考虑了权重和路由约束两个方面约束，可以有效地节约能量、减少干扰、延长网络寿命，也可有效减少异构传感器网络中各个节点之间传输跳数，减少延迟。目前的研究中，大部分学者都只考虑其中一种情况去构建虚拟骨干网，这就导致他们的研究在实际应用中适用范围较小。所以我们提出了构建同时考虑权重和虚拟骨干网的路径长度的连通控制集问题。2.权重选取的三个因素(1)节点度：选取节点度更大的节点作为骨干节点，可以高效构建较小的骨干网；(2)剩余能量：骨干节点在网络中相较于非骨干节点能量消耗的速度更快，担当骨干节点的时间越长，消耗的能量越多。为了有效的延长网络整体生命周期，应尽量选取剩余能量高的节点成为骨干节点，当一个节点剩余能量低于一个设定阈值时，选择此节点当骨干节点的概率将大幅下降；(3)传感器以及传感器架设的成本：不同的传感器可能有不同功能，传感器本身的成本也应考虑。同时相同的传感器部署在不同的位置，也会产有不同的架设成本。因此，我们提出节点v的权值计算公式如下：其中D(v)表示节点v的度，E表示剩余能量阈值，E(v)表示节点v当前剩余能量，V表示节点v的传感器自身以及传感器架设的综合成本。a+...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗锦晖，刘春颜，赵蕴龙，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：