一种高效可靠的虚拟骨干网构建方法技术

大规模无线传感器中通常采用虚拟主干网来实现信息的有效传输。如何构建具备高效传输和一定容错性的虚拟骨干网成为当前学术界重要的研究热点之一。构建虚拟骨干网问题可以转化为图论中的构造连通控制集问题来解决，求解最小连通控制集问题已经被证明是NP完全问题，通过严格理论分析和验证可以将近似算法多项式时间内求得的连通支配集规模限定在特定的约束范围内。本发明专利技术提出一种同时考虑高效路由和容错性的虚拟骨干网构建算法，该算法采用m重控制来提高路由的容错性，时间复杂度为O(n3)，且虚拟骨干路由与原路由控制在5倍路由约束条件下。当m≤5时，该连通控制集近似比为54opt

【技术实现步骤摘要】
一种高效可靠的虚拟骨干网构建方法


[0001]本专利技术属于网络通信领域，具体地提出了一种在无线传感器网络中考虑容错性的路由约束虚拟骨干网构建方法，该方法通过约束路径长度，不但整个网络拥有较强的鲁棒性，也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]无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)因为其成本低、易部署、使用方便等特性被广泛应用于环境监测、健康应用、灾难救援、战场监控、交通控制、移动计算、军事行动等各种应用场景中。在大规模无线传感器部署过程中，特别是野外环境监测场景，无线传感器常被大量且随机均匀的投掷在覆盖区域内，由此构建的无线传感器网络在信息收集与传输过程中极易造成拥塞、骨干节点过度消耗、网络拓扑不稳定、网络生命周期短等问题。为解决以上问题，常采取分层分簇路由和虚拟骨干路由等策略来引导信息定向传在一些特定无线传感器网络中，因为节点的移动、失效等原因，导致网络的拓扑结构不稳定，因此需要构建具有容错性的虚拟骨干网。在图论中此问题可通过以k
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连通m
‑
控制集算法构建连通控制集的方法来解决，即要求虚拟骨干网C以外的任一点都至少被C中m个点所控制，而C导出的子图的连通度至少为k。采用(k,m)
‑
CDS作为虚拟骨干，即使min{k
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1,m
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1}各节点发生故障，虚拟骨干仍能正常工作。输。其中虚拟骨干网技术由Ephremides[1]于1987年提出，并得到学术界广泛支持和采用。在虚拟骨干网中，每个节点将消息发送到临近虚拟骨干网中的骨干节点，信息沿这些骨干节点组成的虚拟路由网转发至其目的节点。因此，当路由路径搜索空间将被限制在虚拟骨干网中，可以得到更短的路由路径搜索时间、更小的路由表以及更便捷的路由维护，从而大大提高无线传感器网络转发效率，延长网络生命周期。
[0003]在虚拟骨干网络中，通常以平均骨干路径长度(the Average Backbone Path Length，ABPL)来衡量网络中节点间传输路径的长度，间接反映网络中信息传输的成本或能耗。无线传感器网络中虚拟骨干网构建问题以转化为图论中的连通控制集(connected dominating set,CDS)[3]问题，Du、Ding、Zhang等学者针对路由约束、最小权重、错误容忍等特性的虚拟骨干网开展研究，设计了一系列可推导、可验证的近似算法，为通过连通控制集构建特定约束下的极小虚拟骨干网提供了理论方法。2010年，Ding[4]提出了最小路由成本CDS(MOC
‑
CDS)问题，MOC
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CDS中任意两个节点u,v之间必然存在一条最短路径pi(u,v)，pi(u,v)\{u,v}中的所有节点都属于MOC
‑
CDS。2011年，为了减小虚拟骨干网规模，并且保证一定的网络传输效率，Ding[5]提出了α倍路由约束(αMOC
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CDS)的问题，αMOC
‑
CDS要求任意两个节点通过虚拟骨干网的最短路径长度不超过原网络中两节点最短路径长度的α倍。如图1所示，灰色的骨干节点组成了连通的虚拟骨干网，白色节点为网络中的普通节点。图1左图中虚拟骨干网节点为{8、7、6、5、4、3}，节点1和节点2的传输路径为1
‑8‑7‑6‑5‑4‑3‑
2；图1右图中，增加一个骨干节点1后，虚拟骨干网节点为{8、7、6、5、4、3、1}，节点1和节点2的传输路径为1
‑
2。
[0004]在一些特定无线传感器网络中，因为节点的移动、失效等原因，导致网络的拓扑结
构不稳定，因此需要构建具有容错性的虚拟骨干网。在图论中此问题可通过以k
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连通m
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控制集算法构建连通控制集的方法来解决，即要求虚拟骨干网C以外的任一点都至少被C中m个点所控制，而C导出的子图的连通度至少为k。采用(k,m)
‑
CDS作为虚拟骨干，即使min{k
‑
1,m
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1}各节点发生故障，虚拟骨干仍能正常工作。

技术实现思路

[0005][专利技术目的]：本专利技术提出了一种考虑容错性的路由约束虚拟骨干网构建方法，该种方法能保证网络内任意m
‑
1个骨干节点失效，非骨干节点依然有能支配他的骨干节点，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。
[0006][技术方案]：本专利技术的技术方案是：
[0007]1.构建虚拟骨干网
[0008]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
[0009]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.。
[0010]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。
[0011]定义3连通控制集(connected dominating set,CDS).给定一个单位圆盘图G＝(V,E),子集S被称为G的一个连通控制集,则S必须满足以下两个条件:(1)S是G的一个控制集；(2)由S导出的子图G[S]是双向连通的,即G[S]中的任意两点之间都存在一条双向路径,使得两点之间可以相互传输信息。定义1：k
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连通m
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控制集：给定一个一个图G＝(V,E)中的一个连通控制集D是k
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连通m
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控制的当且仅当任意大小不超过k
‑
1的子集使得G[D
‑
D']仍然是连通的，同时存在一个连通控制集D是G的m控制集当且仅当对干任意的节占u∈V
–
D。u在D中至少存在m个邻居。
[0012]2.考虑路由约束
[0013]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，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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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本文首次提出了一个兼顾高效传输和容错性的虚拟骨干网构建近似算法，可以在多项式时间内求得近似最优解；理论分析推导了算法在各容错空间上(m重控制集，m≤5和m＞5)的近似比，对比实验验证了算法的有效性。2.本发明(1，m)
‑
αMOC
‑
CDS构建的连通控制集算法D的上界大小如下：m≤5时，为53opt
(1，m)
，m＞5时，为54opt
(1，m)
，同时对于任意一对节点u，v，都有d
D
(u，v)≤5d(u，v)。3.两个阶段组成的集中式算法解决考虑容错性的α...

【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：