無線傳感網中的基於功率控制和局部最小生成樹的低代價廣播方法
2023-05-13 18:42:36
專利名稱：無線傳感網中的基於功率控制和局部最小生成樹的低代價廣播方法
技術領域：
本發明屬於無線傳感網絡協議技術領域，具體涉及一種無線傳感網中的低代價廣播方法。該方法主要用於在由可充電節點和不可充電節點組成的無線傳感器網絡中，優先選擇可充電節點擔任廣播分組中繼任務，並同時儘量降低不可充電節點參與廣播分組中繼的程度，從而儘量減少不可充電節點的工作量以減少其能量消耗，達到延長網絡生命期的目的。
背景技術：
近些年來，無線多跳網絡(無線傳感器網絡、移動Ad hoc網絡、無線mesh網絡等)領域的相關技術得到了學術界和工業界的廣泛關注，並取得了迅猛的發展。在這一領域的諸多研究方向中，儘可能的延長無線傳感器網絡的工作壽命成為無線傳感器網絡設計中的關鍵問題之一。由於受到成本和體積等因素的限制，大多數普通無線傳感器網絡節點的電池容量都十分有限且無法得到補充。為提高無線傳感器網絡的壽命，通過在網絡中布設一部分可充電節點 (如具備太陽能電池的網絡節點)，並設計能量高效型網絡協議以利用這些節點分擔較多的通信任務，在許多應用環境中收到了良好的效果，成為一種被人們普遍接受的提高網絡壽命解決方案。網絡廣播是網絡管理與服務的核心支撐技術。已有研究成果顯示，在無線傳感網中，實現最小代價廣播是NP完全問題。在多項式時間內，依據網絡實際情況和應用需求有針對性地實現低代價廣播，同時貼合網絡和應用需求，有利於更好地完成網絡的工作任務。對於同時存在可充電節點和不可充電節點的無線傳感器網絡，針對節點不同的能量情況，同時結合節點的功率控制能力，優化廣播代價，可以極大提高網絡的能量利用效率，從而提升網絡生存期。
發明內容
本發明是一種無線傳感網中的基於功率控制的廣播方法。該方案主要用於在無線傳感網中，針對可二次充電節點和不可二次充電節點不同的能量情況，在執行一個分組的網絡廣播時，優先選擇可二次充電節點承擔廣播任務，同時，在需要不可二次充電節點X承擔轉發任務時，在節點X的一跳拓撲最小生成樹上，依據所接收的信號功率強度、分組發送節點和自己之間的距離，計算出分組發送節點發射該分組所用功率，並在此基礎上計算出該次分組發射所能覆蓋的通信半徑r，節點X按照其與自己一跳拓撲最小生成樹上各個鄰居節點之間的距離以及X監聽到的這些節點對該分組的接收情況決定自己是否需要轉發該分組以及轉發功率，以儘量降低不可二次充電節點參與執行任務的程度，從而儘量減少不可充電節點的工作量以減少其能量消耗，達到延長網絡生命期的目的。令G(V，E)代表網絡圖，其中V(G)代表節點的集合、E (G)代表網絡中邊的集合；圖中兩個節點X G V(G)和y G V (G) - {x}之間的距離記做dxy,如果滿足dxy ( R，則稱邊(X，y) G E(G)代表集合的減法運算；每個節點配備一套全向天線,R代表節點的最大傳輸半徑；每個網絡節點可以根據與鄰居節點之間的距離，自主調節傳輸功率，並滿足接收端正確解碼的最小功率，這一功率成為該鏈路的功率值；對於網絡中的一個節點x，N(X)代表節點X的一跳鄰居節點集合，其中X G V(G)，對於y G叭3，有0^，7) GE(G);網絡中的節點包含可二次充電節點和不可二次充電節點，可二次充電節點可以通過太陽能、機械方式等手段從自然界獲取能量並轉化為電量，二次充電節點集合記做A，不可二次充電節點由電池供電，該節點集合記做B，A+B=V(G)，AnB=0，其中「 + 」代表集合的加法運算或稱合併運算；每條鏈路的代價設定為該鏈路的鏈路功率值。每個節點了解每個鄰居節點的位置信息，從而可以進一步知道每對鄰居節點之間的距離；每個節點，接收到一個分組之後，能夠根據自己接收的信號功率強度、分組發送節點和自己之間的距離，計算出分組發送節點發射該分組所用功率，並在此基礎上計算出該次分組發射所能覆蓋的通信半徑。其中不可二次充電節點的鄰居節點集合生成方法為對於每個不可二次充電節點X,求解g的最小生成樹，計算過程中每條鏈路的權重為該鏈路的代價，然後獲得X在該樹
上的一跳鄰居節點集合W1然後，將到達該集合中最遠節點所需傳輸功率作為節點X在轉發廣播分組時所用的最大傳輸功率Px，將到達該最遠節點的傳輸距離作為節點X用於該次通信的通信半徑Rx;其中戌為節點X的一跳鄰居拓撲圖。其中低代價廣播方法的具體步驟為I)對於廣播信源節點s來說，如果s G A,則s採用全功率轉發廣播分組；否則s G B，則s採用功率Ps轉發廣播分組；(PJf麼含義，本領域固有嗎？)2)屬於集合A的中間節點接收到一條廣播分組後，立即以全功率轉發該分組給自己的鄰居節點；
3)不屬於集合A的中間節點X，如果從鄰居節點y接收到一條廣播分組後，採取如下操作a.節點X首先根據接收信號功率值、dxy的值，計算出節點y本次分組發送的通信半徑Ry ；b.如果 i，則 i i f ,;對於 ve<，如果 dyv〈Ry，則 n\ = n\-{y)'
ye N1s x\ =Ar! - {y}y yc.如果x是第一次收到該分組，則啟動一個本地轉發定時器，定時器的時間長度
設置為Tlx (I/ I < I)，I I是集合^中當前元素的個數，T是一個預先指定的參數；
K4)當節點X的本地定時器超時後，如果.W0，那麼節點X將按與&中最遠節點
K
通信所需的最小功率轉發廣播分組，否則，取消該次轉發；之後，該節點將不再接收該分組的重複拷貝。
具體實施方式
節點單跳範圍局部拓撲構造方法對於網絡中的每個節點x，X G V(G),構造其一跳鄰居拓撲圖，記做<，具體方法如下V(C )=N(x)+{x} E(K )={(u,v): ue V(( ) ve V(^. ), (u,v)e E(G)J。可充電節點的傳輸功率設定為其最滅1專輸功率。不可充電節點的鄰居節點集合生成方法對於每個不可充電節點u，u G B，求解$的最小生成樹，計算過程中每條鏈路的權
重為該鏈路的代價，然後獲得U在該樹上的鄰居節點集合，記做，;然後，將作為U
的一跳鄰居節點集合，並將到達該集合中最遠節點所需傳輸功率作為節點U在轉發廣播分組時所用的最大傳輸功率，記做Pu，將到達該最遠節點的傳輸距離作為節點u用於該次通信的通信半徑，記做Ru。低代價廣播方法I)對於廣播信源節點s來說，如果s G A,則，s採用全功率轉發廣播分組；否則如果s G B，則s採用功率Ps轉發廣播分組；2)對於一個屬於集合A的中間節點來說，接收到一條廣播分組後，它將立即以全功率轉發該分組給自己的鄰居節點；3)對於一個不屬於 集合A的中間節點X來說，如果從鄰居節點y接收到一條廣播分組後，它將採取如下操作a.節點X首先根據接收信號功率值、dxy的值，計算節點y本次分組發送的通信半徑，記做r ；b.如果i f ;對於
權利要求
1.一種無線傳感網中的基於功率控制的低代價廣播方法，其特徵在於在無線傳感網中，針對可二次充電節點和不可二次充電節點不同的能量情況，在執行一個分組的網絡廣播時，優先選擇可二次充電節點承擔廣播任務，同時，在需要不可二次充電節點X承擔轉發任務時，在節點X的一跳拓撲最小生成樹上，依據所接收的信號功率強度、分組發送節點和自己之間的距離，計算出分組發送節點發射該分組所用功率，並在此基礎上計算出該次分組發射所能覆蓋的通信半徑r，節點X按照其與自己一跳拓撲最小生成樹上各個鄰居節點之間的距離以及X監聽到的這些節點對該分組的接收情況決定自己是否需要轉發該分組以及轉發功率，以儘量降低不可二次充電節點參與執行任務的程度，即為節點X的一跳拓撲。
2.根據權利要求1所述的廣播方法，其特徵在於G(V，E)代表網絡圖，V(G)代表節點的集合、E(G)代表網絡中邊的集合；網絡圖中兩個節點X G V(G)和y G V(G)-{x}之間的距離dxy小於等於節點的最大傳輸半徑R，則稱邊(x，y) GE(G);對於網絡中的一個節點x，N(X)代表節點X的一跳鄰居節點集合，其中X G V(G)，對於y G N(X)，有(x, y) G E(G)；網絡中可二次充電節點集合記做A，不可二次充電節點集合記做B，A+B=V(G)，AnB=0 ;每個網絡節點可以根據與鄰居節點之間的距離，自主調節傳輸功率，並滿足接收端正確解碼的最小功率，這一功率成為該鏈路的鏈路功率值，並將其設定為每條鏈路的代價。
3.根據權利要求2所述的廣播方法，其中不可二次充電節點的鄰居節點集合生成方法為對於每個不可二次充電節點X，求解戌的最小生成樹，計算過程中每條鏈路的權重為該鏈路的代價，從而獲得X在該樹上的一跳鄰居節點集合iV然後，將到達該集合中最遠節點所需傳輸功率作為節點X在轉發廣播分組時所用的最大傳輸功率Px，將到達該最遠節點的傳輸距離作為節點X用於該次通信的通信半徑Rx ;其中G1力節點X的一跳鄰居拓撲圖。
4.根據權利要求3所述的廣播方法，其特徵在於 1)對於廣播信源節點s來說，如果sG A,則s採用全功率轉發廣播分組；否則s G B，則s採用功率Ps轉發廣播分組； 2)屬於集合A的中間節點接收到一條廣播分組後，立即以全功率轉發該分組給自己的鄰居節點； 3)不屬於集合A的中間節點X，如果從鄰居節點y接收到一條廣播分組後，採取如下操作 a.節點X首先根據接收信號功率值、dxy的值，計算出節點y本次分組發送的通信半徑Ry ； b.如果'，則，.f ,;對於 ve<，如果 dyv〈Ry，則 N\ = N\-{y}、ye \ V1 = \ {yjy y C.如果X是第一次收到該分組，則啟動一個本地轉發定時器，定時器的時間長度設置為Tlx(1/| < I)，I N] I是集合中當前元素的個數，T是一個預先指定的參數；4)當節點x的本地定時器超時後，如果Nkx≠φ，那麼節點X將按與Nkx中最遠節點通信所 需的最小功率轉發廣播分組，否則，取消該次轉發；之後，該節點將不再接收該分組的重複拷貝。
全文摘要
本發明屬於無線傳感網絡協議技術領域，具體涉及一種無線傳感網中的低代價廣播方法。該方案主要用於在無線傳感網中，針對可二次充電節點和不可二次充電節點不同的能量情況，在執行一個分組的網絡廣播時，優先選擇可二次充電節點承擔廣播任務，同時，在需要不可二次充電節點x承擔轉發任務時，在節點x的一跳拓撲最小生成樹上，依據所接收的信號功率強度、分組發送節點和自己之間的距離，計算出分組發送節點發射該分組所用功率，並在此基礎上計算出該次分組發射所能覆蓋的通信半徑r，節點x按照其與自己一跳拓撲最小生成樹上各個鄰居節點之間的距離以及x監聽到的這些節點對該分組的接收情況決定自己是否需要轉發該分組以及轉發功率，以儘量降低不可二次充電節點參與執行任務的程度，從而儘量減少不可充電節點的工作量以減少其能量消耗，達到延長網絡生命期的目的。
文檔編號H04W40/08GK103068001SQ201210564109
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月23日 優先權日2012年12月23日
發明者梅武鋼, 賀靜, 趙壯, 尹崇祿 申請人:無錫泛聯軟體科技有限公司