一种生命期最优路由的启发式构造方法技术

本发明专利技术属于无线传感器网络技术领域，公开了一种生命期最优路由的启发式构造方法，能够很好的应对以数据为中心的无线传感器网络中，发送数据给基站的传感器节点动态变化的情况。采用的节点能量模型，考虑了在数据量不确定的情况下，节点用于接收、发送、以及空闲侦听的能量。本发明专利技术通过构造能量高效的有向非循环图DAG，使网络中能量消耗更加均匀的分布于网络中所有的节点，最优化无线传感器网络的生命期。本发明专利技术用启发式方法得到的次优解，即生命期次优的DAG结构，非常接近于直接使用当前最先进的数学规划工具包得出的最优解；当网络中数据量较少时，数学规划工具包得出最优解的收敛速度非常慢，而采用本发明专利技术将使得得出解的速度大大缩短。

【技术实现步骤摘要】
一种生命期最优路由的启发式构造方法
本专利技术属于无线传感器网络
，尤其涉及一种生命期最优路由的启发式构造方法。
技术介绍
无线传感器网络由密集部署的无线传感器节点构成，通常被安置在自然区域中，通过节点之间的互相协作，对目标环境中物理量的变化进行监测。无线传感器网络由一个基站和众多的传感器节点构成。传感器节点由电池供电，基站由电源供电，传感器节点和基站通过无线通信的方式，自组织为一个网络。在每个采样周期，由传感器节点采集到的数据需要保送到中心节点，方便用户对数据进行进一步的处理。以上这种连续的数据收集往往能够从网络的部署区域中提取出大量的信息，却非常耗电。一旦网络中某个节点消耗掉所有的电能，整个网络将不再连通，将网络分割成几个不相连的区域。在连续数据收集中节省网络电能以延长网络的生命期很有意义。数据收集过程中，节点的能量使用效率又被路由结构所影响。不同的路由结构，将影响到每个节点接收到的和需要发送的数据包的个数，影响到节点的能量利用。在此，先给出数据图样的定义，即每个采样周期内，发送数据给汇聚节点的无线传感器节点的分布。大多数已有的路由工作大多忽略数据的变化，用来处理完整的数据图样，即在每个采样周期内，网络中每一个节点都将发送一个数据包给汇聚节点。但是在连续性的传感器数据收集中，网络中数据图样是动态变化的，并且这种变化完全不可预测。比如：在相邻采样周期内，每个传感器节点所采集到的数据，往往较为平稳或只在一定的范围内波动。为了节省电量，只有当新的采样数值与上次报送的数据之间的偏差大到一定程度时，节点才需要向基站发送本次采集到的数据。在节点对环境采样之前，每个传感器节点并不能提前计算其两次报送数据的偏差是多少。在实际中，为了节省能量只有相对重要的数据被报送给汇聚节点，但是对于报送数据的选择，则完全是由数据本身所驱动的，并且当且仅当数据被传感器所感知以后才能够被决定下来。这就是通常所说的以数据为中心的传感器网络。不断变化的网络数据图样大大增加了设计能量高效路由协议的困难性。因为网络中不同的数据图样，会导致每个节点在数据包的接收，发送，以及空闲侦听方面，花费不同百分比的能量。所以，不同的数据图样需要与不同的路由结构匹配起来，去延长网络的生命期。比如，当网络中发送数据的节点比较多时，接收和传送数据包通常在传感器节点的能量消耗中占据相当大的比重。在这种情况下，平衡每个节点的数据量非常重要。另一方面，当网络中发送数据的节点比较少时，传感器节点的能量耗费通常被空闲侦听所主导。此时，汇聚节点周围的传感器节点就不再是能量消耗的瓶颈。使每个节点花费在空闲侦听方面的能量尽可能的少，就变成了在设计路由结构方面，一个相当重要的考虑因素。所以，为了应对动态数据图样，设计能够平衡不同节点能量花费的路由结构，来延长网络的生命期是非常重要的。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种生命期最优路由的启发式构造方法。该方法能够很好的应对以数据为中心的无线传感器网络中，发送数据给基站的传感器节点动态变化的情况。本方法所采用的节点能量模型，考虑了在数据量不确定的情况下，节点用于接收、发送、以及空闲侦听的能量。本专利技术用启发式方法得到的次优解，即生命期次优的DAG结构，非常接近于直接使用当前最先进的数学规划工具包得出的最优解；特别是当网络中数据量较少时，数学规划工具包得出最优解的收敛速度非常慢，而采用本方法将使得得出解的速度大大缩短。本专利技术所采用的技术方案如下：首先，将所述生命期最优DAG构造问题建模如下：Problem-MIPmaximizeT在以上模型中，我们做出了如下假设：网络中节点发送一个数据包所用的能量为et,侦听一次信道所用的能量为er，网络拓扑用一个连通图G(V,E)来表示，V表示所有节点的集合，包括汇聚节点s和所有传感器节点，E是网络中代表邻居关系的所有链接的集合；量化每个节点i的能量开销，假设每个采样周期内，其数据产生概率为pi，它代表节点i向基站发送数据的概率，并且不同节点发送数据给基站的概率满足独立同分布；Bi是此节点的最初的能量配置，用T代表用采样周期个数表征的网络生命期，对于每一个链接(i,j)，用dij表示在整个网络的生命期中，所有从节点i发送到节点j的总的数据包的数量；假设在每个采样周期，对于DAG结构中的每条有向链接(i,p)，节点p将花费er的能量来对节点i进行空闲侦听；以上问题模型为每一个变量dij搭配一个辅助的二进制0/1变量zij,来表示节点j是否在每个采样周期内对节点i进行空闲侦听；一个节点i给它的邻居节点j发送了数据包，那么zij＝1说明节点j将对节点i进行空闲侦听；否则dij＝0，说明节点j不用对节点i进行空闲侦听，所以zij＝0。接下来，所述生命期最优路由的启发式构造方法包括如下步骤：(1)将原有连接图G(V,E)转换为流图(2)在原连接图G(V,E)中，存在能够支撑网络进行T0时间数据收集的DAG结构，当且仅当在流图中，从源节点w到汇聚节点s的最大流的值为∑i∈V-{s}(et+e)piT0,即就是最大流将使得流图G中从源节点w出发的所有链接达到满载；(3)在流图G中采用启发式方法得出了给定T0值的最大流；(4)用二分法查找最优DAG。每个节点i的初始能量为Bi，数据产生概率为pi，发送一个数据包所用的能量为et。每个节点把它收到的所有数据包发送出去，节点的生命期最大值为Bi/etpi，网络生命期的最大值为[0,minBi/etpi]；在[0,Bi/etpi]的范围内进行二分查找，逐步获得最大的生命期和相应的网络流。上述的本专利技术生命期最优路由的启发式构造方法包括两个关键步骤：图的转换方法和流图中的增流方法。下面具体给出这两个方法的步骤：首先，上述步骤(1)中所述将原有连接图G(V,E)转换为流图的图的转换方法具体包括：第一步：将原图G中的每个点i拆成G中的两个点Xi和Yi，用链接(Xi,Yi)链接这两个点，赋予此链接容量为Bi；第二步：将流图中源节点w与每对Xi和Yi相连，链接(w,Xi)容量为etpiT0,链接(w,Yi)容量为erpiT0；第三步：对原图G中的每一对节点(i,j),在流图中加入两条链接(Yi,Xj)和(Yj,Xi)，两条链接的容量均为正无穷；第四步：将原图G中的汇聚节点映射为流图中的汇聚节点s，对原图G中汇聚节点的每个邻居节点i，在流图中加入一条链接(Yi,s),规定此链接的容量为正无穷。其次，所述流图中的增流方法包括以下步骤：第一步：所有链接上的f(u,v)流量设置为0，每条链接的剩余容量r(u,v)＝c(u,v)-f(u,v),代表可以通过该链接的流量值，初始化r(u,v)为链接容量；第二步：将初始的delta值设置为从源节点发出的所有链接中最大的容量值maxi∈V-{x}etpiT0；第三步：不断的搜寻delta-增流路径并增流，直到找不到这样的路径；第四步：在构造好最大流之后，检查从源节点发出的所有链接是否是满载的；若是，则T0是网络可以达到的生命期，否则T0无法达到不可行。为了搜寻以上的delta增流路径,我们定义delta-剩余网络，其中所有边的集合Ef＝{(u,v)|r(u,v)≥delta}-{(Yi,Xi)|f(Yi,Xi)＝0and本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生命期最优路由的启发式构造方法，其特征在于，所述生命期最优路由的启发式构造方法能够很好的应对以数据为中心的无线传感器网络中，发送数据给基站的传感器节点动态变化的情况。

【技术特征摘要】
1.一种生命期最优路由的启发式构造方法，其特征在于，所述生命期最优路由的启发式构造方法能够很好的应对以数据为中心的无线传感器网络中，发送数据给基站的传感器节点动态变化的情况。2.如权利要求1所述的生命期最优路由的启发式构造方法，其特征在于，本方法所采用的节点能量模型，考虑了在数据量不确定的情况下，节点用于接收、发送、以及空闲侦听的能量；通过构造能量高效的有向非循环图DAG，使网络中能量消耗更加均匀的分布于网络中所有的节点，最优化无线传感器网络的生命期。3.如权利要求1所述的生命期最优路由的启发式构造方法，其特征在于，所述生命期最优DAG构造表示如下：Problem-MIPmaximizeT以上的建模方法中，网络中节点发送一个数据包所用的能量为et,侦听一次信道所用的能量为er，网络拓扑用一个连通图G(V,E)来表示，V表示所有节点的集合，包括汇聚节点s和所有传感器节点，E是网络中代表邻居关系的所有链接的集合；为了量化每个节点i的能量开销，假设每个采样周期内，其数据产生概率为pi，它代表i向基站发送数据的概率，并且不同节点发送数据的概率满足独立同分布；Bi是此节点的最初的能量配置，用T代表用采样周期个数表征的网络生命期，对于每一个链接(i,j)，用dij表示在整个网络的生命期中，所有从节点i发送到节点j的总的数据包的数量；假设每个采样周期，对于DAG结构中的每条有向链接(i,p)，节点p将花费er的能量来对节点i进行空闲侦听；以上的建模方法为每一个变量dij搭配一个辅助的二进制0/1变量zij,来表示节点j是否在每个采样周期内对节点i进行空闲侦听；一个节点i给它的邻居节点j发送了数据包，那么zij＝1说明节点j将对节点i进行空闲侦听；否则dij＝0，说明节点j不用对节点i进行空闲侦听，所以zij＝0。4.如权利要求1所述的生命期最优路由的启发式构造方法，其特征首先在于，所述生命期最优路由的启发式构造方法包括如下步骤：(1)将原有连接图G(V...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵闻博，许录平，戴浩，王光敏，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61