專(zhuān)利名稱(chēng)：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中虛擬骨干網(wǎng)的分布式構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中虛擬骨干網(wǎng)的分布式構(gòu)造方法，適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織、分層路由管理以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臉?gòu)建。
背景技術(shù)：
隨著通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的微型傳感器開(kāi)始在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)。由這些微型傳感器構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了人們的極大關(guān)注。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，傳送到需要這些信息的用戶(hù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以使人們?cè)谌魏螘r(shí)間、地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下獲取大量詳實(shí)而可靠的信息。因此，這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以被廣泛地應(yīng)用于國(guó)防軍事、國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息感知和采集的一場(chǎng)革命。傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)全新的研究領(lǐng)域，在基礎(chǔ)理論和工程技術(shù)兩個(gè)層面向科技工作者提出了大量的挑戰(zhàn)性研究課題。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)正因?yàn)槠渚薮蟮膽?yīng)用前景成為研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)及蜂窩網(wǎng)絡(luò)不同，這種網(wǎng)絡(luò)不依賴(lài)于固定的物理基礎(chǔ)設(shè)施或控制中心，網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是對(duì)等的關(guān)系。在這種情況下，應(yīng)用傳統(tǒng)的路由機(jī)制將會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都要參與路由選擇與路由消息的維護(hù)，在一個(gè)大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中，這將會(huì)極大增加系統(tǒng)的操作復(fù)雜性、降低網(wǎng)絡(luò)的能耗效率。
近來(lái)，一種虛擬骨干網(wǎng)的思想被提出來(lái)解決Ad hoc和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由問(wèn)題。虛擬骨干網(wǎng)由少數(shù)通過(guò)構(gòu)造算法挑選出來(lái)的節(jié)點(diǎn)組成，不僅能夠承擔(dān)路由功能，而且能夠?qū)崿F(xiàn)流量控制，網(wǎng)絡(luò)連接性管理等功能。僅有少量節(jié)點(diǎn)參與路由功能，這將會(huì)大大降低網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)銷(xiāo)，提高系統(tǒng)資源利用率。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)二維平面上的單位圓圖來(lái)建模，即對(duì)于一個(gè)無(wú)向圖G＝(V，E)，v∈V代表一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)u，v∈V，當(dāng).二者距離duv≤1時(shí)，則u和v有邊相連，即(u，v)∈E。連通支配集(Connected Dominating Sets)是指在圖G＝(V，E)存在一個(gè)連通的集合SV，對(duì)i∈V-S，∃j∈S,]]>使得(i，j)∈E，則稱(chēng)S為圖G＝(V，E)的連通支配集。連通支配集(CDS)的方法因?yàn)槠浜?jiǎn)單高效成為了在Ad Hoc和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建虛擬骨干網(wǎng)的主要途徑。在大多數(shù)的應(yīng)用中，為了降低通信開(kāi)銷(xiāo)，節(jié)省能耗以及簡(jiǎn)化連接性管理，要求CDS由最小數(shù)目的節(jié)點(diǎn)組成，即尋找最小的連通支配集(MCDS)。這個(gè)問(wèn)題只能通過(guò)近似算法在多項(xiàng)式時(shí)間之內(nèi)求得次優(yōu)解，解的質(zhì)量是由近似率來(lái)衡量的，即近似算法所產(chǎn)生的CDS的節(jié)點(diǎn)數(shù)與MCDS節(jié)點(diǎn)數(shù)的比值。
目前MCDS的分布式算法大體分為兩類(lèi)基于分簇的方法和直接生成的方法。前者將網(wǎng)絡(luò)劃分為簇，每一個(gè)簇通過(guò)特定的算法選舉出簇首，簇首形成最大獨(dú)立集(MIS)，簇首之間通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)相連，簇首和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成骨干網(wǎng)。后者直接產(chǎn)生虛擬骨干而不需要分簇。
1)直接方法一個(gè)典型的直接算法是參考文獻(xiàn)“Routing in ad hoc networks using minimumconnected dominating set”(Bharghavan V，Das B.Proceedings of InternationalConference on Communications’97，Montreal，Canada，June 1997.)所提出的。該算法分為兩個(gè)階段(1)查找一個(gè)近似的最小支配集(MDS)，這實(shí)際上是一個(gè)集合覆蓋問(wèn)題的求解；(2)使用最小生成樹(shù)(MST)算法將支配集集中的節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，生成樹(shù)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)構(gòu)成骨干網(wǎng)。
另外一個(gè)直接算法是在文獻(xiàn)“On calculating connected dominating set forefficient routing in ad hoc wireless network.”(Wu J，Li HL.Proceedings of 3rdACM International Workshop on Discrete Algorithms and Methods for MobileComputing and Communications，1999；7-14.)中闡述的。這個(gè)方法提出了一種相反的思路，也分為2個(gè)階段(1)直接在UDG圖中構(gòu)建CDS；(2)根據(jù)給定規(guī)則將CDS中的冗余節(jié)點(diǎn)去除，從而得到近似最小的CDS集合。
以上兩種算法都不能保證常數(shù)的近似率，即解的質(zhì)量不高，同時(shí)時(shí)間復(fù)雜性和消息復(fù)雜性都很高。
2)基于分簇的方法文獻(xiàn)“Distributed construction of connected dominating set in wireless ad hocnetwork.”(Wan PJ，Alzoubi KM，F(xiàn)rieder O.Proceedings of IEEE INFOCOM，2002；1597-1604.)提出了一種基于分簇的虛擬骨干網(wǎng)形成算法。通過(guò)相關(guān)的分簇算法選舉出簇首，簇首形成最大獨(dú)立集(MIS)，再通過(guò)先深搜索的方法計(jì)算最小生成樹(shù)，最后生成樹(shù)中的非葉節(jié)點(diǎn)構(gòu)成虛擬骨干網(wǎng)。這種方法具有常數(shù)的近似率以及O(n)的時(shí)間復(fù)雜性和O(nlogn)消息復(fù)雜性。這種方法因?yàn)樾枰?jì)算生成樹(shù)，即全網(wǎng)的拓?fù)湫畔⒁约跋⑼剑哂休^高的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性和通信開(kāi)銷(xiāo)，這對(duì)于資源受限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)是不現(xiàn)實(shí)的。
文獻(xiàn)“Message-optimal connected dominating set construction for routing inmobile ad hoc networks.”(Alzoubi KM，Li XY，Wang Y，Wan PJ，F(xiàn)rieder O.Proceedings of Third ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networksand Computing(MobiHoc’02)，2002)中，作者提出了一種線性消息復(fù)雜性的虛擬骨干網(wǎng)構(gòu)造方法。這種方法不需要計(jì)算生成樹(shù)，實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，并且具有常數(shù)的近似率。盡管如此，這種方法生成的虛擬骨干網(wǎng)因?yàn)橛谢芈?，還是導(dǎo)致產(chǎn)生的虛擬骨干網(wǎng)規(guī)模較大，增加了路由實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中虛擬骨干網(wǎng)的分布式構(gòu)造方法，能有效減小骨干網(wǎng)的規(guī)模，從而簡(jiǎn)化路由協(xié)議的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)的工作效率。
為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明提出了一種分布式的基于最小連通支配集的虛擬骨干網(wǎng)形成方法。本方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程分為兩個(gè)階段在第一個(gè)階段，通過(guò)分簇算法構(gòu)建最大獨(dú)立集，將整個(gè)節(jié)點(diǎn)集合劃分為簇首以及普通節(jié)點(diǎn)兩個(gè)集合；在第二個(gè)階段，尋找網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將簇首連接起來(lái)，形成一個(gè)連通支配集，通過(guò)去除骨干網(wǎng)中所有的三角形回路，有效減少骨干網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。
本發(fā)明的方法包括如下具體步驟1)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)都是候選節(jié)點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)候選節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)與所有鄰居節(jié)點(diǎn)相比，自己的標(biāo)識(shí)最小，則將狀態(tài)改為簇首，并廣播簇首狀態(tài)消息通知其相鄰節(jié)點(diǎn)；2)當(dāng)一個(gè)候選節(jié)點(diǎn)收到簇首狀態(tài)消息，表示已經(jīng)有鄰居成為簇首，根據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該保證簇首均勻分布的原則，該節(jié)點(diǎn)將喪失成為“簇首”的可能性，則改變自己的狀態(tài)為普通節(jié)點(diǎn)，并廣播普通節(jié)點(diǎn)狀態(tài)消息通知相鄰節(jié)點(diǎn)；3)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有候選節(jié)點(diǎn)確定自己的狀態(tài)以后，整個(gè)節(jié)點(diǎn)集合就被劃分為簇首和普通節(jié)點(diǎn)兩個(gè)集合；每一個(gè)簇首和普通節(jié)點(diǎn)生成存儲(chǔ)相鄰簇首信息的鏈表結(jié)構(gòu)，鏈表記錄包括所有相鄰簇首的標(biāo)識(shí)，以及到達(dá)這些相鄰簇首所經(jīng)過(guò)的中間普通節(jié)點(diǎn)；4)當(dāng)一個(gè)簇首通過(guò)查找鏈表，獲知自己與所有相鄰簇首相比擁有最小標(biāo)識(shí)時(shí)，將所有相鄰簇首設(shè)為目標(biāo)簇首，并發(fā)起連接請(qǐng)求，該請(qǐng)求消息中包含這個(gè)節(jié)點(diǎn)鏈表結(jié)構(gòu)的所有記錄項(xiàng)；5)當(dāng)一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)接收到連接請(qǐng)求消息，首先檢查自己是否出現(xiàn)在請(qǐng)求消息的記錄項(xiàng)里，如果不在則丟棄該消息，如果在，將自己的狀態(tài)變?yōu)榫W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，并按照自己鏈表結(jié)構(gòu)中的信息，更新該請(qǐng)求消息記錄項(xiàng)中目標(biāo)簇首所對(duì)應(yīng)的中間普通節(jié)點(diǎn)；更新過(guò)程完成之后轉(zhuǎn)發(fā)該消息；6)當(dāng)一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)接收到轉(zhuǎn)發(fā)消息，檢查自己是否作為中間普通節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在該消息的記錄項(xiàng)中，如果不在則丟棄該消息；如果在，將節(jié)點(diǎn)狀態(tài)改為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，并繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)消息；7)當(dāng)一個(gè)簇首接收到轉(zhuǎn)發(fā)的消息，首先檢查自己是否作為目標(biāo)簇首，如果不是則丟棄該消息，如果是，則將接收到的消息與自身鏈表中的信息相對(duì)照，移除所有相同的記錄，即對(duì)被移除的相應(yīng)的簇首不再發(fā)起連接請(qǐng)求；當(dāng)所有比自己標(biāo)識(shí)小的相鄰簇首都完成連接請(qǐng)求之后，該簇首檢查自己的鏈表結(jié)構(gòu)，當(dāng)鏈表內(nèi)容中依然存在與相鄰簇首有關(guān)的記錄項(xiàng)，則將這些相鄰簇首設(shè)為目標(biāo)簇首，并發(fā)起連接請(qǐng)求；當(dāng)鏈表內(nèi)容中不存在與相鄰簇首有關(guān)的記錄項(xiàng)，則不再發(fā)起連接請(qǐng)求；8)當(dāng)所有簇首節(jié)點(diǎn)不再發(fā)起連接請(qǐng)求時(shí)，所有簇首節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)形成虛擬骨干網(wǎng)，完成路由及管理功能。
本發(fā)明的方法具有線性的時(shí)間復(fù)雜性、消息復(fù)雜性和簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，所生成的虛擬骨干網(wǎng)由少數(shù)經(jīng)過(guò)構(gòu)造算法挑選出來(lái)的節(jié)點(diǎn)組成，不僅能夠承擔(dān)路由功能，而且能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的流量控制和連接性管理。這些良好的性能大大增加了該方法的應(yīng)用范圍。理論分析和仿真結(jié)果都顯示本發(fā)明的方法優(yōu)于經(jīng)典算法。
圖1為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中虛擬骨干網(wǎng)形成的一個(gè)實(shí)施例。
圖2為采用本發(fā)明方法產(chǎn)生的一個(gè)虛擬骨干網(wǎng)與其它算法仿真結(jié)果的對(duì)比。
圖3為采用本發(fā)明方法產(chǎn)生的另一個(gè)虛擬骨干網(wǎng)與其它算法仿真結(jié)果的對(duì)比。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
本發(fā)明的方法具體實(shí)施過(guò)程●構(gòu)建最大獨(dú)立集每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)都是候選節(jié)點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)候選節(jié)點(diǎn)v發(fā)現(xiàn)與所有的鄰居相比，自己的標(biāo)識(shí)ID最小，則將狀態(tài)改為簇首并廣播IamDominator(v)消息通知其相鄰節(jié)點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)候選節(jié)點(diǎn)u收到IamDominator消息，表示已經(jīng)有鄰居成為簇首，根據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該保證簇首均勻分布的原則，該節(jié)點(diǎn)將喪失成為簇首的可能性，改變自己的狀態(tài)為普通節(jié)點(diǎn)并廣播IamDominatee(u)消息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)確定自己的狀態(tài)以后，簇首節(jié)點(diǎn)就組成了最大獨(dú)立集。
普通節(jié)點(diǎn)u在獲知所有鄰居的狀態(tài)以后，生成一個(gè)鏈表結(jié)構(gòu)OneHopDominatorList，記錄下所有相鄰簇首的信息，然后廣播消息MyOneHopDominatorList(u)，包含此鏈表的內(nèi)容。
相鄰簇首接收到MyOneHopDominatorList(u)之后，通過(guò)搜索記錄項(xiàng)，獲知與自己有兩跳距離的簇首信息，將其信息保存，加入到自己的鏈表TwoHopDominatorList中，并將其對(duì)應(yīng)的中間普通節(jié)點(diǎn)設(shè)為節(jié)點(diǎn)u。
普通節(jié)點(diǎn)w接收到MyOneHopDominatorList(u)之后，生成第二個(gè)鏈表結(jié)構(gòu)TwoHopDominatorList，記錄下所有距離自己兩跳的簇首，并將其對(duì)應(yīng)的中間普通節(jié)點(diǎn)設(shè)為節(jié)點(diǎn)u。在接收到所有相鄰普通節(jié)點(diǎn)的MyOneHopDominatorList消息之后，節(jié)點(diǎn)w廣播消息MyTwoHopDominatorList(w)，包含所有和自己相距兩跳的簇首的信息。TwoHopDominatorList表的內(nèi)容。
簇首v接收到MyTwoHopDominatorList(w)之后，搜索記錄項(xiàng)，通過(guò)生成鏈表ThreeHopDominatorList，存儲(chǔ)距離自己三跳的的簇首的信息，并記錄相應(yīng)的中間普通節(jié)點(diǎn)為w。為了描述方便，我們這里定義同時(shí)使用計(jì)數(shù)變量Number_CH記錄簇首數(shù)目。
●尋找網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建虛擬骨干網(wǎng)由簇首發(fā)起尋找網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)過(guò)程。簇首u(yù)，首先查找存儲(chǔ)相鄰簇首信息的的鏈表結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)自己與所有相鄰的簇首相比，擁有最小的ID時(shí)，發(fā)起連接請(qǐng)求，廣播TryConnect(u)消息，包含所有“相鄰簇首”的信息。
當(dāng)接收到TryConnect(u)消息，一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)v首先檢查自己的ID是否出現(xiàn)在記錄項(xiàng)里。如果有，將自己的狀態(tài)變?yōu)榫W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于包含v的記錄項(xiàng)，分情況處理如果目標(biāo)簇首與自己相鄰(出現(xiàn)在鏈表OneHopDominatorList)，保持記錄項(xiàng)不變；否則繼續(xù)查找TwoHopDominatorList，改變連接目標(biāo)簇首的中間普通節(jié)點(diǎn)為這個(gè)鏈表中的中間普通節(jié)點(diǎn)。廣播ForwardingConnection(v，u)消息，包含修改后的記錄項(xiàng)。
當(dāng)一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)接收到ForwardingConnection(v，u)消息，首先檢查自己是否作為中間節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在該消息中。如果是，則將節(jié)點(diǎn)狀態(tài)改為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)并且轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)消息。
當(dāng)一個(gè)簇首接收到一個(gè)ForwardingConnection(v，u)消息，首先檢查自己是否作為目標(biāo)簇首。如果是，則遞減變量Number_CH，并且在TwoHopDominatorList和ThreeHopDominatorList這兩個(gè)鏈表中移除所有的與此目標(biāo)簇首相關(guān)的記錄(不再對(duì)此目標(biāo)簇首發(fā)起連接，即消除了三角形回路)。如果變量Number_CH為零，該簇首發(fā)起連接請(qǐng)求。如果變量Number_CH為零，則不再發(fā)起連接請(qǐng)求。
最終，當(dāng)所有簇首都不再發(fā)起連接請(qǐng)求，所選舉出來(lái)的簇首和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成虛擬骨干網(wǎng)，完成路由以及其他管理功能。
在圖1所示的一個(gè)實(shí)施例中，白色圓圈代表候選節(jié)點(diǎn)，黑色圓圈代表簇首，灰色圓圈代表普通節(jié)點(diǎn)，環(huán)型圓圈代表網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。本方法的執(zhí)行過(guò)程如下(1)初始情況下所有節(jié)點(diǎn)都是候選節(jié)點(diǎn)，如圖1(a)所示。
(2)在圖1(b)，節(jié)點(diǎn)1和8被選為簇首，這是因?yàn)榕c其鄰居相比，它們的標(biāo)識(shí)最小。節(jié)點(diǎn)3雖然不是標(biāo)識(shí)最小的節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)2是它的鄰居)，但因?yàn)楣?jié)點(diǎn)2加入了節(jié)點(diǎn)1的簇而失去了成為簇首的權(quán)利，所以節(jié)點(diǎn)3也成為簇首。其他節(jié)點(diǎn)成為普通節(jié)點(diǎn)。
(3)在圖1(c)中，因?yàn)楂@知在相鄰簇首中擁有最小的標(biāo)識(shí)，節(jié)點(diǎn)1首先發(fā)起連接請(qǐng)求。
(4)在圖1(d)中，在接收到節(jié)點(diǎn)1的連接請(qǐng)求后，節(jié)點(diǎn)2通過(guò)查詢(xún)信息鏈表，發(fā)現(xiàn)自己是通向目標(biāo)簇首3的連接點(diǎn)，所以改變自己的狀態(tài)為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)并且廣播轉(zhuǎn)發(fā)信息。相似地，節(jié)點(diǎn)6發(fā)現(xiàn)自己是路徑(1，8)上的連接點(diǎn)，所以改變自己的狀態(tài)為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，選擇節(jié)點(diǎn)10作為該路徑上的第二個(gè)中間節(jié)點(diǎn)并轉(zhuǎn)發(fā)該消息。
(5)在圖1(e)中，當(dāng)從節(jié)點(diǎn)6接收到轉(zhuǎn)發(fā)消息，節(jié)點(diǎn)10獲知自己是路徑(1，8)上的連接點(diǎn)，改變自己的狀態(tài)為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)并且繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)消息。當(dāng)從節(jié)點(diǎn)2接收到轉(zhuǎn)發(fā)消息，簇首3得知簇首1已經(jīng)建立了一條通向簇首8的路徑，因此它將放棄對(duì)節(jié)點(diǎn)8的連接請(qǐng)求，從而消除了三角形的回路。
(6)最終，在圖1(f)所示，簇首節(jié)點(diǎn)1，3，8和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)2，6，10組成了虛擬骨干網(wǎng)。
性能分析本發(fā)明有以下特性特性1本發(fā)明構(gòu)建的虛擬骨干網(wǎng)的規(guī)模是最小連通獨(dú)立集的常數(shù)倍。通過(guò)本發(fā)明的描述可知，簇首和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目都是最小連通獨(dú)立集的常數(shù)倍，所以二者相加所組成的虛擬骨干網(wǎng)的規(guī)模也是最小連通獨(dú)立集的常數(shù)倍。
特性2本發(fā)明具有O(n)的時(shí)間復(fù)雜性，n表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。本發(fā)明的第一個(gè)階段，每一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)等待其它低標(biāo)識(shí)的鄰居做出決定。最壞情況下算法的時(shí)間復(fù)雜性升序或者降序排列成一條直線，算法復(fù)雜性為O(n)。與之相似，在第二個(gè)階段，每一個(gè)簇首等待其他低標(biāo)識(shí)的簇首發(fā)出連接請(qǐng)求。簇首數(shù)量最多為n，所以最壞情況下的時(shí)間復(fù)雜性也為O(n)，該特性得證。
特性3本發(fā)明具有O(n)的消息復(fù)雜性。本發(fā)明的第一個(gè)階段，一個(gè)節(jié)點(diǎn)最多廣播一個(gè)消息。在第二個(gè)階段，每個(gè)簇首最多廣播一個(gè)連接請(qǐng)求消息。一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)最多接收和轉(zhuǎn)發(fā)25條消息，所以最壞情況下本發(fā)明的消息復(fù)雜性是O(n)。
仿真結(jié)果下面通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)比較本發(fā)明的方法與其他兩種經(jīng)典方法的性能。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?00、200、400、600和800個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，它們隨機(jī)均勻分布在(x＝0，y＝0)至(x＝200，y＝200)的這個(gè)正方形區(qū)域內(nèi)，無(wú)線覆蓋半徑R分別是30和50個(gè)長(zhǎng)度單位。
通過(guò)多次仿真實(shí)驗(yàn)，我們比較了三種算法所產(chǎn)生的虛擬骨干網(wǎng)的規(guī)模。圖2表示在固定無(wú)線覆蓋半徑為50單位長(zhǎng)度時(shí)，虛擬骨干網(wǎng)的規(guī)模與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的關(guān)系。很明顯，與其他兩種經(jīng)典方法相比，我們的方法明顯減小了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)虛擬骨干網(wǎng)的規(guī)模。當(dāng)固定R無(wú)線覆蓋半徑為30單位長(zhǎng)度時(shí)，仿真實(shí)驗(yàn)顯示了相似的結(jié)果，如圖3所示。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中虛擬骨干網(wǎng)的分布式構(gòu)造方法，其特征在于包括如下具體步驟1)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)都是候選節(jié)點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)候選節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)與所有鄰居節(jié)點(diǎn)相比，自己的標(biāo)識(shí)最小，則將狀態(tài)改為簇首，并廣播簇首狀態(tài)消息通知其相鄰節(jié)點(diǎn)；2)當(dāng)一個(gè)候選節(jié)點(diǎn)收到簇首狀態(tài)消息，表示已經(jīng)有鄰居成為簇首，則改變自己的狀態(tài)為普通節(jié)點(diǎn)，并廣播普通節(jié)點(diǎn)狀態(tài)消息通知相鄰節(jié)點(diǎn)；3)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有候選節(jié)點(diǎn)確定自己的狀態(tài)以后，整個(gè)節(jié)點(diǎn)集合就被劃分為簇首和普通節(jié)點(diǎn)兩個(gè)集合；每一個(gè)簇首和普通節(jié)點(diǎn)生成存儲(chǔ)相鄰簇首信息的鏈表結(jié)構(gòu)，鏈表記錄包括所有相鄰簇首的標(biāo)識(shí)，以及到達(dá)這些相鄰簇首所經(jīng)過(guò)的中間普通節(jié)點(diǎn)；4)當(dāng)一個(gè)簇首通過(guò)查找鏈表，獲知自己與所有相鄰簇首相比擁有最小標(biāo)識(shí)時(shí)，將所有相鄰簇首設(shè)為目標(biāo)簇首，并發(fā)起連接請(qǐng)求，該請(qǐng)求消息中包含這個(gè)節(jié)點(diǎn)鏈表結(jié)構(gòu)的所有記錄項(xiàng)；5)當(dāng)一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)接收到連接請(qǐng)求消息，首先檢查自己是否出現(xiàn)在請(qǐng)求消息的記錄項(xiàng)里，如果不在則丟棄該消息，如果在，將自己的狀態(tài)變?yōu)榫W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，并按照自己鏈表結(jié)構(gòu)中的信息，更新該請(qǐng)求消息記錄項(xiàng)中目標(biāo)簇首所對(duì)應(yīng)的中間普通節(jié)點(diǎn)；更新過(guò)程完成之后轉(zhuǎn)發(fā)該消息；6)當(dāng)一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)接收到轉(zhuǎn)發(fā)消息，檢查自己是否作為中間普通節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在該消息的記錄項(xiàng)中，如果不在則丟棄該消息；如果在，將節(jié)點(diǎn)狀態(tài)改為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，并繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)消息；7)當(dāng)一個(gè)簇首接收到轉(zhuǎn)發(fā)的消息，首先檢查自己是否作為目標(biāo)簇首，如果不是則丟棄該消息，如果是，則將接收到的消息與自身鏈表中的信息相對(duì)照，移除所有相同的記錄，即對(duì)被移除的相應(yīng)的簇首不再發(fā)起連接請(qǐng)求；當(dāng)所有比自己標(biāo)識(shí)小的相鄰簇首都完成連接請(qǐng)求之后，該簇首檢查自己的鏈表結(jié)構(gòu)，當(dāng)鏈表內(nèi)容中依然存在與相鄰簇首有關(guān)的記錄項(xiàng)，則將這些相鄰簇首設(shè)為目標(biāo)簇首，并發(fā)起連接請(qǐng)求；當(dāng)鏈表內(nèi)容中不存在與相鄰簇首有關(guān)的記錄項(xiàng)，則不再發(fā)起連接請(qǐng)求；8)當(dāng)所有簇首節(jié)點(diǎn)不再發(fā)起連接請(qǐng)求時(shí)，所有簇首節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)形成虛擬骨干網(wǎng)，完成路由及管理功能。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中虛擬骨干網(wǎng)的分布式構(gòu)造方法，為有效減小骨干網(wǎng)的規(guī)模，簡(jiǎn)化路由協(xié)議的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)的工作效率，分兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)分布式的基于最小連通支配集的虛擬骨干網(wǎng)。在第一個(gè)階段，通過(guò)分簇算法構(gòu)建最大獨(dú)立集，將整個(gè)節(jié)點(diǎn)集合劃分為簇首以及普通節(jié)點(diǎn)兩個(gè)集合；在第二個(gè)階段，尋找網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將簇首連接起來(lái)，形成一個(gè)連通支配集，通過(guò)去除骨干網(wǎng)中所有的三角形回路，有效減少骨干網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。本發(fā)明的方法具有線性的時(shí)間復(fù)雜性、消息復(fù)雜性和簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，所生成的虛擬骨干網(wǎng)由少數(shù)經(jīng)過(guò)構(gòu)造算法挑選出來(lái)的節(jié)點(diǎn)組成，不僅能夠承擔(dān)路由功能，而且能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的流量控制和連接性管理。
文檔編號(hào)H04L12/46GK1917460SQ20061003090
公開(kāi)日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2006年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月7日
發(fā)明者何晨, 曹涌濤, 蔣鈴鴿 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)