本發(fā)明公開了一種基于多核處理器的傳感網(wǎng)路由結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，主要用于在多核處理器的環(huán)境下利用并行計算的思想解決傳感網(wǎng)路由結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問題。本發(fā)明屬于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，是一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)中信息傳遞的優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用是在監(jiān)測方面，主要通過接受和發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，比如環(huán)境和建筑物的監(jiān)測。但是每個傳感器都有著固定的電量，而每次發(fā)送和接受數(shù)據(jù)都需要消耗一定的能量，由于這些傳感器通常布置在野外無法及時更換電池，因此在給定初始電量的前提下延長網(wǎng)絡(luò)壽命是一個非常重要的問題。通過近幾年在路由結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的研究，基于已有的精確算法或是近似算法，在找到最佳生命期的同時時間復(fù)雜度也得到了比較好的降低。同時隨著計算機(jī)設(shè)備的普及和發(fā)展以及該領(lǐng)域研究的相關(guān)進(jìn)展，有了新的算法設(shè)計的需求，這類設(shè)計問題主要分為兩個方向：

(1)基于計算機(jī)gpu的計算能力的算法設(shè)計；

(2)基于計算機(jī)多核處理器的算法設(shè)計，即多線程實(shí)現(xiàn)并行計算的思想。

第一個方向針對的是利用計算機(jī)上的gpu計算能力，gpu最大的優(yōu)勢在于其提供的并行運(yùn)算。通俗點(diǎn)，就是增加了處理圖形計算的計算單元，使之在保證算法運(yùn)行正常的情況下達(dá)到相當(dāng)高的計算速度。第二個方向則是利用計算機(jī)上多核處理器的計算能力，創(chuàng)建多線程實(shí)現(xiàn)并行計算，從而提高解決問題的速度。

這一系列關(guān)于路由結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究都說明了在找到結(jié)構(gòu)中最佳生命期的同時盡可能的降低計算的時間是主要的發(fā)展方向，也就意味著在算法效率不能有效提升的情況下，通過并行算法提高計算速度是一個好的思路。本發(fā)明的主要目的是利用現(xiàn)有計算機(jī)都有著多核cpu可以實(shí)現(xiàn)并行計算的特性，創(chuàng)建多線程調(diào)用算法對路由結(jié)構(gòu)并行計算從而得到比較高的運(yùn)行速度。

本發(fā)明的意義與重要性在于不同于以往的路由結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究，并不是在算法方面優(yōu)化，而是在問題本身上進(jìn)行優(yōu)化，即對問題結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分并行地解決拆分的問題，這就使得運(yùn)行速度提升了數(shù)倍，在規(guī)定時間內(nèi)解決不了的問題也有了解決的可能。所以本發(fā)明不僅僅拘泥于算法的設(shè)計，更加著重于在問題的剖析，對于路由結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題有著深化和精細(xì)化的重要意義；如今傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸普及和應(yīng)用，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)顯得尤為重要，本發(fā)明對于這一方面的應(yīng)用和研究有著啟發(fā)性的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

[發(fā)明目的]：為了優(yōu)化已有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出在多核處理器的環(huán)境下利用并行計算的思想解決傳感網(wǎng)路由結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問題，充分利用了多核處理器的性能，替代以往的單線程計算。

[技術(shù)方案]：本發(fā)明方案主要包括以下內(nèi)容：

1)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

建立初始路由樹：根據(jù)已有的節(jié)點(diǎn)的鄰居信息以及相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的電量信息構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2)路由結(jié)構(gòu)處理

路由結(jié)構(gòu)處理是整個系統(tǒng)處理過程的重要部分，為后續(xù)的并行調(diào)用算法提供了基本問題實(shí)例，主要包含以下處理過程：找環(huán)和拆環(huán)。

找環(huán)：這里主要是讀入一個路由結(jié)構(gòu)圖后從一個節(jié)點(diǎn)出發(fā)找到一條再回到出發(fā)節(jié)點(diǎn)的一個環(huán)，出發(fā)節(jié)點(diǎn)不能為匯聚節(jié)點(diǎn)，將找到的環(huán)的邊存放起來，以用來下一步拆環(huán)。

拆環(huán)：為了將問題拆分來多線程運(yùn)行，需要將問題分解成多個子問題，由多線程運(yùn)行完后再匯聚成整個問題的解。因此對原問題進(jìn)行破圈處理從而獲得多個子問題，拆環(huán)的步驟是逐條考慮找環(huán)步驟中存放的邊然后依次刪除，但每次刪除不同的邊，最后生成與環(huán)的邊數(shù)相同數(shù)量的子問題。每次刪邊時上次刪的邊要加進(jìn)去，然后考慮下一條邊。

3)多線程調(diào)用算法計算

在完成對路由結(jié)構(gòu)處理之后，需要創(chuàng)建與子問題數(shù)量相同的線程數(shù)，每個線程運(yùn)行一個子問題，這里主要包含以下幾個部分：1、多線程的創(chuàng)建；2、方法參數(shù)的傳遞；3、運(yùn)行算法記錄結(jié)果。多線程的創(chuàng)建需要根據(jù)前面拆分的子問題進(jìn)行創(chuàng)建，相應(yīng)每個子問題用一個線程運(yùn)行；然后每個子問題即路由結(jié)構(gòu)圖作為參數(shù)傳遞到線程中；最后根據(jù)算法運(yùn)行分為兩種情況：一是在規(guī)定時間內(nèi)多線程運(yùn)行完畢，完成了對問題的求解，則對輸出的生命期進(jìn)行對比取出最大的生命期作為最佳生命期記錄下來；二是在規(guī)定時間內(nèi)多個線程沒有全部完成運(yùn)行，則將還存活的線程殺死并記錄超時，運(yùn)行失敗。

4)路由分發(fā)

利用步驟1)所建立的路由樹，將步驟3)中求解得到的路由結(jié)構(gòu)分發(fā)給對應(yīng)節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)在收到信息后，更新自己的父節(jié)點(diǎn)。此時，路由結(jié)構(gòu)建立完成。

[有益效果]：本發(fā)明使用多核處理器并行計算最優(yōu)的路由結(jié)構(gòu)，相較于以往的單線程運(yùn)行算法，能夠充分利用現(xiàn)代計算機(jī)的硬件資源，極大降低程序運(yùn)行時間。

附圖說明

圖1為多線程運(yùn)行流程圖；

圖2為調(diào)用算法的流程圖；

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)例對本發(fā)明做具體的介紹。

如附圖1所示，本發(fā)明為一種基于多核處理器的傳感網(wǎng)路由結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，分為四個階段，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、路由結(jié)構(gòu)處理、多線程調(diào)用算法求解、路由分發(fā)。

1.網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

此步驟的目的是根據(jù)已有傳感器節(jié)點(diǎn)的電量信息和連通性信息建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，以供后續(xù)步驟使用。本發(fā)明中所指的匯聚節(jié)點(diǎn)是一臺連著傳感器節(jié)點(diǎn)的計算機(jī)，傳感器節(jié)點(diǎn)將從無線天線收集的數(shù)據(jù)通過usb連接線發(fā)送給計算機(jī)，由計算機(jī)執(zhí)行計算任務(wù)，并將決策通過usb連接線回傳給傳感器，由傳感器通過無線天線發(fā)布給傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2.路由結(jié)構(gòu)處理

路由結(jié)構(gòu)的處理主要是通過找環(huán)和破環(huán)的方式對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分，獲得一定數(shù)量的子問題，以供多個線程運(yùn)行。找環(huán)主要是從給定節(jié)點(diǎn)出發(fā)廣度遍歷的找出再次回到此節(jié)點(diǎn)的環(huán)，并通過每次刪除環(huán)中一條邊獲得一個子圖，所以相應(yīng)環(huán)中有幾條邊就會拆成相應(yīng)多的子圖。通過迭代的方式，重復(fù)此步驟直到生成相應(yīng)多的子圖。具體分為以下四步：

2.1將從匯聚節(jié)點(diǎn)至鄰居節(jié)點(diǎn)間的有向邊刪除，將得到的圖設(shè)置為當(dāng)前問題的圖。因?yàn)閰R聚節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)的最佳策略是將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，而不是通過其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，所以刪除這些構(gòu)建路由樹時無用的邊。初始化子問題集合為空。

2.2對當(dāng)前問題，任選一個節(jié)點(diǎn)，從其出發(fā)進(jìn)行廣度優(yōu)先遍歷，找出一個由此節(jié)點(diǎn)出發(fā)再回到此節(jié)點(diǎn)的最小環(huán)。

2.3逐條考慮最小環(huán)中的邊，每次刪除一條邊，將得到的網(wǎng)絡(luò)圖構(gòu)建一個子問題，輸出到子問題集合中。將刪除的邊加回到網(wǎng)絡(luò)中，考慮最小環(huán)的下一條邊。

2.4如果子問題集合中的問題個數(shù)小于需要的問題數(shù)量，則從中選擇一個子問題，將其從子問題集合中刪除，將其設(shè)置為當(dāng)前問題，跳轉(zhuǎn)至步驟2.2。否則，執(zhí)行步驟3.

3.多線程調(diào)用算法求解

3.1對于步驟2得到的子問題集合，創(chuàng)建多線程，線程的數(shù)量等于子問題數(shù)量。每個線程調(diào)用任何一個已有算法去求解一個子問題。子問題作為參數(shù)傳進(jìn)線程中，一個線程對應(yīng)一個子問題。例如，對某個子問題，可采用建立單一的整數(shù)線性規(guī)劃問題如下：

minxt(1)

subjectto

σj|ij∈dxij＝1，foralli∈v\{0}(2)

σj|ij∈dyij＝σj|ij∈dyji+di，foralli∈v\{0}(3)

σj|ij∈dyij≥0，σj|ij∈dxij∈{0，1}，foralli，j∈v(4)

σj|ij∈dxij≤σj|ij∈dyij≤(ei*t+rx)/(rx+tx)，foralli，j∈v\{0}(5)

其中xij為待求解的未知0-1整型變量，表示i的父節(jié)點(diǎn)是否為j；符號d、v、n、di、ei、rx、tx已知，分別表示子網(wǎng)絡(luò)的有向邊集合、子網(wǎng)絡(luò)的頂點(diǎn)集合、整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量、非根節(jié)點(diǎn)i在其他子網(wǎng)絡(luò)中作為根節(jié)點(diǎn)時的子孫個數(shù)加1、節(jié)點(diǎn)i的剩余電量、接收一個數(shù)據(jù)包消耗的能量、發(fā)送一個數(shù)據(jù)包消耗的能量。t為子網(wǎng)絡(luò)的生存時間的倒數(shù)，yij表示從i發(fā)到j(luò)的數(shù)據(jù)包的個數(shù)。

之后采用整數(shù)線性規(guī)劃求解工具對其求解。

3.2在規(guī)定時間內(nèi)等待多線程運(yùn)行結(jié)束，如果在規(guī)定時間內(nèi)有線程未運(yùn)行結(jié)束，則停止當(dāng)前正在運(yùn)行的所有線程，并記錄結(jié)果為超時，標(biāo)記本次計算為失敗，終止計算；如果所有線程在規(guī)定時間內(nèi)都運(yùn)行完畢，獲取每個線程求得的生命期，比較取出最大值作為此路由結(jié)構(gòu)的最大生命期。

4.分發(fā)路由

如果步驟3執(zhí)行成功，則分發(fā)最優(yōu)路由結(jié)構(gòu)到網(wǎng)絡(luò)中。每個節(jié)點(diǎn)在收到信息后，更新白己的父節(jié)點(diǎn)，此時路由結(jié)構(gòu)建立成功。

實(shí)施案例

本發(fā)明的效果可以用以下仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說明。傳感器網(wǎng)絡(luò)包含41個節(jié)點(diǎn)，其中1個節(jié)點(diǎn)為匯聚節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間的連接邊按如下方式隨機(jī)生成：節(jié)點(diǎn)均勻分布在100×100的正方形區(qū)域內(nèi)，兩個節(jié)點(diǎn)間的距離不超過20時可以通信。節(jié)點(diǎn)剩余能量均勻分布在1～10j內(nèi)，接受和發(fā)送一個數(shù)據(jù)包消耗的能量分別為3.33×10^-4j和6.66×10^-4j。隨機(jī)生成50個網(wǎng)絡(luò)實(shí)例，對比本發(fā)明與現(xiàn)有的方案，當(dāng)時間限定為10分鐘時，在隨機(jī)產(chǎn)生的50個網(wǎng)絡(luò)中，由單線程方法未解決的14個網(wǎng)絡(luò)中，本發(fā)明可以解決其中的4個網(wǎng)絡(luò)，且耗時均在三分鐘內(nèi)。