基于剩余能量感知的分布式容錯(cuò)拓?fù)淇刂品椒?

專(zhuān)利名稱(chēng)：基于剩余能量感知的分布式容錯(cuò)拓?fù)淇刂品椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)線通信領(lǐng)域，特別涉及一種構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法，可用于AdHoc網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種充滿發(fā)展?jié)摿Φ臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，該網(wǎng)絡(luò)具有的自組織、自配置、自適應(yīng)以及自愈能力使之能夠靈活地用于各種無(wú)固定通信基礎(chǔ)設(shè)施支撐的環(huán)境。在影響Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)性能的眾多因素之中，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是不可忽視的一個(gè)重要方面，因此如何優(yōu)化Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜蒎e(cuò)能力并為上層通信協(xié)議提供良好的底層拓?fù)渲问峭負(fù)淇刂萍夹g(shù)研究的重點(diǎn)。目前，為了提高網(wǎng)絡(luò)能量使用的有效性，研究者已經(jīng)提出了許多拓?fù)淇刂扑惴?。按照?yōu)化目標(biāo)的不同，這些算法大致可以分為兩大類(lèi):一類(lèi)是以最小化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功耗為優(yōu)化目標(biāo)的拓?fù)淇刂扑惴ǎ硪活?lèi)是以最大化端到端路徑上的能量有效性為優(yōu)化目標(biāo)的拓?fù)淇刂扑惴?。在保證網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有某些基本特性，如網(wǎng)絡(luò)連通性，鄰節(jié)點(diǎn)度數(shù)有限等的基礎(chǔ)上，第一類(lèi)算法主要是尋找能夠使節(jié)點(diǎn)功率消耗達(dá)到最小的拓?fù)錁?gòu)建方案，其典型代表有 R.Wattenhofer 等作者在 IEEE INFOCOM 2001 上發(fā)表的文章 “Distributed topologycontrol for power efficient operation in multihop wireless ad hoc networks”中提到的 CBTC ( a )算法，以及N.Li 等作者在 IEEE Transactions on Wireless Communications上發(fā)表的文章 “Design and Analysis of an MST-Based Topology Control Algorithm，，提到的LMST算法等；第二類(lèi)拓?fù)淇刂扑惴ǖ暮诵乃枷朐谟跇?gòu)建端到端最小能量路徑的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而為分組路由過(guò)程中路徑的選擇提供良好的底層拓?fù)渲危瑢儆谶@一類(lèi)的算法主要有 V.Rodoplu 等作者在 IEEE Journal on Selected Areas in Communications上發(fā)表的文章 “Minimum energy mobile wireless networks” 中提到的 R&M 算法，以及 Y.Shen 等作者在 ACM SIGCOMM Computer Communication Review 上發(fā)表的文章 “Ashortest-path-based topology control algorithm in wireless multihop networks，，中提到的LSP算法等?？偠灾?，無(wú)論兩類(lèi)算法在能效優(yōu)化目標(biāo)和設(shè)計(jì)思路方面存在何種差異，它們的最終目標(biāo)都是希望能夠盡可能地降低節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期。但實(shí)際上，在上述算法中，雖然減小了每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸功率，但由于沒(méi)有考慮到各個(gè)節(jié)點(diǎn)剩余能量的變化和能量損耗的速率，只生成靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌荒芷胶夤?jié)點(diǎn)間的剩余能量，導(dǎo)致不能最大限度地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期，即網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始工作到有一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間。由于不同節(jié)點(diǎn)大多以不同的速率消耗能量，這種能量消耗的不平衡會(huì)導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)很快耗盡了自身的能量，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)生存期縮短。為了解決這樣的問(wèn)題，有人提出了考慮節(jié)點(diǎn)能量的拓?fù)淇刂扑惴?，如田野等作者在IEEE GL0BEC0M上發(fā)表的文章“Energy-aware DynamicTopology Control Algorithm” 中提到的 EDTC 算法、X.Chu 等作者在 IEEE INF0C0M 上發(fā)表的文章 “Cooperative Topology Control with Adaptation for Improved Lifetimein Wireless Ad Hoc Networks” 中提到的 CTCA 算法和 T.Chakraborty 等作者在 IEEEGLOBECOM上發(fā)表的文章“Load and Energy Aware Topology Control in Wireless Ad-hocNetworks”中提到的LEATC算法。上述這些算法雖然考慮了節(jié)點(diǎn)間剩余能量的平衡，但構(gòu)建的拓?fù)涫窒∈?，容易造成網(wǎng)絡(luò)分割。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，提出一種基于剩余能量感知的分布式容錯(cuò)拓?fù)淇刂品椒?，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期，增加網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒òㄈ缦虏襟E:(I)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)u發(fā)送自己的HELLO包，并接收初始鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送的HELLO包，該HELLO包中包括節(jié)點(diǎn)的ID序列號(hào)、剩余能量信息以及位置信息；(2)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)u構(gòu)建自己的局部拓?fù)渥訄DGu:(2a)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)u根據(jù)接收到的初始鄰節(jié)點(diǎn)的HELLO包信息，確定自己與初始鄰節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系 ，以及這些初始鄰節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系，建立局部拓?fù)渥訄DGu ；(2b)根據(jù)局部拓?fù)渥訄D，每個(gè)節(jié)點(diǎn)u計(jì)算局部拓?fù)渥訄D中任意兩個(gè)有連接關(guān)系的
節(jié)點(diǎn)X，y之間的鏈路代價(jià)權(quán)重w(x，>.)及距離權(quán)重M>d(x,y)；(3)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)u構(gòu)建局部k連通生成子圖Su= (V(Su)1E(Su)):(3a)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)u將局部k連通生成子圖Su的節(jié)點(diǎn)集合V(Su)初始化成局部拓?fù)渥訄D中所有節(jié)點(diǎn)，將局部k連通生成子圖Su的邊集合E (Su)初始化成空集；(3b)基于局部拓?fù)渥訄D，每個(gè)節(jié)點(diǎn)u根據(jù)鏈路代價(jià)權(quán)重JO ,構(gòu)建以u(píng)為根，遍
及局部拓?fù)渥訄D中所有節(jié)點(diǎn)的最短路徑樹(shù)Tu = (V (Tu)，E (Tu))，其中V (Tu) = V (Gu)為局部拓?fù)渥訄D中所有節(jié)點(diǎn)，E(Tu)為構(gòu)成最短路徑樹(shù)的所有有向邊；(3c)把最短路徑樹(shù)Tu中的所有有向邊E(Tu)全部添加到局部k連通生成子圖Su中，即E (Su) = E (Su) U E (Tu)，U表示兩個(gè)集合的并；(3d)對(duì)局部拓?fù)渥訄D中的所有向邊按距離權(quán)重大小進(jìn)行排序，獲得有序的邊序列E' (Gu)；(3e)遍歷E' (Gu)中的每條有向邊(x, y),若(U)茫)，判斷節(jié)點(diǎn)x，y在Su中是否達(dá)到k連通:若Su中X，y沒(méi)有達(dá)到k連通，則把(X，y)添加到E (Su)中，即(x，y) e E (Su)，然后開(kāi)始遍歷下一條邊，直至遍歷完E' (Gu)中的全部有向邊；若Su中X，y已達(dá)到k連通，則直接遍歷下一條邊，直至遍歷完E' (Gu)中的全部有向邊；(3f )每個(gè)節(jié)點(diǎn)u將局部k連通生成子圖Su上的一跳鄰節(jié)點(diǎn)V作為邏輯鄰節(jié)點(diǎn)，并構(gòu)成邏輯鄰節(jié)點(diǎn)集:LNU = {v e V (Su) I (u, V) e E (Su)}；(4)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)u確定自己的發(fā)射功率，即將發(fā)射功率調(diào)整為能夠覆蓋到局部k連通生成子圖中最遠(yuǎn)的邏輯鄰節(jié)點(diǎn)所需要的最小功率Λ、,' = max U)".'' I V G LNi:!;(5)每個(gè)節(jié)點(diǎn)u檢查在其發(fā)射功率所對(duì)應(yīng)的傳輸半徑范圍內(nèi)是否存在非邏輯鄰節(jié)點(diǎn)Z:若存在非邏輯鄰節(jié)點(diǎn)Z,則把節(jié)點(diǎn)u到該節(jié)點(diǎn)Z的鏈路添加到局部k連通生成子圖Su中；若不存在非邏輯鄰節(jié)點(diǎn)z，則保持原局部k連通生成子圖Su不變；(6)將網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)以及每個(gè)節(jié)點(diǎn)與自己的邏輯鄰節(jié)點(diǎn)間的鏈路組合起來(lái)，構(gòu)成最終的全網(wǎng)拓?fù)?，即G = (V(G)，E(G))，其中V(G)為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)，E(G)={(u, V) I u e V (G)，V e LNj ；(7)在經(jīng)過(guò)一個(gè)拓?fù)涓轮芷赥的時(shí)間后，開(kāi)始重新執(zhí)行上述步驟I 步驟6。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):I)本發(fā)明由于引入了綜合反映節(jié)點(diǎn)能量消耗速度及剩余能量?jī)煞矫嬉蛩氐逆溌反鷥r(jià)函數(shù)，并通過(guò)周期性地動(dòng)態(tài)調(diào)整拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得本發(fā)明方法能顯著地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間；2)本發(fā)明由于在保證端到端最小代價(jià)路徑的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了 k連通的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)魯棒性，提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)能力。


圖1為本發(fā)明適用的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景示意圖；圖2為50節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景時(shí)形成的最大功率拓?fù)?；圖3為本發(fā)明的流程圖；圖4為本發(fā)明構(gòu)建局部k連通生成子圖的子流程圖；圖5為本發(fā)明中節(jié)點(diǎn)u構(gòu)建局部k連通生成子圖的示例圖；圖6為本發(fā)明中節(jié)點(diǎn)u調(diào)整局部k連通生成子圖的示例圖；圖7為本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)生存期關(guān)于節(jié)點(diǎn)數(shù)的仿真圖；圖8為在相同連通度時(shí)本發(fā)明與其他拓?fù)淇刂扑惴ǖ姆抡鎸?duì)比圖；圖9為在不同連通度時(shí)本發(fā)明與其他拓?fù)淇刂扑惴ǖ姆抡鎸?duì)比圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式做進(jìn)一步詳細(xì)描述。參照?qǐng)D1，本發(fā)明使用的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)由η個(gè)分布在二維平面區(qū)域內(nèi)的同質(zhì)節(jié)點(diǎn)組成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有唯一的ID序列號(hào)和相同的初始能量ε，并可以通過(guò)GPS或是其他定位技術(shù)來(lái)獲取它自身的位置信息，除此之外各個(gè)節(jié)點(diǎn)在物理結(jié)構(gòu)、初始設(shè)置、功能特性、參數(shù)指標(biāo)等方面不存在任何差異。在網(wǎng)絡(luò)中，任意節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線信道為加性高斯白噪聲信道。節(jié)點(diǎn)通過(guò)全向天線與周?chē)?jié)點(diǎn)通信，最大發(fā)射功率均為Pmax。任意節(jié)點(diǎn)u的發(fā)射功率Pu可以在最小和最大之間連續(xù)調(diào)節(jié)，即O < Pu < Pmax0傳輸半徑r為對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的傳輸距離，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在無(wú)線鏈路的充要條件為它們之間的歐式距離小于或等于節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑r。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)均使用最大功率傳輸時(shí)形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為最大功率拓?fù)?，如圖2所示，最大功率拓?fù)浔硎緸?Gmax = (V(Gmax)，E(Gmax)),其中V(Gmax)為節(jié)點(diǎn)集合，表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，E(Gmax)為邊集合，表示節(jié)點(diǎn)間存在的無(wú)線鏈路。參照?qǐng)D3，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟如下:步驟1，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)u發(fā)送自己的HELLO包，并接收初始鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送的HELLO包。位于節(jié)點(diǎn)u的傳輸半徑范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)，組成節(jié)點(diǎn)u的初始鄰節(jié)點(diǎn)集VNu =VNu ={v e V (Gmax) I (u, V) e E (Gmax)}；網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)u以最大發(fā)射功率Pmax向u的初始鄰節(jié)點(diǎn)廣播一次HELLO包，HELLO包中含有節(jié)點(diǎn)u的ID序列號(hào)、節(jié)點(diǎn)u的剩余能量信息以及節(jié)點(diǎn)u的位置信息；網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)u接收其初始鄰節(jié)點(diǎn)以最大發(fā)射功率Pmax廣播的HELLO包。步驟2，每個(gè)節(jié)點(diǎn)u構(gòu)建自己的局部拓?fù)渥訄DGu。(2a)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)u根據(jù)接收到的初始鄰節(jié)點(diǎn)的HELLO包信息，獲取并記錄自己所有初始鄰節(jié)點(diǎn)V的ID序列號(hào)、剩余能量信息以及位置信息，其中V e VNu ;(2b)每個(gè)節(jié)點(diǎn)u根據(jù)自己的位置信息以及初始鄰節(jié)點(diǎn)的位置信息，計(jì)算任意兩個(gè)初始鄰節(jié)點(diǎn)i,夕之間直接傳輸所需要的最小發(fā)射功率％:Pxj- =其中，毛j}eFiVa，β為接收信噪比門(mén)限值，根據(jù)接收機(jī)的靈敏度和誤碼率要求確定，當(dāng)信號(hào)接收信噪比SNR大于門(mén)限值β時(shí)該信號(hào)可被正確接收，α為路徑損耗因子，是初始鄰節(jié)點(diǎn)ii’之間的歐式距離；(2c)根據(jù)計(jì)算的最小發(fā)射功率,判斷初始鄰節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系,若P小于節(jié)點(diǎn)的最大發(fā)射功率Pniax，則確定初始鄰節(jié)點(diǎn)X Z間存在連接關(guān)系；否則，初始鄰節(jié)點(diǎn)之間不存在連接關(guān)系；(2d)每個(gè)節(jié)點(diǎn)u根據(jù)初始鄰節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系，建立局部拓?fù)渥訄DGu = (V(Gu)，E(Gu))，其中局部拓?fù)渥訄DGu的節(jié)點(diǎn)集合為V(Gu) = VNu U {u}，{u}表示節(jié)點(diǎn)u組成的集合，U表示兩個(gè)集合的并，局部拓?fù)渥訄DGu的邊集合為:E (G11 ) = {(x , V) \x,yeV (G11), < Fmax}，即對(duì)于V(Gu)中的任意兩個(gè)初始鄰節(jié)點(diǎn)i, V ,當(dāng)(2e)根據(jù)局部拓?fù)渥訄D，每個(gè)節(jié)點(diǎn)u計(jì)算任意兩個(gè)有連接關(guān)系的節(jié)點(diǎn)x，y之間的鏈路代價(jià)權(quán)重w(x，7):
=)^+(/V-0v'(—Γ
S1,其中，x, y e VNu U {u}, Px y為任意兩個(gè)有連接關(guān)系的節(jié)點(diǎn)x, y之間直接傳輸所需要的最小發(fā)送功率，P/為節(jié)點(diǎn)y在接收信號(hào)時(shí)消耗的功率，t為分組傳輸時(shí)間，ε為所有節(jié)點(diǎn)的初始能量值，εχ'、ε /分別為任意兩個(gè)有連接關(guān)系的節(jié)點(diǎn)x、y當(dāng)前的剩余能量值，X1和X2為非負(fù)的權(quán)重因子，且X1 Φ X2,由此可以看出，無(wú)線鏈路的代價(jià)不具有對(duì)稱(chēng)性，即 ；(2f)根據(jù)上述歐式距離和節(jié)點(diǎn)ID序列號(hào)，節(jié)點(diǎn)u計(jì)算任意兩個(gè)有連接關(guān)系的節(jié)點(diǎn)X，y之間的距離權(quán)重wrf(u.):巧(X.V) = (dx t ； id(x), /(:/(>)) 其中，X, y e VNu U {u}，dx，y是任意兩個(gè)有連接關(guān)系的節(jié)點(diǎn)x，y之間的歐氏距離。步驟3，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)u構(gòu)建局部k連通生成子圖Su = (V (Su)，E(Su))，并確定自己的邏輯鄰節(jié)點(diǎn)。具體流程如圖4所示:
(3a)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)u將局部k連通生成子圖Su的節(jié)點(diǎn)集合V(Su)初始化成局部拓?fù)渥訄D中所有節(jié)點(diǎn)，將局部k連通生成子圖Su的邊集合E(Su)初始化成空集；這里的k連通包括k邊連通和k點(diǎn)連通，k邊連通是指在網(wǎng)絡(luò)中任意去掉k-Ι條邊后，網(wǎng)絡(luò)仍然連通，k點(diǎn)連通是指在網(wǎng)絡(luò)中任意去掉k-Ι點(diǎn)邊后，網(wǎng)絡(luò)仍然連通，本實(shí)例以k邊連通為例進(jìn)行說(shuō)明；(3b)基于局部拓?fù)渥訄DGu，以鏈路代價(jià)權(quán)重為鏈路權(quán)重，節(jié)點(diǎn)u通過(guò)使用Dijkstra算法或Bellman-Ford算法,構(gòu)建以u(píng)為根,遍及V(Gu)中所有節(jié)點(diǎn)的最短路徑樹(shù)Tu= (V(Tu) ,E(Tu))，其中V(Tu) =V(Gu)為局部拓?fù)渥訄D中所有節(jié)點(diǎn)，E(Tu)為構(gòu)成最短路徑樹(shù)的所有有向邊，從而在局部范圍內(nèi)獲得到達(dá)局部拓?fù)渥訄D中任意節(jié)點(diǎn)的最短路徑；(3c)把最短路徑樹(shù)Tu中的有向邊全部添加到局部k連通生成子圖Su中，即五認(rèn))0￡(足)11￡'(2；)，<^表示賦值，U表示兩個(gè)集合的并；(3d)對(duì)局部拓?fù)渥訄DE(Gu)中的有向邊按距離權(quán)重大小進(jìn)行排序，獲得有序的邊序列 E' (Gu)；(3dl)比較局部拓?fù)渥訄DE(Gu)中任意兩個(gè)有向邊(x, y)和(xQ，yQ)的距離權(quán)重
按照距離權(quán)重中的每一項(xiàng)依次進(jìn)行比較，先比較兩個(gè)有向邊的距離dx，y和，如果距離相等則比較兩個(gè)有向邊頭節(jié)點(diǎn)的ID序列號(hào)id(x)和id (Xtl)，如果還相等則比較兩個(gè)有向邊尾節(jié)點(diǎn)的ID序列號(hào)id(y)和icKyJ ,比較規(guī)則如下:
權(quán)利要求
1.一種基于剩余能量感知的分布式容錯(cuò)拓?fù)淇刂品椒?，包括如下步驟: (1)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)u發(fā)送自己的HELLO包，并接收初始鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送的HELLO包，該HELLO包中包括節(jié)點(diǎn)的ID序列號(hào)、剩余能量信息以及位置信息； (2)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)u構(gòu)建自己的局部拓?fù)渥訄DGu: (2a)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)u根據(jù)接收到的初始鄰節(jié)點(diǎn)的HELLO包信息，確定自己與初始鄰節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系，以及這些初始鄰節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系，建立局部拓?fù)渥訄DGu ； (2b)根據(jù)局部拓?fù)渥訄D，每個(gè)節(jié)點(diǎn)u計(jì)算局部拓?fù)渥訄D中任意兩個(gè)有連接關(guān)系的節(jié)點(diǎn)X，y之間的鏈路代價(jià)權(quán)重w(x, y) z及距離權(quán)重Wd (x, y)。
(3)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)u構(gòu)建局部k連通生成子圖Su= (V(Su)，E(Su)): (3a)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)u將局部k連通生成子圖Su的節(jié)點(diǎn)集合V(Su)初始化成局部拓?fù)渥訄D中所有節(jié)點(diǎn)，將局部k連通生成子圖Su的邊集合E(Su)初始化成空集； (3b)基于局部拓?fù)渥訄D，每個(gè)節(jié)點(diǎn)u根據(jù)鏈路代價(jià)權(quán)重:(x,J;)，構(gòu)建以u(píng)為根，遍及局部拓?fù)渥訄D中所有節(jié)點(diǎn)的最短路徑樹(shù)Tu = (V (Tu)，E (Tu))，其中V (Tu) = V (Gu)為局部拓?fù)渥訄D中所有節(jié)點(diǎn)，E(Tu)為構(gòu)成最短路徑樹(shù)的所有有向邊； (3c)把最短路徑樹(shù)Tu中的所有有向邊E(Tu)全部添加到局部k連通生成子圖Su中，SP以O(shè) <= U)表示賦值，U表示兩個(gè)集合的并； (3d)對(duì)局部拓?fù)渥訄D中的所有向邊按距離權(quán)重大小進(jìn)行排序，獲得有序的邊序列E' (Gu)； (3e)遍歷E' (Gu)中的每條有向邊(X，y),若(Λ j) €E(Stl)，判斷節(jié)點(diǎn)x，y在Su中是否達(dá)到k連通:若Su中X，y沒(méi)有達(dá)到k連通,則把(X，y)添加到E (Su)中，即(x, y) e E (Su)，然后開(kāi)始遍歷下一條邊，直至遍歷完E' (Gu)中的全部有向邊；若Su中X，y已達(dá)到k連通，則直接遍歷下一條邊，直至遍歷完E' (Gu)中的全部有向邊； (3f )每個(gè)節(jié)點(diǎn)u將局部k連通生成子圖Su上的一跳鄰節(jié)點(diǎn)V作為邏輯鄰節(jié)點(diǎn)，并構(gòu)成邏輯鄰節(jié)點(diǎn)集:LNU = {v e V (Su) I (u, V) e E (Su)}； (4)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)u確定自己的發(fā)射功率，即將發(fā)射功率調(diào)整為能夠覆蓋到局部k連通生成子圖Su中最遠(yuǎn)的邏輯鄰節(jié)點(diǎn)所需要的最小功率ΛΝμ =max{pllv IveZJVJ ； (5)每個(gè)節(jié)點(diǎn)u檢查在其發(fā)射功率所對(duì)應(yīng)的傳輸半徑范圍內(nèi)是否存在非邏輯鄰節(jié)點(diǎn)z:若存在非邏輯鄰節(jié)點(diǎn)Z,則把節(jié)點(diǎn)u到該節(jié)點(diǎn)Z的鏈路添加到局部k連通生成子圖Su中；若不存在非邏輯鄰節(jié)點(diǎn)z，則保持原局部k連通生成子圖Su不變； (6)將網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)以及每個(gè)節(jié)點(diǎn)與自己的邏輯鄰節(jié)點(diǎn)間的鏈路組合起來(lái)，構(gòu)成最終的全網(wǎng)拓?fù)?，即G = (V(G)，E(G))，其中V(G)為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)，E(G)={(u, V) I u e V (G)，V e LNj ； (7)在經(jīng)過(guò)一個(gè)拓?fù)涓轮芷赥的時(shí)間后，開(kāi)始重新執(zhí)行上述步驟I 步驟6。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式容錯(cuò)拓?fù)淇刂品椒?，其中步驟(I)所述的網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)u發(fā)送自己的HELLO包，是指網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)U，以最大發(fā)射功率Pmax向位于距離自己傳輸半徑范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)廣播一次HELLO包。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式容錯(cuò)拓?fù)淇刂品椒?，其中步驟(I)所述的接收初始鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送的HELLO包，是指網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)u接收其初始鄰節(jié)點(diǎn)以最大發(fā)射功率Pmax廣播的HELLO包。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式容錯(cuò)拓?fù)淇刂品椒ǎ渲胁襟E(2a)所述的確定自己與初始鄰節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系，以及這些初始鄰節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系，建立局部拓?fù)渥訄DGu，按如下步驟進(jìn)行: (2al)每個(gè)節(jié)點(diǎn)u根據(jù)接收到的初始鄰節(jié)點(diǎn)的HELLO包信息，獲取并記錄發(fā)送該HELLO包的節(jié)點(diǎn)的ID序列號(hào)、剩余能量信息以及位置信息，根據(jù)記錄的節(jié)點(diǎn)的ID序列號(hào)確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)u與初始鄰節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系，這些初始鄰節(jié)點(diǎn)組成該節(jié)點(diǎn)的初始鄰節(jié)點(diǎn)集VNu ； (2a2)每個(gè)節(jié)點(diǎn)u根據(jù)自己的位置信息以及初始鄰節(jié)點(diǎn)的位置信息，計(jì)算任意兩個(gè)初始鄰節(jié)點(diǎn)間直接傳輸所需要的最小發(fā)射功率iI1: Pij = A 八'J 其中，AfeWVl,，β為接收信噪比門(mén)限值，根據(jù)接收機(jī)的靈敏度和誤碼率要求確定，α為路徑損耗因子，冬 是初始鄰節(jié)點(diǎn)S、夕間的歐式距離，若盡 小于節(jié)點(diǎn)的最大發(fā)射功率Pmax 則確定初始鄰節(jié)點(diǎn)無(wú)夕間存在連接關(guān)系，否則，初始鄰節(jié)點(diǎn)足夕間不存在連接關(guān)系； (2a3 )每個(gè)節(jié)點(diǎn)u根據(jù)初始鄰節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系，建立局部拓?fù)渥訄DGu =(V (Gu)，E (Gu))，其中局部拓?fù)渥訄DGu的節(jié)點(diǎn)集合為V (Gu) = VNu U {u}，{u}表示節(jié)點(diǎn)u組成的集合，局部拓?fù)渥訄DGu的邊集合為:E(Gu) 二 {(iJO I e V{GU\P,., < PmJ。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式容錯(cuò)拓?fù)淇刂品椒?，其中所述步驟(2b)中的任意兩個(gè)有連接關(guān)系的節(jié)點(diǎn)(x，y)間的鏈路代價(jià)權(quán)重&^),通過(guò)如下公式計(jì)算:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式容錯(cuò)拓?fù)淇刂品椒?，其中所述步驟(2b)中的任意兩節(jié)點(diǎn)(X，y)間的距離權(quán)重，通過(guò)如下公式計(jì)算:.其中，dx；y為節(jié)點(diǎn)間的歐式距離，id (X)、id(y)分別為節(jié)點(diǎn)x和節(jié)點(diǎn)y的ID序列號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式容錯(cuò)拓?fù)淇刂品椒?，其中所述步驟(3a)中的k連通采用k邊連通，即在網(wǎng)絡(luò)中任意去掉k-Ι條邊后，網(wǎng)絡(luò)仍然是連通的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式容錯(cuò)拓?fù)淇刂品椒ǎ渲兴霾襟E(3a)中的k連通采用k點(diǎn)連通，即在網(wǎng)絡(luò)中任意去掉k-Ι個(gè)點(diǎn)后，網(wǎng)絡(luò)仍然是連通的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式容錯(cuò)拓?fù)淇刂品椒ǎ渲兴霾襟E(3b)中的最短路徑樹(shù)通過(guò)使用Dijkstra算法或Bellman-Ford算法構(gòu)建。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于剩余能量感知的分布式容錯(cuò)拓?fù)淇刂品椒?，主要解決現(xiàn)有技術(shù)中不能同時(shí)保證節(jié)點(diǎn)間剩余能量平衡和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙蒎e(cuò)能力的問(wèn)題。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程為網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播自己的HELLO包并接收初始鄰節(jié)點(diǎn)的HELLO包，建立局部拓?fù)渥訄D；基于局部拓?fù)渥訄D，先根據(jù)鏈路代價(jià)權(quán)重，構(gòu)建最短路徑樹(shù)，再按距離權(quán)重從小到大遍歷所有有向邊，構(gòu)建局部k連通生成子圖；根據(jù)局部k連通生成子圖中的一跳鄰節(jié)點(diǎn)調(diào)整發(fā)射功率，并連接此發(fā)射功率范圍內(nèi)的非邏輯鄰節(jié)點(diǎn)；最后由網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)與其邏輯鄰節(jié)點(diǎn)間的鏈路構(gòu)成全網(wǎng)拓?fù)?；上述過(guò)程按拓?fù)涓轮芷赥重復(fù)執(zhí)行。本發(fā)明具有延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力的優(yōu)點(diǎn)，可用于無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號(hào)H04W84/18GK103200643SQ201310106208
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月28日
發(fā)明者王璽鈞, 盛敏, 劉夢(mèng)霞, 張琰, 翟道森, 李建東 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)