专利名称：无线网络拓扑控制方法
技术领域：
本发明涉及无线网络容错拓扑控制技术领域，尤其涉及一种基于D-区域容错性的无线网络拓扑控制方法。
背景技术：
节能和减小干扰始终是无线网络设计的核心问题，拓扑控制通过调节节点发射功率，使得网络具有给定性质的同时，尽量稀疏，是无线网络节能和减小干扰的重要手段。然而，稀疏的网络使得两点间冗余路径减少，甚至单个节点的失效就会导致网络分割，不能正常工作。而节点失效在无线网络中时有发生，其可能源于节点能量耗尽，遭受蓄意破坏以及自然灾害等。无线网络通常部署在无人值守的严酷环境下，及时更换失效节点不可行，所以无线网络拓扑本身应该具有容错性。现有的关于无线网络容错拓扑控制的讨论绝大多数基于图论的连通度，假设网络中将要失效的节点是独立的，不考虑节点的位置关系，网络中任意一个包含1到k个节点的节点集都假设会成为失效节点集，网络要对这些集合容错，这种假设与实际的无线网络失效场景不相符。在无线网络中，尤其在军事应用中，第一，失效的节点间可能是空间强相关的，这种空间相关性可能源于一个局域内的灾害，局域内的敌方蓄意攻击等，如敌方炸弹的袭击， 导致处于一个有限局域内的节点失效，而非任意一个节点组合都会同时失效，如连通度所定义；第二，区域内失效的节点会是大量的，为了容忍如此大量的节点失效，k的值会很高， 那么按照k+1-连通度构造出的网络会非常稠密，节点的传输半径和度值会很大，这样稠密的网络会增加路由开销且具有高的无线干扰，这与拓扑控制的初衷相悖。Sen提出区域连通度来度量无线网络的容错性。区域连通度是指，在网络的任意一个区域中，使得整个网络不连通所需移除的最小节点数，其中区域是指任意一个给定直径的圆域。跟据区域连通度的定义，一个网络如果具有k+Ι的区域连通度，那么在网络中任意一个区域中移除1到k个节点，网络仍然保持连通。相比于传统的k+Ι连通度的概念，区域连通度只把失效的节点限制在一个区域内，一个k+Ι连通的网络一定是一个k+1区域连通的网络，反之不成立。区域连通度虽然考虑了失效节点的空间相关性，在无线网络容错性应用中仍然存在不足。与连通度一样，区域连通度k是一个全网指标，对于任意一个受破坏区域，都要容忍k-1个节点失效。首先清楚预测k的值是不可能的，另外，相同面积的两个区域内的节点数会有差异，在一个节点密度大的区域，受破坏而失效的节点数可能会大，而在一个节点密度小的区域，受破坏失效的节点数可能就小。假设区域札是一个节点低密度区域，可能失效的节点数是k1;区域&是节点高密度区域，可能失效的节点数目是k2，则ki < < 1 。为了满足整体网络的容错性，区域连通度至少应该为1 ，根据区域连通度的定义，网络中的每个区域都要容忍至少1 个节点的失效，如果这种高密度的节点区域只是极少数，那么要求全网具有1 2+1的区域连通度的要求太严格，导致每个节点必须采用很高的发射功率来达到这个区域连通度，对于能量是一种浪费，同时带来过高的干扰。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是提供一种考虑了失效节点的空间相关性，能够容忍区域失效的无线网络拓扑控制方法。( 二 )技术方案为解决上述问题，本发明提供了一种无线网络拓扑控制方法，该方法包括步骤Si.获取网络中每个节点的可见邻居节点集合及其导出子图；S2.在所述导出子图中计算最小生成树，确定每个节点对应的邻居节点子集；S3.确定每个节点的所有局部D-区域，所述D-区域为任意直径为D的圆形区域；S4.在每一个局部D-区域所得的导出子图的余图中，计算最小生成树，得到对应的节点针对局部D-区域的邻居节点子集；S5.对于每个节点，对所述邻居节点子集以及所有所述对局部D-区域的邻居节点子集取并集，确定最终邻居节点集合；S6.根据所述最终邻居节点集合确定每个节点的传输半径；S7.根据所有节点的传输半径生成网络拓扑。优选地，在步骤Sl中，每个节点以其最大传输半径周期广播Hello消息，获取对应的可见邻居节点集合极其导出子图。优选地，所述导出子图的边权重为两端点之间的欧氏距离。优选地，在步骤S3中，使用I^rim算法或Kruskal算法计算最小生成树。优选地，在步骤S3中，每个节点的邻居节点子集为在对应的最小生成树上，节点的一跳邻居节点组成的集合。优选地，对于每一个局部D-区域，所述余图为所述导出子图中除去对应的局部 D-区域中所包含的节点及其相邻的边后的图。优选地，所述针对局部D-区域的邻居节点子集为对应的节点在所述余图的最小生成树上的一跳邻居节点组成的集合。优选地，在步骤S6中，所述每个节点的传输半径为其与对应的最终邻居节点集合中最远邻居节点的距离。优选地，所述距离为欧氏距离。(三)有益效果本发明的方法考虑了无线网络真实的失效场景，失效节点的空间相关性，假设节点以最大发射功率形成的网络具有D-区域容错性，且每个基本区域都至少包含在一个节点的最大传输半径内，利用本发明方法拓扑控制后的网络依然具有D-区域容错性。与其它拓扑控制方法相比，在具有相同的D-区域容错能力的条件下，利用本发明的方法能够进行有效地拓扑控制，生成的网络稀疏，传输半径小，在任意一个直径为D的圆形区域中节点全部失效后仍然保持连通，能够容忍大量的节点失效，可用于重大灾害或破坏频发的场景。
图1为失效场景示意图；图2为最大功率网络拓扑示意3为实施例的无线网络拓扑控制方法流程图；图4为实施例2中节点u的可见邻居节点集合NVu的示意图；图5为实施例2中节点u的可见邻居节点导出子图Gu示意图；图6为I-点和基本区域示意图；图7为实施例2中节点u的局部区域LI^.的示意图；图8为实施例2中余图G]u的示意图；图9节点u最终的邻居节点集合示意图；图10为实施例2的方法生成的最终拓扑示意图。
具体实施例方式本发明提出的无线网络拓扑控制方法，结合附图及实施例详细说明如下。本发明方法适用于含有大量节点的区域失效场景，利于实现，具有很好的应用前景。其首先提出一个新的刻画无线网络容错性的指标，即D-区域容错性。D-区域容错性是指当网络中位于任意一个直径为D的圆形区域的节点全部失效后，网络仍然保持连通。区别于连通度和区域连通度，在D-区域容错性的定义中，不给出具体失效的节点的数目，只要是在失效区域的节点，全部令其失效，因此不受节点空间分布的限制，节点发射功率能进一步降低。基于D-区域容错性，给出相应的拓扑控制方法，使其生成的网络具有D-区域容错性。本发明的目的是提出一种能够容忍区域失效的无线网络拓扑控制方法，以符合无线网络实际的失效场景，即失效的节点间具有空间相关性。如图1所示，节点集合{1，2，3} 更可能会同时失效，而{3，4，5}不太可能同时失效，以克服连通度和区域连通度刻画无线网络容错性带来的能耗过大和干扰过强的问题。本发明的方法，在最大功率网络(如图2所示，这样的网络边过于稠密，路由开销大、干扰严重)的基础上，通过删除一些边，然后调节节点的传输半径，调小节点的发射功率，使得生成的网络变稀疏，同时拓扑具有D-区域容错性，其中最大功率网络是每个节点都采用最大发射功率所形成的网络。D-区域容错性数学上的严谨定义为以无向图G= (V, E)代表网络，V是节点集，E是边集。R是平面上任意D-区域。令Fk = {u :u e V，u e R} 为R包含的节点集，在G中除去！^及与其相连的边，余图记为GK，如果对于任意D-区域R， Ge是连通的，则称图G具有D-区域容错性。实施例1如图3所示，本实施例的无线网络拓扑控制方法包括以下步骤Si.获取网络中每个节点的可见邻居节点集合及其导出子图。每个节点u用最大的传输半径周期广播Hello信息，得到自己的可见邻居的位置信息，进而得到相应的导出子图Gu，Gu的边权重可定义为两端点间的欧式距离。S2.在所述导出子图中计算最小生成树，确定每个节点对应的邻居节点子集。在节点u的邻居导出子图Gu中计算最小生成树7；° ,取节点u在树7；°上的一跳邻居节点作为u的一个邻居节点子集，记为。S3.确定每个节点的所有局部D-区域，找到节点u的所有局部D-区域LR1， LRg，· · ·，LRk，\ "ν K [ οS4.在每一个局部D-区域LI^，1彡j彡K，在u的可见邻居导出子图Gu中，除去 LRj中所包含的节点及相连的边，余图记为R ,在R中计算最小生成树Γ/ , u取7!/上的一跳邻居节点为它针对LI^的邻居节点子集，记为W。
KS5.对于每个节点，对-和所有m取并集，确定最终邻居节点集合= ，确
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定最终邻居节点集合。S6.根据最终邻居节点集合确定每个节点的传输半径ru，ru为其与Nu中最远邻居节点之间的距离，如欧式距离。S7.根据所有节点的传输半径生成网络拓扑。本发明提出的基于D-区域容错拓扑控制方法，在可见邻居集的基础上，每一个节点u选择逻辑邻居集，进而确定节点u的传输半径，最后生成的拓扑具有D-区域容错性。实施例2本实施例以一个具体实例说明本发明方法的具体实施过程。假设200个节点随机均勻分布于500 X 500的平面矩形区域，每个节点采用相同的最大传输半径dmax = 100，失效区域直径D = 50。图2是未经拓扑控制的最大功率网络，现在要减少每个节点的邻居数，同时保证生成的网络具有D-区域容错性。由于本方法是完全局部的，每个节点都执行相同的步骤，这里以节点u = 9为例进行描述，包括以下步骤(1)节点u = 9以最大传输半径发送Hello消息，得到可见邻居节点集合NVu = Iv :v e V,d(u, ν) ( dj，其中V是无线节点集，d(u，ν)是u和ν之间的欧式距离，如图4 所示，节点 U = 9 的可见邻居节点集合为{3，11，13，20，21，22，45，60，63，69，74，77，90，95， 99，102，109，115，117，118，121，130，131，144，146，194}。然后确定由可见邻居集 NVu 诱导的可见邻居导出子图Gu= (NVU，EU)，其中边集&= Ku，ν) :d(u,v)彡dmax，u，u e NVU}，如图5所示。节点u的可见邻居节点导出子图Gu的边权重为边的两端点间的欧式距离。(2)要保证网络在去掉任意一个直径为D的圆域中的所有节点后保持连通，先要在可见邻居导出子图Gu中建立最小生成树Γ ° ,可以用或者Kruskal算法计算最小生成树。取节点u在树上的一跳邻居节点组成节点u的一个逻辑邻居节点子集合，记为K。(3)节点u需要找到其所有的局部D-区域。D-区域是指任意直径为D的圆域。首先要找到u所覆盖的所有I-点。I-点是以无线节点为圆心，以D为直径的两个圆的交点。 圆心位于I-点的D-区域称为基本区域，如图6所示。以节点u为圆心，以最大传输半径 dmax为半径的圆域中，定义环形区域A = {χ :D/2 < d(u,x) ^ dmax-D/2}，那么圆心位于环形区域A中的基本区域就是节点u的局部D-区域。如果一个D-区域不是基本区域，那么至少有一个基本区域与它等价，即两者包含相同的节点集合。如果一个I-点位于环形区域A 中，则以此I-点为圆心的区域就是节点u的局部D-区域，如图7中的阴影圆域LI^.就是u 的一个局部D-区域。至此，节点u找到其所有局部D-区域LI^，LI 2，. . .，LRk,共K个。(4)对于任意一个局部D-区域LRj, 1彡j彡K，这里令LIij为图7中的阴影圆域，在节点u的可见邻居节点导出子图Gu中，除去LIij所包含的节点{21，194，144}及其相连的边，如图9所示，得到余图R ,然后在R中计算最小生成树Γ/ ,节点u取其在树71!/上的一跳邻居节点组成其针对局部D-区域LI^.计算而得的逻辑邻居节点子集，记为化。(5)将针对所有局部D-区域计算得到的逻辑邻居子集及步骤(2)得到的取并集，得到u的最终的逻辑邻居节点集合
权利要求
1.一种无线网络拓扑控制方法，其特征在于，该方法包括步骤51.获取网络中每个节点的可见邻居节点集合及其导出子图；52.在所述导出子图中计算最小生成树，确定每个节点对应的邻居节点子集；53.确定每个节点的所有局部D-区域，所述D-区域为任意直径为D的圆形区域；54.在每一个局部D-区域所得的导出子图的余图中，计算最小生成树，得到对应的节点针对局部D-区域的邻居节点子集；55.对于每个节点，对所述邻居节点子集以及所有所述针对局部D-区域的邻居节点子集取并集，确定最终邻居节点集合；56.根据所述最终邻居节点集合确定每个节点的传输半径；57.根据所有节点的传输半径生成网络拓扑。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤Sl中，每个节点以其最大传输半径周期广播Hello消息，获取对应的可见邻居节点集合极其导出子图。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述导出子图的边权重为两端点之间的欧氏距离。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，使用I^rim算法或Kruskal算法计算最小生成树。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，每个节点的邻居节点子集为在对应的最小生成树上，节点的一跳邻居节点组成的集合。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于每一个局部D-区域，所述余图为所述导出子图中除去对应的局部D-区域中所包含的节点及其相邻的边后的图。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述针对局部D-区域的邻居节点子集为对应的节点在所述余图的最小生成树上的一跳邻居节点组成的集合。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S6中，所述每个节点的传输半径为其与对应的最终邻居节点集合中最远邻居节点的距离。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述距离为欧氏距离。
全文摘要
本发明公开了一种无线网络拓扑控制方法，涉及无线网络容错拓扑控制技术领域。包括S1.获取节点的可见邻居节点集合及其导出子图；S2.确定节点的邻居节点子集；S3.确定节点的所有局部D-区域；S4.在每一个局部D-区域所得的导出子图的余图中，得到节点邻居节点子集；S5.对邻居节点子集以及所有对局部D-区域的邻居节点子集取并集，确定最终邻居节点集合；S6.根据最终邻居节点集合确定每个节点的传输半径；S7.根据节点的传输半径生成网络拓扑。本发明的方法可进行有效地拓扑控制，生成的网络稀疏，传输半径小，在任意-个直径为D的圆形区域中节点全部失效后仍然保持连通，能够容忍大量的节点失效。
文档编号H04W84/00GK102547763SQ20121002041
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月29日 优先权日2012年1月29日
发明者任勇, 孙若姿, 霍金海 申请人:清华大学