专利名称：异构无线网络中能耗均衡和延时双优化拓扑控制方法
技术领域：
本发明属于计算机网络应用和无线网络拓扑控制技术，涉及一种无线传感器网络的拓扑控制技术，特别涉及一种异构无线网络中能耗均衡和延时双优化拓扑控制方法。
背景技术：
在物联网时代，无线传感器网络在沟通物理世界与信息世界方面起着举足轻重的作用。具有RFID阅读器功能的传感器节点能够以无接触的方式读取其无线信号覆盖范围内的物体上的RFID标签信息，以多跳的方式传输到信息中心，实现对物体的查询、监控、追踪。无线组网简单、易维护、前期投资小、易扩展。但是节点以电池供电，能量储备有限，在一些部署环境下，能量无法补充(如野外的生态环境监测)，能量的耗尽意味着网络寿命的终结。即使在能量可补充的环境下(如对大型港口露天货场的监控)，也希望能量能够以某种尽可能均衡的方式耗尽，这样既可以降低充电频率也可以维持两次充电间隔期间的网络性能的稳定性(如减轻可能的能量空洞对网络性能的影响)。已有的相关拓扑控制技术对能耗均衡性的考虑不够全面(如未阐述能耗均衡拓扑一旦形成，能维持多久、如何维护、维护代价与拓扑性能如何折中等问题)，更未考虑对延时的优化。货物的失窃、有毒气体的泄漏、火警等事件的发送对延时有着苛刻的要求。视频监控等应用所需的海量数据传输更是增强了延时保障的必要性。异构无线网络通常指多种无线网络技术(如2G和3G蜂窝无线通信网、WLAN、 WiMax等)并存的网络，在本发明中，特指由参数异构的传感器节点组成的网络，这些参数包括节点最大发射功率、接收灵敏度、初始能量储备值、处理器能力、存储与缓存能力等。
发明内容
本发明要解决技术问题是提供一种异构无线网络中能耗均衡和延时双优化拓扑控制方法，该异构无线网络中能耗均衡和延时双优化拓扑控制方法能实现兼顾能耗均衡和延时，实现对网络拓扑的优化。本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是一种异构无线网络中能耗均衡和延时双优化拓扑控制方法，包括逻辑邻居选择、 链路对称化、逻辑邻居调整三个阶段，对于一个异构无线网络，在拓扑生成或拓扑更新之初，执行前两个阶段，在两次拓扑更新之间执行逻辑邻居调整以延长拓扑更新周期、减少拓扑更新次数。所述的逻辑邻居选择包括以下步骤(节点在确定发射功率时，其所覆盖的所有节点称为其物理邻居，若只考虑能耗优化目标，则减少发射功率可相应减少物理邻居数，此时无需使用逻辑邻居这个概念。在考虑多个目标进行拓扑优化时，节点邻居数就不能只依靠调节发射功率来控制了。在本发明中，为节点取最大发射功率时覆盖的每个物理邻居计算一种兼顾能耗均衡和延时的度量，根据度量值从大到小选择若干节点作为邻居，此时节点应调节其发射功率覆盖到这些邻居，但此发射功率也可能覆盖更多的节点，因此需要逻辑邻居这个概念来特指节点认可的邻居。将逻辑邻居限定到一个合适值，主要是考虑到， 只让逻辑邻居参与寻路包的转发，也只有被选择的逻辑邻居参与路由响应包和数据包的转发，因此，逻辑邻居数小可以简化路由选择，但其数量太少则会影响网络连通。)任一节点i执行如下算法选择k个最近邻节点I、节点i在时刻&使用它的最大发射功率Pt_max, i广播包含如下节点信息的数据包它的唯一身份标识idp最大发射功率PtHp在欧拉平面上的坐标(Xyyi)、初始能量储备Ep在时刻h时的剩余能量矽；2、节点i接收它的所有物理邻居广播的包含所述节点信息的数据包，并存储在它的邻居列表NlQ)中；3、节点i分别计算如下值，并存储在它的邻居列表NL(i)中3. I、为邻居集N(i)中每个物理邻居计算链路度量值；对第j个物理邻居，计算链路i — j的度量值Λ j ；3. 2、为邻居集N(i)中每个剩余能量大于平均初始能量的物理邻居计算第一能耗均衡因子；为每个剩余能量不大于平均初始能量的物理邻居计算第二能耗均衡因子；第一能耗均衡因子
权利要求
1.一种异构无线网络中能耗均衡和延时双优化拓扑控制方法，其特征在于，包括逻辑邻居选择、链路对称化、逻辑邻居调整三个阶段，对于一个异构无线网络，在拓扑生成或拓扑更新之初，执行前两个阶段，在两次拓扑更新之间执行逻辑邻居调整以延长拓扑更新周期、减少拓扑更新次数。
2.根据权利要求I所述的异构无线网络中能耗均衡和延时双优化拓扑控制方法，其特征在于，所述的逻辑邻居选择包括以下步骤 任一节点i执行如下算法选择k个最近邻节点 1)、节点i在时刻h使用它的最大发射功率Pt_max,,广播包含如下节点信息的数据包 它的唯一身份标识idp最大发射功率Pt_max, i、在欧拉平面上的坐标(Xi, Yi)、初始能量储备Ep在时刻h时的剩余能量< ； 2)、节点i接收它的所有物理邻居广播的包含所述节点信息的数据包，并存储在它的邻居列表队(i)中； 3)、节点i分别计算如下值，并存储在它的邻居列表队(i)中 、3.I、为邻居集N(i)中每个物理邻居计算链路度量值； 对第j个物理邻居，计算链路i — j的度量值Aj ； 、 3.2、为邻居集N(i)中每个剩余能量大于平均初始能量的物理邻居计算第一能耗均衡因子；为每个剩余能量不大于平均初始能量的物理邻居计算第二能耗均衡因子；
3.根据权利要求2所述的异构无线网络中能耗均衡和延时双优化拓扑控制方法，其特 征在于，度量值^的计算方法为:
4.根据权利要求2所述的异构无线网络中能耗均衡和延时双优化拓扑控制方法，其特征在于，公式
5.根据权利要求4所述的异构无线网络中能耗均衡和延时双优化拓扑控制方法，其特 征在于，对于所述干扰概率P w，它是节点i为节点j的邻居集N(j)中每个节点k计算的 干扰概率PW，其特点是1)为便于节点i计算，N(j)中每个节点k需要记录自身的数据发送情况，并定期汇报 节点j，再由节点j提供给节点i使用；2)节点k需要记录其每个数据帧传输的开始与结束时刻，由于节点缓冲区的限制，随 着时间的推移，删除旧记录，仅保留与缓冲区容量相当的最新记录；3)当节点k需要向节点j汇报数据帧传输记录时，加上它为每个数据帧标记的发送时 亥IJ，当节点j接收后，立刻转换成自身时钟刻度；4)在节点j准备转交这些记录给节点i使用时，再加上节点j自身的发送时刻，当节点 i接收后，也立刻转换成自身时钟刻度；5)若数据帧较短，忽略发送和接收时间，否则可依据数据帧长度和传输速率计算； 当节点i将节点k的数据帧发送记录中的时间刻度转换成自身时间刻度后，就可以与自身同时间段的数据帧发送记录进行比对，通过比对，得出重合部分占总比对部分的百分 t匕，使用这个百分比值作为干扰概率Pkj的度量，并使用公式Pkj= a .pkJ+(l-a) p kj, M来更新Pt的值，其中，a是一个平滑因子，它决定了一个老的干扰概率的值所占权 重。
6.根据权利要求1所述的异构无线网络中能耗均衡和延时双优化拓扑控制方法，其特 征在于，链路对称方法如下任一节点i执行如下算法使它与逻辑邻居间的链路成为对称链路1)、节点i在时刻t2使用它的最大发射功率Pt__,,广播包含如下信息的数据包它的 唯一身份标识idp邻居列表队⑴；2)、节点i接收它的邻居发送的包含上述信息的数据包，并按如下步骤计算具有对称 链路的邻居集2. 1、节点i检查它的每个物理邻居是否将它选择为逻辑邻居；·2.2、若是，但它未将对方视为逻辑邻居，则将对方加为逻辑邻居并向对方发确认； 否则，等待对方的确认； ·2.2. I、若向对方发了确认，则返回步骤2. I ； ·2.2. 2、若在等待对方的确认且超时前收到，则返回步骤2. 1，否则将对方从逻辑邻居集中删除后，再返回步骤2. I; ·2.3、若不是，则返回步骤2. I检查下一个物理邻居，直到所有的物理邻居都检查到。
7.根据权利要求I所述的异构无线网络中能耗均衡和延时双优化拓扑控制方法，其特征在于，所述逻辑邻居调整的方法如下 在两次逻辑邻居选择执行间隔期，任一节点i执行如下逻辑邻居调整方法 1)、当遇到下列情况，节点i依据单跳链路的能耗Prelay⑷=(ai+a2dY)r，其中，CI1=αη+α12，而Ci11和Ci12分别是发射器和接收器电子元器件能耗，Ci2是无线放大器能耗，d是发射器和接收器间的距离，Y是路径损耗指数，dY的意思是d的Y次方；从队(i)中保存的该邻居剩余能量值中减去相应的能耗值，并更新其能耗率 I. I、当节点i向某个邻居发送或转发消息包且消息包的最终目的地不是此邻居时； I. 2、当节点i在接收到某个邻居转发的消息包时； 1.3、当节点i侦听到某个邻居转发消息包时； 2)、当遇到下列情况,节点i依据公式Pt(d)= (αη+α2·(Γ) ·γ从Nji)中保存的该邻居剩余能量值中减去相应的能耗值，并更新其能耗率 2.I、当节点i在接收到某个邻居发送的消息包时； 2.2、当节点i侦听到某个邻居发送消息包时； 其中PT(d)为以速率r bits/s发送消息的能耗；Ci11 α2 ^cIy含义同前； 3)、当遇到下列情况,节点i依据公式Pt(d) = (α12) ·γ从Nlj⑴中保存的该邻居剩余能量值中减去相应的能耗值，并更新其能耗率 3.I、当节点i向某个邻居发送或转发消息包且消息包的最终目的地是此邻居时； 3.2、当节点i侦听到某个邻居接收消息包时； 其中PT(d)为以速率r bits/s发送消息的能耗；a12，r含义同前； 4)、节点i周期性地检查队(i)中是否有剩余能量值小于且能耗率大于非逻辑邻居的逻辑邻居节点若有，则在对方确认后替换之(若有多个满足要求的非逻辑邻居，遵循链路度量Ψ值大者优先的原则)； 5)、若无或无法得到对方确认或已达到替换次数上限，则执行逻辑邻居选择算法和链路对称化算法进行拓扑调整。
8.根据权利要求1-7任一项所述的异构无线网络中能耗均衡和延时双优化拓扑控制方法，其特征在于，逻辑邻居数k为5。
全文摘要
本发明公开了一种异构无线网络中能耗均衡和延时双优化拓扑控制方法，包括逻辑邻居选择、链路对称化、逻辑邻居调整三个阶段，对于一个异构无线网络，在拓扑生成或拓扑更新之初，执行前两个阶段，在两次拓扑更新之间执行逻辑邻居调整以延长拓扑更新周期、减少拓扑更新次数。该异构无线网络中能耗均衡和延时双优化拓扑控制方法能实现兼顾能耗均衡和延时，实现对网络拓扑的优化。
文档编号H04W52/02GK102625426SQ20121005641
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月6日 优先权日2012年3月6日
发明者于敬晖, 桂劲松 申请人:中南大学