专利名称：一种m2m网络中面向异构连通服务的分布式拓扑控制方法
技术领域：
本发明涉及M2M网络中连通服务的拓扑控制方法，具体是一种M2M网络中面向异构连通服务的分布式拓扑控制方法。
背景技术：
过去的几年，设备互联的数量在迅速的增长。据Cisco公司预测，连接到网络的设备的数量将不低于15亿，这将会是目前移动和互联网用户数量的三倍。因此主流的通信模式将不可避免地由人与人之间的通信转为机器与机器(M2M)之间的通信。有别于传统的无线自组织网络，M2M网络由称为超级节点和普通节点的两种节点组成，例如一个家庭M2M网络可能由一个汇聚节点和多种多样的日常家用设备组成，比如一些仪器仪表、开关和生物传感器等等。设备类型的高度异构性意味着，M2M网络必须为不同类型的节点设备提供多 种多样的服务。拓扑控制是M2M网络中的一项重要技术，它可以简化网络连接，降低功率消耗，提高网络的生存时间。然而由于拓扑控制特征的特殊性，拓扑控制策略的设计对M2M网络来说是一个挑战。例如在一个家庭M2M网络中，生物医学传感器收集至关重要的信号数据，和从智能仪表中周期性测量的数据相比，医学信号数据需要更高的传输可靠性。在传统的分布式网络中，多路径路由和路径拼接技术在提高网络连接性方面具有很好的发展前景。然而大多数现有的方法并不适用于M2M网络异构连接需求的情况，因为它们都是假设任何一对节点具有相同的连接需求，因此需要为M2M网络设计新的拓扑控制方法。
发明内容
基于现有技术，本发明目的旨在提供一种用于M2M网络中面向异构连通服务的分布式拓扑控制方法，能够满足M2M网络的异构连接需求，以及提高整个网络传输的成功率，降低整个网络的功率消耗。为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是，一种M2M网络中面向异构连通服务的分布式拓扑控制方法，在一个M2M网络中存在称为超级节点和普通节点的两种节点，该分布式方法为每一个超级节点构建和汇聚节点之间的k个不相交的路径，为普通节点至少构建一条路径，满足不同节点和汇聚节点之间的异构连接需求，同时也提高了整个网络传输的成功率，降低了整个网络的功率消耗。本发明的具体实现步骤如下I)初始化，整个M2M网络中的所有超级节点和普通节点均匀分布在长为Ih,宽为dh(dh〈lh)的二维笛卡尔坐标系中的一个区域中，汇聚节点t位于坐标位置为(0，dh/2)处；2)建立M2M网络的系统模型，对整个M2M的所有节点以及节点之间的连接组成一个无向图G=(V，E)，V代表所有节点的集合，E代表任何一对邻居节点之间的的连接的集合；
3)汇聚节点t将整个目标域等分成K个子域，节点t将选择每个域中距离各域中心线距离最近的点作为第一层子树的根节点；4)从第一层子树根节点出发遍历整个目标域，构建k个不相交的子树；并且将未通过遍历加入子树中的所有的其他节点以最近原则与其未加入到子树中的邻居节点连接，形成一个新的树状拓扑结构图G' =(V,E/ )，其中E' ={e:e e E(T)}，E(T)代表树T的所有边组成的集合；5)扩展树，对任何一个超级节点Wi,其路由路径为Rw，向左或向右横向寻找位于子树Tj上的邻居节点V，如果有通过较短的路径直接连通的邻居节点，取使功率消耗值最小的节点作为节点Wi与其他子树之间交叉路径ti的交叉节点V，如果没有，则对于即将加入路径ti的节点V，则设一虚拟节点uf，若子树Tj位于子树Ti的左边，则将虚拟节点Uf放置于(xw, O)处，否则放置于(xw，wd)处，xw，wd分别代表节点Wi的横坐标和目标域的宽；通过函 数Q(D),,.,) = O.I* a,.,,;/180*n+0_9;Si(.o ,/(2*PraJ来找出使其取得最小值的节
点V，然后将u和V之间的路径加入到交叉路径ti，重复上述步骤继续寻找直到找到位于子树1上的交叉节点，即找到了整个交叉路径1丨，在上述函数(5(3,., ,, ,1,)中岸￥/代表节点￥和虚拟节点Uf之间的夹角的反正切值，Ou, v代表连通U和V的功率增加值，Pmax代表整个网络中的功率消耗的最大值；6)将子树j上的节点V的路由路径Rv和交叉路径11合并，得到超级节点Wi除路由路径Rw以外到汇聚节点的和Rw不相交的路径；7)通过合并树T的所有边和所有超级节点和汇聚节点之间不相交的路径，得到最终的整个网络的拓扑集G" =(V，E")，其中
VjV+ME"={e:e e E or e e U TKW}，N和M分别代表普通节点和超级节点的个
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数；本发明的工作过程如下所述第一步,对整个M2M等分成k个子域,如图I,整个目标域被等分成k=3个子域A1, A2, A3 ;节点t将选择每个域中距离各域中心线的距离最近的点作为第一层子树的根节点，如图1，节点&，d，f被选中；第二步，从第一层子树的根节点出发遍历整个目标域，构建k个不相交的子树，如图3，所有的节点均分布在三棵子树上；第三步，超级节点运行M2M网络中满足和汇聚节点之间异构连接需求的分布式方法，为超级节点构建到汇聚节点的k个不相交的路径。本发明所述M2M网络中一种面向异构连通服务的分布式拓扑控制方法，基于M2M网络中设备节点高度异构连接的特点，为每一个超级节点构建和汇聚节点之间的k个不相交的路径，为普通节点至少构建一条路径，满足不同节点和汇聚节点之间的异构连接需求，同时也提高了整个网络传输的成功率，降低了整个网络的功率消耗。
图I是寻找第一层子树的根节点示意图2是从第一层子树开始寻找邻居节点示意图；图3是构造的初始的网络拓扑图；图4是通过本分布式方法构造的最终的网络拓扑图。
具体实施例方式一种M2M网络中面向异构连通服务的分布式拓扑控制方法，具体实施方式
如下第一步，初始化。整个M2M网络中的所有普通节点的集合为Iv1, V2,…，％}，超级节点的集合为lvN+1，vN+2，…，VmJ，所有的节点均勻分布在长为lh，宽为dh(dh〈lh)的二维笛卡尔坐标系中的一个区域中，汇聚节点t位于坐标位置为(0，dh/2)处；
第二步，建立M2M的系统模型。对整个M2M的网络的所有节点以及节点之间的连接组成一个无向图G’ =(V, E)，V代表所有节点的集合，E代表任何一对邻居节点之间的连接的集合；第三步，汇聚节点t将整个目标域等分成k个子域，如图1，整个目标域被等分成k=3个子域A1, A2, A3 ;节点t将选择每个域中距离各域中心线的距离最近的点作为第一层子树的根节点，如图1，节点a，d，f被选中；第四步，从第一层子树的根节点出发遍历整个目标域，构建k个不相交的子树。如图2，为寻找一个新的节点Ui加入子树Ti中，总共有四种情况第一种情况，如图2中的(a)所示，在子域^中至少存在一个1^的转发节点，则选择y坐标最大的节点加入到子树Ti中；第二种情况，如图2中的(b)所示，除了子域Ai以外，在其临域中至少存在一个Ui的转发节点，在这些转发节点中，它们的转发节点至少有一个在子域Ai中，则选择其转发节点拥有最大y坐标的节点加入子树Ti中；第三种情况，如图2中的(c)所示，节点Ui的所有转发节点都不在其所在的子域Ai中，通过函数H(xuz, yuz,xmid i)=0. 4* (yu.-yu^-O. 6* | xuz-xmid i |来计算使该函数获得最大值的节点坐标(xuz, yuz),其中Uz为节点U1的转发节点，xuz为节点Uz的横坐标，Xmidj代表子域Ai中心线的横坐标,yuz和yw分别代表节点Uz和U1的纵坐标,通过计算上述函数，节点a被选中加入到子树Ti中；第四种情况如图2中的(d)所示，各子域中均没有Ui的转发节点，则遍历结束；第五步，将未通过遍历加入子树中的所有其他节点以最近原则与其已加入到子树中的邻居节点连接，形成一个新的树状拓扑结构图G’ = (V，E’)，其中E’ = {e:e e E(T)}，E(T)代表树T的所有边组成的集合；第六步，扩展树。某一节点U向作为根的汇聚节点t传送数据的路径为路由路径Ru,设一虚拟节点uf，对任何一个超级节点Wi,若子树L位于子树Ti的左边，则将虚拟节点Uf放置于(xw，0)处，否则放置于(xw，wd)处，xw，wd分别代表节点Wi的横坐标和目标域的宽；向左或向右寻找位于子树Tj上的邻居节点V，如果有通过较短的路径直接连通的邻居节点，则通过函数 Ou, v= |min{0, Pu-q(ru,v)} | +1min {O, pv-q((ru, v)} | 计算两节点连接之后多消耗的功率，取使功率消耗值最小的节点作为节点Wi与其他子树之间交叉路径ti的交叉节点V，其中Pu和Pv代表节点U和V当前的传输功率，q(rUj v)代表连通u和V需要消耗的功率；如果没有，则对于即将加入路径ti的节点V，通过函数Q(a,,； ,ω ,) = 0.1* av ；/180* ^ +0.9* ω来找出使其取得最小值的节点V，然后将U和V之间的路径加入到交叉路径U ,重复上述步骤继续寻找直到找到位于子树Tj上的交叉节点，即找到了整个交叉路径t'，在上述函数Q(a)中，av,a/代表节点v和虚拟节点uf之间的夹角的反正切值，ou, v代表连通u和V的功率增加值，Pmax代表整个网络中的功率消耗的最大值。第七步，将超级节点与子树1之间的交叉路径t与交叉节点V的路由路径Rv合并， 即找到超级节点V到汇聚节点的一条路径；将所有超级节点到汇聚节点的路径结合起来，即得到超级节点到汇聚节点的k个不相交的路径。
权利要求
1.一种M2M网络中面向异构连通服务的分布式拓扑控制方法，其特征是，在一个M2M网络中存在称为超级节点和普通节点的两种节点，该分布式方法为每一个超级节点构建和汇聚节点之间的k个不相交的路径，为普通节点至少构建一条路径，满足不同节点和汇聚节点之间的异构连接需求。
2.根据权利要求I所述的分布式拓扑控制方法，其特征是，该方法基于树形结构，包括构建树和扩展树，构建树使所有的节点分布在该树形结构中，汇聚节点作为该树的根节点；扩展树找到超级节点和汇聚节点之间的k个不相交的路径。具体实现步骤如下 (1)初始化，整个M2M网络中的所有超级节点和普通节点均匀分布在长为lh，宽为dh(dh〈lh)的二维笛卡尔坐标系中的一个区域中，汇聚节点t位于坐标位置为(0，dh/2)处； (2)建立M2M网络的系统模型，对整个M2M的所有节点以及节点之间的连接组成一个无向图G= (V，E)，V代表所有节点的集合，E代表任何一对邻居节点之间的的连接的集合； (3)汇聚节点t将整个目标域等分成K个子域，节点t将选择每个域中距离各域中心线距离最近的点作为第一层子树的根节点； (4)从第一层子树根节点出发遍历整个目标域，构建k个不相交的子树；并且将未通过遍历加入子树中的所有的其他节点以最近原则与其未加入到子树中的邻居节点连接，形成一个新的树状拓扑结构图G' = (N, E1 )，其中E' = {e:e e E(T)}，E(T)代表树T的所有边组成的集合； (5)扩展树，对任何一个超级节点Wi，其路由路径为Rw，向左或向右横向寻找位于子树Tj上的邻居节点V，如果有通过较短的路径直接连通的邻居节点，取使功率消耗值最小的节点作为节点Wi与其他子树之间交叉路径ti:的交叉节点V，如果没有，则对于即将加入路径的节点V，则设一虚拟节点uf，若子树Tj位于子树Ti的左边，则将虚拟节点Uf放置于(xw, O)处，否则放置于(xw，wd)处，xw，wd分别代表节点Wi的横坐标和目标域的宽；通过函数
全文摘要
本发明公开了一种M2M网络中面向异构连通服务的分布式拓扑控制方法，在一个M2M网络中存在称为超级节点和普通节点的两种节点，该分布式方法为每一个超级节点构建和汇聚节点之间的k个不相交的路径，为普通节点至少构建一条路径，满足不同节点和汇聚节点之间的异构连接需求，同时也提高了整个网络传输的成功率，降低了整个网络的功率消耗。
文档编号H04W40/02GK102970721SQ20121046240
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月15日 优先权日2012年11月15日
发明者李小龙, 刘洋, 司丽娟 申请人:桂林电子科技大学