无线传感器网络中节点度受限的多对一数据路由方法与流程

本发明涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种无线传感器网络中当节点度受限时的多个传感器节点对汇聚传感器节点(汇点)的数据路由方法。

背景技术：

目前，数据路由问题是无线传感器网络中研究最为广泛的问题之一。一般来说，一个部署好的无线传感器网络是由一组无线传感器节点组成，每一个无线传感器节点都装配了一些不同种类型的传感器(例如温度传感器、湿度传感器等)和传输模块。当两个处在有效通信距离之内的无线传感器节点的传输模块处于相同的通信频段并使用相同的传输协议时，两个互为邻居的无线传感器节点可以建立起无线链路(实际链路)，进而完成有效的数据传输。一个部署好的无线传感器节点有固定的位置并对周边环境进行取样，进而发送数据包通过一跳或者多跳转发的形式到达预先定义的汇点。

然而，在很多情况下，由于无线传感器节点的硬件配置不同，例如落在彼此传输范围内两个相邻的无线传感器节点同时额外配备了可以在其他频段上通信的通信模块，使得两个无线传感器节点除了原有的通信链路(实际链路)之外，又同时拥有另外一条可用于传输数据的数据链路(潜在链路)。而且两个无线传感器节点之间的实际链路与潜在链路可以同时存在，并且互不干扰。在一个实际链路与潜在链路共同存在的无线传感器网络中，首要的问题就是如何规划数据路由，即如何让每一个传感器节点都充分利用可以使用的实际链路和潜在链路，找到一条到达汇点最优化的路径。

最优化的路径并不是可以直接通过最短路径(或最优路径)相关 算法直接找到的，因为一个节点无线传输模块的数目直接限定了其与邻居节点之间的实际链路和潜在链路的数目，即每个节点在最终选定的数据路由链路中它的度都是受限的，也就是我们所说的节点度受限的无线传感器网络路由问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种无线传感器网络中，无线传感器节点最多可以选择一条潜在链路时所有节点对汇点的最有数据路由方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了无线传感器网络中多对一数据路由方法，所述数据路由方法包括以下步骤：

S1：将无线传感器网络中的每个无线传感器节点转化为对应的超级虚拟节点；其中，所述超级虚拟节点包括：四个虚拟节点和三条有向实际链路；

S2：将所述无线传感器网络无向图中的每条无向链路赋予权重；

S3：将所述每条无向链路转化为两条方向相反的有向链路，并且所述有向链路的权重与对应的所述无向链路的权重相同；

S4：计算各个所述无线传感器节点对应的所述虚拟节点到达汇聚传感器节点对应的虚拟节点的链路的权重；

S5：合并同一所述无线传感器节点对应的所述虚拟节点，选择各个所述无线传感器节点在度数受限情况下的最优数据路由通路。

优选地，四个所述虚拟节点分别为第一接收虚拟节点、第二接收虚拟节点、第一发送虚拟节点以及第二发送虚拟节点，所述第一接收虚拟节点和第二接收虚拟节点均用于接收其他超级节点的信息，所述第一发送虚拟节点和第二发送虚拟节点均用于向其他超级节点发送信息；

三条所述有向实际链路分别为：第一接收虚拟节点指向所述第一发送虚拟节点的链路、第一接收虚拟节点指向所述第二发送虚拟节点 的链路、第二接收虚拟节点指向第一发送虚拟节点的链路；

所述超级虚拟节点不包括从第二接收虚拟节点指向第二发送虚拟节点的链路。

优选地，所述步骤S3中，将所述每条无向链路转化为两条方向相反的有向链路具体为：

若所述无向链路为实际链接，并且其对应第一无线传感器节点和第二无线传感器节点，则两条方向相反的所述有向链路分别为所述第一无线传感器节点对应的第一发送虚拟节点指向所述第二无线传感器节点对应的第一接收虚拟节点、所述第二无线传感器节点对应的第一发送虚拟节点指向所述第一无线传感器节点对应的第一接收虚拟节点；

若所述无向链路为实际链接，并且其对应所述第一无线传感器节点和第二无线传感器节点，则两条方向相反的所述有向链路分别为所述第一无线传感器节点对应的第二发送虚拟节点指向所述第二无线传感器节点对应的第二接收虚拟节点、所述第二无线传感器节点对应的第二发送虚拟节点指向所述第一无线传感器节点对应的第二接收虚拟节点。

优选地，每一所述无线传感器节点对应的四个虚拟节点之间的边的权重均为0。

优选地，所述步骤S4具体包括：

S41：将所述每个无线传感器节点对应的所述虚拟节点的权重设置为无穷大；

S42：将所述汇聚传感器节点对应的所述虚拟节点的权重设置为0；

S43：计算并存储所述每个无线传感器节点对应的所述虚拟节点到达汇聚传感器节点对应的虚拟节点的链路的权重。

优选地，所述步骤S43中，采用单源最短路径算法计算每个所述无线传感器节点对应的所述虚拟节点到达汇聚传感器节点对应的虚拟节点的链路的权重。

优选地，所述步骤S2中所述每条无向链路的权重为其欧式距离，则所述步骤S5中选择合并后的权重最小值对应的通路为最优数据路由通路。

优选地，所述步骤S2中所述每条无向链路的权重为数据传输成功率，则所述步骤S5中选择合并后的权重最大值对应的通路为最优数据路由通路。

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的数据路由方法针对无线传感器网络中节点度受限，特别是无线传感器节点最多可以选择一条潜在链路的情况下。能够有效的将原始的网络无向图转化成有向图，并为每个无线传感器节点创建超级虚拟节点，进行有效替换之后计算每个虚拟节点的权重，进而采用最短权重算法计算所有虚拟节点到汇点的权重即得到所有节点在节点度受限情况下的最优化数据路由路径。

附图说明

图1是本发明实施例提供的数据路由方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例提供的超级虚拟节点示意图；

图3是本发明实施例提供的原始的网络无向图G示意图；

图4是本发明实施例提供的转化后的网络有向图G’示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

假设有三个节点a、b、c，它们之间的位置关系是一个等边三角形的顶点，等边三角形的边长小于它们之间最远的通信距离。如果它们都有额外的同一频段的通信模块，则存在三条潜在链路ab、bc、ca。任意一个节点的无线通信模块在一个时刻只能与最多一个相邻的节点进行通信，因此ab、bc、ca三条潜在链路其实只能有一条被使用，即ab被使用的时候bc和ac都是不存在的，即当一个潜在链路被真正使 用的时候，这条潜在链路变成了一条实际链路。因此，a、b、c三个无线网络传感器节点的基于潜在链路的度是不能超过1的，潜在链路的度如果超过1说明有两条潜在链路被同时使用是不可能的。

本发明实施例中所有无线传感器节点的度不超过标准D的前提下，为每一个无线传感器节点找到到达汇点最优化的数据路由通路，其中，D为大于1的自然数。最优化的目标可以理解为为每一条实际链路和潜在链路定义一个权重，这个权重可以是链路的欧式距离(本实施例中的权重为链路的欧式距离)、或者数据传输成功率等，最优化路由通路选择权重最小值还是最大值根据实际情况选择不同的权重指标而不同。其中，如果权重为链路的欧式距离，权重越小越好，则最终优化数据路由通路取权重最小的通路；如果权重为链路的数据传输成功率，权重越大越好，则最终优化数据路由通路取权重最大的通路。无线传感器网络中的实际链路都是可以作为备选的数据路由链路，因此一个有效的优化的数据路由通路的关键在于是否可以选择潜在路由通路。对于无线传感器网络中的任意无线传感器节点，以及节点度受限情况不同，有几种具体情况。

进一步地，对于任意一个无线传感器节点，如果该无线传感器节点实际链路的度为D，则不会再有与该无线传感器节点相连的潜在链路被选择。进而无论通过何种方法获得的新的数据路由通路和原有的数据路由通路到达汇点的数据路由通路相同，没有进行优化。

进一步地，对于任意一个无线传感器节点，如果该无线传感器节点实际链路的度不超过D-2，该无线传感器节点的潜在链路可以直接变成实际链路。因为为该无线传感器节点规划的到达汇点的优化数据路由通路上所有节点的度都不会超过2，即在优化的数据路由通路中，每个无线传感器节点最多被选择了两个潜在链路，满足所有无线传感器节点的度不超过标准D的前提。进而无论通过何种方法获得的新的数据路由通路和原有的数据路由通路到达汇点的数据路由通路相同，没有进行优化。

进一步地，对于任意一个无线传感器节点，如果该无线传感器节点的实际链路的度为D-1，即该无线传感器节点最多可以选择一条潜在链路的情况。本发明提供的数据路由方法针对无线传感器网络中节点度受限，特别是无线传感器节点做多可以选择一条潜在链路的情况下的优化节点到达汇点的数据路由通路。具体步骤如下：

如图1所示，为本发明实施例提供的数据路由方法的步骤流程图。

该数据路由方法包括以下步骤：S1：将无线传感器网络中的每个无线传感器节点转化为对应的超级虚拟节点；其中，所述超级虚拟节点包括：四个虚拟节点和三条有向实际链路；S2：将所述无线传感器网络无向图中的每条无向链路赋予权重；S3：将所述每条无向链路转化为两条方向相反的有向链路，并且所述有向链路的权重与对应的所述无向链路的权重相同；S4：计算各个所述无线传感器节点对应的所述虚拟节点到达汇聚传感器节点对应的虚拟节点的链路的权重；S5：合并同一所述无线传感器节点对应的所述虚拟节点，选择各个所述无线传感器节点在度数受限情况下的最优数据路由通路。

进一步地，如图3所示，为本发明实施例提供的原始的网络无向图G示意图。首先将原始的网络无向图G＝(V，E)转化成为有向图G’＝(V，E’)，即将每一条无向无线链路(包括实际链路和潜在链路)转化为两条方向相反的有向链路，并且有向链路的权重与其相对应的无向链路的权重相同。其中，V是无线传感器网络中n个无线传感器节点{v₁，v₂，…，v_n}的集合，E＝A∪P，即E是所有无向实际链路A以及所有无向潜在链路P的集合；E’＝A’∪P’，即E’是所有有向实际链路A’以及所有有向潜在链路P’的集合。

进一步地，其次为无线传感器网络中的每一个节点v_i创建一个对应的超级虚拟节点S(v_i)。如图2所示，为本发明实施例提供的超级虚拟节点示意图。超级节点S(v_i)包括四个虚拟节点{v^ain，v^pin，v^aout，v^pout}，和三条有向实际链路{v^ainv^aout，v^ainv^pout，v^pinv^aout}，并将三条有向实际链路的权重都设置为0，其中v^ain为所述第一虚拟接收节点，v^pin为所述 第二虚拟接收节点，v^aout为所述第一虚拟发送节点，v^pout为所述第二虚拟发送节点，对应于无线传感器节点的实际链接智能在两个无线传感器节点对应的所述第一虚拟接收节点和所述第一虚拟发送节点之间建立，对应于无线传感器节点的潜在链接智能在两个无线传感器节点对应的所述第二虚拟接收节点和所述第二虚拟发送节点之间建立。

进一步地，用超级虚拟节点S(v_i)将转化后的有向图G’中集合V中的任意节点v_i替换，并使用如下规则来替换E’中的所有有向链路：如果有向链路v_iv_j属于有向实际链路集合A’，即有向链路v_iv_j是从无线传感器节点v_i指向无线传感器节点v_j的实际链路，则用有向实际链路v^aoutv^ain替换v_iv_j，并赋予有向实际链路v^aoutv^ain与有向链路v_iv_j一样的权重；如果有向链路v_iv_j属于有向潜在链路集合P’,即有向链路v_iv_j是从无线传感器节点v_i指向无线传感器节点v_j的潜在链路，则用有向潜在链路v^poutv^pin替换v_iv_j，并赋予有向潜在链路v^poutv^pin与有向链路v_iv_j一样的权重。如图4所示，得到本发明实施例提供的超级虚拟节点替换任意节点，并按照上述规则替换有向链路转化后的网络有向图G’示意图。例如，如图3中原始网络无向图G中无线传感器节点u与无线传感器节点v之间链路的权重为1，将原始网络无向图G按照上述规则进行向网络有向图G’的转化。如图4中u^pout到v^pin之间有向链路的权重、以及v^pout到u^pin之间有向链路的权重均为1，即将节点替换成由4个虚拟节点组成的超级虚拟节点，且无向链路替换成两条方向相反且权重相同的有向链路。

进一步地，转化后的有向图G’中，在超级虚拟节点S(v_i)内部并没有从v^pin指向v^pout的有向链路，在超级虚拟节点S(u_i)内部并没有从u^pin指向u^pout的有向链路，在超级虚拟节点S(w_i)内部并没有从w^pin指向w^pout的有向链路。进而确保了最优化数据路由通路上，任意一个无线传感器节点对应的超级虚拟节点不会同时使用两条潜在链路，满足潜在链路的度不能超过1的要求。

进一步地，对于转化后的有向图G’，我们采用单源最短路径算法 (Dijkstra算法)计算多节点到汇点的最短路径，进而完成每一个节点对汇点的在节点度受限情况下最优化的数据路由路径。具体步骤如下：将所有无线传感器节点对应的超级虚拟节点中的虚拟节点的权重设置为无穷大；将汇点所对应的超级虚拟节点中的4个虚拟节点的权重设置为0；采用单源最短路径算法(Dijkstra算法)，计算并存储所有无线传感器节点对应的超级虚拟节点中的虚拟节点到汇点对应的超级虚拟节点中的4个虚拟节点的权重；针对得到权重的每一条路径，获取权重小的路径即对应的虚拟节点到汇点虚拟节点的最短路径，并将属于同一个超级虚拟节点的虚拟节点直接合并，我们就得到了所有节点的在节点度受限情况下特别是无线传感器节点做多可以选择一条潜在链路的情况下的最优数据路由路径。

本专利中，合并依次并相加，而是由于每一节点对应的四个虚拟节点的权重相同，所述知识任一选择其中一个虚拟节点，也可以理解为用对应的超级虚拟节点替换，或是用对应的无线传感器节点替换。所有的节点包括汇聚节点也是需要合并操作的。

综上所述，本发明提供的数据路由方法针对无线传感器网络中节点度受限，特别是无线传感器节点做多可以选择一条潜在链路的情况下。能够有效的将原始的网络无向图转化成有向图，并为每个无线传感器节点创建超级虚拟节点，进行有效替换之后计算每个虚拟节点的权重，进而采用最短权重算法计算所有虚拟节点到汇点的权重即得到所有节点在节点度受限情况下的最优化数据路由路径。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。