利用最小均方误差算法均衡无线栅格传感器网络中各个节点负载的方法

文档序号:7886719阅读:250来源:国知局
专利名称:利用最小均方误差算法均衡无线栅格传感器网络中各个节点负载的方法
技术领域
本发明涉及一种无线传感器网络路由技术,具体涉及一种利用最小均方误差算法均衡无线栅格传感器网络中各个节点负载的方法。
背景技术
无线传感器网络中的节点通常都采用电池供电,并且处理能力十分有限。因此无线传感器网络通常都采用多跳中继通信方式,通过分布式协作达到节约功耗和增加处理能力的目的。由于在实际应用中,无线传感器监测的数据通常需要和其所在的地理位置信息关联,从而为中心节点形成网络态势的决策提供依据。但是由于体积、能耗和处理能力的限制,利用GPS等定位技术或者分布式位置估算算法代价过于高昂,所以无线传感器节点通常无法直接获取其位置信息。此时,在实际应用中,基于栅格方式布置的无线传感器网络因为能在网络布设阶段为节点提供位置信息,从而得到了普遍关注。在栅格无线传感器网络中,在每个栅格的交叉点或栅格内部,在同一时刻只有一个中继节点被激活。这些中继节点可以是特殊的节点,也可以由普通传感器节点来担当。网络中所有分组的中继转发工作将完全由这些中继节点来承担。为了降低这些中继节点的能量消耗,通常会采用激活——休眠策略,来更换栅格中节点的角色,从而让这些中继节点可以进入休眠状态以节约能量,而其中继任务由其它节点来担当。由于采用了栅格拓扑结构, 所以可以为每个栅格指配唯一的ID号,所有分组的路由将完全按照ID寻址的方式向中心节点汇聚。这样,网络中的每个节点不需要知道它严格的地理位置信息,只需要知道它所在栅格的ID号和中心节点所在栅格ID号,就可以利用源路由的方式实现中继多跳通信。但是传统的无线栅格传感器网络从源节点到中心节点间的路由通常采用单播路由方式,此时被选定路由上的节点需要大量的承担分组中继工作,因此能量消耗较快,并有可能由于这些节点信道容量或处理能力的限制而形成通信瓶颈。即使采用激活——休眠策略,被选定路由上中继节点所处栅格中的节点仍旧能量消耗过快,从而降低了网络的生存期。为了解决这一问题,国内外提出了多路由或全路由技术,通过轮换使用多条路径的方法来降低节点间能量消耗的差异性。但是由于栅格网络中边缘节点出现在路由中的概率低而网络内部节点出现在路由中的概率高,因此这种方法虽然缓解了节点间能量消耗的差异, 却不能实现节点间最优能量均衡性。

发明内容
为了解决因被选定路由上的节点需要大量的承担分组中继工作,导致能量不均衡,形成通信瓶颈的问题。本发明利用最小均方误差法提出了一种新型的路由技术,利用最小均方误差算法均衡无线栅格传感器网络中各个节点负载的方法。利用最小均方误差算法均衡无线栅格传感器网络中各个节点负载的方法,它包括下述步骤
步骤一、令从源节点到中心节点的矩形区间内在水平方向有m个栅格,在垂直方向有η个栅格;步骤二、判断m+n是否大于5,判断是执行步骤三,判断否执行步骤四;步骤三、根据经纬度备选路径选择算法,选定(m+1) * (n+1) _2个路径;步骤四、根据步骤二或步骤三选定路径的索引值P(j),通过该索引值,利用矩阵构造算法,得到一个转移矩阵T ;步骤五、根据步骤四得到的转移矩阵T,可得到另一个矩阵U,通过矩阵U,利用最小均方误差系数矩阵A构造算法可得到计算最小均方误差所需要的系数矩阵A ;步骤六、利用最小均方误差算法即可求得所需的路径选中比率,照该比率依次选择路径进行通信,即可实现无线栅格传感器网络的负载均衡。本发明通过构造一个由节点和路径所组成的矩阵,然后利用最小二乘法求解各路径被选定的比率,从而实现节点间的负载和能耗均衡的目的。从根本上解决了负载不均衡导致无线栅格传感器网络节点能量消耗的差异性,实现了最优业务分配和能量均衡。


图1是经纬度路径选择算法的流程图,图2是转移矩阵T构造算法的流程图,图3 是最小均方误差系数矩阵A构造算法的流程图,图4是大小为3X3的栅格中进行路径预处理选择时的第一种按照经度选择的路径图,图5是大小为3X3的栅格中进行路径预处理选择时的第二种按照经度选择的路径图,图6是大小为3X3的栅格中进行路径预处理选择时的第三种按照经度选择的路径图,图7是大小为3X3的栅格中进行路径预处理选择时的第一种按照纬度选择的路径图,图8是大小为3X3的栅格中进行路径预处理选择时的第二种按照纬度选择的路径图,图9是大小为3X3的栅格中进行路径预处理选择时的第三种按照纬度选择的路径图,图10是采用全路径算法时在大小为5X5栅格中各个节点能量消耗的示意图,图11是最小均方误差法在大小为5X5栅格中各节点能量消耗的示意图,图12是本发明的流程示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一、利用最小均方误差算法均衡无线栅格传感器网络中各个节点负载的方法,它包括下述步骤步骤一、令从源节点到中心节点的矩形区间内在水平方向有m个栅格,在垂直方向有η个栅格;则共有(m+l)*(n+l)个节点,根据最短路径算法,源节点到中心节点间的最短路由长度为m+n,并且共有6+ 个不同的路由,因此构造一个(m+l)*(n+l)-2行,6+ 列的矩阵 A,其中矩阵A的每一列代表一条路由,而每一行代表某一个节点是否出现在该路由中,所有的路由都要经过源节点和目的节点,故栅格网络中的节点数可以缩减为(m+l)*(n+l)-2 个,步骤二、判断m+n是否大于5,判断是执行步骤三,判断否执行步骤四;步骤三、根据经纬度备选路径选择算法,选定(m+l)*(n+l)-2个路径;步骤四、根据步骤二或步骤三选定路径的索引值P(j),通过该索引值,利用矩阵构造算法,得到一个转移矩阵T ;步骤五、根据步骤四得到的转移矩阵T,可得到另一个矩阵U,通过矩阵U,利用最小均方误差系数矩阵A构造算法可得到计算最小均方误差所需要的系数矩阵A ;步骤六、利用最小均方误差算法即可求得所需的路径选中比率,照该比率依次选择路径进行通信,即可实现无线栅格传感器网络的负载均衡。步骤五中的矩阵U:
权利要求
1.利用最小均方误差算法均衡无线栅格传感器网络中各个节点负载的方法,其特征在于它包括下述步骤步骤一、令从源节点到中心节点的矩形区间内在水平方向有m个栅格,在垂直方向有η 个栅格;步骤二、判断m+n是否大于5,判断是执行步骤三,判断否执行步骤四; 步骤三、根据经纬度备选路径选择算法,选定(m+l)*(n+l)-2个路径; 步骤四、根据步骤二或步骤三选定路径的索引值P (j),通过该索引值,利用矩阵构造算法,得到一个转移矩阵T ;步骤五、根据步骤四得到的转移矩阵T,可得到另一个矩阵U,通过矩阵U,利用最小均方误差系数矩阵A构造算法可得到计算最小均方误差所需要的系数矩阵A ;步骤六、利用最小均方误差算法即可求得所需的路径选中比率,照该比率依次选择路径进行通信,即可实现无线栅格传感器网络的负载均衡。
2.根据权利要求1所述的利用最小均方误差算法均衡无线栅格传感器网络中各个节点负载的方法,其特征在于步骤三中的经纬度路径选择算法为步骤三一、开始,执行步骤三二 ; 步骤三二、令j = l,P(j) = 1,执行步骤三三;其中,j为已选定路径数,P(j)为第j条路径在依降序排列的全路径中的索引数, 步骤三三、令j = j+1 J(Z) = C二—,,执行步骤三四;其中,j+Ι为已选定路径数加LC^1为从m+j-l个数中选择j-Ι个数的组合数, 步骤三四、判断j是否大于等于n,判断结果为是,执行步骤三五,判断结果为否,执行步骤三三;步骤三五、令j = j+1,户()) =C二—C二 +1,执行步骤三六; 其中,C二二2 —为第j条经纬度路径在全路径矩阵中的索引数, 步骤三六、判断j是否大于等于m+n,判断结果为是,执行步骤三七,判断结果为否,执行步骤步骤三五;其中,m+n为水平栅格数量与垂直栅格数量之和,Cn -m-n步骤三七、令(3壯=03 = 24= ^—,执行步骤三八;mxn-l其中,cnt为一个计数器,用来统计路径的数量,t为所选定经纬度路径P的索引数,即第t条经纬度路径,k为路径间距,这里符号h」表示不大于χ的最大整数,步骤三八、判断cnt是否大于等于k,判断结果为是,执行步骤三十,判断结果为否,执行步骤三九;步骤三九、令cnt = cnt+P(t)-P(t-l)-l,t = t+1,执行步骤三八; 其中,cnt+P(t)-P(t-l)-l为第t条经纬度路径和第t-Ι条经纬度路径间其它路径的数量与计数器cnt值之和再减1,t+Ι为经纬度路径索引数加1,P(t-l)为第t-Ι条经纬度路径在全路径中的索引数,步骤三十、令nmb = k-cnt+P(t-l)-l,u = t_l,执行步骤三i^一 ; 其中,nmb为选定的经纬度路径在全路径中的索引值,u为纬度路径的索引值,t-Ι为第t-i条经纬度路径,步骤三十一、判断u是否大于j,判断结果为是,执行步骤三十三,判断结果为否,执行步骤三十二;步骤三十二、令 tmp = P(U),P(u) = nmb, nmb = tmp,执行步骤三i^一 ; 其中,tmp为一个临时变量,P (u)为第u条选定路径在全路径中的索引数,即交换P(U) 与nmb的数值,步骤三十三、令j = j+1,P(j) = tmp, cnt = 0,执行步骤三十四; 步骤三十四、判断j是否大于等于(m+l)*(n+l)-3,判断结果为是,执行步骤三十五,判断结果为否,执行步骤三八;其中,(m+l)*(n+l)-3为所需选定的路径数量减1,步骤三十五、结束。
3.根据权利要求1所述的利用最小均方误差算法均衡无线栅格传感器网络中各个节点负载的方法,其特征在于步骤四中的转移矩阵T构造算法为 转移矩阵T构造算法 步骤四一、开始,执行步骤四二 ; 步骤四二、令W= 1,i = 1,V = P(i),执行步骤四三;其中,w为路径的跳数,i为第i条经纬度路径,ν为路径数,,P(i)为所选定第i条经纬度路径在全路径中的索引值,步骤四三、判断ν是否小于等于C:。,判断结果为是,执行步骤四五,判断结果为否,执行步骤四四;步骤四四、令Tv,w = 0,执行步骤四六;其中,Tv, w为转移矩阵T中第ν行第w列元素,Tv,w = 0为将转移矩阵T中第ν行第w 列元素赋值为0,步骤四五、令Tv,w= 1,执行步骤四六;其中,Tv,w= 1,代表将转移矩阵T中第ν行第w列元素赋值为1, 步骤四六、判断Tv, w是否等于n,判断结果为是,执行步骤四八,判断结果为否,执行步骤四七;其中,η为垂直方向栅格数量, 步骤四七、令k= 1,执行步骤四九; 其中,k为跳数,步骤四八、令w = w+1,执行步骤步骤四十一; 其中,w+1为第w+1跳,步骤四九、令k = k+1,Tv, w = 0,执行步骤四十; 其中,k+Ι为第k+1跳,步骤四十、判断k是否大于m+η-Ι,判断结果为是,执行步骤四二十五,判断结果为否, 执行步骤四九;其中,m+η-Ι为水平栅格数与垂直栅格数之和减1,步骤四十一、判断w是否小于等于m+η-Ι,判断结果为是,执行步骤四十二,判断结果为否,执行步骤四十六;步骤四十二、判断
4.根据权利要求1所述的利用最小均方误差算法均衡无线栅格传感器网络中各个节点负载的方法,其特征在于步骤五中的最小均方误差系数矩阵A构造算法为 最小均方误差系数矩阵A构造算法 步骤五一、开始,执行步骤五二 ; 步骤五二、令i = 0,ν = 0,执行步骤五三; 其中,i为所选定经纬度路径的索引号,ν为节点ID, 步骤五三、令i = i+1,j = 1,执行步骤五四;其中,i+Ι为所选定经纬度路径索引号加1,即下一条选定的经纬度路径,j为跳数, 步骤五四、判断i是否小于等于(m+l)*(n+l)-2,判断结果为是,执行步骤五六,判断结果为否,执行步骤五五; 步骤五五、结束;步骤五六、判断j是否小于等于1,判断结果为是,执行步骤五七,判断结果为否,执行步骤五十五;步骤五七、判断U(i,j)是否等于1,判断结果为是,执行步骤五九,判断结果为否,执行步骤五八;其中,u(i,j)为矩阵U的第i行第j列元素,它代表在第i条经纬度路径中,到第j跳时,路径经过水平方向的跳数,步骤五八、令V = v+n+1,执行步骤五十; 其中,v+n+1为ID号为ν的节点的垂直方向相邻节点ID, 步骤五九、令ν = ν+l,执行步骤五十; 其中,v+1为ID号为ν的节点的水平方向相邻节点ID, 步骤五十、令A(v,i) = 1,执行步骤五十一; 其中,A(v,i)为求最小均方误差的系数矩阵中第ν行第j列元素, 步骤五十一、判断U(i,j)是否小于U(i,j+1),判断结果为是,执行步骤五十三,判断结果为否,执行步骤五十二;其中,U(i,j+Ι)为矩阵U的第i行第j+Ι列元素,它代表在第i条经纬度路径中,到第 j+Ι跳时,路径经过水平方向的跳数,步骤五十二、令ν = v+n+1,执行步骤五十四;其中,v+n+1为ID号为ν的节点的垂直方向相邻节点ID,步骤五十三、令ν = ν+l,执行步骤五十四;其中,v+1为ID号为ν的节点的水平方向相邻节点ID,步骤五十四、令A(v,i) = 1,执行步骤五十五;步骤五十五、令j = j+1,执行步骤五十六;其中,j+Ι为跳数加一,步骤五十六、判断j是否小于m+n-1,判断结果为是,执行步骤五十七,判断结果为否, 执行步骤五三;步骤五十七、判断U(i,j)是否小于U(i,j+1),判断结果为是,执行步骤五十九,判断结果为否,执行步骤五十八;步骤五十八、令ν = v+n+1,执行步骤五二十; 步骤五十九、令ν = v+1,执行步骤五二十; 步骤五二十、令A (v,i) = 1,执行步骤五六。
全文摘要
利用最小均方误差算法均衡无线栅格传感器网络中各个节点负载的方法,本法明涉及利用最小均方误差算法均衡无线栅格传感器网络中各个节点负载的方法。为了解决因被选定路由上的节点需要大量的承担分组中继工作,导致能量不均衡的问题。本发明的方法为在所有备选路由中利用经纬度算法选择备选路由,然后按照最小均方误差方法确定各备选路由被选定的比率。然后源节点利用该比率来使用这些备选路由,从而可以达到最优的节点负载均衡。本发明适用于无线传感器网络。
文档编号H04W40/00GK102427590SQ20121000379
公开日2012年4月25日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者吴少川, 张佳岩, 张文彬, 王思, 白旭, 管修挚, 高玉龙 申请人:哈尔滨工业大学
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