[发明专利]一种高效可靠的虚拟骨干网构建方法

说明书

大规模无线传感器中通常采用虚拟主干网来实现信息的有效传输。如何构建具备高效传输和一定容错性的虚拟骨干网成为当前学术界重要的研究热点之一。构建虚拟骨干网问题可以转化为图论中的构造连通控制集问题来解决，求解最小连通控制集问题已经被证明是NP完全问题，通过严格理论分析和验证可以将近似算法多项式时间内求得的连通支配集规模限定在特定的约束范围内。本发明提出一种同时考虑高效路由和容错性的虚拟骨干网构建算法，该算法采用m重控制来提高路由的容错性，时间复杂度为O(nsupgt;3/supgt;)，且虚拟骨干路由与原路由控制在5倍路由约束条件下。当m≤5时，该连通控制集近似比为54optsubgt;(1，m)/subgt;；当m5时，该连通控制集近似比为53optsubgt;(1，m)/subgt;，其中optsubgt;(1，m)/subgt;指m重连通控制集问题的最优解。对比实验验证了本文近似算法的有效性。

技术领域

本发明属于网络通信领域，具体地提出了一种在无线传感器网络中考虑容错性的路由约束虚拟骨干网构建方法，该方法通过约束路径长度，不但整个网络拥有较强的鲁棒性，也有效减少异构传感器网络中各个节点之间传输跳数，减少延迟。

背景技术

无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)因为其成本低、易部署、使用方便等特性被广泛应用于环境监测、健康应用、灾难救援、战场监控、交通控制、移动计算、军事行动等各种应用场景中。在大规模无线传感器部署过程中，特别是野外环境监测场景，无线传感器常被大量且随机均匀的投掷在覆盖区域内，由此构建的无线传感器网络在信息收集与传输过程中极易造成拥塞、骨干节点过度消耗、网络拓扑不稳定、网络生命周期短等问题。为解决以上问题，常采取分层分簇路由和虚拟骨干路由等策略来引导信息定向传在一些特定无线传感器网络中，因为节点的移动、失效等原因，导致网络的拓扑结构不稳定，因此需要构建具有容错性的虚拟骨干网。在图论中此问题可通过以k-连通m-控制集算法构建连通控制集的方法来解决，即要求虚拟骨干网C以外的任一点都至少被C中m个点所控制，而C导出的子图的连通度至少为k。采用(k,m)-CDS作为虚拟骨干，即使min{k-1,m-1}各节点发生故障，虚拟骨干仍能正常工作。输。其中虚拟骨干网技术由Ephremides[1]于1987年提出，并得到学术界广泛支持和采用。在虚拟骨干网中，每个节点将消息发送到临近虚拟骨干网中的骨干节点，信息沿这些骨干节点组成的虚拟路由网转发至其目的节点。因此，当路由路径搜索空间将被限制在虚拟骨干网中，可以得到更短的路由路径搜索时间、更小的路由表以及更便捷的路由维护，从而大大提高无线传感器网络转发效率，延长网络生命周期。

在虚拟骨干网络中，通常以平均骨干路径长度(the Average Backbone PathLength，ABPL)来衡量网络中节点间传输路径的长度，间接反映网络中信息传输的成本或能耗。无线传感器网络中虚拟骨干网构建问题以转化为图论中的连通控制集(connecteddominating set,CDS)[3]问题，Du、Ding、Zhang等学者针对路由约束、最小权重、错误容忍等特性的虚拟骨干网开展研究，设计了一系列可推导、可验证的近似算法，为通过连通控制集构建特定约束下的极小虚拟骨干网提供了理论方法。2010年，Ding[4]提出了最小路由成本CDS(MOC-CDS)问题，MOC-CDS中任意两个节点u,v之间必然存在一条最短路径pi(u,v)，pi(u,v)\{u,v}中的所有节点都属于MOC-CDS。2011年，为了减小虚拟骨干网规模，并且保证一定的网络传输效率，Ding[5]提出了α倍路由约束(αMOC-CDS)的问题，αMOC-CDS要求任意两个节点通过虚拟骨干网的最短路径长度不超过原网络中两节点最短路径长度的α倍。如图1所示，灰色的骨干节点组成了连通的虚拟骨干网，白色节点为网络中的普通节点。图1左图中虚拟骨干网节点为{8、7、6、5、4、3}，节点1和节点2的传输路径为1-8-7-6-5-4-3-2；图1右图中，增加一个骨干节点1后，虚拟骨干网节点为{8、7、6、5、4、3、1}，节点1和节点2的传输路径为1-2。