專利名稱：利用最小均方誤差算法均衡無(wú)線柵格傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)載的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)，具體涉及一種利用最小均方誤差算法均衡無(wú)線柵格傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)載的方法。
背景技術(shù)：
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通常都采用電池供電，并且處理能力十分有限。因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常都采用多跳中繼通信方式，通過(guò)分布式協(xié)作達(dá)到節(jié)約功耗和增加處理能力的目的。由于在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通常需要和其所在的地理位置信息關(guān)聯(lián)，從而為中心節(jié)點(diǎn)形成網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)的決策提供依據(jù)。但是由于體積、能耗和處理能力的限制，利用GPS等定位技術(shù)或者分布式位置估算算法代價(jià)過(guò)于高昂，所以無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通常無(wú)法直接獲取其位置信息。此時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，基于柵格方式布置的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)因?yàn)槟茉诰W(wǎng)絡(luò)布設(shè)階段為節(jié)點(diǎn)提供位置信息，從而得到了普遍關(guān)注。在柵格無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，在每個(gè)柵格的交叉點(diǎn)或柵格內(nèi)部，在同一時(shí)刻只有一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)被激活。這些中繼節(jié)點(diǎn)可以是特殊的節(jié)點(diǎn)，也可以由普通傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)?yè)?dān)當(dāng)。網(wǎng)絡(luò)中所有分組的中繼轉(zhuǎn)發(fā)工作將完全由這些中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)承擔(dān)。為了降低這些中繼節(jié)點(diǎn)的能量消耗，通常會(huì)采用激活——休眠策略，來(lái)更換柵格中節(jié)點(diǎn)的角色，從而讓這些中繼節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)約能量，而其中繼任務(wù)由其它節(jié)點(diǎn)來(lái)?yè)?dān)當(dāng)。由于采用了柵格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 所以可以為每個(gè)柵格指配唯一的ID號(hào)，所有分組的路由將完全按照ID尋址的方式向中心節(jié)點(diǎn)匯聚。這樣，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)不需要知道它嚴(yán)格的地理位置信息，只需要知道它所在柵格的ID號(hào)和中心節(jié)點(diǎn)所在柵格ID號(hào)，就可以利用源路由的方式實(shí)現(xiàn)中繼多跳通信。但是傳統(tǒng)的無(wú)線柵格傳感器網(wǎng)絡(luò)從源節(jié)點(diǎn)到中心節(jié)點(diǎn)間的路由通常采用單播路由方式，此時(shí)被選定路由上的節(jié)點(diǎn)需要大量的承擔(dān)分組中繼工作，因此能量消耗較快，并有可能由于這些節(jié)點(diǎn)信道容量或處理能力的限制而形成通信瓶頸。即使采用激活——休眠策略，被選定路由上中繼節(jié)點(diǎn)所處柵格中的節(jié)點(diǎn)仍舊能量消耗過(guò)快，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的生存期。為了解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外提出了多路由或全路由技術(shù)，通過(guò)輪換使用多條路徑的方法來(lái)降低節(jié)點(diǎn)間能量消耗的差異性。但是由于柵格網(wǎng)絡(luò)中邊緣節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在路由中的概率低而網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在路由中的概率高，因此這種方法雖然緩解了節(jié)點(diǎn)間能量消耗的差異， 卻不能實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間最優(yōu)能量均衡性。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決因被選定路由上的節(jié)點(diǎn)需要大量的承擔(dān)分組中繼工作，導(dǎo)致能量不均衡，形成通信瓶頸的問(wèn)題。本發(fā)明利用最小均方誤差法提出了一種新型的路由技術(shù)，利用最小均方誤差算法均衡無(wú)線柵格傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)載的方法。利用最小均方誤差算法均衡無(wú)線柵格傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)載的方法，它包括下述步驟
步驟一、令從源節(jié)點(diǎn)到中心節(jié)點(diǎn)的矩形區(qū)間內(nèi)在水平方向有m個(gè)柵格，在垂直方向有η個(gè)柵格；步驟二、判斷m+n是否大于5，判斷是執(zhí)行步驟三，判斷否執(zhí)行步驟四；步驟三、根據(jù)經(jīng)緯度備選路徑選擇算法，選定(m+1) * (n+1) _2個(gè)路徑；步驟四、根據(jù)步驟二或步驟三選定路徑的索引值P(j)，通過(guò)該索引值，利用矩陣構(gòu)造算法，得到一個(gè)轉(zhuǎn)移矩陣T ；步驟五、根據(jù)步驟四得到的轉(zhuǎn)移矩陣T，可得到另一個(gè)矩陣U，通過(guò)矩陣U，利用最小均方誤差系數(shù)矩陣A構(gòu)造算法可得到計(jì)算最小均方誤差所需要的系數(shù)矩陣A ；步驟六、利用最小均方誤差算法即可求得所需的路徑選中比率，照該比率依次選擇路徑進(jìn)行通信，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線柵格傳感器網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。本發(fā)明通過(guò)構(gòu)造一個(gè)由節(jié)點(diǎn)和路徑所組成的矩陣，然后利用最小二乘法求解各路徑被選定的比率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的負(fù)載和能耗均衡的目的。從根本上解決了負(fù)載不均衡導(dǎo)致無(wú)線柵格傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗的差異性，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)業(yè)務(wù)分配和能量均衡。


圖1是經(jīng)緯度路徑選擇算法的流程圖，圖2是轉(zhuǎn)移矩陣T構(gòu)造算法的流程圖，圖3 是最小均方誤差系數(shù)矩陣A構(gòu)造算法的流程圖，圖4是大小為3X3的柵格中進(jìn)行路徑預(yù)處理選擇時(shí)的第一種按照經(jīng)度選擇的路徑圖，圖5是大小為3X3的柵格中進(jìn)行路徑預(yù)處理選擇時(shí)的第二種按照經(jīng)度選擇的路徑圖，圖6是大小為3X3的柵格中進(jìn)行路徑預(yù)處理選擇時(shí)的第三種按照經(jīng)度選擇的路徑圖，圖7是大小為3X3的柵格中進(jìn)行路徑預(yù)處理選擇時(shí)的第一種按照緯度選擇的路徑圖，圖8是大小為3X3的柵格中進(jìn)行路徑預(yù)處理選擇時(shí)的第二種按照緯度選擇的路徑圖，圖9是大小為3X3的柵格中進(jìn)行路徑預(yù)處理選擇時(shí)的第三種按照緯度選擇的路徑圖，圖10是采用全路徑算法時(shí)在大小為5X5柵格中各個(gè)節(jié)點(diǎn)能量消耗的示意圖，圖11是最小均方誤差法在大小為5X5柵格中各節(jié)點(diǎn)能量消耗的示意圖，圖12是本發(fā)明的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、利用最小均方誤差算法均衡無(wú)線柵格傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)載的方法，它包括下述步驟步驟一、令從源節(jié)點(diǎn)到中心節(jié)點(diǎn)的矩形區(qū)間內(nèi)在水平方向有m個(gè)柵格，在垂直方向有η個(gè)柵格；則共有(m+l)*(n+l)個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)最短路徑算法，源節(jié)點(diǎn)到中心節(jié)點(diǎn)間的最短路由長(zhǎng)度為m+n，并且共有6+ 個(gè)不同的路由，因此構(gòu)造一個(gè)(m+l)*(n+l)-2行，6+ 列的矩陣 A，其中矩陣A的每一列代表一條路由，而每一行代表某一個(gè)節(jié)點(diǎn)是否出現(xiàn)在該路由中，所有的路由都要經(jīng)過(guò)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，故柵格網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)可以縮減為(m+l)*(n+l)-2 個(gè)，步驟二、判斷m+n是否大于5，判斷是執(zhí)行步驟三，判斷否執(zhí)行步驟四；步驟三、根據(jù)經(jīng)緯度備選路徑選擇算法，選定(m+l)*(n+l)-2個(gè)路徑；步驟四、根據(jù)步驟二或步驟三選定路徑的索引值P(j)，通過(guò)該索引值，利用矩陣構(gòu)造算法，得到一個(gè)轉(zhuǎn)移矩陣T ；步驟五、根據(jù)步驟四得到的轉(zhuǎn)移矩陣T，可得到另一個(gè)矩陣U，通過(guò)矩陣U，利用最小均方誤差系數(shù)矩陣A構(gòu)造算法可得到計(jì)算最小均方誤差所需要的系數(shù)矩陣A ；步驟六、利用最小均方誤差算法即可求得所需的路徑選中比率，照該比率依次選擇路徑進(jìn)行通信，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線柵格傳感器網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。步驟五中的矩陣U:
權(quán)利要求
1.利用最小均方誤差算法均衡無(wú)線柵格傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)載的方法，其特征在于它包括下述步驟步驟一、令從源節(jié)點(diǎn)到中心節(jié)點(diǎn)的矩形區(qū)間內(nèi)在水平方向有m個(gè)柵格，在垂直方向有η 個(gè)柵格；步驟二、判斷m+n是否大于5，判斷是執(zhí)行步驟三，判斷否執(zhí)行步驟四； 步驟三、根據(jù)經(jīng)緯度備選路徑選擇算法，選定(m+l)*(n+l)-2個(gè)路徑； 步驟四、根據(jù)步驟二或步驟三選定路徑的索引值P (j)，通過(guò)該索引值，利用矩陣構(gòu)造算法，得到一個(gè)轉(zhuǎn)移矩陣T ；步驟五、根據(jù)步驟四得到的轉(zhuǎn)移矩陣T，可得到另一個(gè)矩陣U，通過(guò)矩陣U，利用最小均方誤差系數(shù)矩陣A構(gòu)造算法可得到計(jì)算最小均方誤差所需要的系數(shù)矩陣A ；步驟六、利用最小均方誤差算法即可求得所需的路徑選中比率，照該比率依次選擇路徑進(jìn)行通信，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線柵格傳感器網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用最小均方誤差算法均衡無(wú)線柵格傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)載的方法，其特征在于步驟三中的經(jīng)緯度路徑選擇算法為步驟三一、開(kāi)始，執(zhí)行步驟三二 ； 步驟三二、令j = l，P(j) = 1，執(zhí)行步驟三三；其中，j為已選定路徑數(shù)，P(j)為第j條路徑在依降序排列的全路徑中的索引數(shù)， 步驟三三、令j = j+1 J(Z) = C二—,，執(zhí)行步驟三四；其中，j+Ι為已選定路徑數(shù)加LC^1為從m+j-l個(gè)數(shù)中選擇j-Ι個(gè)數(shù)的組合數(shù)， 步驟三四、判斷j是否大于等于n，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟三五，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟三三；步驟三五、令j = j+1，戶()) =C二—C二 +1,執(zhí)行步驟三六； 其中，C二二2 —為第j條經(jīng)緯度路徑在全路徑矩陣中的索引數(shù)， 步驟三六、判斷j是否大于等于m+n，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟三七，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟步驟三五；其中，m+n為水平柵格數(shù)量與垂直柵格數(shù)量之和，Cn -m-n步驟三七、令(3壯=03 = 24= ^—，執(zhí)行步驟三八；mxn-l其中，cnt為一個(gè)計(jì)數(shù)器，用來(lái)統(tǒng)計(jì)路徑的數(shù)量，t為所選定經(jīng)緯度路徑P的索引數(shù)，即第t條經(jīng)緯度路徑，k為路徑間距，這里符號(hào)h」表示不大于χ的最大整數(shù)，步驟三八、判斷cnt是否大于等于k，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟三十，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟三九；步驟三九、令cnt = cnt+P(t)-P(t-l)-l，t = t+1，執(zhí)行步驟三八； 其中，cnt+P(t)-P(t-l)-l為第t條經(jīng)緯度路徑和第t-Ι條經(jīng)緯度路徑間其它路徑的數(shù)量與計(jì)數(shù)器cnt值之和再減1，t+Ι為經(jīng)緯度路徑索引數(shù)加1，P(t-l)為第t-Ι條經(jīng)緯度路徑在全路徑中的索引數(shù)，步驟三十、令nmb = k-cnt+P(t-l)-l，u = t_l，執(zhí)行步驟三i^一 ； 其中，nmb為選定的經(jīng)緯度路徑在全路徑中的索引值，u為緯度路徑的索引值，t-Ι為第t-i條經(jīng)緯度路徑，步驟三十一、判斷u是否大于j，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟三十三，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟三十二；步驟三十二、令 tmp = P(U)，P(u) = nmb, nmb = tmp，執(zhí)行步驟三i^一 ； 其中，tmp為一個(gè)臨時(shí)變量，P (u)為第u條選定路徑在全路徑中的索引數(shù)，即交換P(U) 與nmb的數(shù)值，步驟三十三、令j = j+1，P(j) = tmp, cnt = 0，執(zhí)行步驟三十四； 步驟三十四、判斷j是否大于等于(m+l)*(n+l)-3，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟三十五，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟三八；其中，(m+l)*(n+l)-3為所需選定的路徑數(shù)量減1，步驟三十五、結(jié)束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用最小均方誤差算法均衡無(wú)線柵格傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)載的方法，其特征在于步驟四中的轉(zhuǎn)移矩陣T構(gòu)造算法為 轉(zhuǎn)移矩陣T構(gòu)造算法 步驟四一、開(kāi)始，執(zhí)行步驟四二 ； 步驟四二、令W= 1，i = 1，V = P(i)，執(zhí)行步驟四三；其中，w為路徑的跳數(shù)，i為第i條經(jīng)緯度路徑，ν為路徑數(shù)，，P(i)為所選定第i條經(jīng)緯度路徑在全路徑中的索引值，步驟四三、判斷ν是否小于等于C:。，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟四五，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟四四；步驟四四、令Tv,w = 0，執(zhí)行步驟四六；其中，Tv, w為轉(zhuǎn)移矩陣T中第ν行第w列元素，Tv,w = 0為將轉(zhuǎn)移矩陣T中第ν行第w 列元素賦值為0，步驟四五、令Tv,w= 1，執(zhí)行步驟四六；其中，Tv,w= 1，代表將轉(zhuǎn)移矩陣T中第ν行第w列元素賦值為1， 步驟四六、判斷Tv, w是否等于n，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟四八，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟四七；其中，η為垂直方向柵格數(shù)量， 步驟四七、令k= 1，執(zhí)行步驟四九； 其中，k為跳數(shù)，步驟四八、令w = w+1，執(zhí)行步驟步驟四十一； 其中，w+1為第w+1跳，步驟四九、令k = k+1，Tv, w = 0，執(zhí)行步驟四十； 其中，k+Ι為第k+1跳，步驟四十、判斷k是否大于m+η-Ι，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟四二十五，判斷結(jié)果為否， 執(zhí)行步驟四九；其中，m+η-Ι為水平柵格數(shù)與垂直柵格數(shù)之和減1，步驟四十一、判斷w是否小于等于m+η-Ι，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟四十二，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟四十六；步驟四十二、判斷
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用最小均方誤差算法均衡無(wú)線柵格傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)載的方法，其特征在于步驟五中的最小均方誤差系數(shù)矩陣A構(gòu)造算法為 最小均方誤差系數(shù)矩陣A構(gòu)造算法 步驟五一、開(kāi)始，執(zhí)行步驟五二 ； 步驟五二、令i = 0，ν = 0，執(zhí)行步驟五三； 其中，i為所選定經(jīng)緯度路徑的索引號(hào)，ν為節(jié)點(diǎn)ID， 步驟五三、令i = i+1，j = 1，執(zhí)行步驟五四；其中，i+Ι為所選定經(jīng)緯度路徑索引號(hào)加1，即下一條選定的經(jīng)緯度路徑，j為跳數(shù)， 步驟五四、判斷i是否小于等于(m+l)*(n+l)-2，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟五六，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟五五； 步驟五五、結(jié)束；步驟五六、判斷j是否小于等于1，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟五七，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟五十五；步驟五七、判斷U(i，j)是否等于1，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟五九，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟五八；其中，u(i，j)為矩陣U的第i行第j列元素，它代表在第i條經(jīng)緯度路徑中，到第j跳時(shí)，路徑經(jīng)過(guò)水平方向的跳數(shù)，步驟五八、令V = v+n+1，執(zhí)行步驟五十； 其中，v+n+1為ID號(hào)為ν的節(jié)點(diǎn)的垂直方向相鄰節(jié)點(diǎn)ID， 步驟五九、令ν = ν+l，執(zhí)行步驟五十； 其中，v+1為ID號(hào)為ν的節(jié)點(diǎn)的水平方向相鄰節(jié)點(diǎn)ID， 步驟五十、令A(yù)(v，i) = 1，執(zhí)行步驟五十一； 其中，A(v，i)為求最小均方誤差的系數(shù)矩陣中第ν行第j列元素， 步驟五十一、判斷U(i，j)是否小于U(i，j+1)，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟五十三，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟五十二；其中，U(i，j+Ι)為矩陣U的第i行第j+Ι列元素，它代表在第i條經(jīng)緯度路徑中，到第 j+Ι跳時(shí)，路徑經(jīng)過(guò)水平方向的跳數(shù)，步驟五十二、令ν = v+n+1，執(zhí)行步驟五十四；其中，v+n+1為ID號(hào)為ν的節(jié)點(diǎn)的垂直方向相鄰節(jié)點(diǎn)ID，步驟五十三、令ν = ν+l，執(zhí)行步驟五十四；其中，v+1為ID號(hào)為ν的節(jié)點(diǎn)的水平方向相鄰節(jié)點(diǎn)ID，步驟五十四、令A(yù)(v，i) = 1，執(zhí)行步驟五十五；步驟五十五、令j = j+1，執(zhí)行步驟五十六；其中，j+Ι為跳數(shù)加一，步驟五十六、判斷j是否小于m+n-1，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟五十七，判斷結(jié)果為否， 執(zhí)行步驟五三；步驟五十七、判斷U(i，j)是否小于U(i，j+1)，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟五十九，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟五十八；步驟五十八、令ν = v+n+1，執(zhí)行步驟五二十； 步驟五十九、令ν = v+1，執(zhí)行步驟五二十； 步驟五二十、令A(yù) (v，i) = 1，執(zhí)行步驟五六。
全文摘要
利用最小均方誤差算法均衡無(wú)線柵格傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)載的方法，本法明涉及利用最小均方誤差算法均衡無(wú)線柵格傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)載的方法。為了解決因被選定路由上的節(jié)點(diǎn)需要大量的承擔(dān)分組中繼工作，導(dǎo)致能量不均衡的問(wèn)題。本發(fā)明的方法為在所有備選路由中利用經(jīng)緯度算法選擇備選路由，然后按照最小均方誤差方法確定各備選路由被選定的比率。然后源節(jié)點(diǎn)利用該比率來(lái)使用這些備選路由，從而可以達(dá)到最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡。本發(fā)明適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號(hào)H04W40/00GK102427590SQ20121000379
公開(kāi)日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者吳少川, 張佳巖, 張文彬, 王思, 白旭, 管修摯, 高玉龍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)