本發明屬于傳感器組網，具體涉及一種基于鏈路代價與節點度約束的網絡拓撲優化方法。

背景技術：

1、隨著信息化時代的來臨，工業控制系統、軍事偵察系統、軌道交通系統等領域應用需求逐漸多樣化，相應傳感器組網拓撲復雜度提升，組網優化條件增加，并且對傳感器組網優化速度要求更為嚴苛。信息時代背景下如何快速求解滿足應用需求的傳感器組網拓撲成為拓撲優化技術領域亟需解決的問題。

2、不同領域對傳感器組網拓撲優化需求側重點不同，工業控制領域關注網絡規模及業務帶寬性能的提升；軍事偵察、軌道交通領域關注拓撲優化速度及關鍵路徑傳輸時延，能夠面向突發任務快速計算出滿足時敏路徑代價約束的網絡拓撲，保障臨時關鍵性信息低時延快速傳輸。傳統面向傳輸代價的網絡拓撲優化方法在進行模型設計時只考慮鏈路代價，忽略復雜業務場景下傳輸節點負載增大導致交換代價增加的問題，因此設計一種綜合考慮鏈路代價與傳輸節點交換代價的網絡模型，保障關鍵性時敏業務低時延傳輸成為拓撲優化新思路。

3、現有網絡拓撲優化模型的經典求解方法中，貪心算法通過每一步均選擇當前狀態下最優解的方式，具備最快的模型求解速度，然而，該算法在求解過程中未從全局角度進行拓撲優化，往往得到的是局部最優解。如何針對多樣化網絡模型，通過考慮全局約束的方式改進貪心算法，進一步提升模型求解速度亦成為傳感器組網拓撲優化技術領域研究重點。

技術實現思路

1、本發明的技術解決問題是：面向不同領域傳感器組網多樣優化需求，克服現有技術設計優化模型單一、模型求解速度慢的不足，提供一種基于鏈路代價與節點度約束的網絡拓撲優化方法，綜合考慮鏈路傳輸代價與傳輸節點交換代價設計拓撲優化模型，通過改進貪心算法進一步提升模型求解速度。

2、本發明的技術方案是：

3、一種基于鏈路代價與節點度約束的網絡拓撲優化方法，包括：

4、通過帶權有向圖表示傳感器組網拓撲；

5、綜合考慮整體傳輸鏈路代價、關鍵路徑代價、傳輸節點信息交換代價與網絡連通性，構建一種面向傳輸代價的網絡拓撲優化模型；

6、通過改進貪心算法對網絡拓撲優化模型進行求解，快速求解出傳感器組網優化拓撲。

7、優選的，所述帶權有向圖通過g＝{v,e}表示傳感器組網拓撲，其中v＝{v1,v2,…,vn}是傳輸節點的集合，n為傳感器網絡中傳輸節點個數；是有向邊的集合，表示傳輸節點vi與vj的直連鏈路代價值。

8、優選的，所述整體傳輸鏈路代價為傳感器組網拓撲中所有直連鏈路代價值；所述關鍵路徑代價為傳感器組網拓撲中關鍵消息源節點至關鍵消息目的節點的最短路徑中包含的所有直連鏈路代價值；所述傳輸節點信息交換代價采用傳輸節點鄰接傳輸節點個數，即傳輸節點連接度表示，映射傳輸節點交換代價；所述網絡連通性為傳感器組網拓撲中任意兩個傳輸節點間均具備雙向可達路徑。

9、優選的，所述網絡拓撲優化模型以網絡整體傳輸鏈路代價最小為優化目標，以關鍵路徑代價、傳輸節點連接度、任意兩個傳輸節點雙向可達為約束條件構建，具體如下：

10、

11、其中v＝{v1,v2,…,vn}是傳輸節點的集合，n為傳感器網絡中傳輸節點個數；權值參數表示傳輸節點vi與vj的直連鏈路代價值；z表示傳感器組網優化拓撲的整體傳輸鏈路代價；vsource代表關鍵消息源傳感器的鄰接傳輸節點；代表在傳感器組網優化拓撲中得到的vsource與vi間鏈路代價值；path_delay代表關鍵路徑代價上限值；vkey代表所有關鍵消息目的傳感器節點的鄰接傳輸節點集合；degree(vi)代表節點vi的連接入度或出度；degree_limit代表傳輸節點鄰接消息輸入或輸出傳輸節點個數上限值，代表在傳感器組網優化拓撲中運用dijkstra算法得到的vi與vj間鏈路代價值。

12、優選的，所述通過改進貪心算法對網絡拓撲優化模型進行求解，包括如下步驟：

13、步驟3-1：對網絡拓撲優化模型進行初始化求解，基于初始傳感器組網拓撲計算出關鍵消息源傳輸節點至網絡所有其他傳輸節點的路徑，生成以關鍵消息源傳輸節點為根的最短路徑生成樹；

14、步驟3-2：基于關鍵路徑代價約束與傳輸節點信息交換代價約束對最短路徑生成樹進行拓撲優化，通過替換初始路徑的方式，刪除當前拓撲中不滿足度約束的直連鏈路，重新構建滿足代價約束與度約束的傳感器組網拓撲；所述度約束是指傳輸節點信息交換代價約束；

15、步驟3-3：基于網絡連通性約束進一步優化傳感器組網拓撲，通過添加初始拓撲直連鏈路的方式，得到滿足約束要求與優化目標的傳感器組網優化拓撲。

16、優選的，所述直連鏈路代價是傳輸節點vi至vj的單向鏈路時延。

17、優選的，步驟3-2中，初始路徑為初始傳感器組網拓撲中傳輸節點間的直連鏈路，步驟3-3中初始拓撲為初始傳感器組網拓撲。

18、優選的，步驟3-1的實現方法如下：

19、步驟3-1-1：對網絡拓撲優化模型進行初始化求解，對初始傳感器組網拓撲運用dijkstra算法快速生成最短路徑生成樹，所述生成樹將以關鍵消息源傳輸節點為根，覆蓋整個網絡拓撲，保證從源節點到所有其他節點的路徑都是最短的；

20、步驟3-1-2：檢測最短路徑生成樹中從源節點到目的節點間的路徑代價是否滿足關鍵路徑代價約束，若是，則輸出最短路徑生成樹，否則，拓撲優化失敗。

21、優選的，步驟3-2的實現方法如下：

22、步驟3-2-1：輸入最短路徑生成樹、初始傳感器組網拓撲、傳輸節點信息交換代價約束與關鍵路徑代價約束，開啟網絡拓撲調整；

23、步驟3-2-2：遍歷生成樹中所有網絡節點，尋找度數不滿足約束條件的節點m；

24、步驟3-2-3：獲取節點m的所有直連子節點存入隊列q；

25、步驟3-2-4：判斷隊列q中是否存在節點n，使得在初始傳感器組網拓撲中從m的母節點到節點n存在不經過點m的替換路徑，若是，則進行步驟3-2-5，否則表明節點m的度約束無法進行調整，輸出網絡優化失敗結果；

26、步驟3-2-5：判斷節點n及其下屬分支樹中是否包含關鍵消息目的節點，若是，則進行步驟3-2-8，否則將從m的母節點到節點n的替換路徑更替到網絡生成樹中，進行步驟3-2-6；

27、步驟3-2-6：判斷在進行路徑更替后的網絡生成樹中，節點m是否滿足度約束要求，若是，則進行步驟3-2-7，否則將節點n從隊列q中刪除，進行步驟3-2-4；

28、步驟3-2-7：判斷在進行路徑更替后網絡生成樹中是否仍存在不滿足度約束的節點m，若是，則跳轉步驟3-2-2，否則，將最新網絡生成樹輸出，表明獲取到滿足關鍵路徑代價與節點度約束要求的傳感器組網拓撲；

29、步驟3-2-8：判斷將m的母節點到節點n的替換路徑替換到網絡生成樹后，網絡關鍵路徑時延是否滿足約束要求，若是，則將從m的母節點到節點n的替換路徑更替到網絡生成樹中，進行步驟3-2-6，否則將節點n從隊列q中刪除，進行步驟3-2-4。

30、優選的，步驟3-3的實現方法如下：

31、步驟3-3-1：輸入滿足關鍵路徑代價與度約束要求的傳感器組網拓撲與初始傳感器組網拓撲；

32、步驟3-3-2：遍歷傳感器組網拓撲中是否存在兩兩雙向不可達節點對，若是，則跳轉步驟3-3-3，否則傳感器組網拓撲具備全連通特性，輸出滿足約束要求與優化目標的傳感器組網優化拓撲；

33、步驟3-3-3：在傳感器組網拓撲中任取一對無法連通的節點對；

34、步驟3-3-4：在初始傳感器組網拓撲里利用dijkstra算法尋找兩個節點間最短可達路徑path；

35、步驟3-3-5：若在初始傳感器組網拓撲存在兩節點間最短可達路徑path，則跳轉步驟3-3-6，否則判斷無法生成具備全連通特性的傳感器組網優化拓撲，輸出網絡優化失敗結果；

36、步驟3-3-6：判斷傳感器組網拓撲里加入path后網絡節點連接度是否超過約束限制，若是則跳轉步驟3-3-7，否則跳轉步驟3-3-8；

37、步驟3-3-7：將path中破壞節點度約束限制的邊從初始傳感器組網拓撲中刪除，隨后跳轉步驟3-3-4；

38、步驟3-3-8：將path中不在傳感器組網拓撲的連接路徑接入傳感器組網拓撲，隨后跳轉步驟3-3-2。

39、本發明與現有技術相比的有益效果是：

40、1)相比于現有以傳輸代價為目標的拓撲優化方法，本發明首次提出以網絡整體傳輸鏈路代價最小為目標，以關鍵路徑代價、傳輸節點連接度、任意兩點雙向可達為約束的拓撲優化模型，綜合考慮鏈路代價與傳輸節點交換代價，提出一種基于鏈路代價與節點度約束的網絡拓撲優化方法。

41、2)在傳統貪心算法每一步都選擇當前狀態下最優拓撲的基礎上，本方法在模型初次求解過程中，基于全局關鍵路徑代價約束一步生成最短路徑生成樹，并非傳統貪心算法生成的最小生成樹，通過改進貪心算法進一步提高模型求解速度。