[发明专利]一种基于混合整数规划的无线传感网拓扑构建方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感网领域，尤其是一种无线传感网拓扑构建方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)是由大量资源受限的传感节点组成的无线自组织网络，如何减少全网能耗延长网络生命周期是WSNs最先考虑的问题。拓扑控制是保证全网连通性和覆盖度、合理消耗能量增加网络生存时间的高效可行技术，而拓扑构建则是拓扑控制的首要过程。基于虚拟主干网的通信方式是在保证网络连通性的前提下，最大化地节省能耗的一种有效的拓扑构建方法。虚拟主干网本身为寻找原网络图的连通子集，即确保除主干网之外的其余节点至少找到主干网中的一个节点与之可以直接通信。

最小连通支配集(Minimum Connected Dominating Set,MCDS)的构建是形成虚拟主干网，关闭网络拓扑中大部分不必要节点，最终达到节省能耗，延长网络生命周期的主要途径之一。求解此类问题的数学建模方式主要有以下几种：1）采用分而治之方法，将复杂的原MCDS问题划分成两个子问题，基于线性规划方法建模，在第一步求解原图的最小支配集的基础上，运用分布式算法寻找其生成树并形成最终的MCDS最优解。2）将原有的MCDS问题转化成最小顶点裁割问题，给出整数规划模型，通过连通支配集必须满足的两个限制条件（节点裁割和邻居连通）以及可增加的约束产生机制，以线性方式迭代执行，直至遇到MCDS的最优解。3）采用令牌流技术，以最小化网络中分发的令牌数为目标函数，并在此基础上建立混合整数规划模型求解MCDS构建问题。这三种数学方法虽然解决了MCDS的构建问题，但其求解结果是其子集最优解，趋近于MCDS的最优解，而非其整体最优解。

因此，结合预处理过程、结构规模和能耗因素等问题，迫切需要一种更优的方法求解拓扑构建问题。

发明内容

为了克服已有无线传感网拓扑构建方法的处理过程复杂、结构规模较大、能量消耗较大、网络生命周期较短的不足，本发明提供一种无需任何预处理过程、结构规模较小、能量消耗较小、网络生命周期较长的基于混合整数规划的无线传感网拓扑构建方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于混合整数规划的无线传感网拓扑构建方法，所述构建方法包括以下步骤：

1）首先，将任意网络环境下寻找无线传感网的最优虚拟主干网问题抽象转化成无线传感网的最小连通支配集问题；

2）定义令牌流，确定以令牌分发数与节点能耗乘积为目标的优化函数，

minn′·ΣjE(j)=Σiy(i)ΣjE(j)---(1)]]>

其中，n′为无线传感网所必需的最小支配节点数，n＝|V|为无线传感网中全部节点数量，E(j)为第j个节点消耗的能量；y(i)则为大小是n的二进制数组，且y(i)∈{0,1}；

式(2)表示如果节点被选为支配节点，那么y(i)＝1，反之则y(i)＝0；

得出当前无线传感网中支配其他所有节点的最小生成树；所述令牌流定义过程需要满足以下规则：

规则一：假设Sink节点是唯一的令牌发起点，那么这个Sink节点拥有n′个令牌；

规则二：分发过程起始于Sink节点，将消耗1个令牌，则分发到它的邻居支配节点上总的令牌数为n′-1；