阅读说明：本技术 一种面向多跳无线网络的能效协作组播路由方法 (Energy efficiency cooperation multicast routing method oriented to multi-hop wireless network ) 是由 李源峰 蒋定德 王雨晴 王丰 刘恒 于 2019-10-17 设计创作，主要内容包括：该发明公开了一种面向多跳无线网络的能效协作组播路由方法,属于多跳无线网络中的路由技术领域,特别涉及面向多跳无线网络的能效协作组播路由方法。该方法基于拓扑控制和网络节点协作,又被称为基于拓扑控制和协作的能效组播路由方法,该方法提升了多跳无线网络的组播性能。本发明提出周期休眠网络节点来降低网络消耗,从而改善网络能效。本发明提出合理的周期休眠机制来让网络节点交替工作,并确保在不影响网络正常运行的前提下更有效地利用能量。通过结合这种休眠机制和基于拓扑控制的最小能耗组播路由算法(TPM,),显著降低了组播的能耗,并提高网络能效。该发明与现有方法相比,具有更好的能效和性能提升。(The invention discloses an energy efficiency cooperation multicast routing method facing a multi-hop wireless network, belongs to the technical field of routing in the multi-hop wireless network, and particularly relates to the energy efficiency cooperation multicast routing method facing the multi-hop wireless network. The method is based on topology control and network node cooperation, is also called as an energy efficiency multicast routing method based on topology control and cooperation, and improves the multicast performance of the multi-hop wireless network. The invention provides a periodic dormancy network node to reduce network consumption, thereby improving network energy efficiency. The invention provides a reasonable periodic dormancy mechanism to enable the network nodes to work alternately and ensure that the energy is utilized more effectively on the premise of not influencing the normal operation of the network. By combining the dormancy mechanism and a topology control-based minimum energy consumption multicast routing algorithm (TPM), the energy consumption of multicast is obviously reduced, and the network energy efficiency is improved. Compared with the existing method, the method has better energy efficiency and performance improvement.)

一种面向多跳无线网络的能效协作组播路由方法

技术领域

本发明属于多跳无线网络中的路由技术领域，特别涉及面向多跳无线网络的能效协作组播路由方法。

背景技术

随着人工智能和大数据技术的快速发展，各种新业务指数式增长，承载如此巨大的网络业务需求需要耗费通信网络庞大的能量。因此，高能耗已严重影响通信网络的性能，特别是对于对节点能量有限的多跳无线组播网络，其高能耗已直接影响多跳组播网络的连通性和可生存性。如何构建面向多跳无线网络的高能效组播通信已成为当前通信网络领域的重要问题，高能效多跳组播路由已成为当前无线通信网络领域的研究热点，特别是高能效的多跳组播路由设计已经受到网络研究人员和运营商的广泛关注。

针对无线多跳网络的能效问题，相关领域已经展开了部分研究。部分文献提出了链路休眠机制，当链路无数据业务需要转发时让其休眠，而有数据业务需要转发时则唤醒该链路以保证链路正常通信，从而降低网络能耗；类似地，部分文献提出了节点休眠机制，当节点无数据业务需要转发时让其休眠，而有数据业务需要转发时则唤醒该节点以保证节点正常通信，从而显著降低网络能耗。然而，多跳无线组播需要同时考虑组播能耗和组播吞吐量两个重要的性能指标，特别是对于节点能力有限的无线多跳网络，节点能耗和能效关系着网络的可生存性。现有方法或只考虑网络能耗，或只考虑网络吞吐量，几乎没有文献同时考虑多跳无线组播网络中的能耗和吞吐量，即多跳无线组播网络中的能效问题。因此，现有方法难以解决多跳无线组播网络中的高能耗和低能效问题，本发明提出一种面向多跳无线网络的能效协作组播路由方法来改善多跳无线网络的能效，实现更高效的通信。

发明内容

针对现有技术存在的缺点，本发明提出一种面向多跳无线网络的能效协作组播路由方法，该方法可以提高多跳无线网络的能效。

本发明的技术方案是这样实现的：一种面向多跳无线网络的能效协作组播路由方法，该方法包括：

步骤1：建立源节点到所有目的节点之间具有最小能耗的所有通信路径，即构建最小能耗组播树；

步骤2：构建协作节点；

分别将步骤1得到的每条通信路径的所有节点作为发射节点(目的节点除外)，从所有网络节点(网络中所有目的节点和该条通信路径中所有节点除外)中，选出满足如下两个条件的节点作为该发射节点的协作节点；

条件1：接收节点r的接收信号功率满足如下等式：

其中，

表示接收节点r收到来自协作节点c_i的信号功率，P'_sr表示接收节点r收到来自发射节点s的信号功率，N为信号噪声，

表示接收节点r处的信噪比门限，n表示协作节点数；

条件2：满足以下等式

其中，P'_s表示发射节点s的发射功率，

表示协作节点c_i能正确收到来自发射节点s的最小信号功率(其中i＝1,2,...,n)，表示发射节点s到所有协作节点{c₁,c₂,...,c_n}的最大传输距离，c_m表示与发射节点s距离最大的协作节点，α表示信道衰落因子，n表示协作节点数；

步骤3：从步骤2构建的协作节点中，根据如下两个条件选择最佳的协作节点；

条件1：发射节点到协作节点的距离小于发射节点到接收节点的距离；

条件2：协作节点到接收节点的距离小于发射节点到接收节点的距离；

步骤4：根据无线通信理论，通过步骤3所建立的所有协作节点的协作通信，重新建立从发射节点到接收节点的所有通信路径，并进一步重新构建源节点到所有目的节点之间的通信路径，即构建最小能耗协作组播树；

步骤5：构建多跳能效协作组播，并计算能效协作组播树的总能耗，即计算组播树中所有通信路径各节点的能耗之和。

进一步地，所述步骤1建立最小能耗组播树的具体方法为：

给定节点集合B，源节点o和目的节点集合D＝{d₁,d₂,...,d_h}，h表示组播通信中目的节点数，使用MIP(Multicast Incremental Power)(或MMPC(Minimum-energy-consumption Multicast Path Construction))算法建立一棵组播树。具体构建过程如下：

(1)初始化路径集合B＝φ、路径集合p＝φ，其中φ表示空集；让目的节点d＝0，让变量λ＝1；

(2)如果λ＜＝h，让d＝d_λ，进入步骤(3)，否则进入步骤(5)；

(3)根据节点集合B、源节点o和无线传输理论，构建从源节点o到目的节点d的具有最小能耗的传输路径p_λ；

(4)将路径p_λ加入到组播树p中，让λ＝λ+1，返回步骤(2)；

(5)根据路径集合p，构建源节点o和目的节点集合D的组播树。

进一步地，为了获得更低网络能耗，本发明引入休眠机制来降低节点的能耗，从而构建多跳能效协作的组播路由和通信。具体的实现步骤如下：

(1)判断所述步骤4构建的最小能耗协作组播树中的所有节点是否需要传输数据，当没有数据要发射和接收时，利用周期休眠机制休眠节点；否则，转到步骤(3)；

(2)处于休眠状态的节点，定期被唤醒，并转到步骤(1)；

(3)通过所述步骤4构建的最小能耗协作组播树，发射和接收数据；

(4)如果数据传输结束，转到步骤(1)。

进一步地，所述步骤5中能效协作组播树的总能耗可表示为：

其中，E'表示协作模式下组播树的总能耗，E'_tj表示协作模式下组播树中非协作节点j的发射能耗，E'_gk表示协作模式下组播树中非协作节点k的接收能耗，

表示协作模式下组播树中所有协作节点c_i的发射能耗，

表示协作模式下组播树中协作节点c_z的接收能耗，t表示信号发射，g表示信号接收，u和q分别表示协作模式下组播树中非协作发射节点数和非协作接收节点数，n表示协作模式下组播树中协作节点数。

本发明研究了多跳无线网络中的能效协作组播路由问题。本发明未针对某些特定的网络，而是适用于具有无限或有限能量的通用多跳无线网络。本发明提出了一种面向多跳无线网络的能效协作组播路由方法，该方法基于拓扑控制和网络节点协作，又被称为基于拓扑控制和协作的能效组播路由(Topology control and Cooperation based Energy-efficient Multicast routing，TCEM)方法，该方法提升了多跳无线网络的组播性能。本发明提出周期休眠网络节点来降低网络消耗，从而改善网络能效。本发明提出合理的周期休眠机制来让网络节点交替工作，并确保在不影响网络正常运行的前提下更有效地利用能量。通过结合这种休眠机制和基于拓扑控制的最小能耗组播路由算法(TPM，)，显著降低了组播的能耗，并提高网络能效。该发明与现有方法相比，具有更好的能效和性能提升。

附图说明

图1.节点信号传输模型；

图2.协作通信示意图；

(a)阶段1，阶段1是协作节点的接收阶段；

(b)阶段2，协作节点直接放大接收信号并将接收的数据包转发到目的地；

图3.协作通信的时序图，表示与图2相对应的时序图；

图4.组播路径构造流程图，算法1的流程图；

图5.两种传输模式：

(a)非协作传输；

(b)协作传输；

图6.TPM算法的流程图；

图7.TCEM算法的流程图；

图8.算法MIP构造的组播树；

图9.算法TPM构造的组播树；

图10.三种算法的时序图；

图11.网络规模对网络能耗的影响；

图12.网络规模对网络能效的影响；

图13.目的节点数对网络能耗的影响；

图14.目的节点数对网络能效的影响；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明涉及到的符号定义如下：

t：信号发射；g：信号接收；u和q：分别表示协作模式下组播树中非协作发射节点数和非协作接收节点数；n：协作模式下组播树中协作节点数；d＝{d₁,d₂,...,d_h}：目的节点集合；r：接收节点；s：发射节点；h：表示组播通信中目的节点数；B：节点集合；L：节点间距离；E'：添加的新节点功率增量；

接收节点r接收到来自协作节点c_i的信号功率；P'_sr：接收节点r收到来自发射节点s的信号功率；N：信号噪声；

接收节点r处的信噪比门限；

协作节点c_i接收到发射节点s的信号功率；α：信道衰落因子；

发射节点s和协作节点c_i之间的距离；

协作节点c_i和接收节点r之间的距离；c_i：协作节点i；P_s：非协作模式下发射节点s的最小发射功率；P_s'：协作模式下发射节点s的最小发射功率；协作节点i的最小发射功率；E_t：非协作模式下组播树中总的发射能耗；E_g：非协作模式下组播树中总的接收能耗；E'_t：协作模式下组播树中所有非协作节点总的发射能耗；E'_g：协作模式下组播树中所有非协作节点总的接收能耗；E'_tc：协作模式下组播树中所有协作节点总的发射能耗；E'_gc：协作模式下组播树中所有协作节点总的接收能耗；E'：协作模式下组播树的总能耗；E'_tj：协作模式下组播树中非协作节点j的发射能耗；E'_gk：协作模式下组播树中非协作节点k的接收能耗；

协作模式下组播树中所有协作节点c_i的发射能耗；

协作模式下组播树中协作节点c_z的接收能耗。

一种面向多跳无线网络的能效协作组播路由方法，具体步骤如下：

步骤1：建立源节点到所有目的节点之间具有最小能耗的所有通信路径，即构建最小能耗组播树；

给定节点集合B，源节点o和目的节点集合D＝{d₁,d₂,...,d_h}，h表示组播通信中目的节点数，使用MIP(Multicast Incremental Power)(或MMPC(Minimum-energy-consumption Multicast Path Construction))算法建立一棵组播树。具体构建过程如下：

(1)初始化路径集合B＝φ、路径集合p＝φ，其中φ表示空集；让目的节点d＝0，让变量λ＝1；

(2)如果λ＜＝h，让d＝d_λ，进入步骤(3)，否则进入步骤(5)；

(3)根据节点集合B、源节点o和无线传输理论，构建从源节点o到目的节点d的具有最小能耗的传输路径p_λ；

(4)将路径p_λ加入到组播树p中，让λ＝λ+1，返回步骤(2)；

(5)根据路径集合p，构建源节点o和目的节点集合D的组播树。

步骤2：构建协作节点；

分别将步骤1得到的每条通信路径的所有节点作为发射节点(目的节点除外)，从所有网络节点B(网络中所有目的节点和该条通信路径中所有节点除外)中，选出满足如下两个条件的节点作为该发射节点的协作节点；

条件1：接收节点r的接收信号功率满足如下等式：

其中，

表示接收节点r收到来自协作节点c_i的信号功率，P'_sr表示接收节点r收到来自发射节点s的信号功率，N为信号噪声，

表示接收节点r处的信噪比门限，n表示协作节点数；

条件2：满足以下等式

其中，P'_s表示发射节点s的发射功率，

表示协作节点c_i能正确收到来自发射节点s的最小信号功率(其中i＝1,2,...,n)，

表示发射节点s到所有协作节点{c₁,c₂,...,c_n}的最大传输距离，c_m表示与发射节点s距离最大的协作节点，α表示信道衰落因子，n表示协作节点数；

通过计算所有的网络节点，构建协作节点集合。

步骤3：从步骤2构建的协作节点中，选择最佳的协作节点

最佳协作节点的选择需满足如下两个条件：

条件1：发射节点到协作节点的距离小于发射节点到接收节点的距离，即：

其中,

表示发射节点s到协作节点c_i的距离，L_sr表示发射节点s和接收节点r的距离。

条件2：协作节点到接收节点的距离小于发射节点到接收节点的距离，即：

其中，其中c_i、s和r分别表示协作节点、发射节点和接收节点。

步骤4：根据无线通信理论，通过步骤3所建立的所有协作节点的协作通信，重新建立从发射节点到接收节点的所有通信路径，并进一步重新构建源节点到所有目的节点之间的通信路径，即构建最小能耗协作组播树；

将最佳协作节点添加到通信路径中，然后创建新的通信路径。具体过程如下：

通过步骤3，建立最佳的协作节点集合，并将所有最佳的协作节点添加到通信路径中，然后重新构建新的通信路径。

步骤五5：构建多跳能效协作组播，并计算能效协作组播树的总能耗，即计算组播树中所有通信路径各节点的能耗之和。

具体过程如下：

为了获得更低网络能耗，本发明引入休眠机制来降低节点的能耗，从而构建多跳能效协作的组播路由和通信。具体的实现步骤如下：

(1)判断所述步骤4构建的最小能耗协作组播树中的所有节点是否需要传输数据，当没有数据要发射和接收时，利用周期休眠机制休眠节点；否则，转到步骤(3)；

(2)处于休眠状态的节点，定期被唤醒，并转到步骤(1)；

(3)通过所述步骤4构建的最小能耗协作组播树，发射和接收数据；

(4)如果数据传输结束，转到步骤(1)。

为实现能效通信，协作节点以最小发射功率发射信号给接收节点。其能耗计算方法如下：

本发明使用拓扑控制来让每个发射节点利用最小发射功率来完成信息传递。不失一般性的讨论，分析了两种传输模式，即图5(a)所示的非协作传输和图5(b)所示的协作传输，其中s和r分别表示发送节点和接收节点，c_i(其中i＝1,2,...,n)表示n个协作节点。根据图5，得到下面的等式

其中，P_s表示图5(a)中非协作模式下发射节点s的最小发射功率，P_s'为图5(b)中协作模式下发射节点s的最小发射功率，为协作节点c_i的最小发射功率。式(8)表明，为实现可靠传输，非协作模式下，接收节点r接收到的最小信号功率等于协作传输模式下接收节点r接收到的最小信号功率。

式(8)可以变换为：

根据式(7)及2≤α≤4，可得到如下等式：

式(10)表明协作模式下节点发射能耗低于非协作模式下的能耗。相应地，可得到如下能耗等式：

E_t+E_g＞E_t'+E_g'+E'_tc+E'_gc (11)

其中，E_t表示非协作模式下组播树中总的发射能耗，E_g表示非协作模式下组播树中总的接收能耗，E'_t表示协作模式下组播树中所有非协作节点总的发射能耗，E'_g表示协作模式下组播树中所有非协作节点总的接收能耗，E'_tc表示协作模式下组播树中所有协作节点总的发射能耗，E'_rc表示协作模式下组播树中所有协作节点总的接收能耗。

因此，在协作模式下，组播树的总能耗可表示为：

其中，E'表示协作模式下组播树的总能耗，E'_tj表示协作模式下组播树中非协作节点j的发射能耗，E'_gk表示协作模式下组播树中非协作节点k的接收能耗，

表示协作模式下组播树中所有协作节点c_i的发射能耗，

表示协作模式下组播树中协作节点c_z的接收能耗，t表示信号发射，g表示信号接收，u和q分别表示协作模式下组播树中非协作发射节点数和非协作接收节点数，n表示协作模式下组播树中协作节点数。

实施例

多跳无线网络中有Q个节点，分别设置Q为30,40,50,60和70。所有节点都随机分布在15km x 15km的正方形区域内。本发明假设链路衰落因子α＝2，目的节点从1到h，其中h远小于Q且h最大为5，即最多有个目的节点。本发明假设接收功率是一个常数值，并且信噪比的门限设为1。相关变量参数是网络大小和随机设置的目的节点。单播路由方法的流程图如图7所示，具体步骤如下：

步骤1：使用MIP算法建立源节点到所有目的节点之间具有最小能耗的所有通信路径，即构建最小能耗组播树，如图8所示。从源节点开始建立最优的通信路径。在图8中，源节点数是o＝2，目的节点的集合为D＝{1,3,4,5,6}，为了能够获得比较好的仿真验证结果，仿真程序运行1000次，并计算1000次仿真结果的平均值。具体仿真验证过程如下：

(1)初始化路径集合B＝φ、路径集合p＝φ，其中φ表示空集；让目的节点d＝0，让变量λ＝1；

(2)如果λ＜＝h，让d＝d_λ，进入步骤(3)，否则进入步骤(5)；

(3)根据节点集合B、源节点o和无线传输理论，构建从源节点o到目的节点d的具有最小能耗的传输路径p_λ；

(4)将路径p_λ加入到组播树p中，让λ＝λ+1，返回步骤(2)；

(5)根据路径集合p，构建源节点o和目的节点集合D的组播树。

步骤2：构建协作节点。

分别将步骤1得到的每条通信路径的所有节点作为发射节点(目的节点除外)，从所有网络节点(网络中所有目的节点和该条通信路径中所有节点除外)中，选出满足如下两个条件的节点作为该发射节点的协作节点；

条件1：接收节点r的接收信号功率满足如下等式：

其中，表示接收节点r收到来自协作节点c_i的信号功率，P'_sr表示接收节点r收到来自发射节点s的信号功率，N为信号噪声且N＝-5dB，

表示接收节点r处的信噪比门限

条件2：满足以下等式

其中，P'_s表示发射节点s的发射功率，

表示协作节点c_i能正确收到来自发射节点s的最小信号功率(其中i＝1,2,...,n)，

表示发射节点s到所有协作节点{c₁,c₂,...,c_n}的最大传输距离，c_m表示与发射节点s距离最大的协作节点，α表示信道衰落因子α＝2，n表示协作节点数；

通过计算所有的网络节点，构建协作节点集合。

但需注意，并非所有链路都有可能成为协作节点。如图9所示，从17到3的链接有协作节点25，从31到19的链路具有协作节点16。

步骤3：从步骤2构建的协作节点中，选择最佳的协作节点；

最佳协作节点的选择需满足如下两个条件：

条件1：发射节点到协作节点的距离小于发射节点到接收节点的距离，即：

其中,

表示发射节点s到协作节点c_i的距离，L_sr表示发射节点s和接收节点r的距离。

条件2：协作节点到接收节点的距离小于发射节点到接收节点的距离，即：

其中，其中c_i、s和r分别表示协作节点、发射节点和接收节点。

步骤4：根据无线通信理论，通过步骤3所建立的所有协作节点的协作通信，重新建立从发射节点到接收节点的所有通信路径，并进一步重新构建源节点到所有目的节点之间的通信路径，即构建最小能耗协作组播树；

将最佳协作节点添加到通信路径中，然后创建新的通信路径。具体过程如下：

通过步骤3，建立最佳的协作节点集合，并将所有最佳的协作节点添加到通信路径中，然后重新构建新的通信路径。

步骤5：构建多跳能效协作组播，并计算能效协作组播树的总能耗，即计算组播树中所有通信路径各节点的能耗之和。

具体过程如下：

为了获得更低网络能耗，本发明引入休眠机制来降低节点的能耗，从而构建多跳能效协作的组播路由和通信。具体的实现步骤如下：

(1)判断所述步骤4构建的最小能耗协作组播树中的所有节点是否需要传输数据，当没有数据要发射和接收时，利用周期休眠机制休眠节点；否则，转到步骤(3)；

(2)处于休眠状态的节点，定期被唤醒，并转到步骤(1)；

(3)通过所述步骤4构建的最小能耗协作组播树，发射和接收数据；

(4)如果数据传输结束，转到步骤(1)。

为实现能效通信，协作节点以最小发射功率发射信号给接收节点。其能耗计算方法如下：

本发明使用拓扑控制来让每个发射节点利用最小发射功率来完成信息传递。不失一般性的讨论，分析了两种传输模式，即图5(a)所示的非协作传输和图5(b)所示的协作传输，其中s和r分别表示发送节点和接收节点，c_i(其中i＝1,2,...,n)表示n个协作节点。根据图5，得到下面的等式

其中，P_s表示图5(a)中非协作模式下发射节点s的最小发射功率，P_s'为图5(b)中协作模式下发射节点s的最小发射功率，

为协作节点c_i的最小发射功率。式(17)表明，为实现可靠传输，非协作模式下，接收节点r接收到的最小信号功率等于协作传输模式下接收节点r接收到的最小信号功率。

式(17)可以变换为：

根据式(16)及2≤α≤4，可得到如下等式：

式(19)表明协作模式下节点发射能耗低于非协作模式下的能耗。相应地，可得到如下能耗等式：

E_t+E_g＞E_t'+E_g'+E'_tc+E'_gc (20)

其中，E_t表示非协作模式下组播树中总的发射能耗，E_g表示非协作模式下组播树中总的接收能耗，E'_t表示协作模式下组播树中所有非协作节点总的发射能耗，E'_g表示协作模式下组播树中所有非协作节点总的接收能耗，E'_tc表示协作模式下组播树中所有协作节点总的发射能耗，E'_rc表示协作模式下组播树中所有协作节点总的接收能耗。

因此，在协作模式下，组播树的总能耗可表示为：

其中，E'表示协作模式下组播树的总能耗，E'_tj表示协作模式下组播树中非协作节点j的发射能耗，E'_gk表示协作模式下组播树中非协作节点k的接收能耗，

表示协作模式下组播树中所有协作节点c_i的发射能耗，表示协作模式下组播树中协作节点c_z的接收能耗，t表示信号发射，g表示信号接收，u和q分别表示协作模式下组播树中非协作发射节点数和非协作接收节点数，n表示协作模式下组播树中协作节点数。

图11显示，在15km x 15km区域内，当网络节点数量增加时，本发明提出的能效协作组播路由方法的网络平均能耗减少，网络的能耗降低。表明本发明提出的能效协作组播路由方法可以达到更好的节能性能。图12显示了本发明提出的能效协作组播路由方法具有更好的能效。图13和14显示了三种算法的目标节点数量对网络能耗和能效的影响。通过与其它两种算法的比较，图13显示了，随着目的节点数量的增加，三种算法的网络平均能耗逐渐增加，但本发明提出的能效协作组播路由方法由比其他两种算法的能耗低得多，表明本发明提出的能效协作组播路由方法可以达到更优的网络性能。图14显示，随着目标节点数量的增加，三种算法的网络能量效率逐渐降低，但当目标节点增加时，本发明提出的能效协作组播路由方法的能效曲线远远超过其他两种算法，表明对于不同的目标节点，本发明提出的能效协作组播路由方法仍然表现出比其他两种算法更好的能效性能。