无线传感器网络中的连通支配集求解算法
无线传感器网络中能量有效的最小连通支配集算法
益于其剪枝算法． 求解 Ｃ Ｓ的第二种策略 Ｄ 刮是 ， 先
使 用启 发式 规则 在 图 中找 出一 个 较 小 的支 配 集 （ 不
一
定连 通 ） 然后 增加 一 些 节点 形 成 连通 支 配 集 ． ， 这
收 稿 日期 ： ０ ２０ — ２ １ －１１ ５
Ｉ （ ）表示节点 的连接度． Ⅳ Ｉ
在 图１ ， 中 节点 ｅ Ｎ（）＝ ｛ ，，｝而 Ｎ［］＝ 的 ｅ ｂｄ ｉ ， ｅ ｛ ， ，，｝ ｂｄｅｉ． 定义 ３ 在 １ 实数 向量空 间 Ｉ ， 于给定 集 个 ， 对 中 合 ， 有包 含 的 凸集 的交 集 Ｓ 称 为 的凸包． 所 被 在二 维 欧 几 里 得 空 间 中 ， 集 Ｄ 的 凸 包 （ｏｖｘ 点 ｃｎｅ
数 据 和 自己感 应 的 数据 传 递 给 它相 邻 的转 播 节 点 ， 所 有 的转播 节 点 构 成 了传 感 器 网 络 的虚 拟 骨 干 网
（ ｉｕ ｌ ａቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ｏ ｅ ． Ｖｒ ａ Ｂｃｂｎ ） ｔ
［］ ４ 的算法则是 ： ①初始化时所有节点都是 白色的 （ 未被标记 ）②若一个节点有 ２个未直接相连的邻 ；
中 图分类 号 ： Ｐ ９ ． Ｔ ３ １９ 文 献标识 码 ： Ａ
由大量廉 价 的传感 器节 点组 成 的无 线传感 器 网 络 （ Ｎ） ＷＳ 通过节 点 间的相 互 协作 ， 其 监测 和感 应 将 的各种 环 境 信 息 ， 过 多 跳 （ ｕｔ ｌ ｈｐ ） 式 传 通 ｍ ｌｐｅ ｏｓ 方 ｉ
摘 要 ： 出了一种分 布式 最 小连 通 支配集 求解算 法 ， Ｒ ｌ Ｋ算 法 中的标记 算 法进行 了优 化 ， 而 提 对 ｕｅ 从
能量均衡的最小连通支配集分布式算法
能量均衡的最小连通支配集分布式算法能量均衡是无线传感器网络中一个重要的问题，通过调整传感器节点之间的能量消耗，实现能量的均衡分配，可以延长整个网络的生命周期。
连通支配集是指在无线传感器网络中，选择一些节点作为“关键节点”，保证网络中的任意节点都能够通过这些节点进行通信。
因此，能量均衡的最小连通支配集分布式算法的目标是找到一组节点，使得这些节点既能保证网络中的任意节点都能够通过它们进行通信，同时又能够实现能量的均衡分配。
1.初始化：每个节点将自己的能量水平广播给邻居节点，并收集邻居节点的能量信息。
2.节点选择：每个节点根据自己和邻居节点的能量信息，以及网络拓扑结构，计算出一个指标，作为选择节点的依据。
这个指标既要考虑能量水平，也要考虑节点在拓扑结构中的位置。
例如，一个节点的能量水平较高，但如果它的邻居节点中已经有其他节点被选为关键节点，那么它的指标可能会比较低。
3.关键节点选择：每个节点根据自己的指标，选择自己是否成为关键节点。
选择的策略可以是基于贪心算法，即选择指标最高的节点作为关键节点。
当节点决定成为关键节点时，它将向邻居节点发送成为关键节点的消息，并广播给整个网络。
4.连通支配集建立：每个节点根据收到的成为关键节点的消息，更新自己的关键节点集合。
根据关键节点集合，节点可以知道自己是否属于连通支配集。
如果节点属于连通支配集，则将自己的状态设置为“活动”，否则设置为“休眠”。
5.能量分配：每个节点根据自己的能量水平和相邻节点的状态，计算出一个能量分配方案。
根据方案，节点可以选择将自己的一部分能量分配给“活动”节点，以实现能量的均衡分配。
6.能量传输：根据能量分配方案，节点之间进行能量传输。
节点向邻居节点发送能量，并等待邻居节点确认能量的接收。
如果邻居节点接收到能量后水平不再低于一些阈值，那么节点可以将它从连通支配集中移除。
7.迭代调整：重复执行步骤5和6，直到能量的均衡分配达到一定的收敛状态。
可以根据网络中节点的能量变化情况，动态调整能量分配方案。
传感器网络中高效的最小连通支配集求解算法
收稿日期:2007-08-20;修回日期:2007-10-27。
作者简介:谢嵘(1974-),男,广东潮州人,讲师,博士研究生,主要研究方向:无线传感器网络; 齐德昱(1959-),男,内蒙古赤峰人,教授,博士生导师,主要研究方向:网格计算、计算机体系结构; 李拥军(1968-),男,湖南邵东人,副教授,博士,主要研究方向:计算机网络体系结构、主动多播技术、网格计算; 钱正平(1983-),男,上海人,博士研究生,主要研究方向:网格计算、软件工程。
文章编号:1001-9081(2008)02-0342-03传感器网络中高效的最小连通支配集求解算法谢 嵘1,2,齐德昱1,李拥军1,钱正平1(1.华南理工大学计算机科学与工程学院,广州510640; 2.肇庆学院网络中心,广东肇庆526061)(r ongxie2005@yahoo )摘 要:在无线传感器网络中,连通支配集被广泛应用于构建虚拟主干。
由于求解最小连通支配集是一个NP 难问题,许多近似算法被提出用于构建可用的最小连通支配集。
针对当前近似算法存在的不足,我们提出了一个新的分布式近似构造算法—CDS 2HG,该算法用层次图对无线传感器网络进行建模,算法用基于竞争的贪心策略从每一层选出最少的节点去支配下一层的所有节点。
理论分析和模拟结果表明,C DS 2HG 算法产生的连通支配集是目前最小,并且其消息复杂度也是目前最低的。
关键词:无线传感器网络;连通支配集;分布式算法;层次图中图分类号:TP393 文献标志码:AEff i c i en t a lgor ith m for f i n d i n g m i n i m u m connecteddom i n a ti n g set i n w i reless sen sor networksX I E Rong 1,2,Q IDe 2yu 1,L I Yong 2jun 1,Q I A N Zheng 2p ing1(1.School of Co m puter Science &Engineering,South China U niversity of Technology Guangzhou 510640,China ;2.N et w ork Center ,Zhaoqing U niversity of Technology,Zhaoqing Guangdong 526061,China )Abstract:The Connected Dom inating Set (CDS )has been widely used f or efficient r outing in wireless sens or net w orks .A lthough finding the M ini m u m Connected Dom inating Set (MCDS )in an arbitrary graph is a NP 2hard p r oble m,many app r oxi m ati on algorith m s have been p r oposed t o construct a serviceable C DS .To address the weaknesses of these existing algorith m s,we p r oposed a ne w distributed app r oxi m ati on algorith m,C DS 2HG,t o construct the CDS f or wireless sens or net w orks .This algorith m models a wireless sens or net w ork as a hierarchical graph,in which a competiti on 2based greedy strategy is used t o select nodes at a certain level t o r oute messages t o the next level .For mal analysis and si m ulati on studies show that our p r oposed C DS 2HG algorith m generates the s mallest C DS while requiring the least message comp lexity .Key words:wireless sens or net w ork;connected dom inating set;distributed algorith m;hierarchical graph0 引言无线传感器网络是一种新的信息获取方式和处理模式,它通过大量部署在检测区域内的传感器节点采集网络覆盖区域内感知对象的信息,节点间采用无线自组织形式构建网络。
无线传感器网络中2-连通2-支配集的分布式构造算法
点 。Ｆ ｉ ａ 等人＿ 提出 了一般 的修剪 规则 ， 对 上述 冗余 支 配点 进行 修 剪 。Ｂ ｎ等 人 ［ 采用 最 大 独立 ｅＤ ｉ ４ 并 ｏ Ｈａ ５ 集方 法来构 造连 通支 配集 。为 了保证 网络 的容 错性 和 可靠性 ， 连通 支配集 中应 有一 定 的冗 余节点 ， 在 当部分 节 点发 生故 障时 ， 余 支配点仍 然 是连通 的 ， 其 以及被 支 配点 还 被 支 配点 支 配 ， 方 法 就 是构 造 志 其 一连 通 志 支 一
配集 ， 是的大 小可 根据 网络 的具体 情况来 确定 。Ｂ ｓ ａ ｕＰ等 人［ 设 计 了集 中式 算 法保 证 移 动节 点 形成 的无 线 ６
网络 的 ２ 一连通性 ， 中将 节点形 成块形 式 ， 过 移 动 节点 块 来 构成 ２ 文 通 一连通 网络 。Ｆ ｉ ａ 等人 口 提 出 了构 ｅＤｉ
维普资讯
第 ２
王 雪瑜 ， ： 线传 感器 网络 中 ２ 连 通 ２ 支配 集 的分布 式构 造算 法 等 无 一 一
收 稿 日期 ： ０ ８— １ ４ ２ ０ ０ —１ 基 金项 目 ：青 岛 大 学 青年 科 研 基 金 项 目资 助 （ Ｄ ０ — ９ ＱＤ Ｘ一 ６ ６ ）
作 者 简 介 ：王 雪瑜 （ ９２一 ， ， 东 烟 台人 ， 教 ， 士 ， 要研 究 方 向 为 网络 设 计 与 优 化 。 １８ ）女 山 助 硕 主
线 网络 中形 成虚 拟骨 干 网。在无线 传感 器 网络 中 ， 通常 采用 最 小 连通 支 配集 进 行分 层 路 由。在 一个 图 中求
一
个最 小连 通支 配集 问题 已被 证 明是 ＮＰ完 全 问题 ［ 。在 支配 集 Ｄ 中 的节点 构成 一 个虚 拟 骨干 网 ， １ ］ 而每个
能量均衡的最小2-连通2-支配集的分布式算法
无线传感器 网络（ Ｗｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ Ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ Ｎｅ ｗｏ ｔ ｒ ｋ ｓ ， ＷＳ Ｎ ）
１ 相关研 究
近年来有 关 ＭＣ Ｄ Ｓ 的求解 已经有较 为深入 的研
是 ห้องสมุดไป่ตู้部署在监测区域 内大量低 成本、低功耗 、多功能 的微 型传 感器节点通过无线通信 而形成的一个多跳 自
关键词：无线传感器 网络；能量均衡；分布 式算法 ； ２ ． 连通 ２ ． 支配集
Ｄｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂｕｔ ｅ ｄ Ａｌ ｇ ｏ ｉｔ ｒ ｈｍ ｆ ｏ ｒ Ｅｎｅ ｒ ｇ ｙ － Ｂａ ｌ ａ ｎｃ ｅ Ｍｉ ｎｉ ｍ ｕｍ ２ －Ｃｏ ｎｎｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ２ － Ｄｏ ｍｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｎｇ Ｓｅ ｔ
计 算 机 系 统 应 用
ｈ ｔ ｔ ｐ ： ｌ ｌ ｗ ｗｗ ． ｃ － ｓ － ａ ． ｏ ｒ ｇ ． ｃ ｎ
２ ０ １ ４年 第 ２ ３卷 第 ８期
能量均衡的最小 ２ ． 连通 ２ 一 支配集的分布式算法①
吴振华，米 凡，谭波峰
（ 南 昌航 空大学 软件学院，南昌 ３ ３ ０ ０ ６ ３ ）
Ｓ ｅ ｔ（ Ｄ Ａ－ Ｅ Ｂ Ｍ）ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｈｅ ｔ ｔ ｏ ｌ ｅ ｒ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｎ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｄ ｏ ｍｉ ｎ ａ ｔ ｎｇ ｉ ｓ ｅ ｔ ． Ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｏ ｆ Ｏ ｒ ｎ ｎ ｅ ｔ ， ｈｅ ｔ
ｆ ａ ｕ ｌ ｔ － － ｔ ｏ ｌ ｅ ｒ ａ ｎ ｔ ｃ ｏ ｎ ｎ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｄ ｏ ｍｉ ｎａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｓ ｅ ｔ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄ ＤＡ－ － Ｅ Ｂ Ｍ ｂ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｎ ｅ ｗｏ ｔ ｒ ｋ ｅ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ａ ｎ ｄ
无线传感器网络中基于熵评判的关联支配集构造算法
传 感 器 网 络 中进 行 数 据 冗 余 缩 减 ， 中提 出 了 一个 基 于 熵 评 判 的 关联 支 配 集 构 造 算 法 （ Ｅ Ｄ ） 算 法 首 先 通 过 评 文 Ｅ Ｃ Ｓ ， 价 高 斯 随机 变 量 的熵 值 来 判 断 网络 节 点 间 的数 据 相 关 性 ， 后 分 布 式 地 构 造 一 个 关 联 图 ， 后 根 据 关 联 图 信 息 移 然 最
除 网 络 中 的冗 余 节 点 ， 建 一 个 连 通 关 联 支 配集 ． 于 连 通 关 联 支 配 集 的 数 据 采 集 策 略 能 在 密 集 无 线 传 感 器 网 络 构 基 中进 行 高效 的数 据 冗 余 ． 显 延
”（ 北 大 学 软 件 学 院 东 沈 阳
（ 东北 大 学 信 息 科 学 与 工 程 学 院 沈 阳 ｌ ０ １ ） １ ８ ９
”（ 克 萨斯 大 学 阿灵 顿 分 校 计算 机 科学 与工 程 系 美 国 德 克 萨斯 德
７ ０ ９ ６１）
摘 要
无 线 传 感 器 网络 通 常是 密 集 分 布 的 ， 因此 相 邻 网 络 节 点 感 知 的 数 据 之 间 具 有 很 大 的 相 关 性 ． 了在 无 线 为
ｃ ｒ ｅａ ｉ ｎ ｄ ｍ ｉ ａ ｉ ｇ ｓ ｔｂｙ ｒ ｍｏ ｉ ｅ ｎｄ ｎｔｓ ｎｓ ｄ ｓ Ｄａ ａ ｇ ｔ ｒｎｇ ｐｏ ｉｉ ｓｗｉｈ ｔ ｏ ｒ ｌ ｔｏ ｏ ｎ ｔｎ ｅ ｅ ｖ ｎｇ ｒ ｄｕ ａ ｅ ｏｒｎｏ ｅ ． ｔ ａ ｈｅ ｉ ｌｃｅ ｔ ｈｅ
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Ｗ ｉｅ ｅ ｓ Ｓ ｎ ｏ ｔ ｒ ｓ ｒ ｌ ｓ ｅ ｓ ｒ Ｎｅ ｗｏ ｋ
ＹＵ ｉＹｕｎ Ｗ ＡＮＧ ｎｇ Ｗ ｅ。 Ｒｕ — ” Ｘｉ — ｉ
Ad hoc与无线传感器网络中连通支配集问题的研究
Ad hoc与无线传感器网络中连通支配集问题的研究Research on Connected Dominating Setin Ad hoc Networks and Wireless Sensor NetworksZhao Shijun 1 ,Chen Lin 2,Li Xun2(1. Instrument Research Institute ,University of Petrolium, DongYing 257061, China；2. Dept of Computer Science and Communication,University of Petrolium, DongYing 257061, China)Abstract Building a virtual backbone in mobile Ad hoc networks and wireless sensor networks can effectively reduce the number of nodes in charge of routing. The backbone can be constructed based on the theory of connected dominating set(CDS). In this paper, connected dominating set in Ad hoc and Wireless Sensor Networks is studied, kinds of typical CDS construction algorithms are analyzed, the metrics to measure them are introduced, as well as the methods to choose appropriate algorithms under special circumstances.Keywords Ad hoc; Wireless Sensor Networks; Connected Dominating Set摘要移动Ad hoc网与无线传感器网络均可通过构建虚拟骨干网来减少参与路由计算的节点数量。
无线传感器网络中的连通支配集求解算法
文章编号无线传感器网络中的连通支配集求解算法广东商学院高文宇摘要连通支配集在无线传感器网络中有着重要的作用通过对连通支配集的深入分析得到了关于连通支配集的一个新特性即最小连通支配集是图的一棵包含最多叶子节点的生成树中的非叶子节点的集合根据这个结论设计了一种全新的连通支配集求解算法即通过建立一棵含叶子节点较多的生成树来寻找一个较小的连通支配集仿真实验表明新算法较前人的算法有明显的改进关键词无线传感器网络连通支配集仿真中图分类号文献标识码广东省自然科学基金委员会引言无线传感器网络作为一种新的信息获取方式和处理模式它通过大量部署在检测区域内的传感器节点采集网络覆盖区域内感知对象的信息节点间采用无线自组织形式构建网络受无线传输距离的限制节点采用多跳的通信方式构成一个连通的网络为了提高广播传输的效率节能等连通支配集被广泛应用在无线网络中用以构建无线网络的虚拟骨干网然而在简单连通图中求解最小连通支配集是一个难问题在实际应用中通常只能采用近似算法求解对于的求解目前主要存在两种策略第一种是直接构建一个连通节点集然后检测其是否能支配其余节点这类算法最为典型的就是文献中的算法以及文献的算法文献的算法主要思路是从一个节点出发用启发式策略选择与其相邻的节点加入逐步扩展成为一个连通的集合然后考察这个连通的集合是否已经完全支配了图中的所有节点如果已经支配了图中所有节点算法结束否则继续加入相邻节点启发式策略的应用主要用于选择加入节点时获得最大的支配增益文献的算法则是初始时所有节点都是白色的未被标记如果一个节点有两个未直接相连的邻接点则标记这个节点为黑色最终所有的黑色节点构成一个连通支配集这是由其选择标记节点时的条件所保证的但这个可能很大对产生的进行剪枝以缩减的大小该算法产生的初始很大算法之所以在某些情况下有效主要是得益于其剪枝算法高文宇教授博士基金项目广东省自然科学基金基金申请人高文宇项目名称异构无线网络自适应传输控制协议研究基金颁发部门问题定义定义图称为简单连通无向图需满足以下条件为无自回路的连通的无向图中任意两个节点之间至多有一条边定义图中节点和节点之间存在一条边则称节点与节点相邻定义图中的任意节点称在图中的相邻节点的个数为节点的度数记为定义设图是简单连通无向图若节点集都与中至少一个节点相邻则称是图的支配集若由导出的子图为连通图则为连通支配集在应用领域我们通常希望求解最小即求得的包含的节点数最少然而无论是求解最小支配集或最小都是难问题因此我们只能采用一些近似算法来求解这个问题技术求解的第二种策略就是首先使用启发式规则在图中创找出一个较小支配集可能是非连通的然后再增加一些节点以连通该支配集从而形成一个这类算法的典型代表就是文新献中的算法这类方法理论上有很好的算法近似比因为采用贪婪集合覆盖算法可以得到较小的支配集然后通过寻找的方法可以进一步得到较小的但是这两个算法都涉及到大量的信息交换因此只适合于在拥有全局信息的情况下实现而近似的分布式算法实现会大大降低算法的效果下面我们通过对与图的生成树的关系的分析给出了一种新的求解算法基于最小生成树的算法基于最小生成树的算法基于前面的描述我们知道对于给定的简单连通图求最小是一个问题而现有算法主要包括两类一是先在图中找出一个较小的独立集然后再通过增加一些节点将这个独技术应用例邮局订阅号元年博士论坛立集连通起来二是直接采用启发式规则从一个点出发逐步构造一个第一类方案事先没有考虑连通性因此最后的结果难以是较优的而第二类方案在做选择时主要考虑一个节点也难以达到较好的效果通过对图的生成树的分析以及对的特性的分析我们可以得到如下定理定理一个简单连通无向图的最小是这个图的一棵包含最多叶子节点的生成树中的非叶子节点的集合证明因为是连通的因此构成的节点可以导出一颗树又因为是支配集因此图中没在里的节点一定和中的某个节点相邻因此可以将这些不在中的节点视为导出树的叶子节点从而构成一颗图的生成树所以为了得到最小的那么图的生成树应包含最多的叶子节点定理得证根据定理我们可以从另一个角度来求解而且也使我们可以更早更好地来考虑连通性问题而不是局限于支配这个概念毕竟是一个连通集根据定理的结论我们应该想办法从给定的图出发构造技一颗有尽量多叶子节点度为的节点的生成树那么这颗生成树中的非叶子节点构成的集合就是我们要求解的术下面我们使用一种基于最小生成树的贪婪策略来求解创为了最终得到的生成树有更多的叶子节点也就是说让最后的生成树中有更多的度为的节点但是整棵树所有节点的新度之和是恒定的若生成树有个节点这连通这棵树的边为条所以度之和恒为因此为了让生成树中有更多度为的节点我们应该让这棵树的非叶子节点有尽量大的度因此在图中我们应该选择度尽量大的节点来逐步构造这颗生成树然而仅考虑节点的度来选择节点对于最后的连通性考虑是不利的所以我们设计的新算法采用如下思路来构造一个较小的对图中的每条边赋权值边的权值等于该边连接的两个相邻节点的度之和从任一节点出发使用最小生成树算法如算法来求解图的最大生成树即具有最大权值的生成树用最小生成树算法来求解具有最大权值的生成树只需在原算法中将每次选择具有最小权值的边改为每次选择具有最大权值的边即可去掉最大生成树中度为的节点剩下的节点即构成我们所求的算法的有效性算法的无偏性由于从任意节点出发都可以得到最优的最大生成树因此无论从哪个节点开始构建生成树最终得到的都不会有偏差对图中度较大的节点则根据对边赋权值的规则与它相接的边都有较大权值这样这些边被选中的概率就较大这会导致在一个度较大的节点周围选中较多的边从而这个节点消耗较多的度这会使得最终形成的生成树会有更多的度为的叶子节点微计算机信息测控自动化年第卷第期与它相连的边被选中多条的概率就较小因此它也就可能在最终的生成树中成为一个叶子节点算法仿真实验为了验证新算法以下简称为的性能我们将新算法与文献中的算法进行了比较因为中的算法产生的连通支配集是前面提到的研究中最小的仿真实验我们采用了如下实验方案在的矩形区域内随机投放一定数量的无线网络节点每个节点的通信半径为若两个节点间的距离小于则这两个节点之间有边相连反之则无边相连每次产生的图若是连通的则实验继续若图不连通非连通图不存在则重新产生随机图我们进行了两组实验第一组将节点的通信半径分别设置为然后对每一个半径将节点的数量从变化到对每一个生成次随机图然后执行文献的算法和新算法求解每一个随机图的的大小最后对次随机实验求得的大小取平均值作为每个算法的性能评价指标算法产生的连通支配集越小越好在第二组实验中将节点数量分别设置为对每一个将通信半径从变化到同样地实验进行次最后计算大小的平均值实验结果图展示了第一组实验的结果图中横坐标是节点的个数纵坐标是的大小在图中横坐标不是从开始是因为当节点个数太少时在的平面上随机产生的节点很难构成连通图因此为了保证实验的随机性产生的节点数从开始从图中可以看出新算法在各种情况下都好于的算法特别是在图不是很稠密时见图和图中随着节点数的增加图逐渐变得稠密在图中当时产生的随机图已相当稠密我们的算法产生的基本上保持在左右因为此时理论上一个半径为的节点就可以覆盖整个区域所以我们的算法基本上在各种情况下都可以找到最好的结果而的算法得到的大小始终在之间徘徊图展示了第二组实验的结果图中横坐标是节点传输半径的大小纵坐标是的大小在图中横坐标都不是从开始是因为传输半径太小时在的平面随机产生的节点很难构成连通图因此为了保证实验的随机性传输半径从开始从图中可以看出新算法在各种情况下都好于文献的算法综上所述实验结果显示新算法较文献中的算法具有更好的性能对于图中度较小的节点根据对边赋权值的规则与它相连的边的权值相对于与它的邻接点相连的边的权值要小因此元年邮局订阅号现场总线技术应用例图第一组实验结果图第二组实验结果术结束语无线传感器网络由于其拓扑及相关约束的特殊性其中存在大量的难问题而这些问题对于提高无线网络的性能又极其重要我们通过采用一些常规的算法设计方法和小参数算法试图解决其中的一些重要问题连通支配集的求解就是其中之一本文作者的创新点在于证明了最小是图的一棵包含最多叶子节点的生成树中的非叶子节点的集合根据这个结论设计了一种全新的寻找的算法即通过建立一棵含叶子节点较多的生成树来寻找一个较小的仿真实验表明新算法较前人的算法有明显的改进参考文献张小庆李腊元无线传感器网络洪泛路由算法的改进模型微计算机信息作者简介高文宇男汉族湖南省永州人广东商学院信息学院教授博士主要从事计算机网络算法研究广东广州广东商学院信息学院高文宇通讯地址广东广州广东商学院信息学院高文宇收稿日期修稿日期上接第页这样监测数据被传送到服务器数据中心后再由程序将数据提取存入表中在管理系统中普通操作员能很方便的查询数据统计数据生成打印报表高级操作员可进行删除错误数据补充某时间段数据等操作结论技针对无线通信技术和数据采集技术发展现状设计实现了一种基于技术的远程数据监测系统系统采用技术实现远程水质监测数据传输极大地提高了水质监控的实时创性连续性可统计性采用结构使数据监测管理便利有效整个系统传输结构简单稳定投资和运营成本低适合推广新使用在某自来水厂近一年的使用期间系统运行稳定可靠符合水质远程监测中数据传输的要求随着远程监测在各领域的应用对系统中数据传输的要求不尽相同采用适当的数据传输方案尤为重要系统由于采用合适的数据传输网络数据的传输较类似系统有明显的优势本文作者创新点根据现有的远程监测系统讨论了一种基于技术的数据传输网络和管理系统的设计实现方案参考文献深圳市宏电技术开发有限公司移动数据通信行业应用解决方案基于网络的无线系统百度百科卢中南任振辉等基于远程电能数据采集系统的开发与研究河北农业大学马增强燕延井海明基于的数据采集系统的研究微计算机信息作者简介王朋男汉族硕士研究方向为检测技术与自动化装置刘毅敏女汉族副教授硕士生导师专门从事信号处理与信号传输的研究湖北武汉武汉科技大学信息科学与工程学院王朋刘毅敏徐望明通讯地址武汉武汉科技大学信息科学与工程学院信箱王朋收稿日期修稿日期。
连通支配集算法及其改进
连通支配集算法及其改进张 坤1,刘 枫2,唐 林1(1.重庆工程职业技术学院 重庆 400037;2.西南大学计算机科学与信息学院 重庆 400715)摘 要:无线传感器网络中通常利用连通支配集以形成虚拟骨干网进行分层次的路由。
分析现有的几种去冗余分布式连通支配集构造算法,针对它们冗余度大,计算复杂,提出了一种改进的连通支配集构造算法,利用节点的度以及编号构成的集合取代节点编号作为节点的权值,采用DRN 算法的节点覆盖思想,并扩展为当遇到闭合环路的情况下,采用保留闭合环路中权值大的节点去冗余的方法,在保证整个网络连通的情况下减少了连通支配集节点的总数。
最后通过Matlab 仿真分析,证明了算法的有效性。
关键词:无线传感器网络;连通支配集;权值;冗余度中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:10042373X (2009)162186205Improved Connected Dominating Set AlgorithmZHAN G Kun 1,L IU Feng 2,TAN G Lin 1(1.Chongqing Vocational Insitute of Engineering ,Chongqing ,400037,China ;2.Department of Computer Science and Information ,Sout hwest University ,Chongqing ,400715,China )Abstract :Connected dominating set can be used to form a virtual backbone for the hierarchical routing in the wireless sen 2sor network.Characteristics of the existing distributed algorithms are analysed ,according to problems of the huge redundancy degree and complication of the computing ,an enhancement algorithm based on DRN is proposed ,which keeps the big weight node in the close circle to delete the redundant gateway nodes.The simulation on the Matlab shows that the new algorithm has better performance than some others.K eywords :wireless sensor network ;connected dominating set ;weight ;redundancy degree收稿日期:2009203204基金项目:国家863计划资助项目(2007AA04120127)0 引 言集成了传感器、微机电系统和网络三大技术而形成的传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术,广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域,引起了人们广泛的关注[1]。
传感器网络中高效的最小连通支配集求解算法
Ｘ Ｅ Ｒ ｎ ， ｉ ｅｙ Ｉ ｏ ｇ ｕ Ｑ Ａ ｈ ｎ －ｉｇ Ｉ ｏｇ一 Ｑ —ｕ ，Ｌ ｎ － ｎ ， Ｉ Ｎ Ｚ ｅ ｇｐｎ Ｄ Ｙ ｊ
Ａ ｓ ａ ｔ ｈ ｏ ｎ ｃｅ ｏ ｉａ ｎ ｅ （ Ｄ ）ｈ ｓｂ ｅ ｉｅ ｓ ｄｆ ｆ ｃ ｎ ｕｉ ｉ ｌｓ ｓｎ ｏ ｅｗ ｒｓ ｂ ｔ ｃ ：Ｔ ｅＣ ｎ ｅ ｔｄＤ ｍ ｎ ｔ ｇＳ ｔ Ｃ Ｓ ａ ｅ ｎｗ ｄ ｌ ｕ ｅ ｏ ｅ ｉ ｔ ｔ ｇ ｉ ｗ ｒ ｅｓ ｅ ｓｒ ｔ ｏｋ ． ｒ ｉ ｙ ｒ ｆ ｅ ｒ ｎ ｎ ｅ ｉ ｏ ｎ Ａ ｈ ｕ ｈｆ ｄｎ ｈ ｎｍｕ ｏ ｎ ｃ ｄ Ｄ ｍｉ ｔ ｇ Ｓ ｔ（ Ｄ ） ｉ ａ ｒｉ ａ ｒｐ ｓ ａ Ｎ — ａｄ ｐｏ ｌｍ， ｍ ｎ ｈ ｏ ｇ ｎ ｉｇ ｔ Ｍｉｉ ｍ Ｃ ｎ ｅ ｔ ｏ ｎ ｉ ｅ ＭＣ Ｓ ｎ ｎ ａｂ ｒｒ ｇ ｈ ｉ Ｐｈ ｒ ｒｂｅ ｉ ｅ ｅ ａｎ ｔ ｙ ａ ａｙ
Ｆｂ ０８ ｅ ．２ ０
传 感 器 网络 中高效 的最 小 连 通 支 配 集 求解 算 法
谢 嵘‘ ， ’ 齐德 昱 李拥 军 钱 正平 ， ，
（ ｇ ｉ２ ０ ＠ ｙ ｈ ｏ ｃ ｒ ｃ ） ｍｎ ｘｅ ０ ５ ａｏ．ｏ ｎ ｎ
（ ．华南理工大学 计算机科学与工程学 院 ， １ 广州 ５ ０ ４ １６ ０； ２ 肇 庆学院 网络 中心 ， 广东 肇庆 ５６ ６ ）配集被 广泛应用于构建虚拟主干。 由于求解 最小连通 支配集是一 个 Ｎ Ｐ难
问题 ， 多近似 算法被提 出用于构建可用的最 小连通 支配集 。针 对 ３前近似 算法存在 的不 足 ， 们提 出了一 个新 的 许 － ＂ 我 分布式近似构造算 法一ｃ ｓＨ 该算法用层次 图对无线传感 器网络进行 建模 ， 法用基 于竞争的贪心 策略从每 一层 Ｄ － Ｇ， 算 选 出最 少的节点去 支配 下一层 的所有 节点。理论 分析和模 拟结果表明 ， Ｄ — Ｇ算法产 生的连通 支配集是 目前最 小， Ｃ ＳＨ
无线传感器网络中具有容错能力的连通支配集构造算法
（ ． 国科 学院 沈 阳 自动 化所 工业信 息学重 点 实验 室，沈 阳 １０ １ １中 １０ ６；２ 中国科 学院 研 究生 院 ，北京 １０ ３ ． ０ ０ ９； ３ 沈 阳 中科博微 自动 化技 术有 限公 司 ，沈 阳 １０ １ ） ． １０ ６
关键 词 ：无线传感 器 网络 ；虚拟 骨干 ；极 大独 立集 ；连 通 支配集 ；容错 中图分类号 ：Ｔ ３ ９ Ｐ ０ 文献标 志码 ：Ａ 文章 编号 ：１ ０ — ６ ５ ２ １ ） １０ ９ — ３ ０ １３ ９ （０ ０ ０ — ２ ２ ０
ｄ ｉ１ ．９ ９ ｊ ｉ ｎ １０ —６ ５ ２ １ ． １０ ６ ｏ ：０ ３ ６ ／．ｓ ．０ １３ ９ ．０ ０ Ｏ ． ８ ｓ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ａ ｓ ａ ｔ ｔｓ ｅ ｅｓＤ ｔ ｃ ｎｔ ｃ ａ ａ ｌｔｌ ａ ｔ Ｄ ｅａ ｓ ｅ ｏ ｅ Ｄ ｅｓｂｅ ｔｏ ａ ｕｅ Ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ｒ ｏｅ ｂ ｔ ｃ ：Ｉ ｉ ｎ ｅ ｓ ｏ ｓ ｕ ｔ ｕ ｅ ｎ Ｃ Ｓｂ ｃ ｕ ｅ ｈ ｄ ｓ ｆ Ｓ ａ ｊｃ ｔ ｉ ｒ． ｈｓ ａ ｅ ｏ ｓｄ ｒ ａ ｏ ｒ ｆ ｔｏ ｒ ｔ ｎ ｏＣ ｒ ｕ ｆｌ ｐ ｐ
Ｋｅ ｏ ｄ ： ｗ ｒ ｅｓ ｓｎ ｏ ｎ ｔ ｏｋ ＷＳ ； ｖ ｔａ ｂ ｃ ｂ ｎ ； ｍ ｘ ｍ ｉ ｅ ｅ ｄ ｎ ｅ ； ｃ ｎ ｅ ｔ ｏ ｉ ｔ ｇ ｓｔ ｙ ｗ ｒ ｓ ｉ ｌｓ ｅ ｓ ｒ ｅ ｒ （ Ｎ） ｉｕ ｌ ａ ｋ ｏ ｅ ｅ ｗ ｒ ａ ｉ ｎ ｐ ｎ ｅ ｔｓｔ ｏ ｎ ｃｅ ｄ ｍ ｎ ｉ ｅ ｍｕ ｄ ｄ ａｎ （ Ｓ） ａｌ ｔｌｒｎ ＣＤ ；ｆｕｔ ｏｅａ ｔ
第２ 第１ ７卷 期
无线传感网络中覆盖保持的K-连通子集构造算法
无线传感网络中覆盖保持的K-连通子集构造算法随着人工智能、物联网等新兴技术的快速发展，无线传感网络（WSN）在各个领域的应用越来越广泛。
在WSN中，如何利用有限的资源提高网络的性能一直是一个热门研究方向。
其中，覆盖保持问题是WSN中一个重要的问题之一，它涉及到如何在保持网络连通性的同时，在有限的节点资源情况下覆盖监测区域。
本文将介绍一种基于K-连通子集的构造算法。
一、K-连通性WSN中监测区域被分为许多小的区域，这些区域的覆盖由节点完成。
一个覆盖区域被称为K-连通，当且仅当在该区域中任意K个节点之间都存在至少K条不同的路径。
K是一个参数，它代表了在节点故障的情况下依然保持网络连通的最少节点数。
K越大，网络对节点失效的容忍度越高。
二、K-连通子集在一个K-连通的覆盖区域中，可以找出一个最大的K-连通子集，即一个具有最大节点数的、K-连通的子区域。
任意K-连通的覆盖区域必定包含一个最大的K-连通子集。
三、K-连通子集构造算法本算法的目标是找出覆盖监测区域的最小节点集合，使得该节点集合构成的覆盖区域是K-连通的。
1、构造最大生成树首先，构造监测区域的最大生成树，该树的节点为原监测区域的节点，边为节点之间的物理距离。
最大生成树是由Prim或Kruskal等算法得到的，该算法保证了最大生成树中的任意两个节点之间的路径是唯一的。
2、计算K-连通度对于每个节点v，按照一定规则选择其周围K个节点。
对于每个节点对(u，w)，计算它们之间的最短路长度d(u，w)。
如果(u，w)的最短路长度小于等于K，则称(u，w)是一个K-联通边。
如果一个节点没有K-联通边，则该节点不属于任何一个K-连通子集。
3、形成K-连通子集将所有包含至少K-联通边的节点都放入一个集合中，该集合就是一个K-连通子集。
如果在多个K-连通子集之间存在重复节点，则将这些重复节点从中剔除，得到一个最小的K-连通子集集合。
四、算法的优势和适用场景与其他算法相比，K-连通子集构造算法具有以下优势：1、算法简单易实现。
SEBCDS:无线传感网络的连通支配集算法
SEBCDS：无线传感网络的连通支配集算法刘直良;刘栓【期刊名称】《测控技术》【年(卷),期】2016(035)007【摘要】由于无线传感网络(WSN,sireless sensor network)节点受到能量和传输距离的约束,有效地构建连通支配集(CDS,connected dominating set)是提高WSN数据传输效率的重要技术手段.然而,现存的多数构建CDS算法只强调CDS 规模,没有考虑网络的能量均衡.为此,提出了基于休眠机制和能量均衡的连通支配集(SEBCDS,sleep-and energy-balance-based connected dominating set)算法.SEBCDS算法首先选择剩余能量高和邻居节点多的节点作为支配节点,并为支配节点选择副支配节点,然后采用休眠机制,让一部分支配节点工作,另一部分支配节点休眠,降低网络能量消耗.仿真结果表明,提出的SEB-CDS算法能够降低能量消耗、延长CDS的生命周期.与TCDS算法相比,能量消耗降低了23％,CDS的生命周期提高了约31%.【总页数】5页(P93-97)【作者】刘直良;刘栓【作者单位】黄淮学院信息工程学院,河南驻马店463000;黄淮学院信息工程学院,河南驻马店463000【正文语种】中文【中图分类】TP393【相关文献】1.无线传感网络中能量均衡的连通支配集算法 [J], 付永生;李善平;周波2.一种基于信任评估的连通支配集生成算法 [J], 黄庆东;曹丽霞;郭欢;袁润芝;卢茜3.定向自组网中基于连通支配集优化的信息共享算法 [J], 程帅;徐任晖;彭来献;张磊;杨曜旗4.基于图连通支配集的子图匹配优化算法 [J], 孙云浩;韩冰;李冠宇;邢维康;李逢雨5.能量有效的无线传感网连通支配集构建算法 [J], 孔凡凤;周子杰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
无线传感器网络中能量有效的最小连通支配集算法
无线传感器网络中能量有效的最小连通支配集算法于晓;付春【摘要】提出了一种分布式最小连通支配集求解算法,对Rule K算法中的标记算法进行了优化,从而形成了连通支配集,并通过新的剪枝算法对连通支配集进行了有效缩减.模拟仿真结果表明:在增加算法复杂度的前提下,该算法求得的连通支配集比前算法更小.%Minimum connected dominating set ( MGDS) is a NP-C problem,and it is generally solved using approximate methods, A distributed minimum connected dominating set algorithm is proposed. It optimizes the marking process of the Rule K algorithm to con-struct a connected dominating set, and a new pruning algorithm is formed to reduce CDS. The simulation results show that the size of the connected dominating set is smaller than the previous dominating set.【期刊名称】《西安石油大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(027)005【总页数】4页(P102-105)【关键词】无线传感器网络;最小连通支配集;剪枝算法【作者】于晓;付春【作者单位】西安石油大学计算机学院,陕西西安710065;西安石油大学计算机学院,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TP391.9由大量廉价的传感器节点组成的无线传感器网络(WSN)通过节点间的相互协作，将其监测和感应的各种环境信息，通过多跳(multiple hops)方式传送到基站进行处理.WSN在民用和军用方面具有广泛的应用价值，如战场监测、安全监视、医疗健康、生态环境监测等.由于节点的能量有限，且不可替换，在保证网络连通的前提下，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络研究的核心问题. 通常一个网络可以用一个连通无向图来表示，将无线传感器网络中的节点分为转播节点和叶节点，叶节点监测和感应环境信息，将数据传输给转播节点;转播节点也可感应，并将收到的相邻叶节点的数据和自己感应的数据传递给它相邻的转播节点，所有的转播节点构成了传感器网络的虚拟骨干网(Virtual Backbone).为了提高路由效率，连通支配集(Connected Dominating Set，CDS)被广泛应用于形成虚拟骨干网.在无线传感器网络中，节点间的通信耗费了节点间的大部分能量［1］.连通支配集中转播节点越少，节点间的干扰就越少，并可减少整个网络中传递的不必要的信息量，减少或消除网络洪泛，有效减少能量的消耗.然而构造最小连通支配集(Minimum CDS，简称 MCDS)被证明是 NP-C 问题［2］，实际应用中通常采用近似求解方法.目前已有的算法主要分为2种:第一种［3-4］是，直接构建一个连通节点集，然后监测其是否能支配其余节点.如文献［3］的主要思路是从一个节点出发，用启发式策略选择与其相邻的节点加入，逐步扩大，最终成为一个连通的集合.然后考察这个连通的集合是否已经完全支配了图中的所有节点.如果已经支配了所有的节点，算法结束.否则继续加入相邻节点.启发式策略的应用主要用于选择加入节点时获得最大的支配增益.文献［4］的算法则是:①初始化时所有节点都是白色的(未被标记);②若一个节点有2个未直接相连的邻接点，则标记这个节点为黑色，最终所有的黑色节点构成一个连通支配集;③对得到的CDS进行剪枝(Pruning)，以缩减CDS的大小.该算法形成的初始支配集很大，算法之所以在默写情况下有效主要得益于其剪枝算法.求解CDS的第二种策略［5-6］是，先使用启发式规则在图中找出一个较小的支配集(不一定连通)，然后增加一些节点形成连通支配集.这种方法理论上有很好的算法近似比，因为采用贪婪集合覆盖算法可以得到较小的支配集.然后通过寻找Steiner Tree的方法可以得到更小的CDS.但这种方法只适用于拥有全局信息的情况下实现，且计算过程中节点间需要大量的信息交换，这对延长网络寿命不利.本文针对连通无向图提出一种新的分布式最小连通支配集近似算法KCH-CDS.本文采用连通无向图G=(V，E)表示无线传感器网络某一时刻的状态，其中V表示网络中传感器节点的集合，E表示节点连接的集合.网络中任意节点的传输半径为r，d(u，v)表示节点u和v在欧几里德平面的距离.当d(u，v)＜r时，节点u和v之间存在连接(u，v)∈E.为简化问题，假设网络中不存在分割区域和孤立节点.定义1 对于图G=(V，E)，若节点集D⊆V，并且对于任意的顶点u∈V-D，存在v∈D，使得(u，v)∈E，则称 D是图 G的支配集(Dominating Set).若D中任何2个顶点之间是连通的(可以是多跳方式)，则称 D是连通支配集(Connected Dominating Set，简称CDS).若连通支配集D的任何真子集都不是支配集，则称D为最小连通支配集(Minimum CDS，简称 MCDS).在如图 1 所示网络拓扑中，{b，i，e，d，f}、{b，i，f}和{b，d，h，i}等是支配集，但前2个节点集是连通支配集，而第三个节点集不是连通的支配集.定义2 与节点v的相邻的节点集合记为N(v)或N［v］，u∈N(v)当且仅当(u，v)∈E，如果节点v的相邻节点集中包括自身，则称其为闭合相邻节点集，记为N ［v］.如果节点v的相邻节点集中不包括自身，则称其为开放相邻节点集，记为N(v).d(v)=表示节点v的连接度.在图1中，节点e的N(e)={b，d，i}，而N［e］={b，d，e，i}.定义3 在1个实数向量空间V中，对于给定集合X，所有包含X的凸集的交集S被称为X的凸包.在二维欧几里得空间中，点集D的凸包(convex hull)是可看作是一个最小凸多边形，满足D中的点或者在多边形边上或者在其内部［9-10］.点集D的凸包用CH(D) 表示.如图2所示，集合D={1，2，3，4，5，6，7，8，9} 的凸包 CH(D)={1，2，3，4，5，6}.定理1 若节点的连接度为1(即只有1个相邻节点)，则该节点一定不是支配点.若节点有1个连接度数为1的相邻节点，则该节点一定是支配点.证明略.2.1 构造KCH-CDS算法本算法(KCH-CDS)包括2部分:标记过程(Marking process)和剪枝过程(Pruning process).本算法的标记过程对Rule K算法中的标记过程进行了优化，Rule K具体算法见文献［7］，文中证明了Rule K算法得到的支配集一定是连通的.剪枝过程采用基于凸包的算法.该算法的具体描述如下:如果CDS中还有节点未处理，转标记1.否则算法结束.2.2 算法应用举例对图1，应用上述标记算法，得到连通支配集CDS 为 S={b，c，d，e，f，i}.N(b) ={a，c，e，i}，N(c)={b，d，f}，N(d)={c，e，f}，N(e)={b，d，i}，N(f)={c，d，g，h，i}，N(i)={b，e，f，j}.下面应用剪枝算法求最小连通支配集MCDS.第1步，找CDS中连接度数最小的节点，比如c;第 2 步，求 CH(N［c］)={b，c，f}.第 3 步，求 CH(N［i］)，∀i ∈ N(u). 有CH(N［b］) = {a，c，i}，CH(N［d］) = {c，e，f}，CH(N［f］)={c，i，h，g}.第 4 步，判断 CH(N［c］) ⊆∪ CH(N［i］，i∈N(c)，如图3所示，返回真.连通支配集去掉节点c.MCDS={b，i，f}.本算法的复杂度是 O(n2log n).本文以模拟器NS-2为模拟平台，考察KCH-CDS在计算最小连通支配集时的性能.为更具说服力，选择Rule K算法作对比.模拟实验环境为1 000×1 000(m2)，传输半径为500 m.部署节点总数为N=20～100个，节点随机分布.若2个节点之间的距离大于通信半径，则2个节点间无边连接，否则为有边连接.若每次产生的图中存在孤立的节点(称该图是非连通图，非连通图不存在CDS)，则需要重新产生随机图.对于确定数量的节点产生10个随机图，求其MCDS的大小的平均值，作为算法性能的评价指标(算法产生的连通支配集中节点数越少越好，因此将其作为优化目标是合理的).模拟实验参数见表1.实验结果如图4所示.图中横坐标是节点的个数.分别设置为20、40、60、80、100 个，纵坐标表示使用求解算法求得的MCDS中节点的平均数量.第5步，重复第1步，直到标记算法求得的连通支配集CDS中所有的节点都处理完.此时连通支配集中剩余的节点就是最小连通支配集MCDS.对本例，最终求得的最小连通支配集从图4可知:新算法在各种情况下，求得的最小支配集中节点的个数都小于Rule K 算法.在节点不是较稠密时，效果更明显.当随机图中节点较为稠密时，2个算法求出的结果数目较为接近.KCH-CDS算法的标记算法对Rule K算法进行了优化，减少了需要标记的节点数.剪枝算法采用凸包理论，对节点凸包的计算增大了算法运算的复杂度，随着嵌入式芯片的发展，节点的计算能力相比以前有了较大的提高，而相对于因采用本算法得到的更小的MCDS而带来的能量有效的优势而言，本算法无疑有其可取之处.能量敏感的无线传感器网络经常采用连通支配集构建虚拟骨干网络.支配集中的节点承担路由和转发功能，相对于其他节点，它在网络中的地位更重要，能耗更高，而构建最小连通支配集却是一个NPC问题.本文对Rule K算法的标记过程进行了优化，采用基于凸包的算法对CDS进行剪枝处理，模拟实验结果表明:算法能有效得到一个近似的最小连通支配集，在增加算法复杂度的同时，有效地减少了最小连通支配集中节点的个数，比前算法更优，为提高无线传感器网络寿命创造了条件.【相关文献】［1］ Estrin D.Wireless sensor networks tutorial part IV:sensor network protocols［C］.Procedings of the ACM Mobile Computing and Networking，Atlanta，GA，2002. ［2］ Van Veen B D，Buckley K M.Beamforming:a versatile approach to spatial filtering ［C］.IEEE，ASSP，April 1988:4-24.［3］ Guha S，Khuller S.Approxmation algorithims for connected dominating sets［J］.Algorithmica，1998，20(4):374-387.［4］ Wu J，Li H.On calculating connected dominating set for efficient routing in ad hoc wireless networks［C］.Proceedings of 3rd InternationalWorkshop on Discrete Algorithms and Methods for Mobile Computing and Communications，ACM，1999:7-14.［5］ Lee J，Mans B.Energy efficient virtual backbones for reception aware MANET ［J］.Vehicular Technology Conference，Montreal:IEEE，2006，3:1097-1101.［6］ Das B，Harghavan V B.Routing in ad Hoc networks using minimum connected dominating sets［C］.IEEE International Conference on Communications(ICC＇97) .Monreal，Quebec，Canada，1997:1-20.［7］ Dai F，Wu J.An extended localized algorithm for connected dominating set formation in ad hoc wireless networks［J］.IEEE Trans on Parallel and Distributed Systems，2004，15(10):908-920.［8］毛莺池，冯国富，陈立军，等.与位置无关的无线传感器网络连通性覆盖协议［J］.软件学报，2007，18(7):1672-1684.MAO Ying-chi，FENG Guo-fu，CHEN Li-jun，et al.A location-independent connected coverage protocol for wireless sensor networks［J］.Journal of Software，2007，18(7):1672-1684.［9］崔国华，洪帆，余祥宣.确定平面点集凸包的一类最优算法［J］.计算机学报，1997，20(4):330-334.CUIGuo-hua，HONG Fan，YU Xiang-xuan.A class of optimal algorithms for determine the convex hull of a set of nodes in a plane［J］.Chinese JComputers，1997，20(4):330-334. ［10］刘光惠，陈传波.求解简单多边形和平面点集凸包的新算法［J］.计算机科学，2007，34(12):222-226.LIU Guang-hui，CHEN Chuan-bo.New algorithms for computing the convex hulls of a simple polygon and a planar point set［J］.Computer Science，2007，34(12):222-226.。
无线传感器网络中的连通支配集求解算法
无线传感器网络中的连通支配集求解算法
高文宇
【期刊名称】《微计算机信息》
【年(卷),期】2010(026)001
【摘要】连通支配集在无线传感器网络中有着重要的作用,通过对连通支配集的深入分析得到了关于连通支配集的一个新特性,即最小连通支配集是图的一棵包含最多叶子节点的生成树中的非叶子节点的集合.根据这个结论设计了一种全新的连通支配集求解算法,即通过建立一棵含叶子节点较多的生成树来寻找一个较小的连通支配集.仿真实验表明,新算法较前人的算法有明显的改进.
【总页数】3页(P47-49)
【作者】高文宇
【作者单位】510320,广东广州,广东商学院信息学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP393
【相关文献】
1.无线传感器网络中基于有向图的强连通支配集的构造 [J], 徐培培;吴振华
2.基于分享度的最小连通支配集求解算法 [J], 赵学锋;陈祥恩
3.无线传感器网络中具有容错能力的连通支配集构造算法 [J], 卞永钊;王军;于海斌;张建华
4.Ad Hoc网络和无线传感器网络中连通支配集的分布式构造 [J], 郑婵;孙世新;黄天云
5.一种在无线传感器网络中构造有效连通支配集的算法 [J], 陆克中;黄刘生;徐宏力;张俊霞
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无线传感器网络中具有容错能力的连通支配集构造算法
无线传感器网络中具有容错能力的连通支配集构造算法
卞永钊;王军;于海斌;张建华
【期刊名称】《计算机应用研究》
【年(卷),期】2010(027)001
【摘要】根据无线传感器网络中虚拟骨干节点极易失效的问题,建立了一个具有容错能力的连通支配集.首先提出了一种分布式连通支配集构造算法DACDS;然后在这个算法基础上,根据一般构造容错支配集的规则,提出了容错算法kCDS;最后根据该算法的缺点,对其作了一个改进,并对kCDS和改进kCDS算法进行了仿真.仿真结果表明,改进kCDS算法具有更好的性能.
【总页数】4页(P292-294,313)
【作者】卞永钊;王军;于海斌;张建华
【作者单位】中国科学院,沈阳自动化所,工业信息学重点实验室,沈阳,110016;中国科学院,研究生院,北京,100039;中国科学院,沈阳自动化所,工业信息学重点实验室,沈阳,110016;中国科学院,研究生院,北京,100039;中国科学院,沈阳自动化所,工业信息学重点实验室,沈阳,110016;沈阳中科博微自动化技术有限公司,沈阳,110016【正文语种】中文
【中图分类】TP309
【相关文献】
1.无线传感器网络中基于有向图的强连通支配集的构造 [J], 徐培培;吴振华
2.无线传感器网络中d-Hop2-连通容错支配集的分布式构造算法 [J], 郑婵;尹令;
孙世新
3.Ad Hoc网络和无线传感器网络中连通支配集的分布式构造 [J], 郑婵;孙世新;黄天云
4.无线传感器网络中的连通支配集求解算法 [J], 高文宇
5.一种在无线传感器网络中构造有效连通支配集的算法 [J], 陆克中;黄刘生;徐宏力;张俊霞
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无线传感网络中能量均衡的连通支配集算法
无线传感网络中能量均衡的连通支配集算法
付永生;李善平;周波
【期刊名称】《传感技术学报》
【年(卷),期】2010(023)008
【摘要】连通支配集是无线传感器网络中构建虚拟骨干网络的重要手段.由于支配集中节点的能耗相对其他节点要多,支配集中剩余能量较小的节点决定了虚拟骨干网的生命周期.现有算法或者只是关注构造较小的支配集,或者没有考虑调整能耗极快的支配节点.提出了一种能量均衡的连通支配集算法,基于节点剩余能量和连通度构造支配集,在网络运行过程中根据耗能速度,提前选择候选支配节点,分流负载过重的支配节点.仿真结果表明,新算法能以较小消息开销,有效延长网络寿命.
【总页数】4页(P1142-1145)
【作者】付永生;李善平;周波
【作者单位】浙江大学计算机学院,杭州,310027;浙江大学计算机学院,杭
州,310027;浙江大学计算机学院,杭州,310027
【正文语种】中文
【中图分类】TP212;TP393
【相关文献】
1.无线传感器网络中一种能量均衡的基于连通支配集的数据收集算法 [J], 奎晓燕;杜华坤;梁俊斌
2.能量均衡的最小连通支配集分布式算法 [J], 凌飞;吴振华
3.基于能量均衡的连通支配集的分布式算法 [J], 阿伦;张丽娟;苏依拉
4.可充电无线传感网络能量均衡路由算法 [J], 谢小军;于浩;陶磊;张信明
5.基于能量均衡的无线传感网络的路由算法研究 [J], 孙懋珩;吴珊
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时延和功耗约束无线传感器网络连通支配集算法
时延和功耗约束无线传感器网络连通支配集算法孙彦景;钱建生;顾相平;陈光柱【期刊名称】《东南大学学报（英文版）》【年(卷),期】2008(024)004【摘要】针对无线传感器网络虚拟骨干时延和功耗的约束问题,提出(α,β)一约束的连通支配集算法.根据(α,β)-约束定义了时延约束的连通支配树问题(CDTT),并给出构建同时符合时延约束和有限总功率消耗的连通支配树(CDT)算法.算法分为2个阶段执行:首先在单位圆图上构建网络的极大独立集,然后在无向图上基于不同权值的最小生成树和最短路径树,构造满足(α,β)-约束要求的支撑树.理论分析和仿真结果表明提出的算法能够正确地解决CDTT问题,并能够构建平衡功率消耗和传输时延要求的无线传感器网络虚拟骨干.%To cope with the constraint problem of power consumption and transmission delay in the virtual backbone of wireless sensor network, a distributed connected dominating .set (CDS) algorithm with (α,β)-constraints is proposed. Based on the (α,β)-tree concept, a new connected dominating tree with bounded transmission delay problem(CDTT) is defined and a corresponding algorithm is designed to construct a CDT-tree which can trade off limited total power and bounded transmission delay from source to destination nodes. The CDT algorithm consists of two phases: The first phase constructs a maximum independent set(MIS)in a unit disk graph model. The second phase estimates the distance and calculates the transmission power to construct a spanning tree in an undirected graph with different weights forMST and SPT, respectively. The theoretical analysis and simulation results show that the CDT algorithm gives a correct solution to the CDTT problem and forms a virtual backbone with(α,β)-constraints balancing the requirements of power consumption and transmission delay.【总页数】6页(P414-419)【作者】孙彦景;钱建生;顾相平;陈光柱【作者单位】中国矿业大学信息与电气工程学院,徐州,221008;中国矿业大学信息与电气工程学院,徐州,221008;中国矿业大学信息与电气工程学院,徐州,221008;中国矿业大学机械与电气工程学院,徐州,221008【正文语种】中文【中图分类】TP393.01因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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邮局订阅号：82-946360元/年技术创新博士论坛《PLC 技术应用200例》您的论文得到两院院士关注无线传感器网络中的连通支配集求解算法Connected Dominating Set Algorithm of Wireless Sensor Network(广东商学院)高文宇GAO Wen-yu摘要:连通支配集在无线传感器网络中有着重要的作用,通过对连通支配集的深入分析得到了关于连通支配集的一个新特性,即最小连通支配集是图的一棵包含最多叶子节点的生成树中的非叶子节点的集合。
根据这个结论设计了一种全新的连通支配集求解算法,即通过建立一棵含叶子节点较多的生成树来寻找一个较小的连通支配集。
仿真实验表明,新算法较前人的算法有明显的改进。
关键词:无线传感器网络;连通支配集;仿真中图分类号:TP393文献标识码:AAbstract:Connected Dominating Set (CDS)plays an important role in Wireless sensor network.An important conclusion was got through analysis of CDS,which is the smallest CDS of a simple connected graph is the non-leaf nodes of a spanning tree with most leaf nodes.A new CDS algorithm was designed according to this conclusion.Simulations showed that the new algorithm could achieve better performance than others.Key words:Wireless sensor network;Connected dominating set;Simulation文章编号:1008-0570(2010)01-1-0047-031引言无线传感器网络作为一种新的信息获取方式和处理模式,它通过大量部署在检测区域内的传感器节点采集网络覆盖区域内感知对象的信息,节点间采用无线自组织形式构建网络。
受无线传输距离的限制,节点采用多跳的通信方式构成一个连通的网络。
为了提高广播传输的效率、节能等,连通支配集(Con －nected Dominating Set,CDS)被广泛应用在无线网络中用以构建无线网络的虚拟骨干网。
然而在简单连通图中求解最小连通支配集是一个NP 难问题,在实际应用中通常只能采用近似算法求解。
对于CDS 的求解,目前主要存在两种策略。
第一种是直接构建一个连通节点集,然后检测其是否能支配其余节点。
这类算法最为典型的就是文献1中的算法以及文献2的算法。
文献1的算法主要思路是从一个节点出发,用启发式策略选择与其相邻的节点加入,逐步扩展,成为一个连通的集合,然后考察这个连通的集合是否已经完全支配了图中的所有节点,如果已经支配了图中所有节点,算法结束,否则继续加入相邻节点。
启发式策略的应用主要用于选择加入节点时获得最大的支配增益。
文献2的算法则是:(1)初始时所有节点都是白色的(未被标记)。
(2)如果一个节点有两个未直接相连的邻接点,则标记这个节点为黑色,最终所有的黑色节点构成一个连通支配集(这是由其选择标记节点时的条件所保证的),但这个CDS 可能很大。
(3)对产生的CDS 进行剪枝,以缩减CDS 的大小。
该算法产生的初始CDS 很大,算法之所以在某些情况下有效主要是得益于其剪枝算法。
求解CDS 的第二种策略就是,首先使用启发式规则在图中找出一个较小支配集(可能是非连通的),然后再增加一些节点以连通该支配集,从而形成一个CDS,这类算法的典型代表就是文献3-4中的算法。
这类方法理论上有很好的算法近似比,因为采用贪婪集合覆盖算法可以得到较小的支配集,然后通过寻找Steiner Tree 的方法可以进一步得到较小的CDS 。
但是这两个算法都涉及到大量的信息交换,因此只适合于在拥有全局信息的情况下实现,而近似的分布式算法实现会大大降低算法的效果。
下面我们通过对CDS 与图的生成树的关系的分析给出了一种新的CDS 求解算法。
2基于最小生成树的CDS 算法2.1问题定义定义1.图G=(V,E)称为简单连通无向图,需满足以下条件:(1)G 为无自回路的、连通的无向图。
(2)G 中任意两个节点之间至多有一条边。
定义2.图G 中节点u 和节点v 之间存在一条边,则称节点u 与节点v 相邻。
定义3.图G=(V,E)中的任意节点u,称u 在图中的相邻节点的个数为节点u 的度数,记为D(u)。
定义4.设图G=(V,E)是简单连通无向图,若节点集S V ,S ≠,,u 都与S 中至少一个节点相邻,则称S 是图G 的支配集。
若由S 导出的子图为连通图,则S 为连通支配集。
在应用领域,我们通常希望求解最小CDS,即求得的CDS 包含的节点数最少。
然而,无论是求解最小支配集或最小CDS 都是NP 难问题,因此我们只能采用一些近似算法来求解这个问题。
2.2基于最小生成树的CDS 算法(MST-CDS)基于前面的描述,我们知道对于给定的简单连通图G,求最小CDS 是一个NP 问题,而现有算法主要包括两类:一是先在图中找出一个较小的独立集,然后再通过增加一些节点将这个独高文宇:教授博士基金项目:广东省自然科学基金;基金申请人:高文宇;项目名称:异构无线网络自适应传输控制协议研究;基金颁发部门:广东省自然科学基金委员会(8151032001000013)47--技术创新《微计算机信息》(测控自动化)2010年第26卷第1-1期360元/年邮局订阅号：82-946《现场总线技术应用200例》博士论坛立集连通起来。
二是直接采用启发式规则,从一个点出发,逐步构造一个CDS 。
第一类方案事先没有考虑连通性,因此最后的结果难以是较优的,而第二类方案在做选择时,主要考虑一个节点,也难以达到较好的效果。
通过对图的生成树的分析,以及对CDS 的特性的分析,我们可以得到如下定理:定理1.一个简单连通无向图的最小CDS 是这个图的一棵包含最多叶子节点的生成树中的非叶子节点的集合。
证明:因为CDS 是连通的,因此构成CDS 的节点可以导出一颗树T,又因为CDS 是支配集,因此图G 中没在CDS 里的节点一定和CDS 中的某个节点相邻,因此可以将这些不在CDS 中的节点视为CDS 导出树T 的叶子节点,从而构成一颗图G 的生成树。
所以为了得到最小的CDS,那么图G 的生成树应包含最多的叶子节点。
定理得证。
根据定理1,我们可以从另一个角度来求解CDS,而且也使我们可以更早、更好地来考虑连通性问题,而不是局限于“支配”这个概念,毕竟CDS 是一个连通集。
根据定理1的结论,我们应该想办法从给定的图出发,构造一颗有尽量多叶子节点(度为1的节点)的生成树,那么这颗生成树中的非叶子节点构成的集合就是我们要求解的CDS 。
下面我们使用一种基于最小生成树的贪婪策略来求解CDS 。
为了最终得到的生成树有更多的叶子节点,也就是说让最后的生成树中有更多的度为1的节点,但是整棵树所有节点的度之和是恒定的(若生成树有n 个节点,这连通这棵树的边为n-1条,所以度之和恒为2(n-1))。
因此,为了让生成树中有更多度为1的节点,我们应该让这棵树的非叶子节点有尽量大的度。
因此,在图G 中,我们应该选择度尽量大的节点来逐步构造这颗生成树,然而,仅考虑节点的度来选择节点,对于最后的连通性考虑是不利的。
所以我们设计的新算法采用如下思路来构造一个较小的CDS:(1)对图G 中的每条边赋权值,边的权值等于该边连接的两个相邻节点的度之和;(2)从任一节点出发,使用最小生成树算法(如Prim 算法)来求解图G 的最大生成树(即具有最大权值的生成树)T;(用最小生成树算法来求解具有最大权值的生成树,只需在原算法中将“每次选择具有最小权值的边”改为“每次选择具有最大权值的边”即可。
)(3)去掉最大生成树T 中度为1的节点,剩下的节点即构成我们所求的CDS 。
2.3算法的有效性(1)算法的无偏性。
由于从任意节点出发,都可以得到最优的最大生成树,因此无论从哪个节点开始构建生成树,最终得到的CDS 都不会有偏差。
(2)对图中度较大的节点,则根据对边赋权值的规则,与它相接的边都有较大权值,这样这些边被选中的概率就较大,这会导致在一个度较大的节点周围选中较多的边,从而这个节点消耗较多的度,这会使得最终形成的生成树会有更多的度为1的叶子节点。
(3)对于图中度较小的节点,根据对边赋权值的规则,与它相连的边的权值相对于与它的邻接点相连的边的权值要小,因此与它相连的边被选中多条的概率就较小,因此它也就可能在最终的生成树中成为一个叶子节点。
3算法仿真实验为了验证新算法(以下简称为MST-CDS)的性能,我们将新算法与文献1中的算法进行了比较。
因为[1]中的算法产生的连通支配集是前面提到的研究中最小的。
仿真实验我们采用了如下实验方案:在100×100的矩形区域内,随机投放一定数量的无线网络节点,每个节点的通信半径为R,若两个节点间的距离小于R,则这两个节点之间有边相连,反之则无边相连。
每次产生的图若是连通的,则实验继续,若图不连通(非连通图不存在CDS),则重新产生随机图。
我们进行了两组实验。
第一组,将节点的通信半径R 分别设置为15、25、50、75。
然后,对每一个半径R,将节点的数量|V|从0变化到100,对每一个|V|,生成1000次随机图,然后执行文献1的算法和新算法,求解每一个随机图的CDS 的大小。
最后对1000次随机实验求得的CDS 大小取平均值,作为每个算法的性能评价指标(算法产生的连通支配集越小越好)。
在第二组实验中,将节点数量|V|分别设置为20、40、60、80。
对每一个|V|,将通信半径R 从0变化到100,同样地,实验进行1000次,最后计算CDS 大小的平均值。
实验结果:图1展示了第一组实验的结果。
图中横坐标是节点的个数,纵坐标是CDS 的大小。
在图1(a)中,横坐标不是从0开始,是因为当R=15,节点个数太少时(<50),在100×100的平面上随机产生的节点很难构成连通图,因此为了保证实验的随机性,产生的节点数从51开始。
从图1(a)-1(c)中可以看出,新算法在各种情况下都好于[1]的算法,特别是在图不是很稠密时(见图1(a)和(b),图1(c)中,R=50,随着节点数|V|的增加,图逐渐变得稠密)。
在图1(d)中,当R=75时,产生的随机图已相当稠密,我们的算法产生的CDS 基本上保持在1左右(因为此时理论上一个半径为R=75的节点就可以覆盖整个100×100区域),所以我们的算法基本上在各种情况下都可以找到最好的结果。