專利名稱：混合sink節(jié)點WSN及其數(shù)據(jù)收集方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks,WSN)技術領域,尤其涉及一種混合sink節(jié)點WSN及其數(shù)據(jù)收集方法。
背景技術：
隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，WSN作為物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，已經(jīng)成為人們研究的熱點問題。典型的WSN是由大量微小的具有感知能力的無線傳感器(sensor)節(jié)點和一個固定的匯集(sink)節(jié)點組成。他們被部署在不同的應用場景中，sensor節(jié)點將感知的數(shù)據(jù)通過單跳或多跳的方式傳遞給sink節(jié)點。研究表明，sink節(jié)點的近端sensor節(jié)點由于負載過大而導致其能量消耗遠比遠端sensor節(jié)點快,造成熱點區(qū)域問題(hot spot)。這種不均勻的能量消耗降低了 WSN的性能，同時大大縮短了 WSN的壽命。為延長WSN的壽命，研究人員在WSN中引入了移動匯集sink節(jié)點，移動sink節(jié)點是指在WSN中能夠按照指定路線移動的sink節(jié)點，其移動路線和速度可以通過網(wǎng)絡控制；通過移動SINK節(jié)點的移動不斷的轉移熱點區(qū)域，均衡網(wǎng)絡能量分布，以達到延長壽命的目的。目前提出的解決方案有MULE、RP、MILP, GMRE方法等。MULE方法是讓移動sink節(jié)點依次訪問WSN中的所有sensor節(jié)點，當移動sink節(jié)點到達源sensor節(jié)點的通信范圍時,源sensor節(jié)點將數(shù)據(jù)全部通過一跳方式發(fā)送給移動sink節(jié)點。這種方法雖然消除了節(jié)點的中繼負載，減少了網(wǎng)絡能耗，但帶來了非常大的數(shù)據(jù)延遲，只適用于數(shù)據(jù)類型為延遲容忍型的WSN。RP方法就是為了減少MULE方法中數(shù)據(jù)延遲提出，在RP方法中，移動sink節(jié)點只訪問被選中的幾個集合點，區(qū)域內的數(shù)據(jù)先緩存到集合點處，并進行可能的數(shù)據(jù)融合，當移動sink節(jié)點到達其通信范圍時,將其緩存的數(shù)據(jù)全部發(fā)送給移動sink節(jié)點。這種方式雖然可以減少移動sink節(jié)點的移動范圍，改善延遲性能，但仍然只適合數(shù)據(jù)類型為延遲容忍型的WSN，延時容忍型數(shù)據(jù)是指該類型數(shù)據(jù)對延時相對不敏感，在傳遞過程中可以容忍一定的延時。MILP和GMRE兩種方法均適用于數(shù)據(jù)類型為實時性的WSN，實時性數(shù)據(jù)是指該類型數(shù)據(jù)對延遲敏感，需要實時傳遞，延時越小越好。這兩種方法中，移動sink節(jié)點根據(jù)全WSN或局部WSN中sensor節(jié)點實時剩余能量信息,在固定的幾個位置中,選擇下一個最佳的移動停留點。這兩種方法在不同程度上都能改善網(wǎng)絡壽命，但都需要各移動sink節(jié)點知道自己的地理位置信息，這在許多實際的網(wǎng)絡中比較難實現(xiàn)，另外由于在實時網(wǎng)絡場景下，移動sink節(jié)點每移動一次都要更新全網(wǎng)路由，額外的路由開銷使得由移動sink節(jié)點帶來的網(wǎng)絡性能優(yōu)化并不理想。另外考慮到在實際的應用場景中，如野外生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，農業(yè)生長環(huán)境監(jiān)測，地震帶環(huán)境監(jiān)測等，網(wǎng)絡中sensor節(jié)點主要是周期性上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)上傳周期相對較長，且允許一定的時延；但當監(jiān)測環(huán)境有異常情況發(fā)生時，因事件觸發(fā)局部區(qū)域需要短時間內上報突發(fā)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對時延性能和丟包率都有很高的要求。所以，如何既能滿足不同數(shù)據(jù)類型的服務需求又能很好的延長網(wǎng)絡壽命，已經(jīng)成為業(yè)內科技人員一項迫切需求解決的新課題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的是提供一種混合sink節(jié)點WSN及其數(shù)據(jù)收集方法，以解決WSN熱點區(qū)域以及不能同時處理兩種數(shù)據(jù)類型的問題。本發(fā)明提供一種混合sink節(jié)點WSM,包括一個固定sink節(jié)點、至少一個移動sink節(jié)點以及兩個以上的sensor節(jié)點，上述WSM整體部署為圓形；上述固定sink節(jié)點設置在上述WSN的中心；上述sensor節(jié)點以上述固定sink節(jié)點為圓心，均勻設置在上述WSM覆蓋范圍內；上述移動sink節(jié)點按照預設的移動方式以預設移動半徑繞上述固定sink節(jié)點移動。優(yōu)選地,上述移動sink節(jié)點向與其相鄰的sensor節(jié)點分發(fā)信標巾貞,并收集sensor節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包；上述sensor節(jié)點判斷是否收到信標幀，并在收到信標幀時，判斷分發(fā)上述信標幀的sink節(jié)點是否在其一跳范圍內，若是，則將數(shù)據(jù)包發(fā)送給上述移動sink節(jié)點；否則，判斷數(shù)據(jù)包的類型，將延時容忍型數(shù)據(jù)包暫存到緩存區(qū)，將實時性數(shù)據(jù)包按照路由發(fā)送給上述固定sink節(jié)點的下一跳sensor節(jié)點，或者在未收到信標幀時，將數(shù)據(jù)包按照路由發(fā)送給上述固定sink節(jié)點的下一跳sensor節(jié)點。優(yōu)選地，上述移動sink節(jié)點提供參數(shù)設置接口 ；上述sensor節(jié)點設置有狀態(tài)定時器,在收到信標巾貞時，上述sensor節(jié)點啟動上述狀態(tài)定時器，同時將自身狀態(tài)標記為移動sink節(jié)點的鄰居節(jié)點，并在上述狀態(tài)定時器工作期間再次收到信標幀時，重啟上述狀態(tài)定時器，或者在上述狀態(tài)定時器到期后，取消狀態(tài)標記，并將緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)包按照路由發(fā)送給上述固定sink節(jié)點的下一跳sensor節(jié)點。優(yōu)選地,上述sensor節(jié)點判斷其緩存區(qū)的剩余空間是否小于等于預設值,并在上述剩余空間小于等于預設值，且移動sink節(jié)點不在其一跳范圍內時,按照先進先出(FirstInput First Output, FIFO)原則將其緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)包按照路由依次發(fā)送給上述固定sink節(jié)點的下一跳sensor節(jié)點,直至上述剩余空間大于上述預設值。本發(fā)明還提供一種混合sink節(jié)點WSN的數(shù)據(jù)收集方法，上述方法包括以下步驟移動sink節(jié)點周期性向與其相鄰的sensor節(jié)點分發(fā)信標巾貞；收到信標巾貞的sensor節(jié)點判斷上述移動sink節(jié)點是否在其一跳范圍內，若是,貝Ij將數(shù)據(jù)包發(fā)送給上述移動sink節(jié)點；否則，將延時容忍型數(shù)據(jù)包暫存到緩存區(qū)，將實時性數(shù)據(jù)包按照路由發(fā)送給固定sink節(jié)點的下一跳sensor節(jié)點；未收到信標巾貞的sensor節(jié)點按照路由將數(shù)據(jù)包發(fā)送給固定sink節(jié)點的下一跳sensor 節(jié)點。優(yōu)選地,上述方法在上述移動sink節(jié)點周期性向與其相鄰的sensor節(jié)點分發(fā)信標中貞步驟前，還包括以下步驟為網(wǎng)內的所有sensor節(jié)點分別建立至少一條到固定sink節(jié)點的路由；計算上述移動sink節(jié)點的移動半徑；、
為上述移動sink節(jié)點設置移動半徑及移動方式。優(yōu)選地，上述移動sink節(jié)點最佳移動半徑U通過如下公式計算
權利要求
1.ー種混合sink節(jié)點無線傳感網(wǎng)絡WSM,包括ー個固定sink節(jié)點、至少ー個移動sink節(jié)點以及兩個以上的sensor節(jié)點，其特征在于，所述WSM整體部署為圓形； 所述固定sink節(jié)點設置在所述WSN的中心； 所述sensor節(jié)點以所述固定sink節(jié)點為圓心，均勻設置在所述WSM覆蓋范圍內； 所述移動sink節(jié)點按照預設的移動方式以預設移動半徑繞所述固定sink節(jié)點移動。
2.根據(jù)權利要求I所述的混合sink節(jié)點WSN，其特征在于， 所述移動sink節(jié)點向與其相鄰的sensor節(jié)點分發(fā)信標巾貞,并收集sensor節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包； 所述sensor節(jié)點判斷是否收到信標幀，并在收到信標幀時，判斷分發(fā)所述信標幀的sink節(jié)點是否在其一跳范圍內，若是，則將數(shù)據(jù)包發(fā)送給所述移動sink節(jié)點，否則，判斷數(shù)據(jù)包的類型，將延時容忍型數(shù)據(jù)包暫存到緩存區(qū)，將實時性數(shù)據(jù)包按照路由發(fā)送給所述固定sink節(jié)點的下一跳sensor節(jié)點；或者在未收到信標巾貞時,將數(shù)據(jù)包按照路由發(fā)送給所述固定sink節(jié)點的下一跳sensor節(jié)點。
3.根據(jù)權利要求2所述的混合sink節(jié)點WSN，其特征在于， 所述移動sink節(jié)點提供參數(shù)設置接ロ ； 所述sensor節(jié)點設置有狀態(tài)定時器,在收到信標巾貞時,所述sensor節(jié)點啟動所述狀態(tài)定時器，同時將自身狀態(tài)標記為移動sink節(jié)點的鄰居節(jié)點，并在所述狀態(tài)定時器工作期間再次收到信標幀吋，重啟所述狀態(tài)定時器，或者在所述狀態(tài)定時器到期后，取消狀態(tài)標記，并將緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)包按照路由發(fā)送給所述固定sink節(jié)點的下一跳sensor節(jié)點。
4.根據(jù)權利要求2所述的混合sink節(jié)點WSN，其特征在于， 所述sensor節(jié)點判斷其緩存區(qū)的剩余空間是否小于等于預設值,并在所述剩余空間小于等于預設值，且移動sink節(jié)點不在其ー跳范圍內時，按照先進先出FIFO原則將其緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)包按照路由依次發(fā)送給所述固定sink節(jié)點的下一跳sensor節(jié)點，直至所述剩余空間大于所述預設值。
5.ー種混合sink節(jié)點WSN的數(shù)據(jù)收集方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 移動sink節(jié)點周期性向與其相鄰的sensor節(jié)點分發(fā)信標巾貞； 收到信標巾貞的sensor節(jié)點判斷所述移動sink節(jié)點是否在其一跳范圍內，若是,則將數(shù)據(jù)包發(fā)送給所述移動sink節(jié)點；否則，將延時容忍型數(shù)據(jù)包暫存到緩存區(qū)，將實時性數(shù)據(jù)包按照路由發(fā)送給固定sink節(jié)點的下一跳sensor節(jié)點； 未收到信標巾貞的sensor節(jié)點按照路由將數(shù)據(jù)包發(fā)送給固定sink節(jié)點的下一跳sensor節(jié)點。
6.根據(jù)權利要求5所述的混合sink節(jié)點WSN的數(shù)據(jù)收集方法，其特征在于，所述方法在所述移動sink節(jié)點周期性向與其相鄰的sensor節(jié)點分發(fā)信標巾貞步驟前,還包括以下步驟 為網(wǎng)內的所有sensor節(jié)點分別建立至少一條到固定sink節(jié)點的路由； 計算所述移動sink節(jié)點的移動半徑； 為所述移動sink節(jié)點設置移動半徑及移動方式。
7.根據(jù)權利要求6所述的混合sink節(jié)點WSN的數(shù)據(jù)收集方法，其特征在于，所述移動sink節(jié)點最佳移動半徑U通過如下公式計算其中， 2arcsin(r/ (u+r)), θ = l_M*arcsin (rAi) 表示網(wǎng)絡節(jié)點最大能耗，Θ 表示移動sink節(jié)點鄰居節(jié)點將實時數(shù)據(jù)發(fā)送給固定sink節(jié)點的概率,M為移動sink節(jié)點的個數(shù)，R為網(wǎng)絡覆蓋半徑，:r為sensor節(jié)點通信半徑，P是sensor節(jié)點數(shù)據(jù)上傳速率,p是sensor節(jié)點上傳數(shù)據(jù)中實時數(shù)據(jù)的比例，且P e
, ε為sensor節(jié)點發(fā)送和接收單元數(shù)據(jù)需要消耗的能量，u為移動是sink節(jié)點的移動半徑。
當Emax(M)取最小值時所對應的u即是移動sink節(jié)點的最佳移動半徑U。
8.根據(jù)權利要求6所述的混合sink節(jié)點WSN的數(shù)據(jù)收集方法，其特征在于，所述移動方式為 所述移動sink節(jié)點從起始位起，每移動設定距離后，停留設定時間。
9.如權利要求5所述的混合sink節(jié)點WSN的數(shù)據(jù)收集方法，其特征在于，所述收到信標幀的sensor節(jié)點在收到信標幀時，還執(zhí)行以下操作 啟動狀態(tài)定時器，將自身狀態(tài)標記為移動sink節(jié)點的鄰居節(jié)點。
10.根據(jù)權利要求5所述的混合sink節(jié)點WSN的數(shù)據(jù)收集方法，其特征在于，所述收到信標巾貞的sensor節(jié)點判斷出所述移動sink節(jié)點不在其ー跳范圍內時,還執(zhí)行以下操作 判斷數(shù)據(jù)包的類型。
11.根據(jù)權利要求5所述的混合sink節(jié)點WSN的數(shù)據(jù)收集方法，其特征在于，所述收到信標幀的sink節(jié)點將延時容忍型數(shù)據(jù)包暫存到緩存區(qū)后，還執(zhí)行以下步驟 周期性判斷緩存區(qū)的剰余空間是否小于等于預設值，若是，則按照FIFO原則將緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)包依次通過路由發(fā)送給固定sink節(jié)點的下一跳sensor節(jié)點,直至所述剩余空間大于所述預設值。
12.根據(jù)權利要求9所述的混合sink節(jié)點WSN的數(shù)據(jù)收集方法，其特征在于，所述收到信標幀的sensor節(jié)點在所述狀態(tài)定時器工作期間，若再次收到信標幀，則重啟所述狀態(tài)定時器；否則，在所述狀態(tài)定時器到期后，取消狀態(tài)標記，并將緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)包按照路由發(fā)送給固定sink節(jié)點的下一跳sensor節(jié)點。
13.根據(jù)權利要求5-12中任一項所述的混合sink節(jié)點WSN的數(shù)據(jù)收集方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)包包括所述sensor節(jié)點自身生成的數(shù)據(jù)包及其他sensor節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)包。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種混合sink節(jié)點WSM及其數(shù)據(jù)收集方法，該WSN包括一個固定sink節(jié)點、至少一個移動sink節(jié)點以及兩個以上的sensor節(jié)點；該方法包括移動sink節(jié)點周期性向與其相鄰的sensor節(jié)點分發(fā)信標幀；收到信標幀的sensor節(jié)點將數(shù)據(jù)包發(fā)送給在其一跳范圍內的移動sink節(jié)點，或者將延時容忍型數(shù)據(jù)包暫存到其緩存區(qū)，將實時性數(shù)據(jù)包按照路由發(fā)送給到固定sink節(jié)點的下一跳sensor節(jié)點；未收到信標幀的sensor節(jié)點按照路由發(fā)送數(shù)據(jù)包。本發(fā)明解決了WNS熱點區(qū)域及現(xiàn)有WSN不能同時處理不同數(shù)據(jù)類型的問題。
文檔編號H04W84/18GK102695180SQ20111007086
公開日2012年9月26日 申請日期2011年3月23日 優(yōu)先權日2011年3月23日
發(fā)明者張紅梅, 楊光, 蔣挺, 許玲, 鐘怡 申請人:中興通訊股份有限公司