專利名稱：一種wsn中的時(shí)延受限能耗均衡數(shù)據(jù)采集樹構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種WSN中的時(shí)延受限能耗均衡數(shù)據(jù)采集樹構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量能量受限的、具備數(shù)據(jù)采集處理能力和無(wú)線通信能力的智能節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自組織通信網(wǎng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)適用于在火災(zāi)監(jiān)視、災(zāi)害預(yù)警等應(yīng)用場(chǎng)景中使用，而這些應(yīng)用目標(biāo)往往對(duì)數(shù)據(jù)收集的時(shí)延有一定得需求，數(shù)據(jù)須在一個(gè)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)傳送到數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)，才能保持?jǐn)?shù)據(jù)的新鮮度，使得數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)能對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的信息做出及時(shí)可靠的處理。又因無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量受限，故如何減少網(wǎng)絡(luò)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間，同時(shí)有效完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，一直是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中重要的議題。數(shù)據(jù)采集是無(wú)線傳感網(wǎng)布設(shè)的主要目標(biāo)，根據(jù)算法對(duì)應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，可以分成三類一是基于簇結(jié)構(gòu)的拓?fù)錁?gòu)建；二是基于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的拓?fù)錁?gòu)建；三是基于樹結(jié)構(gòu)的拓?fù)錁?gòu)建。在樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，所有節(jié)點(diǎn)以數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)為樹的根節(jié)點(diǎn)構(gòu)建，各個(gè)節(jié)點(diǎn)被分配成葉子節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)等角色。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有且僅有一個(gè)固定的路徑通往數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)。由于路徑的唯一性，所以一旦拓?fù)浯_立，路徑就確立。實(shí)際上，從網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)角度，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇筛\統(tǒng)的分成網(wǎng)狀拓?fù)浜蜆錉钔負(fù)鋬煞N形式。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的拓?fù)渲?，?duì)于網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點(diǎn)，可以有多種到達(dá)數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的路徑選擇，其傳輸路徑具備不唯一性，此種情況，易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)路由環(huán)路，路由空洞等。而且網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀況，發(fā)送尋路的控制信息，雖然網(wǎng)絡(luò)看似更加靈活，但其引來(lái)的MAC層擁塞，碰撞等問(wèn)題解決起來(lái)也相對(duì)棘手。而樹狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建以后，即可確定網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)到數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞€(wěn)定易控制。因此樹狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集中具有極大的應(yīng)用價(jià)值，占據(jù)著獨(dú)立且重要的位置。但是現(xiàn)有的樹狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并不是一個(gè)時(shí)延受限、能耗均衡的樹狀拓?fù)?，因此各?jié)點(diǎn)間存在通信干擾，甚至不能準(zhǔn)確把信息傳送到數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)，而且網(wǎng)絡(luò)生命周期較短。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種WSN中的時(shí)延受限能耗均衡數(shù)據(jù)采集樹構(gòu)建方法，實(shí)現(xiàn)在最小化網(wǎng)絡(luò)總能量代價(jià)的同時(shí)，滿足數(shù)據(jù)實(shí)效性要求，均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能
^^ ο本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是提供一種WSN中的時(shí)延受限能耗均衡數(shù)據(jù)采集樹構(gòu)建方法，包括以下步驟(1)數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)已經(jīng)獲得的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ?jì)算能進(jìn)行對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)通信的節(jié)點(diǎn)對(duì)的權(quán)值；(2)數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)使用最短路徑求解算法，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)到數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的最短加權(quán)路徑，所有最短加權(quán)路徑的集合即構(gòu)成最小加權(quán)能耗生成樹；(3)找出最小加權(quán)能耗生成樹中不滿足網(wǎng)絡(luò)時(shí)延限制的節(jié)點(diǎn)，并對(duì)每個(gè)此類節(jié)點(diǎn)計(jì)算出一個(gè)相應(yīng)的拓?fù)湔{(diào)整方案，作為候選拓?fù)湔{(diào)整方案；(4)找出所有的候選拓?fù)湔{(diào)整方案中對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率調(diào)整最小的方案，對(duì)生成樹進(jìn)行重構(gòu)；(5)判斷網(wǎng)絡(luò)中是否仍存在不滿足跳數(shù)限制的節(jié)點(diǎn)，若存在則返回步驟(3)，若不存在，則算法終止，此時(shí)對(duì)應(yīng)的生成樹即是最終的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)果。所述步驟⑴中在計(jì)算對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)對(duì)的權(quán)值時(shí)，使用節(jié)點(diǎn)剩余能量、節(jié)點(diǎn)間距離信息作為邊權(quán)值的構(gòu)造參數(shù)，以最小化節(jié)點(diǎn)對(duì)總能耗和最大化節(jié)點(diǎn)壽命為目標(biāo)進(jìn)行構(gòu)建。所述步驟⑵中數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)使用Dijkstra算法計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)到數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的最短加權(quán)路徑。所述步驟(3)中在計(jì)算拓?fù)湔{(diào)整方案時(shí)只在不滿足網(wǎng)絡(luò)時(shí)延限制的節(jié)點(diǎn)到數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑上進(jìn)行調(diào)整。所述步驟(3)中計(jì)算出一個(gè)相應(yīng)的拓?fù)湔{(diào)整方案時(shí)，以節(jié)點(diǎn)調(diào)整后的邊權(quán)值增幅和節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前負(fù)載量?jī)蓚€(gè)因素作為指標(biāo)。有益效果由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明適用于面向單數(shù)據(jù)匯聚(簡(jiǎn)稱Sink)節(jié)點(diǎn)的所有節(jié)點(diǎn)周期上報(bào)數(shù)據(jù)應(yīng)用，使用跳數(shù)的方式簡(jiǎn)化表征數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，同時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)對(duì)的剩余能量特征進(jìn)行考慮，這為算法的實(shí)際實(shí)施提供了簡(jiǎn)單可靠的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)本方法是在最小加權(quán)能耗生成樹的基礎(chǔ)上，以最小能耗增量的方式進(jìn)行拓?fù)渲貥?gòu)，能始終盡力維持全局拓?fù)涞牡湍芎奶匦浴１景l(fā)明為集中式的拓?fù)錁?gòu)建方法，尤其對(duì)于節(jié)點(diǎn)布設(shè)密度較大的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，該方法更能發(fā)揮其均衡網(wǎng)絡(luò)能耗的特點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的流程圖；圖2是網(wǎng)絡(luò)部署情況示意圖；圖3是候選拓?fù)湔{(diào)整方案示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種WSN中的時(shí)延受限能耗均衡數(shù)據(jù)采集樹構(gòu)建方法，該方法適應(yīng)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的非融合數(shù)據(jù)匯聚應(yīng)用，能用于小區(qū)域尺度的低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)，也可擴(kuò)展用于大區(qū)域尺度的中高速與低功耗混合的傳感器網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也適用與這兩種尺度下的M2M應(yīng)用。該方法通過(guò)構(gòu)建以匯聚節(jié)點(diǎn)為根的樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?guī)劃網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包傳輸路徑，從而最大限度節(jié)省傳感器節(jié)點(diǎn)的能量，均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗，減少節(jié)點(diǎn)間的通信干擾，在及時(shí)準(zhǔn)確把信息傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。其具體步驟如圖1所示。以單Sink數(shù)據(jù)匯聚型網(wǎng)絡(luò)為例，Sink節(jié)點(diǎn)位置可處于網(wǎng)絡(luò)的邊緣或中心，當(dāng)Sink 節(jié)點(diǎn)處于網(wǎng)絡(luò)邊緣時(shí)，如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)周期性產(chǎn)生數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以非融合的方式傳送。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)功率可調(diào)，有最大發(fā)射功率的限定。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣⒅?，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)擁有一個(gè)預(yù)先設(shè)置好的ID號(hào)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)，簡(jiǎn)稱Sink節(jié)點(diǎn)，事先已經(jīng)獲知網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的位置信息，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)初始能量相同，并且節(jié)點(diǎn)在上傳數(shù)據(jù)的過(guò)程中，幀載荷中附帶自身的當(dāng)前剩余能量信息。網(wǎng)絡(luò)每運(yùn)行一段時(shí)間由Sink節(jié)點(diǎn)根據(jù)搜集到的全網(wǎng)能量信息，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行重構(gòu)，并下發(fā)全網(wǎng)。本實(shí)施例中對(duì)拓?fù)涑跏蓟瘶?gòu)建時(shí)段和拓?fù)渲貥?gòu)時(shí)段的Sink節(jié)點(diǎn)實(shí)施行為進(jìn)行描述，此時(shí)Sink節(jié)點(diǎn)以集中式控制節(jié)點(diǎn)形式存在，整個(gè)實(shí)施行為包括四部分1)構(gòu)建初始拓?fù)銼ink節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建數(shù)組集合集，包括集合S，空集合Hm用于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中距離Sink節(jié)點(diǎn)跳數(shù)為T+1的節(jié)點(diǎn)，空集合A用于存儲(chǔ)候選調(diào)整節(jié)點(diǎn)；空集合P = (Pi Ii e S}，其中Pi表示第i個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)傳送單位數(shù)據(jù)到Sink所需經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)集合；集合L= ILiIi e S}，其中Li表示第i個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的負(fù)載，鄰居節(jié)點(diǎn)集F= {f, | i e S}，其中fi是第i個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的鄰居集合。若Sink節(jié)點(diǎn)內(nèi)存中已經(jīng)包含了上述集合信息，說(shuō)明當(dāng)前時(shí)段為拓?fù)渲貥?gòu)階段， Sink節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中獲取了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的位置及能量信息，此時(shí)可利用當(dāng)前已經(jīng)存在的數(shù)組集合集，無(wú)須重新創(chuàng)建；若Sink節(jié)點(diǎn)內(nèi)存中無(wú)上述集合信息，則說(shuō)明當(dāng)前時(shí)段為拓?fù)涑跏蓟瘶?gòu)建時(shí)段，需創(chuàng)建上述數(shù)組集合集，并以主動(dòng)泛洪廣播的方式獲知網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)。獲得位置及能量信息后，須更新鄰居節(jié)點(diǎn)集F，同時(shí)對(duì)于V/,_/+ e ^，定義其對(duì)應(yīng)邊權(quán)值為
權(quán)利要求
1.一種WSN中的時(shí)延受限能耗均衡數(shù)據(jù)采集樹構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟(1)數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)已經(jīng)獲得的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ?jì)算能進(jìn)行對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)通信的節(jié)點(diǎn)對(duì)的權(quán)值；(2)數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)使用最短路徑求解算法，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)到數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的最短加權(quán)路徑，所有最短加權(quán)路徑的集合即構(gòu)成最小加權(quán)能耗生成樹；(3)找出最小加權(quán)能耗生成樹中不滿足網(wǎng)絡(luò)時(shí)延限制的節(jié)點(diǎn)，并對(duì)每個(gè)此類節(jié)點(diǎn)計(jì)算出一個(gè)相應(yīng)的拓?fù)湔{(diào)整方案，作為候選拓?fù)湔{(diào)整方案；(4)找出所有的候選拓?fù)湔{(diào)整方案中對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率調(diào)整最小的方案，對(duì)生成樹進(jìn)行重構(gòu)；(5)判斷網(wǎng)絡(luò)中是否仍存在不滿足跳數(shù)限制的節(jié)點(diǎn)，若存在則返回步驟(3)，若不存在，則算法終止，此時(shí)對(duì)應(yīng)的生成樹即是最終的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的WSN中的時(shí)延受限能耗均衡數(shù)據(jù)采集樹構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟(1)中在計(jì)算對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)對(duì)的權(quán)值時(shí)，使用節(jié)點(diǎn)剩余能量、節(jié)點(diǎn)間距離信息作為邊權(quán)值的構(gòu)造參數(shù)，以最小化節(jié)點(diǎn)對(duì)總能耗和最大化節(jié)點(diǎn)壽命為目標(biāo)進(jìn)行構(gòu)建。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的WSN中的時(shí)延受限能耗均衡數(shù)據(jù)采集樹構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟(2)中數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)使用Dijkstra算法計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)到數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的最短加權(quán)路徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的WSN中的時(shí)延受限能耗均衡數(shù)據(jù)采集樹構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟(3)中在計(jì)算拓?fù)湔{(diào)整方案時(shí)只在不滿足網(wǎng)絡(luò)時(shí)延限制的節(jié)點(diǎn)到數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑上進(jìn)行調(diào)整。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的WSN中的時(shí)延受限能耗均衡數(shù)據(jù)采集樹構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟(3)中計(jì)算出一個(gè)相應(yīng)的拓?fù)湔{(diào)整方案時(shí)，以節(jié)點(diǎn)調(diào)整后的邊權(quán)值增幅和節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前負(fù)載量?jī)蓚€(gè)因素作為指標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明涉及WSN中的時(shí)延受限能耗均衡數(shù)據(jù)采集樹構(gòu)建方法，包括以下步驟數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒂?jì)算進(jìn)行對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)通信的節(jié)點(diǎn)對(duì)的權(quán)值；數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)到數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的最短加權(quán)路徑，所有最短加權(quán)路徑的集合即構(gòu)成最小加權(quán)能耗生成樹；找出最小加權(quán)能耗生成樹中不滿足網(wǎng)絡(luò)時(shí)延限制的節(jié)點(diǎn)，并對(duì)每個(gè)此類節(jié)點(diǎn)計(jì)算出一個(gè)相應(yīng)的拓?fù)湔{(diào)整方案，作為候選拓?fù)湔{(diào)整方案；找出所有的候選拓?fù)湔{(diào)整方案中對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率調(diào)整最小的方案，對(duì)生成樹進(jìn)行重構(gòu)；判斷網(wǎng)絡(luò)中是否仍存在不滿足跳數(shù)限制的節(jié)點(diǎn)，若存在則繼續(xù)調(diào)整，若不存在，則算法終止，對(duì)應(yīng)的生成樹即是最終的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)果。本發(fā)明滿足數(shù)據(jù)實(shí)效性要求，均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能耗。
文檔編號(hào)H04W84/18GK102413509SQ20111035314
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者于峰, 尹達(dá), 張帥, 王臨琳, 王曉東, 王營(yíng)冠, 高丹 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所