CN101466161B - 适用于多跳无线传感器网络的数据收集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于多跳无线传感器网络的数据收集方法，它属于无线通信网络领域，主要解决现有网络数据收集的能效性低、时延性大和网络寿命短的问题。其数据收集步骤为：对本地网络节点进行时钟同步，并对该网络节点的局部网络信息进行更新；将网络的工作时间划分为若干个网络侦听周期；利用更新后的局部网络信息，计算节点的侦听信道概率；根据侦听信道概率在每个网络侦听周期执行侦听；根据发生数据发送竞争发送节点，执行数据发送；根据侦听到忙音竞争接收节点，执行数据接收；经多跳将数据传递给收集数据的汇聚节点SINK。本发明具有数据收集及时、节点能效性高和扩展性好的优点，可应用于监测突发事件大规模无线传感器网络的数据信息收集。

Description

适用于多跳无线传感器网络的数据收集方法

技术领域

本发明属于无线通信网络领域，涉及一种数据收集方法，可用于突发事件的监测和信息报告等无线传感器网络应用系统。

背景技术

随着传感器技术、嵌入式计算技术以及低功耗无线通讯技术的飞速发展，生产具备感应、无线通信以及信息处理能力的微型无线传感器已成为可能。由这些廉价、低功率的传感器节点组织成无线网络，能够协作地监测、感应其网络覆盖区域内的多种环境信息，并传送到远处的基站进行处理。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，以下简称WSNs)能够在恶劣的环境条件下，获取大量详实而可靠的信息，可以广泛应用于国防军事、工业控制、环境监测、交通管理等领域。由于其巨大的应用价值，WSNs网络已经引起了各国军事部门、工业界和学术界的极大关注，并纷纷展开了该领域的研究工作。

WSNs网络的主要目的是收集节点感知的环境信息，并通过众多节点的协作把它发送到面向用户的汇聚节点SINK进行处理。因此向汇聚节点SINK节点发送节点感知的数据信息是WSNs网络的一项基本功能。WSNs网络是与应用高度相关的，对不同的应用场景和应用目的，网络的业务具有不同的特征，数据发送的方式各异。基于应用的要求和网络的业务特征，WSNs网络的应用通常可分为五类：1)突发事件的监测和信息报告；2)入侵目标的监测和跟踪；3)事件的持续监测和周期性的信息报告；4)由汇聚节点SINK发起的信息收集；5)所述4种结合的混合应用。本发明主要关注第一类应用，如军事目标的监测、突发森林火灾的监测等都属这类应用。对这类应用，WSNs网络通常工作于两种不同的状态：监测状态和数据传递状态。由于目标事件，如军事目标的异常、森林火灾的发生都是随机和偶然的，大部分时间，WSNs网络仅对覆盖的区域进行感知，把网络的这种状态称为监测状态；一旦网络中的节点监测到目标事件发生的有用信息，信息数据就需要尽快地通过多跳的路径转发给汇聚集节点SINK，这时网络的状态称为数据传递状态。在这类应用中，由于传感器节点通常被部署在敌后或者恶劣环境的区域，节点的能量无法得到补充，并且要求在报告事件发生的数据信息中，具有反映事件发生位置的信息。另一方面，与传统的无线网络不同，WSNs网络一般具有较大的节点密度以及较弱的节点移动性，节点的内存和处理能力有限，信息的传输具有多到一的特征。所以网络协议的设计必须满足信息传递的延迟和位置信息提取的应用要求，同时尽可能减少节点能量的消耗和内存等资源的占用，从而延长网络的寿命。

显然传统有线网络和AD HOC网络的路由协议，由于协议的复杂性和高的能量代价，并不能直接应用到上述WSNs网络中。针对WSNs网络信息提取的能效性要求，现阶段研究者提出的基于数据驱动的路由机制，由于采用分层的协议模型，需要各层协议的相互协作，并且在对上述事件发生位置信息有要求的应用中，为了识别数据信息发生的源节点，需要有效地分配节点的路由和媒体接入控制的识别地址，并确定节点的位置信息。在大规模WSNs网络中，节点地址分配问题的代价是非常昂贵的，因为不仅需要较大的地址开销，而且这些地址需要在每个节点的不同协议栈进行交换和分配，增加了协议栈的开销和节点资源的占用。

多跳通信是面向无线传感器网络高能效应用的一种有效方式。多跳通信在局部范围需要MAC协议协调其间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。从WSNs网络的应用过程来看，随着时间的变化，由于节点的故障或能量耗尽以及环境的影响，WSNs网络的拓扑不断发生变化。目前，研究者提出的实现多跳数据收集的方法可以归结为基于状态的路由和无状态的隐式路由协议两类。在动态的拓扑下，传统的基于状态的路由协议，采用分层的协议栈，基于功能化的模块方法实现路由的优化，其功能的实现需要同MAC和拓扑管理等的密切配合，信息的发送从路由看可能具有确定的时延界，以及具有良好的能效性，但没有考虑网络整体数据收集性能的优化，由于将大量的能量和带宽资源浪费在频繁地更新邻居表和重构路由表上，增加了协议的复杂性和开销，对节点的内存和处理能力要求较高，不利于提高网络的能效性。与传统基于状态的路由协议不同，隐式路由协议是一种无状态的路由协议，即协议的正常运作不依赖于节点的邻居信息以及网络的拓扑信息。隐式路由协议依赖于位置信息引导路由方向，要求每个节点已知SINK节点和自身的位置信息，协议采用网络层/MAC层集成设计方案，同时具有寻路和协调共享信道访问的能力，使协议大大简化，实现简单，对节点的处理和内存要求较低。但隐式路由协议没有利用WSNs网络的多节点协作能力和节点的局部拓扑信息，节点状态转换具有随机性，不具有自适应能力、空闲侦听时间长、接入控制开销大，从而增加了MAC层接入时延的不确定性，可靠性又依赖于高的网络节点密度，并容易发生伪空洞问题，因此网络的能量有效性和时延等性能具有重大的不确定性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有无状态的隐式路由数据收集方法对节点的布置密度要求高、空闲侦听时间长、接入控制开销大、适应性差的缺陷，利用网络同步技术和基于状态的路由协议的优点，提供一种适用于多跳无线传感器网络的数据收集方法，简称REEGF，以提高网络能量的有效性和时延性能。 

本发明是这样实现的：

一.技术术语

WSNs      无线传感器网络

SINK      汇聚节点

MAC       媒体接入协议

AD HOC    自组织网络

REEGF     多跳无线传感器网络的数据收集方法

DATA      数据消息

ACK       正确接收数据的确认消息

GeRaF     基于位置信息的隐式数据收集方法

λ        节点的业务发生率

RTS       请求发送

CTS       空闲应答

S-RTR     短侦中继请求

S-CTR     短侦中继应答

L-RTR     长侦中继请求

L-CTR     长侦中继应答

RSD       消息发送节点随机识别号

RRD       消息应答节点随机识别号

OSI       状态信息

CONTINUE  消息重复发送

COLLISION 消息碰撞

NORMAL    消息正常

ANORMAL    消息异常

SPI        消息发送节点位置信息

RPI        消息接收节点位置信息

NAV        数据传递占用信道的时间

二.技术思路

本发明针对目标监测和突发事件报告等一大类WSNs网络应用的要求和网络的特征，在提出的网络基本假设模型基础上，设计一种能有效利用节点的双信道的协作通信特征减少节点在监测状态能量消耗的方法，同时能确保节点在数据传递状态局部连通度的一致；在此基础上，结合节点的位置信息，利用节点发送或侦听忙音，一旦节点监测到事件或有数据信息需要发送，就利用节点发送忙音同步唤醒其一跳邻居节点；然后采用基于候选接收节点间竞争的方法，在其一跳邻居节点中选取朝着收集数据的汇聚节点SINK方向传递的下一跳中继节点，以实现汇聚节点SINK能效、及时的收集数据。

本发明主要关注MAC层和路由层的集成，提出的REEGF数据收集方法按轮运行，每轮REEGF的运行又分为三个阶段：网络自维护、监测工作和数据收集。其中网络的自维护阶段，主要用于使本地的网络节点时钟同步，以使整个网络维持大致相同的时钟，并更新节点的局部网络信息；网络的监测阶段，主要是为了实现对网络的有效监测和及时数据传递，在这个阶段根据数据传递的及时性要求，把网络的监测阶段时间划分为若干个网络侦听周期，节点在每个网络侦听周期根据侦听信道概率进行信道侦听；数据收集阶段，主要是为了收集数据，节点需要发送数据或侦听到忙音时，从监测状态转换到数据传递状态，以竞争数据发送节点和接收节点。网络中的其它节点，仍然根据侦听信道概率进行信道侦听。

三.技术步骤

依据上述技术思路本发明的数据收集方法，包括：

网络自维护步骤：对本地网络节点进行时钟同步，并对该网络节点的局部网络信息进行更新；

网络监测步骤：将网络的工作时间划分为若干个网络侦听周期；利用更新后的局部网络信息，计算节点的侦听信道概率；根据侦听信道概率在每个网络侦听周期执行侦听；

数据收集步骤：根据发生数据发送竞争发送节点，执行数据发送；根据侦听到忙音竞争接收节点，执行数据接收；经多跳将数据传递给收集数据的汇聚节点SINK。

上述网络自维护步骤中所述的对本地网络节点进行时钟同步，并对该网络节点的局部网络信息进行更新，按如下步骤进行：

(2a)利用现有的WSNs同步算法，通过执行发送者与-接收者的成对节点同步通信，在发送和接收的同步报文中附带上节点的位置信息，使整个网络节点的时钟同步；

(2b)利用同步报文中的节点位置信息，识别不同的邻居节点，以获取节点的一跳邻居节点密度NN，实现对节点局部网络信息的更新。

上述网络监测步骤中所述的将监测阶段网络的工作时间划分为若干个网络侦听周期，按如下步骤进行：

(3a)利用节点最初获得的一次监测工作时间、数据每跳平均时延，设置网络侦听周期为数据每跳平均时延；

(3b)根据网络侦听周期，把一次监测工作时间分割为网络侦听周期的整数倍，以满足数据收集的多跳平均时延要求。

上述网络监测步骤中所述的利用更新后的局部网络信息，计算节点的侦听信道概率，按如下步骤进行：

(4a)利用下式计算监测阶段的最小平均能量消耗

${\stackrel{\‾}{E}}_{v_i}={\mathrm{mp}}_{+v_i}{P}_{\mathrm{wl}}{T}_{\mathrm{wl}}$

式中，m是监测阶段工作时间是网络侦听周期的整数倍数，

是节点v_i前一监测阶段的侦听信道概率，

在网络初次执行监测工作时为1，P_wl是节点v_i处于侦听状态的功率消耗；T_wl是侦听时间；

(4b)利用下式计算节点v_i的能量消耗

${\mathrm{\ΔE}}_{v_i}=E_0-E_{v_i}$

式中，E₀是节点上一次开始监测阶段工作时的初始能量，

是当前节点的剩余能量，在初次启动工作时，设置节点的能量消耗

为监测阶段的最小平均能量消耗

(4c)利用下式计算能量调节系数α：

$\mathrm{\α}=\left\{\begin{array}{ccc}{\stackrel{\‾}{E}}_{v_i}/{\mathrm{\ΔE}}_{v_i}& \mathrm{if}& {\stackrel{\‾}{E}}_{v_i}\≤{\mathrm{\ΔE}}_{v_i}\\ 1& \mathrm{if}& {\stackrel{\‾}{E}}_{v_i}>{\mathrm{\ΔE}}_{v_i}\end{array}\right.$

(4d)利用下式计算侦听信道概率

$p_{v_i}=\left\{\begin{array}{ccc}\mathrm{\α}\frac{\mathrm{ANN}}{{\mathrm{NN}}_{v_i}}& \mathrm{if}& \mathrm{ANN}\≤{\mathrm{NN}}_{v_i}\\ \mathrm{\α}& \mathrm{if}& \mathrm{ANN}>{\mathrm{NN}}_{v_i}\end{array}\right.$

式中，ANN是节点v_i在每网络侦听周期激活侦听的平均邻居节点数，是节点v_i局部网络更新信息。

上述网络监测步骤中所述的根据侦听信道概率在每个网络侦听周期执行侦听，按如下步骤进行：

(5a)对于没有数据需要发送的情况，在每个网络侦听周期T_ww的开始，节点根据侦听信道概率

发生对信道的忙音侦听，若发生对信道的忙音侦听，且在侦听时间T_wl结束时侦听到忙音信号，则节点立即唤醒其主信道；若发生对信道的忙音侦听，且在侦听时间T_wl结束时没有侦听到忙音信号，则节点立即进入睡眠状态；若没有发生对信道的忙音侦听，则节点处于睡眠状态；

(5b)对于节点有数据需要发送时，则节点立即开始对主信道和唤醒信道进行侦听；

(5c)对于睡眠状态的节点，在当前网络侦听周期结束时，重复执行步骤(5a)或步骤(5b)，直至网络监测阶段工作时间结束时，网络节点均处于激活状态，并开始执行自维护。

上述数据收集步骤中所述的根据发生数据发送竞争发送节点，执行数据发送，按如下步骤进行：

(6a)当有数据需要发送时，节点立即侦听主信道和唤醒信道，并根据侦听结果执行不同的操作：若节点在主信道和唤醒信道的侦听都没有侦听到消息，则节点开始发送忙音信号；若节点的主信道侦听到消息，无论节点的唤醒信道是否侦听到忙音，则节点立即睡眠；若节点的主信道没有侦听到消息，而唤醒信道侦听到忙音，则节点主信道唤醒；

(6b)当节点发送忙音直至当前网络侦听周期的侦听时间T_wl结束后，竞争发送节点；若竞争成功，就发送数据，否则，就进入睡眠状态；

(6c)对于竞争发送数据成功的节点，根据一跳邻居节点所在的转发区域位置，采用竞争选取朝着SINK前进距离最大的节点作为接收节点；

(6d)对于成功选取接收节点的发送节点，发送数据消息，侦听确认数据接收的ACK消息，并重发数据或进入睡眠状态。

上述数据收集步骤中所述的根据侦听到忙音竞争接收节点，执行数据接收，按如下步骤进行：

(9a)唤醒信道侦听到忙音的节点，立即唤醒其主信道，根据主信道的侦听结果，采用短侦的控制消息交互，竞争后选接收节点；

(9b)竞争候选接收成功的节点，根据节点的位置，确定属于发送节点转发区域的节点，并确定出所在转发区域的分级数；

(9c)属于发送节点转发区域的节点，采用长侦的控制消息交互，竞争接收节点；

(9d)竞争接收成功的节点，开始接收数据DATA消息，若接收数据消息正确，则发送确认的ACK消息，否则发送数据异常消息，请求重发数据，并重复这个过程，直至达到设定的最大重传次数，对于达到最大重传次数而仍没有接收到正确的数据消息，则节点转入睡眠状态；

(9e)接收到正确数据消息的节点，在发送确认消息之后，就成为新的数据发送节点，按照前述竞争发送节点的同样过程继续朝着汇聚节点SINK传递所要发送的数据消息，直至汇聚节点SINK在数据发送节点的转发区域内，发送节点直接把数据传递给汇聚节点SINK，完成数据的多跳传递，实现汇聚节点SINK的数据收集。

本发明与现有的技术相比，具有如下优点：

(1)本发明由于利用自维护同步本地网络节点时钟，更新局部网络信息，因而减少了网络节点的冗余侦听，使节点具有自适应调整工作参数的能力；

(2)本发明由于将网络的工作时间划分为若干个网络侦听周期进行网络监测，确保了数据收集的及时性；

(3)本发明由于利用更新后的局部网络信息，调整节点侦听信道概率，根据侦听信道概率在每个网络侦听周期执行侦听，实现了网络局部连通度的自适应，确保了数据传递的可靠性，减少了冗余节点的空闲侦听，提高了节点的能效性，延长了网络的寿命，且随网络密度的增大网络的寿命近似成线性增加，使网络具有良好的可扩展性；

(4)本发明由于根据发生数据发送竞争发送节点，执行数据发送，有效地解决了数据传递中的隐藏和暴漏终端问题，从而减少了因重传造成的能量消耗；

(5)本发明由于根据侦听到忙音竞争接收节点，执行数据接收，实现了数据可靠传递，使数据收集具有更强的健壮性和稳定性，并减少了数据传递的跳数和多跳传递时延，提高了网络节点的能量利用效率；

(6)本发明由于对突发事件的监测和信息报告这些WSNs网络的应用具有通用性，且具有简单、实现容易和方便应用的特点，故对其它WSNs网络的应用也具有借鉴性。

附图说明

图1是本发明网络节点的分布模型和数据转发过程的示意图；

图2是本发明的数据收集流程图；

图3是本发明中WSNs网络节点采用双无线模块的节点工作方式示意图；

图4是本发明中使用的消息格式的组成示意图；

图5是本发明中数据发送节点SN_i的转发区域FS_i和非转发区域NS_i的示意图；

图6是本发明网络节点归一化能量消耗随节点业务发生率λ变化的理论和仿真实验结果与GeRaF的比较图；

图7是本发明数据传递时延随λ变化的理论和仿真实验结果与GeRaF的比较图；

图8是本发明网络节点归一化能量消耗随λ变化的理论和仿真实验结果与GeRaF的比较图；

图9是本发明数据传递时延随λ变化的理论和仿真实验结果与GeRaF的比较图；

图10是本发明网络节点剩余能量分布实验结果与GeRaF的比较图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：

参照图1，本发明是基于监测和突发事件报告类应用的WSNs网络而提出的高能效数据收集方法。针对该类应用的特点，本发明建立了如下的网络模型，并以该网络模型为基准，研究了本发明的性能效果。

WSNs网络节点按泊松过程以强度ρ随机分布在一个L×L的正方形区域A内，并且该WSNs网络具有如下性质：

(1)节点部署后不再移动；

(2)基站SINK节点部署在区域A的一个边上的固定位置(x，y)，节点的等效通信半径R远小于网络覆盖区域的等效半径，所以节点必须以多跳的方式向SINK节点发送数据，并且SINK是唯一的；

(3)除SINK节点外，其它的网络节点都具有相似的能力，并且地位相等；

(4)节点根据位置服务模块获取自身的位置信息，并已知SINK节点的位置；

(5)网络节点均具有两个无线通信信道，一个用于发送数据和控制信息，另一个仅能发送和侦听忙音信号，并且通过调整使节点两个无线信道具有相同的通信覆盖范围。

WSNs网络的前三项属性是一般网络的典型设置。第四项属性表明本发明需要利用节点的位置信息。由于WSNs网络在布置后节点的位置通常是固定的，而收集数据信息时需要提取信息发生的位置信息，所以能在网络布置后使每个节点借助于SINK节点确定自身的位置；第五项属性主要考虑网络的应用，由于在目标监测、突发事件报告等WSNs网络应用中，网络大部分时间处于无数据传递的监测状态，所以利用一个忙音信道可以以极低的占空比周期睡眠，从而显著地节省能量，同时又能很快地把网络转换到数据传递状态，减少数据传递的时延。

参照图2，本发明收集方法根据图1建立的模型设为三个部分：网络自维护、网络监测和数据收集，具体步骤如下：

步骤一，网络节点获取网络的参数和启动信息。

网络在初次启动激活时，首先根据网络的应用要求和布置的节点情况，确定其应用的相关参数：数据每跳平均时延T_ww、每个网络侦听周期平均唤醒侦听的邻居节点数ANN、网络的周期自维护时间T_msync、监测阶段工作时间T_msleep、转发区域邻居节点的划分级数NP；然后由汇聚节点SINK通过直接的广播或多跳的洪泛把这些信息以及SINK的位置信息、节点的工作启动信息发送给网络节点；网络节点根据获取的启动信息被激活。

步骤二，网络自维护。

利用现有的WSNs同步算法，通过执行发送者与-接收者的成对节点同步通信，并在发送和接收的同步报文中附带上节点的位置信息，实现整个网络节点的时钟同步，并利用同步报文中的节点位置信息，识别不同的邻居节点，以获取节点的一跳邻居节点密度NN，实现对节点局部网络信息的更新。

步骤三，将网络的工作时间划分为若干个网络侦听周期。

参照图3，将网络节点在无数据业务时的工作时间分两个阶段：网络自维护T_msync和网络监测T_msleep。针对事件报告和监测这类应用，网络的维护主要与监测区域的环境条件、网络节点的时钟特性以及网络节点的故障率因素有关，网络大部分时间处于监测阶段，通常环境条件的变化比较缓慢，在节点的时钟特性较好的情况下，网络节点的局部信息不会发生剧烈地变化，不需要频繁地更新，即通常T_mw远大于T_ww，T_msync远小于T_mw，网络较长时间才执行维护一次，所以节点局部信息的更新周期T_mw，通常基于节点的故障率、时钟的性能以及应用的要求而定；而网络节点的最小侦听时间间隔需要根据数据传递的及时性要求确定，它直接决定了数据传递的单跳时延和网络的最小能量消耗。因此为了节省网络节点的能量，并满足在数据业务发生时能及时收集数据，定义网络侦听周期为唤醒信道的最小侦听时间间隔，设置最小侦听时间间隔为网络平均每跳时延T_ww，把网络监测的时间分割为网络侦听周期的倍数m，有：

T_msleep＝mT_ww。    (1)

步骤四，利用更新后的局部网络信息，计算节点的侦听信道概率。

为了减少局部节点的空闲侦听，平衡节点的能量消耗不一致对网络寿命的影响，并维持数据传递每跳的节点连通度的稳定，在减少数据传递时延的同时，提高数据多跳传递的可靠性，利用监测阶段的最小平均能量消耗、网络节点监测阶段的能量消耗，定义了调整网络节点能量消耗的能量调节系数，根据更新后的局部网络信息，使网络节点在每个网络周期按照概率执行侦听，以调节网络节点的能量消耗，计算节点的侦听信道概率，实现局部网络节点连通度的稳定。具体计算步骤如下：

(4a)利用下式计算监测阶段的最小平均能量消耗

${\stackrel{\‾}{E}}_{v_i}={\mathrm{mp}}_{+v_i}{P}_{\mathrm{wl}}{T}_{\mathrm{wl}}---\left(2\right)$

式(2)中，m是监测阶段工作时间是网络侦听周期的整数倍数，

是节点v_i前一监测阶段的侦听信道概率，

在网络初次执行监测工作时为1，P_wl是节点v_i处于侦听状态的功率消耗；T_wl是侦听时间；

(4b)根据监测阶段的最小平均能量消耗

利用下式计算节点v_i的能量消耗

${\mathrm{\ΔE}}_{v_i}=E_0-E_{v_i}---\left(3\right)$

式(3)中，E₀是节点上一次开始监测阶段工作时的初始能量，

是当前节点的剩余能量，在初次启动工作时，设置节点的能量消耗

为监测阶段的最小平均能量消耗

(4c)根据节点v_i的能量消耗

利用下式计算能量调节系数α：

$\mathrm{\α}=\left\{\begin{array}{ccc}{\stackrel{\‾}{E}}_{v_i}/{\mathrm{\ΔE}}_{v_i}& \mathrm{if}& {\stackrel{\‾}{E}}_{v_i}\≤{\mathrm{\ΔE}}_{v_i}\\ 1& \mathrm{if}& {\stackrel{\‾}{E}}_{v_i}>{\mathrm{\ΔE}}_{v_i}\end{array}\right.---\left(4\right)$

(4d)根据能量调节系数α，利用下式计算侦听信道概率

$p_{v_i}=\left\{\begin{array}{ccc}\mathrm{\α}\frac{\mathrm{ANN}}{{\mathrm{NN}}_{v_i}}& \mathrm{if}& \mathrm{ANN}\≤{\mathrm{NN}}_{v_i}\\ \mathrm{\α}& \mathrm{if}& \mathrm{ANN}>{\mathrm{NN}}_{v_i}\end{array}\right.---\left(5\right)$

式(5)中，ANN是节点v_i在每网络侦听周期激活侦听的平均邻居节点数，

是节点v_i局部网络更新信息。

步骤五，根据侦听信道概率在每个网络侦听周期执行侦听。

参照图3，在每个网络侦听周期T_ww，网络节点利用侦听忙音确保数据传递的局部网络连通性，由于侦听忙音的时间远小于传统方法侦听控制消息的时间，极大地降低了侦听控制消息时的时间开销，从而减少节点的能量消耗。

在每个网络侦听周期开始时，对于没有数据需要发送的情况，节点根据网络节点的侦听信道概率

发生对信道的忙音侦听；若发生对信道的忙音侦听，且在侦听时间T_wl结束时侦听到忙音信号，则节点立即唤醒其主信道；若发生对信道的忙音侦听，且在侦听时间T_wl结束时没有侦听到忙音信号，则节点立即进入睡眠状态；若没有发生对信道的忙音侦听，则节点处于睡眠状态；对于节点有数据需要发送时，无论节点是在睡眠状态，还是在每个网络侦听周期的开始和侦听过程中，节点都立即开始对两个信道进行侦听；对于睡眠状态的节点，在当前网络侦听周期结束时，根据是否发生数据发送按照上述步骤重复执行，直至网络监测阶段工作时间结束时，网络节点均处于激活状态，并开始执行自维护。

步骤六，根据发生数据发送竞争发送节点，选取后选接收节点，以执行数据发送。

参考图4，网络节点基于发送或侦听忙音的方式，唤醒参与数据发送的一跳邻居节点，为了解决节点唤醒过程中发送节点的竞争和候选接收节点间的竞争，采用了类似RTS/CTS的信息交换特征，以时隙方式执行控制信息的交换、建立数据链路。图4(a)表示在数据发送节点竞争期间执行类似RTS/CTS信息交换的消息格式，为了区别分别用S-RTR(Short Request-To-Relay)、S-CTR(Short Clear-To-Relay)表示，称为短控制帧；图4(b)表示在数据接收节点竞争期间的控制消息格式，并分别用L-RTR(LongRequest-To-Relay)、L-CTR(long Clear-To-Relay)表示，称为长控制帧；图4(c)是传递的数据报文和确认报文的格式，分别用DATA、ACK表示。

图4消息中各字段的作用和意义如下：

各消息中的第一个字段均为消息的类型，用于节点区别不同的消息；

消息中的RSD、RRD分别表示发送节点和应答节点的随机识别号，用于区别不同的节点；

OSI字段包含各种状态信息，有CONTINUE、COLLISION、NORMAL和ANORMAL分别表示继续、碰撞、正常和异常，根据消息的交互过程这些状态信息不断发生变化；

SPI、RPI分别表示发送节点和候选接收节点的位置信息；

NAV表示数据传递需要的时间；

DATA表示传递的数据信息；

ACK为数据传递成功的确认信息。

需要发送数据的节点SN_i，首先对主信道和唤醒信道侦听Δτ的时间；当在Δτ时间内，节点SN_i的主信道和唤醒信道都没有侦听到消息，则节点SN_i的唤醒信道就开始发送忙音信号，这时节点SN_i的主信道转为睡眠状态；当任一个信道侦听到消息，则节点SN_i在当前网络侦听周期不能发送忙音信号，从而不能参与数据发送节点的竞争以发送数据，并根据主信道和唤醒信道侦听的消息不同，分别执行如下不同的操作：

若节点SN_i的主信道侦听到消息，则不论节点唤醒信道是否侦听到忙音信号，节点SN_i的所述主信道和唤醒信道都转入睡眠状态，并在随机等待一定时间后再重新尝试对信道侦听Δτ的时间，直至节点SN_i的唤醒信道能够开始发送忙音信号；若节点SN_i的主信道没有侦听到消息，而唤醒信道侦听到忙音信号，则节点SN_i只能作为其它发送忙音信号的节点SN_j的唤醒节点，竞争后选接收节点，这里，j≠i。

侦听信道空闲的节点SN_i发送忙音信号的持续时间为从侦听Δτ时间信道空闲结束开始，直至网络节点下一个网络侦听周期T_ww的侦听活动时间T_wl结束；节点SN_i结束发送忙音信号后，立即激活其主信道，而且由于节点SN_i发送的忙音信号能被执行协作侦听的一跳邻居节点侦听到，所以节点SN_i一跳邻居节点的主信道立即被唤醒，并开始执行侦听活动；但在同一个网络侦听周期T_ww中，多个发送忙音信号的SN_i节点可能位于两跳范围以内，从而易造成多个数据节点在SN_i发送数据时的碰撞，所以为了有效地发送数据信息，必须首先解决数据发送节点SN_i间的竞争问题。

需要发送数据的发送节点SN_i利用S-RTR和S-CTR的控制消息交互过程，竞争发送节点，并选取后选接收节点，并按下列步骤进行竞争：

①各节点SN_i在第一个控制时隙发送请求中继数据的短帧S-RTR消息；根据侦听的S-RTR消息是否发生碰撞，一跳的邻居节点做出下列应答：如侦听到正确的S-RTR消息，则节点处于空闲状态，不发送应答消息；如侦听的S-RTR消息碰撞，则节点在随机侦听信道空闲后以清除中继的短帧S-CTR消息执行应答，其它需要应答的节点在随机侦听信道期间由于侦听到最先发送的S-CTR，就不再发送S-CTR应答信息，避免了S-CTR的碰撞，但这时在应答的S-CTR消息中代表状态的控制字段OSI包含有表示侦听S-RTR消息发生碰撞的COLLISION标志信息。由于仅处于不同节点SN_i的共同覆盖范围内的节点，在侦听S-RTR消息时才会发生消息碰撞，而在监测网络中这种情况发生的概率较低，所以不会出现严重的S-CTR消息碰撞问题，且通过采用随机侦听信道忙闲之后才发送，就能避免碰撞。

②各节点SN_i在发出S-RTR消息后，根据在第一个侦听时隙侦听到的消息不同，在其后的一个控制时隙按下列过程执行：

若没有侦听到任何消息，节点就开始发送包含节点本身位置信息的长帧L-RTR消息，即发起执行数据接收节点的竞争选取；

若侦听到的OSI字段中包含COLLISION标志的S-CTR消息，则各SN_i节点就以1/2的概率决定是否继续执行发送S-RTR消息；

一旦执行发送，在S-RTR消息的OSI字段中应包含表示继续的CONTINUE标志信息。

③正确侦听到S-RTR消息的OSI字段中包含CONTINUE标志信息的节点，若其在第一个侦听时隙接收到正确的S-RTR消息，那么在随后的一个控制时隙该节点就处于空闲状态；若其在第一个控制时隙侦听的S-RTR消息碰撞，则在随后的一个控制时隙该节点就发送OSI中包含NORMAL信息，表示正常，即节点侦听到正确的S-RTR标志的S-CTR应答消息，同样在发送前要先随机侦听信道一定时间，只有信道空闲，才能发送；而之后侦听S-RTR消息又发生碰撞的节点，在其后的一个控制时隙继续通过侦听信道用OSI中包含COLLISION标志信息的S-CTR消息应答；然后侦听到OSI中包含COLLISION标志信息的S-CTR消息的源节点，继续以1/2的概率决定是否执行发送OSI中包含CONTIUNE标志信息的S-RTR消息，重复这个过程，直至最后在两跳范围内各SN_i中仅有其中一个节点接收到OSI中包含NORMAL标志信息的S-CTR消息，表明该节点竞争成功。

在上述过程中按1/2概率、没有发送OSI中包含CONTINUE标志信息的S-RTR消息的节点，若在其后的一个控制时隙侦听到OSI中包含NORMAL或COLLISION标志信息的S-CTR消息，该节点就立即转入睡眠状态；若侦听到OSI中包含ANORMAL标志信息的S-CTR消息，该节点就继续按1/2的概率决定是否执行发送OSI中包含CONTINUE标志信息的S-RTR消息。

上述执行过程中节点在发送消息前都要先随机侦听信道一定时间，只有信道空闲，才能发送信息，否则当前时隙节点不能发送信息。

数据发送节点的竞争解决了数据传递过程中可能的隐藏终端问题，其执行过程受到网络节点业务量的影响。当网络节点在每个网络侦听周期T_ww发生业务量的概率增大时，为解决数据发送节点的竞争持续时间就增加。但在监测应用中，通常在每个网络侦听周期T_ww节点的业务发生概率很低，这个阶段的执行时间很短。

步骤七，确定属于发送节点转发区域的节点，并确定出所在转发区域的分级数。

参考图5，基于选取朝着汇聚节点SINK方向前进距离最大的节点作为接收节点，减少数据传递的跳数，从而减少时延。为此，首先作了如下定义：

定义1，节点SN_i的无线通信范围内的所有节点，称为节点SN_i的邻居节点集合，用N_i表示。

定义2，定义节点SN_i的任意一跳邻居节点RN_j ⁱ朝着汇聚节点SINK前进的距离hd_j ⁱ等于汇聚节点SINK分别与节点SN_i、RN_j ⁱ之间的欧氏距离l_i ^l、l_j ⁱ的标量差，即： ${\mathrm{hd}}_j^i=l_i^i-l_j^i.$

定义3，在发送节点SN_i的通信覆盖范围内，朝着汇聚节点SINK前进距离hd_j ⁱ大于0的所有节点，称为节点SN_i转发区域的节点集合，用FS_i表示；节点SN_i的邻居集合N_i中不属于FS_i的节点，称为节点SN_i非转发区域的节点集合，用NS_i表示。

根据上述定义，侦听到L-RTR消息的节点，就能判断节点是否属于发送节点的转发区域，首先计算其与发送节点、汇聚节点之间的欧氏距离；若该节点与发送节点之间的欧氏距离大于同汇聚节点SINK之间的欧氏距离，则该节点在发送节点的转发区域；相反，节点属于非转发区域，则节点立即进入睡眠状态，从而确定出属于转发区域的节点。图5中以NP＝4为例给出了发送节点SN_i转发区域的分级方法，图5中，

分别表示对应节点SN_i四个转发区域A₁ ⁱ、A₂ ⁱ、A₃ ⁱ、A₄ ⁱ朝着汇聚节点SINK前进的最大距离，

分别是对应节点SN_i的四个转发区域A₁ ⁱ、A₂ ⁱ、A₃ ⁱ、A₄ ⁱ距离汇聚节点SINK的欧氏距离最大值。在转发区域的分级数为NP时，采用类似的符号表示各区域及距离值。

为了确定节点所属的转发区域，根据图5，节点SN_i转发区域覆盖的面积WFS_i为：

${\mathrm{WFS}}_i=2{\∫}_{l_{\mathrm{NP}}^i-R}^{l_{\mathrm{NP}}^i}a\arccos ((a^2+{\left(l_{\mathrm{NP}}^i\right)}^2-R^2)/{2\mathrm{al}}_{\mathrm{NP}}^l)\mathrm{da}---\left(6\right)$

为了确保每级竞争的公平性，假设节点SN_i的每个分级转发区域的平均节点数相同，例如均为A₀，即 $\left|A_1^i\right|=\left|A_2^i\right|=...=\left|A_{\mathrm{NP}}^i\right|=A_0,$ 由于WSNs网络节点的布置满足泊松分布，意味着节点每个分级转发区域覆盖的平均面积相同，所以从几何关系上分析满足下式：

$2{\∫}_{l_{A_{\mathrm{NP}}}^i-R}^{l_{A_1}^i}a\arccos ((a^2+{\left(l_{A_{\mathrm{NP}}}^i\right)}^2-R^2)/{2\mathrm{al}}_{A_{\mathrm{NP}}}^i)\mathrm{da}$

$=2{\∫}_{l_{A_1}^i}^{l_{A_2}^i}a\arccos ((a^2+{\left(l_{A_{\mathrm{NP}}}^i\right)}^2-R^2)/{2\mathrm{al}}_{A_{\mathrm{NP}}}^i)\mathrm{da}=...=2{\∫}_{l_{\mathrm{ANP}-1}^I}^{l_{\mathrm{ANP}}^i}a\arccos ((a^2+{\left(l_{A_{\mathrm{NP}}}^i\right)}^2-R^2)/{2\mathrm{al}}_{A_{\mathrm{NP}}}^i)\mathrm{da}$

$={\mathrm{WFS}}_i/\mathrm{NP}---\left(7\right)$

式(7)的积分按下列公式计算，从而确定各分级区域的

大小。

$2{\∫}_{l-R}^{r}a\arccos ((a^2+l^2-R^2)/2\mathrm{al})\mathrm{da}=R^2\arccos \left(\frac{l^2+R^2-r^2}{2\mathrm{lR}}\right)+r^2\arccos \left(\frac{l^2+r^2-R^2}{2\mathrm{lr}}\right)---\left(8\right)$

$-\mathrm{Rl}\sin \left(\frac{l^2+R^2-r^2}{2\mathrm{lR}}\right)$

利用式(8)得到的

将满足 $l_{A_k}^i\&le;l_j^i<l_{A_{k-1}}^i$ 的分级区域与会聚节点SINK的欧氏距离l_j ⁱ，确定为节点分级区域的第k(k∈[1，NP])级。

步骤八，发送节点的转发区域节点，采用长侦的控制消息L-RTR和L-CTR交互过程，竞争选取朝着SINK前进距离最大的节点作为接收节点。

参照图5，按照下列规则采用竞争的方法选取接收节点：

规则1，  只有属于发送节点SN_i的FS_i中的节点RN_j ⁱ，才能参与接收节点的竞争，其它不属于FS_i但属于NS_i的节点，在开始选取接收节点时，立即转入睡眠状态。

规则2，根据节点RN_j ⁱ前进的距离hd_j ⁱ、节点RN_j ⁱ同目标节点SINK之间的距离l_j ⁱ，把FS_i中的所有节点分为NP个不同等级的节点集合A₁ ⁱ、A₂ ⁱ、...，A_NP ⁱ，且 $\left|A_1^i\right|=\left|A_2^i\right|=...=\left|A_{\mathrm{NP}}^i\right|,$ 则 ${\mathrm{hd}}_{A_1^j}^i>{\mathrm{hd}}_{A_2^j}^i>...>{\mathrm{hd}}_{A_{\mathrm{NP}}^j}^i.$ 这里 ${\mathrm{hd}}_{A_k^j}^i>{\mathrm{hd}}_{A_m^j}^i,$ k＜m(k，m＝1，2，…，NP)指的是A_k ⁱ中的节点RN_j ⁱ朝着目标SINK节点前进的距离

比A_m ⁱ中的节点RN_j ⁱ朝着目标SINK节点前进的距离

大，且与汇聚节点SINK之间的距离更短，即区域A₁ ^l中的节点优先级最高，最早参与竞争接收节点，A_NP ⁱ中的节点优先级最低，最后参与竞争接收节点。只有当A₁ ⁱ中不存在节点时，A₂ ⁱ中的节点才参与竞争。依此类推，直至当A₁ ⁱ、A₂ ⁱ、...，A_NP-1 ⁱ区域中均没有节点参与竞争时，A_NP ⁱ中的节点才参与竞争。

根据上述规则，按下列方法采用长帧L-RTR和L-CTR的控制信息交互方式，选取接收节点：

(1)若在A₁ ⁱ中存在节点，则A₁ ⁱ中的所有节点在侦听到L-RTR之后，用包含自身位置信息RPI的L-CTR消息进行应答。

节点SN_i根据侦听到的L-CTR消息是否发生碰撞，按下列过程执行：

若侦听的L-CTR消息发生碰撞，节点SN_i就发送在OSI字段中包含COLLISION标志信息的L-RTR消息；

若侦听到正确的L-CTR消息，则接收节点选举结束，节点SN_i准备在下一个时隙开始发送数据。

(2)若A₁ ⁱ中没有节点，节点SN_i将侦听不到任何消息，则下一个时隙就发送在OSI字段中包含CONTINUE标志信息的L-RTR消息，属于A₂ ⁱ的节点就会侦听到该消息；A₂ ⁱ中侦听到在OSI字段中包含CONTINUE标志信息L-RTR消息的节点，就以L-CTR应答；接着节点SN_i根据是否侦听到L-CTR消息，以及消息是否碰撞，按照A₁ ⁱ中存在节点情况下的操作过程执行同样的操作，直至节点SN_i在最大NP个侦听时隙中都没有侦听到任何消息，就放弃本次的数据传输。

(3)若节点SN_i在发送L-RTR之后，侦听到的L-CTR消息发生碰撞，则发送在OSI字段中包含COLLISION标志信息的L-RTR消息；而对应应答L-CTR消息的节点，侦听到在OSI中包含COLLISION标志信息的L-RTR消息后，分别执行二元碰撞分解算法，直至最后只有一个节点应答L-CTR消息，竞争过程结束。在同一个区域中节点竞争成功的概率相等。

步骤九，网络节点发送和接收数据，并经多跳将数据传递给收集数据的汇聚节点SINK。

数据发送节点SN_i在侦听到正确的L-CTR消息后，候选接收节点就确定了，SN_i就开始发送包含DATA的数据消息，并在数据消息的开始部分对接收节点进行应答。在接收DATA期间，通过利用接收节点在唤醒信道发送忙音信号，避免数据传输的碰撞问题。数据传输完成后，接收节点发送ACK消息，确认接收正确。

为了使数据转发过程尽可能保持连续，在开始数据传输后，使竞争成功的接收节点的唤醒信道始终发送忙音信号，直至数据发送完成。

以上步骤三至步骤五完成网络的监测，步骤六至步骤九完成网络的数据收集。

在执行完上述所有步骤之后，接收数据的中继节点成为新的数据发送节点，按照上述步骤继续执行数据的中继转发，直至把数据转发给SINK汇聚节点。按照这种方式，REEGF实现了路由和MAC的有机结合，减少了控制开销和对节点内存的要求。

本发明的效果通过以下仿真进步说明：

1.仿真内容

为了验证本发明的性能，从以下三个方面进行了仿真比较：

一是在不同网络节点密度时，网络数据收集的能效性和时延性随网络节点业务发生率的变化；

二是在不同网络侦听周期时，网络数据收集的能效性和时延性随网络节点业务发生率的变化；

三是对网络节点的能量消耗均衡性的仿真，其中：网络数据收集的能效性是指随网络节点业务量的变化网络节点的归一化能量消耗；网络数据收集的时延性是指随网络节点业务量的变化数据的多跳传递时延；能量消耗均衡性是指在一定时间内，网络节点能量消耗变化的一致性。

2.仿真结果

本发明的仿真结果如图6至图10。

参照图6，在假定网络布置节点密度为NN＝5的情况下，给出了T_ww分别为5ms、10ms和20ms三种取值情况下，本发明的网络节点归一化能量消耗随节点的业务发生率λ变化的理论和仿真结果，以及GeRaF的结果。图6中TC为GeRaF的节点侦听周期，实线表示本发明和GeRaF在不同参数取值时的理论分析结果，虚线表示仿真实验的结果，且每种仿真结果都是在十种不同拓扑布置情况下得到的实验数据的平均，其它仿真结果与此相同。由于这时网络节点的布置密度较低，设置ANN＝5，使网络节点在每个网络侦听周期完全激活，确保局部的节点连通度和数据传递的可靠性。不难看出，本发明与GeRaF相比，在网络业务负载低时，两者的实验结果与理论分析的结果比较吻合，而且本发明显著地减少了节点的能量消耗，且随着λ的增大，GeRaF的网络节点归一化能量消耗变化很小，而本发明的能量消耗却随着λ的增大近似成线性增加；当网络业务负载比较大时，本发明和GeRaF的网络节点归一化能量消耗仿真实验结果，与理论分析的结果出现偏差，且随λ的增大两者间的能量消耗差别逐渐增大，网络业务饱和时节点的能量消耗趋于稳定。原因是理论分析假定网络为轻负载，GeRaF中节点的周期睡眠/唤醒是随机的，本发明中网络节点按概率同步侦听，以维持网络局部节点的密度稳定，所以随着λ的进一步增大，网络负载逐渐趋于饱和和拥塞，GeRaF和本发明网络节点的能量消耗都趋于稳定，且GeRaF比本发明的节点能量消耗较早趋于稳定。

参照图7，在假定网络布置节点密度为NN＝5的情况下，与图6相对应，给出了本发明的报文传递多跳时延随λ变化的理论和仿真结果，以及GeRaF的结果。这里，报文传递多跳时延是指由位于网络布置区域坐标范围(0，0)、(0，10)、(10，10)、(10，0)所覆盖区域内的网络节点，在不同参数情况下，随λ的变化作为数据源节点时，把数据传递到汇聚节点SINK所使用的时间，其它关于多跳时延的仿真所使用的数据源节点和这里的相同。不难看出，本发明的网络数据多跳时延性能主要由T_ww决定，在λ较低时，理论分析与仿真结果基本一致，在λ增大到使网络负载较重时，仿真的结果比理论分析的逐渐增大，原因与图6中关于网络节点能量消耗的变化讨论相同。

参照图8，在假定网络布置节点密度NN＝50的情况下，给出了本发明在T_ww分别为5ms、10ms和20ms三种取值情况下网络节点的归一化能量消耗随λ变化的理论和仿真结果，以及GeRaF的理论和仿真结果。不难看出，与GeRaF相比，在网络负载较低的情况下，本发明显著地节省了节点的能量消耗，而且与理论结果相吻合。这是由于本发明中的网络节点采用唤醒信道进行周期侦听，大大减小了GeRaF因采用主信道周期侦听时的占空比，同时减少了冗余节点的空闲侦听。而且随着网络负载的增大，与网络低密度布置时情况相同，理论和仿真结果也出现偏差，且节点能量消耗比网络布置为低密度时的偏差变化的要显著，除了上述原因之外，高密度时GeRaF引起碰撞增加，使得节点的能量消耗显著地增大了。

参照图9，在假定网络布置节点密度为NN＝50的情况下，与图8相对应，给出了本发明的报文传递多跳时延随λ变化的实验和仿真结果，以及GeRaF的结果。由于这时网络节点的密度足够大，在每个图中分别给出了T_ww三种取值情况下，ANN分别为20、50的数据传递多跳时延随λ的变化关系。不难看出，网络节点的数据传递多跳时延具有与网络节点归一化能量消耗随λ的变化相类似的结果，在λ较低时，理论分析同仿真结果基本一致，在λ增大到使网络负载较重时，仿真的结果比理论分析的显著增大，原因与前面分析的相同。本发明的网络节点数据传递多跳时延由于受网络侦听周期T_ww的影响，即使网络节点密度较低，但能确保网络节点本地连通度时，也可以通过控制T_ww满足网络时延性的要求；在网络布置密度足够大时，本发明采用基于多跳能量消耗最小所确定的ANN与采用邻节点完全唤醒侦听即ANN＝NN相比，数据传递的多跳时延并没有显著变化。而对GeRaF，其数据传递的多跳时延受网络节点的布置密度影响较大，为了保证时延，要求网络的布置密度必须足够大。

参照图10，本发明的网络节点依赖于其剩余能量和邻居节点的密度，确定节点每个网络侦听周期的信道侦听概率，能够有效地平衡网络节点的能量消耗，从而显著地延长网络的寿命。该图是在本发明的网络节点布置密度NN＝50、网络节点侦听周期T_ww为10ms，且每个网络侦听周期激活侦听的邻居节点平均数ANN＝20、网络节点的λ为0.0001时，从仿真实验得到的结果中随机抽取100个网络节点的归一化剩余能量分布情况，同时也给出了GeRaF的实验结果。不难看出，本发明网络节点的能量消耗更均衡。这主要是由于本发明中利用唤醒信道执行侦听，节点在每个网络侦听周期以一定的概率发生侦听，且侦听信道概率的大小由节点的邻居节点数NN、期望的每周期激活侦听的邻居节点数ANN、以及节点前一监测阶段的能量消耗所决定，从而能确保网络的局部连通性，调整节点的能量消耗；而GeRaF是利用主信道周期侦听，节点周期侦听/睡眠的占空比大小受到数据传递时延、节点布置密度的约束，与本发明相比周期侦听/睡眠的占空比往往很大，所以网络节点空闲侦听消耗了大量的能量；另外，GeRaF对节点的周期侦听活动不具有自调整的能力，节点侦听活动并不依赖于节点的能量消耗和本地的邻居节点密度，这样就存在某些热点区域的节点能量很快耗尽的情况，从而使网络出现分割，大大缩短网络的寿命。

Claims (6)

1.一种适用于多跳无线传感器网络的数据收集方法，包括：

A.网络自维护步骤：

A1)利用现有的WSNs同步算法，通过执行发送者与-接收者的成对节点同步通信，在发送和接收的同步报文中附带上节点的位置信息，使整个网络节点的时钟同步；

A2)利用同步报文中的节点位置信息，识别不同的邻居节点，以获取节点的一跳邻居节点密度NN，实现对节点局部网络信息的更新；

B.网络监测步骤：

B1)利用节点最初获得的一次监测工作时间、数据每跳平均时延，设置网络侦听周期为数据每跳平均时延；

B2)根据网络侦听周期，把一次监测工作时间分割为网络侦听周期的整数倍，以满足数据收集的多跳平均时延要求；

B3)利用下式计算监测阶段的最小平均能量消耗

${\stackrel{\&OverBar;}{E}}_{v_i}={\mathrm{mp}}_{+v_i}{P}_{\mathrm{wl}}{T}_{\mathrm{wl}}$

式中，m是监测阶段工作时间是网络侦听周期的整数倍数，是节点v_i前一监测阶段的侦听信道概率，

在网络初次执行监测工作时为1，P_wl是节点v_i处于侦听状态的功率消耗；T_wl是侦听时间；

B4)利用下式计算节点v_i的能量消耗

$\mathrm{\&Delta;}{E}_{v_i}=E_0-E_{v_i}$

式中，E₀是节点上一次开始监测阶段工作时的初始能量，是当前节点的剩余能量，在初次启动工作时，设置节点的能量消耗

为监测阶段的最小平均能量消耗

B5)利用下式计算能量调节系数α：

$\mathrm{\&alpha;}=\left\{\begin{array}{ccc}{\stackrel{\&OverBar;}{E}}_{v_i}/{\mathrm{\&Delta;E}}_{v_i}& \mathrm{if}& {\stackrel{\&OverBar;}{E}}_{v_i}\&le;{\mathrm{\&Delta;E}}_{v_i}\\ 1& \mathrm{if}& {\stackrel{\&OverBar;}{E}}_{v_i}>{\mathrm{\&Delta;E}}_{v_i}\end{array}\right.$

B6)利用下式计算侦听信道概率

$p_{v_i}=\left\{\begin{array}{ccc}\mathrm{\&alpha;}\frac{\mathrm{ANN}}{{\mathrm{NN}}_{v_i}}& \mathrm{if}& \mathrm{ANN}\&le;{\mathrm{NN}}_{v_i}\\ \mathrm{\&alpha;}& \mathrm{if}& \mathrm{ANN}>{\mathrm{NN}}_{v_i}\end{array}\right.$

式中，ANN是节点v_i在每网络侦听周期激活侦听的平均邻居节点数，

是v_i节点局部网络更新信息；

B7)对于没有数据需要发送的情况，在每个网络侦听周期T_ww的开始，节点根据侦听信道概率

发生对信道的忙音侦听，若发生对信道的忙音侦听，且在侦听时间T_wl结束时侦听到忙音信号，则节点立即唤醒其主信道；若发生对信道的忙音侦听，且在侦听时间T_wl结束时没有侦听到忙音信号，则节点立即进入睡眠状态；若没有发生对信道的忙音侦听，则节点处于睡眠状态；

B8)对于节点有数据需要发送时，则节点立即开始对两个信道进行侦听；

B9)对于睡眠状态的节点，在当前网络侦听周期结束时，重复执行步骤B7)或步骤B8)，直至网络监测阶段工作时间结束时，网络节点均处于激活状态，并开始执行自维护；

C.数据收集步骤：

C1)当有数据需要发送时，节点立即侦听主信道和唤醒信道，并根据侦听结果执行不同的操作：若节点在主信道和唤醒信道的侦听都没有侦听到消息，则节点开始发送忙音信号；若节点的主信道侦听到消息，无论节点的唤醒信道是否侦听到忙音，则节点立即睡眠；若节点的主信道没有侦听到消息，而唤醒信道侦听到忙音，则节点主信道唤醒；

C2)当节点发送忙音直至当前网络侦听周期的侦听时间T_wl结束后，竞争发送节点；若竞争成功，就发送数据，否则，就进入睡眠状态；

C3)对于竞争发送数据成功的节点，根据一跳邻居节点所在的转发区域位置，采用竞争选取朝着SINK前进距离最大的节点作为接收节点；

C4)对于成功选取接收节点的发送节点，发送数据消息，侦听确认数据接收的ACK消息，并重发数据或进入睡眠状态。

C5)唤醒信道侦听到忙音的节点，立即唤醒其主信道，根据主信道的侦听结果，采用短侦的控制消息交互，竞争后选接收节点；

C6)竞争候选接收成功的节点，根据节点的位置，确定属于发送节点转发区域的节点，并确定出所在转发区域的分级数；

C7)属于发送节点转发区域的节点，采用长侦的控制消息交互，竞争接收节点；

C8)竞争接收成功的节点，开始接收数据DATA消息，若接收数据消息正确，则发送确认的ACK消息，否则发送数据异常消息，请求重发数据，并重复这个过程，直至达到设定的最大重传次数，对于达到最大重传次数而仍没有接收到正确的数据消息，则节点转入睡眠状态；

C9)接收到正确数据消息的节点，在发送确认消息之后，就成为新的数据发送节点，按照前述竞争发送节点的同样过程继续朝着汇聚节点SINK传递所要发送的数据消息，直至汇聚节点SINK在数据发送节点的转发区域内，发送节点直接把数据传递给汇聚节点SINK，完成数据的多跳传递，实现汇聚节点SINK的数据收集。

2.根据权利要求1所述的多跳无线传感器网络的数据收集方法，其中步骤C2)所述的竞争发送节点，按如下步骤进行：

(2a)节点在当前网络侦听周期侦听时间T_wl结束后，节点主信道在第一个控制时隙发送请求发送数据的短侦S-RTR消息，在之后的一个时隙里，节点主信道先侦听消息，再根据侦听的结果在下一个时隙按照是否有侦听到消息而执行节点发送：若节点主信道没有侦听到消息，则竞争发送节点；若节点主信道侦听到S-CTR消息，则节点在下一个时隙以0.5的概率执行发送S-RTR消息；

(2b)若节点按0.5的概率发送了S-RTR消息，则节点在其后一个时隙执行主信道侦听，若侦听到的S-CTR消息中包含有表示碰撞标志的COLLISION信息，则节点在下一个时隙继续以0.5的概率去执行发送S-RTR消息的操作，并重复这个过程直至节点侦听到的S-CTR消息中包含表示正常标志的NORMAL信息，表示发送节点成功；

(2c)若节点按0.5的概率没有发送S-RTR消息，若侦听到的S-CTR消息中包含有NORMAL信息或COLLISION信息，则节点立即退出竞争发送节点，进入睡眠状态；若侦听的S-CTR消息中包含有表示异常标志的ANORMAL信息，则节点继续按0.5的概率去执行发送S-RTR消息的操作，并按照步骤(2b)和步骤(2c)重复执行，直至节点竞争发送节点成功或进入睡眠状态。

3.根据权利要求1所述的多跳无线传感器网络的数据收集方法，其中步骤C3)所述的采用竞争选取朝着SINK前进距离最大的节点作为接收节点，按如下步骤进行：

(3a)竞争发送成功的节点发送长侦消息L-RTR；

(3b)节点主信道在下一个时隙侦听信道，若没有侦听到消息，则节点在下一个时隙继续发送长侦消息L-RTR；若侦听到L-CTR消息，则选取发送该消息的节点为接收节点；若侦听到的消息发生L-CTR碰撞，则在下一个时隙节点继续发送L-RTR消息；

(3c)根据侦听的结果，重复步骤(3b)的过程，直至连续最大NP个侦听时隙节点都没有侦听到任何消息，则节点进入睡眠状态。

4.根据权利要求1所述的多跳无线传感器网络的数据收集方法，其中步骤C5)所述的采用短侦的控制消息交互，竞争后选接收节点，按如下步骤进行：

(4a)唤醒信道侦听到忙音的节点，若节点主信道在第一个侦听时隙侦听到短侦S-RTR消息，则在下一个时隙空闲，并准备竞争后选接收节点；若节点主信道在第一个侦听时隙侦听的消息发生S-RTR消息碰撞，则节点在下一个发送时隙发送短侦S-CTR消息；

(4b)在随后的主信道侦听时隙，若侦听的消息发生S-RTR消息碰撞，则继续在下一个发送时隙发送S-CTR消息；若侦听到S-RTR消息，且节点在前一个发送时隙发送了S-CTR消息，则节点在下一个发送时隙继续发送短侦S-CTR消息；若节点连续两个侦听时隙都没有侦听到任何消息，则节点立即转入睡眠状态，否则继续空闲侦听；

(4c)节点在随后的时隙根据侦听的消息继续按步骤(4b)执行，直至节点竞争后选接收节点成功，否则节点进入睡眠状态。

5.根据权利要求

所述的多跳无线传感器网络的数据收集方法，其中步骤C6)所述的确定属于发送节点转发区域的节点，并确定出所在转发区域的分级数，按如下步骤进行：

(5a)侦听到L-RTR消息的节点，首先计算其与发送节点、汇聚节点之间的欧氏距离；若该节点与发送节点之间的欧氏距离大于同汇聚节点之间的欧氏距离，则该节点在发送节点的转发区域；相反，节点属于非转发区域，则节点立即进入睡眠状态；

(5b)属于转发区域的节点，利用下式计算发送节点转发区域的面积WFS_i：

${\mathrm{WFS}}_i=2{\&Integral;}_{l_{\mathrm{NP}}^i-R}^{l_{\mathrm{NP}}^i}a\arccos ((a^2+{\left(l_{\mathrm{NP}}^i\right)}^2-R^2)/2a{l}_{\mathrm{NP}}^i)\mathrm{da}$

式中，l_NP ⁱ是发送节点与汇聚节点SINK间的欧氏距离，R是节点的通信半径，a是积分变量；

(5c)用

分别表示发送节点SN_i的NP个转发区域A₁ ⁱ、A₂ ⁱ、...、A_NP-1 ⁱ、A_NP ⁱ与汇聚节点SINK之间的的欧氏距离最大值，并令

按照发送节点每个分级转发区域的平均节点数相同原则，用下式计算每个分级区域与汇聚节点SINK之间的欧氏距离最大值

$2{\&Integral;}_{l_{A_{\mathrm{NP}}}^i-R}^{l_{A_1}^i}a\arccos ((a^2+{\left(l_{A_{\mathrm{NP}}}^i\right)}^2-R^2)/{2\mathrm{al}}_{A_{\mathrm{NP}}}^i)\mathrm{da}$

$=2{\&Integral;}_{l_{A_1}^i}^{l_{A_2}^i}a\arccos ((a^2+{\left(l_{A_{\mathrm{NP}}}^i\right)}^2-R^2)/{2\mathrm{al}}_{A_{\mathrm{NP}}}^i)\mathrm{da}=...=2{\&Integral;}_{l_{A_{\mathrm{NP}-1}}^i}^{l_{A_{\mathrm{NP}}}^i}a\arccos ((a^2+{\left(l_{A_{\mathrm{NP}}}^i\right)}^2-R^2)/{2\mathrm{al}}_{A_{\mathrm{NP}}}^i)\mathrm{da}$

$={\mathrm{WFS}}_i/\mathrm{NP}$

(5d)将满足

的分级区域与会聚节点SINK的欧氏距离l_j ⁱ，确定为节点分级区域的第k(k∈[1，NP])级。

6.根据权利要求1所述的多跳无线传感器网络的数据收集方法，其中步骤C7)所述的发送节点的转发区域节点，采用长侦的控制消息交互，竞争接收节点，按如下步骤进行：

(6a)侦听到L-RTR消息的节点，若属于最高级数A₁ ⁱ区域，则在随后的时隙发送长侦L-CTR消息；若不属于A₁ ⁱ区域，则在随后的时隙节点处于空闲状态；所有属于转发区域的节点在下一个时隙处于侦听状态；

(6b)若侦听到L-RTR消息，且节点属于A₁ ⁱ区域，则该节点为接收节点；若节点侦听的L-RTR消息中包含有表示碰撞的COLLISION信息，且属于A₁ ⁱ区域，则节点以0.5的概率发送L-CTR消息；若节点侦听的L-RTR消息中包含有表示继续的CONTINUE信息，表示A₁ ⁱ区域中不存在节点，则A₂ ⁱ区域中的节点在下一个时隙发送L-CTR消息，而其它更低级别区域A₃ ⁱ直到A_NP ⁱ中的节点继续处于空闲侦听状态；若不属于A₁ ⁱ区域中的节点，侦听到L-RTR消息或包含有表示碰撞COLLISION信息的L-RTR消息，则立即进入睡眠状态；

(6c)在随后的侦听时隙，若A₁ ⁱ中的节点继续侦听到L-RTR消息中包含有表示碰撞的COLLISION信息，则在之后的时隙节点继续以0.5的概率发送L-CTR消息；若A₁ ⁱ中的节点继续侦听的L-RTR消息中不包含COLLISION信息，且包含有其节点的位置信息，则节点竞争接收节点成功，而其它侦听到该消息的节点立即转入睡眠状态；

(6d)若节点侦听到包含CONTINUE标志信息的L-RTR，则属于A₂ ⁱ区域且侦听到L-RTR消息的节点，为接收节点；若属于A₂ ⁱ区域，且侦听的L-RTR消息中包含有表示碰撞COLLISION信息的节点，将以0.5的概率在下一个发送时隙发送L-CTR消息，并继续侦听信道；若节点侦听的L-RTR消息中包含有表示继续的CONTINUE信息，则属于A₃ ⁱ区域的节点下一个发送时隙发送C-RTR消息，而其它更低级别区域从A₄ ⁱ直到A_NP ⁱ中的节点则继续处于空闲侦听状态；若不属于A₂ ⁱ区域中的节点侦听到L-RTR消息或包含有表示碰撞COLLISION信息的L-RTR消息，则节点立即进入睡眠状态；

(6e)按照步骤(6d)的过程重复执行，直至最后一个节点竞争成为接收节点，如果在发送节点连续NP个发送时隙发送L-RTR消息后都没有节点应答，则转发区域没有接收节点。

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