CN102111799A - 一种传感器节点有效信息量的计算方法 - Google Patents

Abstract

一种用于无线传感器网络中的传感器节点有效信息量的提取方法，操作步骤如下：(1)播撒无线传感器节点，并建立传输路径，每个节点记录自己的子节点与父节点；(2)统计每个节点子节点的数量；(3)统计每个子节点还有多少其他的父节点，取平均值；(4)在上述两个参数的基础上进行计算，提取每个传感器节点的有效信息量。本发明针对无线传感器网络感知信息存在冗余以及通常多路径传输等特点，针对每个节点中数据丢失所造成的损失不同，提取每个节点的有效信息量，能够为安全审查、可靠传输等其他技术奠定基础。

Description

一种传感器节点有效信息量的计算方法

技术领域

本发明涉及一种传感器节点信息量的提取方法，确切地说，涉及一种用于无线传感器网络中的传感器节点的有效信息量的提取方法，属于传感器网络中信号分析的技术领域。

背景技术

随着微机电系统(MEMS)技术、无线通信技术以及计算机技术的飞速发展和日益成熟，使得由大量的低成本、低功耗的微型传感器通过近距离无线通信自组织形成的传感器网络成为现实。无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，由一组传感器以Ad-Hoc方式构成，传感器节点密集地部署在被监测区域的内部或附近，其目的是多个传感器节点协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发布给用户或观察者。

无线传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事(例如监视、侦察、定位、通信、计算、指挥等)，环境科学(例如大气、土壤、森林、海洋、气候、动植物、自然灾害的监测)，医疗健康(例如病人监护、药物管理、新药品试验、远程医疗等)，空间探索(例如借助航天器撒布传感器网络进行星球探测等)，工业和交通管理(例如生产过程监测和控制、仓库管理、交通管理、车辆监测跟踪等)以及商业应用(例如智能家居环境、体育比赛裁判，交互式博物馆，交互式玩具等)等领域。

无线传感器网络广阔的应用前景引起了国内外研究机构和组织的关注，美国和欧洲等国家纷纷开展了这方面的研究工作，IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，波士顿大学(Boston University)最近创办了传感器网络协会(Sensor Network Consortium)，期望能促进传感器联网技术开发。比较典型的研究项目有UCLA的WINS、Berkeley的Smart Dust、DARPA的DSN、Rockwell Science Center的WSN和MIT的Odyssey。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。可以预计，无线传感器网络的快速发展是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。

随着无线传感器网络技术的发展，利用合理的路由机制保证数据传输可靠性已经显示出了越来越重要的意义。当前的路由协议往往基于两种路由结构：树型结构和多路径(网状结构)。树型结构有利于数据汇聚，同时能耗较低，但是网络负载不平衡，而且当节点或链路发生故障时，传输可靠性不易保障，因此多与重传机制共同使用，保障可靠性。多路径传输与之相反，通过空间冗余技术可以达到很好的传输可靠性，但是不利于数据的汇聚而且能耗较高。因此，在设计支持数据融合的无线传感器网络中信息传输可靠性的保障机制时，我们可以采用将时间冗余技术和空间冗余技术相结合的方法，充分利用无线传感器网络中各个节点对局部传输质量的感知，动态选择单路径重传或多路径的传输方式，进行数据收集。在这种前提下，如何提取去除冗余的节点有效信息量具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于无线传感器网络的传感器节点有效信息量的提取方法，以便计算尽可能消除冗余后的有效信息量；本发明首创并提取的传感器节点有效信息量，它的特点是综合考虑了节点感知冗余与多路径传输冗余，对节点信息含量进行有效计算，为后续的可靠性保障机制与安全性审查机制奠定基础。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于无线传感器网络的传感器节点有效信息量的提取方法，其特征在于，所述方法包括下述操作步骤：

(1)播撒无线传感器节点，并建立传输路径，每个节点记录自己的子节点与父节点；

(2)统计每个节点的子节点的数量；

(3)统计每个子节点还有多少其他的父节点，取平均值；

(4)在上述两个参数的基础上进行计算，提取每个传感器节点的有效信息量。

步骤1中，每个节点记录自己的子节点与父节点的操作步骤为：

(11)父节点的确定：传输路径确定后，设节点i将感知信息发送到其他若干节点，由这些节点进行融合等后再进行转发，那么则这些节点都称为节点i的父节点，i被称为这些节点的子节点。

(12)由于传输路径的冗余，每个节点都可以拥有多个父节点；同时，每个节点都可以拥有多个子节点。

步骤2中，统计每个节点的子节点数量，其特征在于：

设节点i是节点j的父结点之一，记为i←j，那么，

节点i的子节点集合记为：C(i)＝{k|i←k}

节点i的子节点数表示为：c＝|C(i)|，即集合C(i)中元素的个数。

步骤3中，统计每个子节点还有多少个其他的父节点，取平均值，其具体步骤为：

(31)求当前节点i的每个子节点的父节点数

设节点j是节点i的子节点之一，记为i←j，那么，

节点j的父节点集合记为：P(j)＝{x|x←j}

节点j的父节点个数表示为：p＝|P(j)|

(32)求当前节点i的子节点的其他父节点的平均数

$p^{\′}\left(i\right)=\frac{1}{\mathrm{count}(i\←k)}\underset{i\←k}{\mathrm{\Σ}}p\left(k\right)-1$

其中count(i←k)表示了i的子节点的个数

步骤4中，计算节点的有效信息量，其具体特征为：

(41)设每个传感器节点的感知信息量为H₀，节点i的第k个子节点的有效信息量为H_ik，r表示单位距离节点感知信息的冗余度，则节点i的有效信息量可表示为：

$H_i=\frac{\underset{k=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{ik}}}{c\·r\·{(e-1)}^{p^{\′}\left(i\right)}}$

从公式中可以看出，由于节点间信息冗余，以及传输路径的冗余，一个节点的有效信息量不是简单的所有子节点信息量的叠加。节点间冗余度越高，那么当前节点的有效信息量越低，同时，如果子节点的其他父节点越多也表示当前节点的信息量应该降低。

本发明的重要创新点是提出一种适用于无线传感器网络的新的信息量衡量参数——节点有效信息量，该参数的特点是同时考虑了节点间感知信息的冗余和多路径传输的冗余。

本发明提取的有效信息量参数提取方法步骤简单、容易，信号处理所需要的计算量也非常简单、时延很小，能够应用于实时传输系统中。因此，本发明具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明一种传感器节点有效信息量的提取方法操作步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和一种特定实施例的试验情况对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，介绍本发明一种传感器节点有效信息量的提取方法的具体操作步骤：

(1)播撒无线传感器节点，并建立传输路径，每个节点记录自己的子节点与父节点；

每个节点记录自己的子节点与父节点的操作步骤为：

(11)父节点的确定：传输路径确定后，设节点i将感知信息发送到其他若干节点，由这些节点进行融合等后再进行转发，那么则这些节点都称为节点i的父节点，i被称为这些节点的子节点。

(12)由于传输路径的冗余，每个节点都可以拥有多个父节点；同时，每个节点都可以拥有多个子节点。

(2)统计每个节点的子节点的数量；

设节点i是节点j的父结点之一，记为i←j，那么，

节点i的子节点集合记为：C(i)＝{k|i←k}

节点i的子节点数表示为：c＝|C(i)|，即集合C(i)中元素的个数。

(3)统计每个子节点还有多少其他的父节点，取平均值；

(31)求当前节点i的每个子节点的父节点数

设节点j是节点i的子节点之一，记为i←j，那么，

节点j的父节点集合记为：P(j)＝{x|x←j}

节点j的父节点个数表示为：p＝|P(j)|

(32)求当前节点i的子节点的其他父节点的平均数

$p^{\′}\left(i\right)=\frac{1}{\mathrm{count}(i\←k)}\underset{i\←k}{\mathrm{\Σ}}p\left(k\right)-1$

其中count(i←k)表示了i的子节点的个数

(4)在上述两个参数的基础上进行计算，提取每个传感器节点的有效信息量。

(41)设每个传感器节点的感知信息量为H₀，节点i的第k个子节点的有效信息量为H_ik，r表示单位距离节点感知信息的冗余度，则节点i的有效信息量可表示为：

$H_i=\frac{\underset{k=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{ik}}}{c\·r\·{(e-1)}^{p^{\′}\left(i\right)}}$

本发明方法已经作了实施试验，计算机仿真的实施例的试验是成功的，实现了发明目的。

Claims (5)

1.一种用于无线传感器网络的传感器节点有效信息量的提取方法，其特征在于，所述方法包括下述操作步骤：

(1)播撒无线传感器节点，并建立传输路径，每个节点记录自己的子节点与父节点；

(2)统计每个节点的子节点的数量；

(3)统计每个子节点还有多少其他的父节点，取平均值；

(4)在上述两个参数的基础上进行计算，提取每个传感器节点的有效信息量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1，每个节点记录自己的子节点与父节点的操作步骤为：

(11)父节点的确定：传输路径确定后，设节点i将感知信息发送到其他若干节点，由这些节点进行融合等后再进行转发，那么则这些节点都称为节点i的父节点，i被称为这些节点的子节点。

(12)由于传输路径的冗余，每个节点都可以拥有多个父节点；同时，每个节点都可以拥有多个子节点。

3.根据权利要求1所述的方法，步骤2，统计每个节点的子节点数量，其特征在于：

设节点i是节点j的父结点之一，记为i←j，那么，

节点i的子节点集合记为：C(i)＝{k|i←k}

节点i的子节点数表示为：c＝|C(i)|，即集合C(i)中元素的个数。

4.根据权利要求1所述的方法，步骤3，统计每个子节点还有多少个其他的父节点，取平均值，其具体步骤为：

(31)求当前节点i的每个子节点的父节点数

设节点j是节点i的子节点之一，记为i←j，那么，

节点j的父节点集合记为：P(j)＝{x|x←j}

节点j的父节点个数表示为：p＝|P(j)|

(32)求当前节点i的子节点的其他父节点的平均数

$p^{\′}\left(i\right)=\frac{1}{\mathrm{count}(i\←k)}\underset{i\←k}{\mathrm{\Σ}}p\left(k\right)-1$

其中count(i←k)表示了i的子节点的个数

5.根据权利要求1所述的方法，步骤4，计算节点的有效信息量，其具体特征为：

(41)设每个传感器节点的感知信息量为H₀，节点i的第k个子节点的有效信息量为H_ik，r表示单位距离节点感知信息的冗余度，则节点i的有效信息量可表示为：

$H_i=\frac{\underset{k=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{ik}}}{c\·r\·{(e-1)}^{p^{\′}\left(i\right)}}$

(42)若一个传感器节点没有子节点，则其有效信息量等于其感知信息量。

从公式中可以看出，由于节点间信息冗余，以及传输路径的冗余，一个节点的有效信息量不是简单的所有子节点信息量的叠加。节点间冗余度越高，那么当前节点的有效信息量越低，同时，如果子节点的其他父节点越多也表示当前节点的信息量应该降低。