CN102497440B - 一种低延时数据聚合算法 - Google Patents
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Abstract
一种无线传感器网络中数据聚合算法，属无线传感器网络领域。该方法适用于层次型拓扑结构网络。通过簇内动态时分多址(TDMA)机制，簇首分组转发机制中的簇首数据缓存机制、簇首路径选择算法以及簇首数据转发低延时RTS/CTS机制，可以减轻网络的传输拥塞，减少传输中冲突碰撞现象，提高了无线信道的传输效率。与传统数据聚合机制相比，低延时数据聚合机制可以在保证数据聚合效率的基础上，降低数据从采集到传输到汇聚节点的延迟。
Description
技术领域
本发明涉及一种低延时数据聚合算法，属于无线传感器网络领域。
背景技术
传感器网络的基本是收集并返回其传感器节点所在监测区域的信息。传感器网络节点的资源十分有限，在收集信息的过程中采用单个节点单独传送数据到汇聚节点的方法是不合适的，会浪费通信带宽和能量并降低信息收集的效率。为避免上述问题，传感器网络在收集数据的过程中需要使用数据聚合技术。目前在考虑数据聚合的路由中主要由基于查询的路由，基于层次的路由以及基于链的路由。在基于层次的路由中典型的有低能耗自适应分簇体系LEACH和TEEN协议，LEACH协议仅强调数据聚合重要性，并未给出具体的融合方法。TEEN协议加入缓存机制抑制不需要转发的数据。以上数据聚合技术在节省能量的同时牺牲了其他方面的性能，受影响最大的就是数据传输的延迟，在数据传送的过程中，寻找易于进行数据聚合的路由、进行数据聚合操作以及等待其他数据到来都会造成数据传送的延时。
发明内容
针对目前数据聚合机制不能有效降低数据传送时延的问题，本发明提出了一种低延时数据聚合算法。
本发明是通过以下方式实现的：
1）网络初始化
网络节点布设后，首先建立层次型的网络拓扑结构，对网络内的节点进行分簇，同时每一个簇选举一个簇首节点；
2）簇内数据收集
网络初始化完成后，簇首向本簇成员发送组簇消息CMSG，CMSG包括NID，HID，DisTab，STATE，其中NID为节点的识别码，HID为簇首的识别码，STATE为节点休眠或激活状态，DisTab为簇内节点之间的距离表，簇内节点i收到CMSG后，根据DisTab表中节点与簇首之间的距离计算本节点到簇首节点的能耗Ei，然后根据节点到簇首距离，以不同的退避时间TR向簇首发送回复消息RCMSG，RCMSG包括NID，Ei，DLEN，PRI，STATE，其中DLEN为发送数据长度，PRI为数据优先级；不需要发送数据的节点DLEN设为0，以避免簇首节点认为不需要发送数据的节点死亡；簇首节点根据簇内节点数目、节点到簇首距离、数据优先级及节点状态，给需要发送数据的节点分配时槽、建立休眠调度表DMSG，并发送给各节点，不需要发送数据的成员节点进入休眠状态，等待下一次数据采集，需要发送数据的节点依据休眠调度表进行休眠或发送数据；为配合步骤3）中的低延时RTS/CTS机制，下一发送数据节点在上一节点发送数据时醒来监控RTS消息；每一轮数据采集结束后进入短暂的随机访问阶段来处理少量新节点的加入以及死亡节点的去除；
在一轮数据采集完成后，簇首节点对接收到的所有监测数据进行聚合；
3）簇首分组转发数据
簇首完成簇内数据接收及聚合后，将在候选簇首中选择合适的簇首进行数据转发，所述的候选簇首是在发送数据簇首通信范围内距离汇聚节点近的簇首的集合；本簇数据进行收集并聚合后，等待DISF后发送RTS消息，所述的DIFS是分布式协调方式下使用的帧间间隔，用于发送数据帧和管理帧；为解决数据发生冲突，簇首发送RTS消息时采用低延时RTS/CTS机制，RTS/CTS机制具体如下：簇首不仅针对候选簇首发送RTS消息，而且候选簇首所在簇的所有处于激活状态的节点都可以接收到此RTS消息，接收到RTS消息的节点在自己的时槽内发送此RTS消息到候选簇首节点，候选簇首停止本簇内的数据采集，以不同的退避时间TW发送回复消息CTS，TW的确定方法如下：TW以候选簇首是否有可聚合数据、候选簇首的剩余能量以及候选簇首到汇聚节点的能耗作为基本原则确定；这三个原则中，是否有可聚合数据重要性最高，剩余能量作为基数乘以能耗倒数作为次要评价标准；
若低优先级簇首检测到CTS消息或数据帧DATA的发送，则取消自己的CTS消息发送，这样，发送CTS消息的簇首即选为下一跳簇首，发送数据的簇首向其发送数据帧DATA，DATA包括Data、NDA、NTDA、HCount、DACount，其中Data为发送的数据，NDA表示在该簇首处参与数据聚合的源数据数目，NTDA表示分组在传送过程中NDA的累加，HCount表示数据分组所经过的跳数，DACount为NDA连续为0的次数，若DACount过大，则表示节点远离数据发生区域，按照无可聚合数据设置延时TW，发送完成后，接收数据簇首回复确认字符ACK，完成一次数据发送；
接收数据的簇首节点采用簇首间的数据聚合缓存机制进行数据聚合后，继续向下一跳发送RTS消息，直至数据发送到汇聚节点；簇首间的数据聚合缓存机制如下：每一个簇首节点保存本簇收集的数据及收集时间，同时保存已转发数据及收集时间，后续簇首通过此簇首转发数据时，后续簇首的数据将与该簇首保存的数据进行聚合；当簇首新一轮的数据采集完成或接收到已保存数据的簇首的新数据后，将更新缓存；
4）重复步骤（2）、（3）进行数据循环收集。
附图说明
图1为本发明所采用拓扑结构图。
图2为簇内数据动态TDMA机制图。
图3为簇首数据缓存机制图。
图4为动态RTS/CTS机制图。
图5为基于数据聚合的簇首分组转发机制示意图。
图6为候选簇首CTS退避时间TW示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例：
一种低时延数据聚合机制，如图1-6所示，其具体方法如下：
1）网络初始化
网络节点布设后，首先建立层次型的网络拓扑结构，对网络内的节点进行分簇，同时每一个簇选举一个簇首节点；
2）簇内数据收集
网络初始化完成后，簇首向本簇成员发送组簇消息CMSG，CMSG包括NID，HID，DisTab，STATE，其中NID为节点的识别码，HID为簇首的识别码，STATE为节点休眠或激活状态，DisTab为簇内节点之间的距离表，簇内节点i收到CMSG后，根据DisTab表中节点与簇首之间的距离计算本节点到簇首节点的能耗Ei，然后根据节点到簇首距离，以不同的退避时间TR向簇首发送回复消息RCMSG，RCMSG包括NID，Ei，DLEN，PRI，STATE，其中DLEN为发送数据长度，PRI为数据优先级；不需要发送数据的节点DLEN设为0，以避免簇首节点认为不需要发送数据的节点死亡；簇首节点根据簇内节点数目、节点到簇首距离、数据优先级及节点状态，给需要发送数据的节点分配时槽、建立休眠调度表DMSG，并发送给各节点，不需要发送数据的成员节点进入休眠状态，等待下一次数据采集，需要发送数据的节点依据休眠调度表进行休眠或发送数据；为配合步骤3）中的低延时RTS/CTS机制，下一发送数据节点在上一节点发送数据时醒来监控RTS消息；每一轮数据采集结束后进入短暂的随机访问阶段来处理少量新节点的加入以及死亡节点的去除；
在一轮数据采集完成后，簇首节点对接收到的所有监测数据进行聚合；
3）簇首分组转发数据
簇首完成簇内数据接收及聚合后，将在候选簇首中选择合适的簇首进行数据转发，所述的候选簇首是在发送数据簇首通信范围内距离汇聚节点近的簇首的集合；本簇数据进行收集并聚合后，等待DISF后发送RTS消息，所述的DIFS是分布式协调方式下使用的帧间间隔，用于发送数据帧和管理帧；为解决数据发生冲突，簇首发送RTS消息时采用低延时RTS/CTS机制，RTS/CTS机制具体如下：簇首不仅针对候选簇首发送RTS消息，而且候选簇首所在簇的所有处于激活状态的节点都可以接收到此RTS消息，接收到RTS消息的节点在自己的时槽内发送此RTS消息到候选簇首节点，候选簇首停止本簇内的数据采集，以不同的退避时间TW发送回复消息CTS，TW的确定方法如下：TW以候选簇首是否有可聚合数据、候选簇首的剩余能量以及候选簇首到汇聚节点的能耗作为基本原则确定；这三个原则中，是否有可聚合数据重要性最高，剩余能量作为基数乘以能耗倒数作为次要评价标准；
若低优先级簇首检测到CTS消息或数据帧DATA的发送，则取消自己的CTS消息发送，这样，发送CTS消息的簇首即选为下一跳簇首，发送数据的簇首向其发送数据帧DATA，DATA包括Data、NDA、NTDA、HCount、DACount，其中Data为发送的数据，NDA表示在该簇首处参与数据聚合的源数据数目，NTDA表示分组在传送过程中NDA的累加，HCount表示数据分组所经过的跳数，DACount为NDA连续为0的次数，若DACount过大，则表示节点远离数据发生区域，按照无可聚合数据设置延时TW，发送完成后，接收数据簇首回复确认字符ACK，完成一次数据发送；
接收数据的簇首节点采用簇首间的数据聚合缓存机制进行数据聚合后，继续向下一跳发送RTS消息，直至数据发送到汇聚节点；簇首间的数据聚合缓存机制如下：每一个簇首节点保存本簇收集的数据及收集时间，同时保存已转发数据及收集时间，后续簇首通过此簇首转发数据时，后续簇首的数据将与该簇首保存的数据进行聚合；当簇首新一轮的数据采集完成或接收到已保存数据的簇首的新数据后，将更新缓存；
4）重复步骤（2）、（3）进行数据循环收集。
Claims (1)
1.一种无线传感器网络中的低延时数据聚合算法，应用在层次型拓扑结构中，算法包括簇内动态时分多址TDMA机制，簇首分组转发机制中的簇首数据缓存机制、簇首路径选择算法以及簇首数据转发低延时请求帧RTS/清除帧CTS机制，其特征在于，簇首根据节点数据分配时槽，下一跳节点提前醒来接收待转发簇首RTS，簇首通过选择优先级高的候选簇首转发数据，且各簇首缓存一轮数据来降低数据转发延时；低延时数据聚合算法的步骤如下：
1）网络初始化
网络节点布设后，首先建立层次型的网络拓扑结构，对网络内的节点进行分簇，同时每一个簇选举一个簇首节点；
2）簇内数据收集
网络初始化完成后，簇首向本簇成员发送组簇消息CMSG，CMSG包括NID，HID，DisTab，STATE，其中NID为节点的识别码，HID为簇首的识别码，STATE为节点休眠或激活状态，DisTab为簇内节点之间的距离表，簇内节点i收到CMSG后，根据DisTab表中节点与簇首之间的距离计算本节点到簇首节点的能耗Ei，然后根据节点到簇首距离，以不同的退避时间TR向簇首发送回复消息RCMSG，RCMSG包括NID，Ei，DLEN，PRI，STATE，其中DLEN为发送数据长度，PRI为数据优先级；不需要发送数据的节点DLEN设为0，以避免簇首节点认为不需要发送数据的节点死亡；簇首节点根据簇内节点数目、节点到簇首距离、数据优先级及节点状态，给需要发送数据的节点分配时槽、建立休眠调度表DMSG，并发送给各节点，不需要发送数据的成员节点进入休眠状态，等待下一次数据采集，需要发送数据的节点依据休眠调度表进行休眠或发送数据；为配合步骤3）中的低延时RTS/CTS机制，下一发送数据节点在上一节点发送数据时醒来监控RTS消息；每一轮数据采集结束后进入短暂的随机访问阶段来处理少量新节点的加入以及死亡节点的去除；
在一轮数据采集完成后，簇首节点对接收到的所有监测数据进行聚合；
3）簇首分组转发数据
簇首完成簇内数据接收及聚合后，将在候选簇首中选择合适的簇首进行数据转发，所述的候选簇首是在发送数据簇首通信范围内距离汇聚节点近的簇首的集合；本簇数据进行收集并聚合后，等待DISF后发送RTS消息，所述的DIFS是分布式协调方式下使用的帧间间隔，用于发送数据帧和管理帧；为解决数据发生冲突，簇首发送RTS消息时采用低延时RTS/CTS机制，RTS/CTS机制具体如下：簇首不仅针对候选簇首发送RTS消息，而且候选簇首所在簇的所有处于激活状态的节点都可以接收到此RTS消息，接收到RTS消息的节点在自己的时槽内发送此RTS消息到候选簇首节点，候选簇首停止本簇内的数据采集，以不同的退避时间TW发送回复消息CTS，TW的确定方法如下：TW以候选簇首是否有可聚合数据、候选簇首的剩余能量以及候选簇首到汇聚节点的能耗作为基本原则确定；这三个原则中，是否有可聚合数据重要性最高，剩余能量作为基数乘以能耗倒数作为次要评价标准；
若低优先级簇首检测到CTS消息或数据帧DATA的发送，则取消自己的CTS消息发送，这样，发送CTS消息的簇首即选为下一跳簇首，发送数据的簇首向其发送数据帧DATA，DATA包括Data、NDA、NTDA、HCount、DACount，其中Data为发送的数据，NDA表示在该簇首处参与数据聚合的源数据数目，NTDA表示分组在传送过程中NDA的累加，HCount表示数据分组所经过的跳数，DACount为NDA连续为0的次数，若DACount过大，则表示节点远离数据发生区域，按照无可聚合数据设置延时TW，发送完成后，接收数据簇首回复确认字符ACK，完成一次数据发送；
接收数据的簇首节点采用簇首间的数据聚合缓存机制进行数据聚合后，继续向下一跳发送RTS消息，直至数据发送到汇聚节点；簇首间的数据聚合缓存机制如下：每一个簇首节点保存本簇收集的数据及收集时间，同时保存已转发数据及收集时间，后续簇首通过此簇首转发数据时，后续簇首的数据将与该簇首保存的数据进行聚合；当簇首新一轮的数据采集完成或接收到已保存数据的簇首的新数据后，将更新缓存；
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