CN102665250B - 无线传感器网络确定传输方式的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种无线传感器网络确定传输方式的方法及装置，属于网络通讯技术领域。本发明首先，根据对无线传感器网络中多跳传输和协作传输的能耗进行比较确定多跳传输方式节省能耗的最大跳数；其次，在所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围内形成多跳网络采用多跳传输方式；然后，在所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围外根据无线传感器网络中传感器的位置信息组成协作簇采用协作传输方式。本发明实施例采用多跳传输方式与协作传输方式的结合，有效的降低了整个无线传感器网络的总能耗，从而延长了无线传感器网络的寿命。

Description

无线传感器网络确定传输方式的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络确定传输方式的方法及装置，属于网络通讯技术领域。

背景技术

在传感器网络中，节点通过各种方式大量部署在被感知对象内部或者附近，这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集，处理和分析。一个典型的传感器网络的结构一般包括传感器节点或传感器节点群、sink节点、互联网和用户界面等，其中sink节点在无线传感器网络指汇聚节点，主要负责传感器网与外网的连接。

由于传感器节点的电池能量有限，且在实际应用中一般不可能更换电池，导致无线传感器网络的寿命一般比较短，因此节省能耗一直是无线传感器网络研究的首要问题。但是目前无线传感器网络的传输方式中传感器节点传输距离长且网络能耗大，导致当无线传感器网络中传感器节点很多或很少时，耗能现象严重而减少无线传感器网络的寿命。

发明内容

本发明提供了一种无线传感器网络确定传输方式的方法及装置，以解决现有技术中传感器节点的传输距离长且网络能耗大等问题，为此本发明采用如下的技术方案：

本发明实施例提供了一种无线传感器网络确定传输方式的方法，包括：

根据对无线传感器网络中多跳传输和协作传输的能耗进行比较确定多跳传输方式节省能耗的最大跳数；

在所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围内形成多跳网络采用多跳传输方式；

在所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围外根据无线传感器网络中传感器的位置信息组成协作簇采用协作传输方式。

本发明实施例还提供了一种无线传感器网络确定传输方式的装置，包括：

最大跳数确定单元，用于根据对无线传感器网络中多跳传输和协作传输的能耗进行比较确定多跳传输方式节省能耗的最大跳数；

多跳传输确定单元，用于在所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围内形成多跳网络采用多跳传输方式；

协作传输确定单元，用于在所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围外根据无线传感器网络中传感器的位置信息组成协作簇采用协作传输方式。

本发明实施方式提供的技术方案采用多跳传输方式与协作传输方式的结合，有效的降低了整个无线传感器网络的总能耗，从而延长了无线传感器网络的寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述的一种无线传感器网络确定传输方式的方法流程示意图；

图2是本发明以N个传感器节点随机布设在一个M×M平方米的正方形区域内为例sink节点采用本发明实施例所述的传输方式进行数据传输的节点示意图，其中“●”表示传感器节点，表示移动Sink，表示移动Sink的预定轨迹；“-”表示多跳网络中节点的从属关系。“---”表示形成协作簇节点的虚拟传输线。表示一个协作簇。表示移动Sink的传输范围；

图3是本发明所述一种无线传感器网络确定传输方式的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施方式提供的一种无线传感器网络确定传输方式的方法，如图1所示，包括：

11、根据对无线传感器网络中多跳传输和协作传输的能耗进行比较确定多跳传输方式节省能耗的最大跳数。

具体地，通过对无线传感器网络中采用多跳传输时通信能耗与采用协作传输时通信能耗的比较结果，确定出采用多跳传输节省能耗的范围和采用协作传输节省能耗的范围，并根据所述采用多跳传输节省能耗的范围确定多跳传输方式节省能耗的最大跳数，具体所述通信能耗可以为传输能耗和/或电路能耗。

12、在所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围内形成多跳网络采用多跳传输方式。

具体地，形成多跳网络的过程可以包括：移动sink沿预定轨迹匀速行驶，并在运行轨迹中设定的若干停留点广播路由信息，所述路由信息包括多跳传输方式节省能耗的最大跳数和变量值，所述变量值为所述移动sink的初始变量值0，接收到所述路由信息的传感器节点作为第一跳传感器节点，所述第一跳传感器节点将自身的变量修改为所述路由信息中所述变量值加1，将所述路由信息中最多跳传输方式节省能耗的最大跳数减1以及将所述路由信息中所述变量值加1，并将修改后的所述路由信息转发给其它传感器节点，若其它传感器节点接收到的路由信息中的变量值小于自身的变量，则所述其它传感器节点将自身的变量修改为接收到的所述路由信息中的变量值加1，将接收到的所述路由信息中最多跳传输方式节省能耗的最大跳数减1以及将接收到的所述路由信息中所述变量值加1，并将修改后的所述路由信息继续转发，直到路由信息中最多跳传输方式节省能耗的最大跳数为0，则停止转发路由信息；若其它传感器节点接收到的路由信息中的变量值大于等于自身的变量，则不作处理，以形成多跳网络。

进一步在多跳网络形成之后采用多跳传输方式具体可以包括：移动sink在所述多跳网络中沿预定轨迹匀速行驶，并在运行轨迹中设定的若干停留点接收多跳网络中不同的第一跳传感器节点在不同时隙发送的数据，所述数据为多跳网络中其它传感器节点逐级转发给第一跳传感器节点后，所述第一跳传感器节点融合后的数据。

13、在所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围外根据无线传感器网络中传感器的位置信息组成协作簇采用协作传输方式。

具体地，组成协作簇的过程可以包括：移动sink接收所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围外的传感器节点发送自身的位置信息，根据所述位置信息将相邻的两个传感器节点组成一簇，并将成簇信息反馈给各传感器节点，所述成簇信息包括与其成簇的伙伴传感器节点的身份标识、位置信息和数据准备状况指示报告，以组成协作簇。

进一步在组成协作簇之后采用协作传输方式具体可以包括：移动sink接收不同协作簇在不同时隙发送的数据，所述数据为所述协作簇采用空时块码的编码方式对协作簇中两个传感器节点的数据进行分布式编码后的数据。

作为可选的，当无线传感器网络中的传感器节点不能组成所述协作簇时，则所述传感器节点采用点对点的传输方式。

本发明实施例以N个传感器节点随机布设在一个M×M平方米的正方形区域内（其中N和M均为正整数）为例，假设布设后的传感器节点不能移动，Sink节点可以在该正方形区域内可以沿着预定轨迹移动，经过对传输能耗与电路计算能耗的比较，确定多跳网络的最大跳数为3，故3跳范围之内的传感器节点采用多跳传输方式，3跳范围之外的传感器节点采用协作传输方式，具体传输的示意图如图2所示，当确定的多跳网络中最大跳数为3时，上述无线传感器网络确定传输方式的方法可以具体包括2个阶段：

第一阶段：路由建立阶段，具体可以包括多跳网络路由的建立和协作簇的建立，即形成多跳网络阶段与组成协作簇阶段：

多跳网络路由建立：在路由建立阶段，每一个传感器节点中都有一个变量K，表示该传感器节点所在多跳网络中的跳数，普通传感器节点变量K的初始值为无穷大，移动Sink变量K的初始值为0。移动Sink沿着预定轨迹匀速行驶，在运行轨迹中设定若干停留点，移动Sink到达这些停留点后广播路由信息，该路由信息中包含最大跳数值和变量K值，其中最大跳数值TTL=3，变量值K=为移动sink变量K的初始值0，移动Sink在运行轨迹中的若干停留点广播包含TTL=3和变量值K=0的路由信息给其它传感器节点，接收到该路由信息的传感器节点将自身的变量K与路由信息中变量值K=0进行比较，若自身的变量K大于0，则为多跳网络中的第一跳节点，同时所述第一跳节点将自身的变量K修改为1（接收到的所述路由信息中变量值K=0加1）；若自身的变量K小于等于0，则丢弃该数据包不作处理。将自身变量K修改为1的传感器节点（即第一跳节点）将路由信息修改为TTL=2（接收到的路由信息中最大跳数减1）和变量值K=1（接收到的路由信息中变量值K=0加1）转发给无线传感器网络中其它传感器节点，接收到包含有TTL=2和变量值K=1的路由信息的传感器节点将自身的变量K与路由信息中的变量值K=1进行比较，若自身的变量K大于1，则为多跳网络中第二跳节点，同时所述第二跳节点将自身的变量K修改为2（接收到的所述路由信息中变量值K=1加1）；若自身的变量K小于等于2，则丢弃该数据包不作处理。将自身变量K改为2的传感器节点（即第二跳节点）将路由信息修改为TTL=1（接收到的路由信息中最大跳数减1）和K=2（接收到的所述路由信息中变量值K=2加1）转发给无线传感器网络中其它传感器节点，接收到包含有TTL=1和K=2的路由信息的传感器节点将自身的变量K与路由信息中的变量值K=2进行比较，若自身的变量K大于3，则为第三跳节点，同时所述第三跳节点将自身的变量K改为3（接收到的所述路由信息中变量值K=2加1）；若自身的变量K小于等于3，则丢弃该数据包不作处理。由于第三跳节点再将接收到的路由信息中的最大跳数减1该最大跳数变为0，所以该第三跳节点停止广播路由信息，该无线传感器节点中的传感器节点的变量K等于1、2和3的即为多跳网络中的传感器节点，故形成了多跳网络。

协作簇建立：多跳网络形成后传感器节点的变量K仍为无穷大的传感器节点将自身的位置信息传递给移动sink，移动sink根据接收到的各传感器节点的位置信息将相邻的两个传感器节点组成一簇，并将成簇信息反馈给各传感器节点，所述成簇信息包括与其成簇的伙伴传感器节点的身份标识、位置信息和数据准备状况指示报告，以组成协作簇。

作为可选的，当路由建立阶段完成后有传感器节点既没有在多跳网络中也没有组成协作簇，则该传感器节点采用点对点的传输方式将自身的数据发送给移动sink。

第二阶段：数据接收阶段，具体为：

多跳传输方式的数据接收：移动Sink按照预定轨迹行驶，并在运行轨迹中设定的若干停留点停留，此时移动Sink与全网络中的节点都已同步，处于该停留点时移动sink的传播范围内的多跳网络中从变量K为3的第三跳节点开始逐级转发传输数据直到变量为1的第一跳节点，该第一跳节点将所述多跳网络中的数据融合后，在相应的时隙上向移动Sink发送数据。当处于该停留点时移动sink的传播范围内的多跳网络数据接收完毕后，移动Sink行驶到下一个停留点，接收该停留点范围内的多跳网络数据。如此循环往复直至移动到最后一个停留点将整个多跳网络的数据接收完毕。

协作传输方式的数据接收：所有的协作簇按照时分多址（TDMA）方式在各自的时间帧内向移动Sink发送数据。每一个协作簇采用空时块码（STBC）编码方式，簇内两个节点形成一个虚拟天线阵，每个节点将自己的数据发送给虚拟天线阵内的另一个节点。当虚拟天线阵内的另一个节点收到发送来的数据后，该虚拟天线阵按照STBC的编码方式对其含有的两个节点的数据进行分布式编码，并按照移动Sink对TDMA帧的安排在相应时隙内采用多天线（MIMO）方式发送该虚拟天线阵内节点编码后的数据给移动Sink。因为协作簇内每个节点都接收到了另一个节点发送过来的数据，所以需要对每个节点分别进行编码，即采用的编码方式为分布式的。

作为可选的，点对点传输方式的数据接收：该传感器节点直接将自身的数据发送给移动sink，以完成数据的接收。

本发明实施例通过多跳传输方式、协作传输方式与点对点传输方式相结合，可以根据传感器节点与移动sink的距离选择最节省能耗且最佳的传输方式进行数据的传输，有效的降低了整个无线传感器网络的总能耗，从而延长了无线传感器网络的寿命。

本发明的具体实施方式还提供了一种无线传感器网络确定传输方式的装置，其具体可以用移动sink和无线传感器网络中的无线传感器组成，如图3所示，包括：

最大跳数确定单元31，用于根据对无线传感器网络中多跳传输和协作传输的能耗进行比较确定多跳传输方式节省能耗的最大跳数。

具体地，通过对无线传感器网络中采用多跳传输时通信能耗与采用协作传输时通信能耗的比较，确定出采用多跳传输节省能耗的范围和采用协作传输节省能耗的范围，并根据所述采用多跳传输节省能耗的范围确定多跳传输方式节省能耗的最大跳数，具体所述通信能耗可以为传输能耗和/或电路能耗。

多跳传输确定单元32，用于在所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围内形成多跳网络采用多跳传输方式。

具体可以包括路由信息广播子单元和多跳数据接收子单元，

所述路由信息广播子单元，用于沿预定轨迹匀速行驶，并在运行轨迹中设定的若干停留点广播路由信息，所述路由信息包括多跳传输方式节省能耗的最大跳数和变量值，所述变量值为所述移动sink的初始变量值0。

进一步，无线传感器网络中的传感器节点，具体用于接收到所述路由信息的传感器节点作为第一跳传感器节点，所述第一跳传感器节点将自身的变量修改为所述路由信息中所述变量值加1，将所述路由信息中最多跳传输方式节省能耗的最大跳数减1以及将所述路由信息中所述变量值加1，并将修改后的所述路由信息转发给其它传感器节点，若其它传感器节点接收到的路由信息中的变量值小于自身的变量，则所述其它传感器节点将自身的变量修改为接收到的所述路由信息中的变量值加1，将接收到的所述路由信息中最多跳传输方式节省能耗的最大跳数减1以及将接收到的所述路由信息中所述变量值加1，并将修改后的所述路由信息继续转发，直到路由信息中最多跳传输方式节省能耗的最大跳数为0，则停止转发路由信息；若其它传感器节点接收到的路由信息中的变量值大于等于自身的变量，则不作处理，以形成多跳网络。

所述多跳数据接收子单元，用于在形成的多跳网络中沿预定轨迹匀速行驶，并在运行轨迹中设定的若干停留点接收多跳网络中不同的第一跳传感器节点在不同时隙发送的数据，所述数据为多跳网络中其它传感器节点逐级转发给第一跳传感器节点后，所述第一跳传感器节点融合后的数据。

协作传输确定单元33，用于在所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围外根据无线传感器网络中传感器的位置信息组成协作簇采用协作传输方式。

具体地，协作传输确定单元还可以包括协作簇形成子单元和协作数据接收子单元：

所述协作簇形成子单元，用于接收所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围外的传感器节点发送自身的位置信息，根据所述位置信息将相邻的两个传感器节点组成一簇，并将成簇信息反馈给各传感器节点，所述成簇信息包括与其成簇的伙伴传感器节点的身份标识、位置信息和数据准备状况指示报告，以形成协作簇。

所述协作数据接收子单元，用于接收不同协作簇在不同时隙发送的数据，所述数据为所述协作簇采用空时块码的编码方式对协作簇中两个传感器节点的数据进行分布式编码后的数据。

作为可选的，还可以包括点对点传输确定单元，用于当无线传感器网络中的传感器节点不能组成所述协作传输确定单元33中所述协作簇时，采用点对点的传输方式。

上述装置中包含的各单元的处理功能的具体实现方式在之前的方法实施例中已经描述，在此不再重复描述。

值得注意的是，上述装置实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各方法实施例中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，相应的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种无线传感器网络确定传输方式的方法，其特征在于，包括：

根据对无线传感器网络中多跳传输和协作传输的能耗进行比较确定多跳传输方式节省能耗的最大跳数；

在所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围内形成多跳网络采用多跳传输方式；

在所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围外根据无线传感器网络中传感器的位置信息组成协作簇采用协作传输方式；

所述在所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围内形成多跳网络，包括：

移动sink沿预定轨迹匀速行驶，并在运行轨迹中设定的若干停留点广播路由信息，所述路由信息包括多跳传输方式节省能耗的最大跳数和变量值，所述变量值为所述移动sink的初始变量值0，接收到所述路由信息的传感器节点作为第一跳传感器节点，所述第一跳传感器节点将自身的变量修改为所述路由信息中所述变量值加1，将所述路由信息中最多跳传输方式节省能耗的最大跳数减1以及将所述路由信息中所述变量值加1，并将修改后的所述路由信息转发给其它传感器节点，若其它传感器节点接收到的路由信息中的变量值小于自身的变量，则所述其它传感器节点将自身的变量修改为接收到的所述路由信息中的变量值加1，将接收到的所述路由信息中最多跳传输方式节省能耗的最大跳数减1以及将接收到的所述路由信息中所述变量值加1，并将修改后的所述路由信息继续转发，直到路由信息中最多跳传输方式节省能耗的最大跳数为0，则停止转发路由信息；若其它传感器节点接收到的路由信息中的变量值大于等于自身的变量，则不作处理，以形成多跳网络；

所述在所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围外根据无线传感器网络中传感器的位置信息组成协作簇采用协作传输方式，包括：

移动sink接收所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围外的传感器节点发送自身的位置信息，根据所述位置信息将相邻的两个传感器节点组成一簇，并将成簇信息反馈给各传感器节点，所述成簇信息包括与其成簇的伙伴传感器节点的身份标识、位置信息和数据准备状况指示报告，以形成协作簇；

移动sink接收不同协作簇在不同时隙发送的数据，所述数据为所述协作簇采用空时块码的编码方式对协作簇中两个传感器节点的数据进行分布式编码后的数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据对无线传感器网络中多跳传输和协作传输的能耗进行比较确定多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围，包括：

通过对无线传感器网络中采用多跳传输时通信能耗与采用协作传输时通信能耗的比较结果，确定出采用多跳传输节省能耗的范围和采用协作传输节省能耗的范围，并根据所述采用多跳传输节省能耗的范围确定多跳传输方式节省能耗的最大跳数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围内形成多跳网络采用多跳传输方式包括：

移动sink在形成的多跳网络中沿预定轨迹匀速行驶，并在运行轨迹中设定的若干停留点接收多跳网络中不同的第一跳传感器节点在不同时隙发送的数据，所述数据为多跳网络中其它传感器节点逐级转发给第一跳传感器节点后，所述第一跳传感器节点融合后的数据。

4.一种无线传感器网络确定传输方式的装置，其特征在于，包括：

最大跳数确定单元，用于根据对无线传感器网络中多跳传输和协作传输的能耗进行比较确定多跳传输方式节省能耗的最大跳数；

多跳传输确定单元，用于在所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围内形成多跳网络采用多跳传输方式；

协作传输确定单元，用于在所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围外根据无线传感器网络中传感器的位置信息组成协作簇采用协作传输方式；

所述多跳传输确定单元包括路由信息广播子单元：

路由信息广播子单元，用于沿预定轨迹匀速行驶，并在运行轨迹中设定的若干停留点广播路由信息，所述路由信息包括多跳传输方式节省能耗的最大跳数和变量值，所述变量值为移动sink的初始变量值0；

所述无线传感器网络中的传感器节点，用于接收到所述路由信息的传感器节点作为第一跳传感器节点，所述第一跳传感器节点将自身的变量修改为所述路由信息中所述变量值加1，将所述路由信息中最多跳传输方式节省能耗的最大跳数减1以及将所述路由信息中所述变量值加1，并将修改后的所述路由信息转发给其它传感器节点，若其它传感器节点接收到的路由信息中的变量值小于自身的变量，则所述其它传感器节点将自身的变量修改为接收到的所述路由信息中的变量值加1，将接收到的所述路由信息中最多跳传输方式节省能耗的最大跳数减1以及将接收到的所述路由信息中所述变量值加1，并将修改后的所述路由信息继续转发，直到路由信息中最多跳传输方式节省能耗的最大跳数为0，则停止转发路由信息；若其它传感器节点接收到的路由信息中的变量值大于等于自身的变量，则不作处理，以形成多跳网络；

所述协作传输确定单元包括协作簇形成子单元和协作数据接收子单元：

协作簇形成子单元，用于接收所述多跳传输方式节省能耗的最大跳数范围外的传感器节点发送自身的位置信息，根据所述位置信息将相邻的两个传感器节点组成一簇，并将成簇信息反馈给各传感器节点，所述成簇信息包括与其成簇的伙伴传感器节点的身份标识、位置信息和数据准备状况指示报告，以形成协作簇；

协作数据接收子单元，用于接收不同协作簇在不同时隙发送的数据，所述数据为所述协作簇采用空时块码的编码方式对协作簇中两个传感器节点的数据进行分布式编码后的数据。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述最大跳数确定单元，具体用于通过对无线传感器网络中采用多跳传输时通信能耗与采用协作传输时通信能耗的比较结果，确定出采用多跳传输节省能耗的范围和采用协作传输节省能耗的范围，并根据所述采用多跳传输节省能耗的范围确定多跳传输方式节省能耗的最大跳数。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述多跳传输确定单元还包括多跳数据接收子单元，用于在形成的多跳网络中沿预定轨迹匀速行驶，并在运行轨迹中设定的若干停留点接收多跳网络中不同的第一跳传感器节点在不同时隙发送的数据，所述数据为多跳网络中其它传感器节点逐级转发给第一跳传感器节点后，所述第一跳传感器节点融合后的数据。