CN103068073A - 无线传感器网络中数据不间断传输的方法 - Google Patents

Abstract

一种无线传感器网络中数据不间断传输的方法，该网络包括多个簇，每个簇有各自的簇头及簇成员，用户通过簇头获得簇成员的状态信息。本发明通过簇头选举组成簇结构，并且每个簇头都选出自己的备选簇头，在数据传输的过程中，簇头的数据备份到备选簇头。当簇头的电量过低或者备选簇头在预定时间内无法获得备份数据时，备选簇头申明成为簇头，并选出新簇头的备选簇头；当簇内成员的电量都很低时，重新组成簇结构。

Description

无线传感器网络中数据不间断传输的方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其是无线协作中继网络的技术领域。 

背景技术

近年来，随着无线通信、信息网络与集成电路等技术的迅速发展，新兴的无线传感器网络应运而生。集成了网络技术、嵌入式技术及传感器技术的无线传感器网络将逻辑上的信息世界与现实的物理世界组织在一起，同时彻底改变了人与自然的交互方式，特别是传感器技术和节点间的无线通信能力为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景，主要表现在军事、环境、健康、家庭和其他商业领域。 

无线传感器网络是集数据采集、处理及通信功能于一体的分布式自组织网络，由一组无线传感器以自组织方式构成的无线网络，其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发送给观测者。因此，无线传感器网络在科学研究、灾害监测、农业生产、城市交通、日常生活等领域具有非常广阔的应用前景。 

 无线传感器网络通常包括传感器节点、基站和任务管理节点。 

 基站通常具有较强的处理能力、存储能力和通信能力，它既可以是一个具有足够能量供给和更多内存资源与计算能力的增强型传感器节点，也可以是一个带有无线通信接口的特殊网关设备，也可以是从众多传感器节点中选取出来的节点。 

  传感器节点通常是一个嵌入式系统，因为受到体积、价格和电源供给受限，它的处理能力、存储能力有限，通信距离也十分有限，所以通常只与自身通信范围内的邻居节点交换数据。如果要访问自身通信范围以外的节点，必须使用多跳路由。为了保证采集到的数据信息能通过多跳路由送到基站，传感器节点的分布要相当的密集。每个传感器节点都具有信息采集和路由的双重功能，除了进行本地信息采集和数据处理外，还要存储。管理和融合其他节点转发过来的数据。同时与其他节点合作完成一些特定人任务。 

无线传感器网络的系统架构是：大量微型的传感器节点随机密布于整个被观测区域中，通过自组织的方式构成网络。这些传感器节点具有信息采集、信号处理和无线通信的功能，它们既是信息包的组织者，也是信息包的转发者。传感器节点对所采集到的信息进行初步处理，再以多跳中继的方式将其传送给基站，然后途径外部网络如Internet，卫星或移动通信网等相连，最终到达终端用户所在的任务管理器。终端用户也可以通过任务管理器对无线传感器网络进行管理和配置、发布监测任务以及收集回传数据。 

实际应用中，用户通常需要查询全部或部分网络中节点感知的数据，这就需要适合无线传感器网络的查询方法。无线传感器网络的查询方法通常与其路由技术紧密相关。目前根据网络拓扑逻辑结构无线传感器网络路由分为平面路由和分层路由两类。分层路由中，网络被划分为簇，每个簇有一个簇头和多个成员节点组成，簇头节点负责簇间业务的转发。 

可以看出，这个实现的网络故障的风险高度集中在簇头上，当簇头出现故障的情况下，该簇头所在簇的所有节点将无法与网关通信，网络将处于瘫痪状态，该簇的信息无法被用户获得；并且存储在簇头中的数据也全部丢失，无法恢复。因此急需提高簇头的可靠性，从而提高网络的可靠性。 

发明内容

  有鉴于此，本发明的目的是提供一种无线传感器网络中数据不间断传输的方法，以解决现在簇头可靠性的问题。 

这种无线传感器网络中数据不间断传输的方法，包括以下步骤： 

步骤S1，初始化阶段，选取簇头和网关节点，确定簇成员；

簇头选举主要基于下面的假设：

（1）网络里所有的节点完全相同并且能量非常有限；

（2）无线电信号在各个方向上能量的消耗相同；

（3）基站是固定的，并且离整个无线传感器网络较远；

传感器节点发送k bit数据所消耗的能量为：

       

传感器节点接收kbit数据所消耗的能量为：

       

其中，

是发射放大器的放大倍数，

是发送电路和接收电路消耗的能量，而

是由无线电通道所决定的常量，d是信号传输的距离，其中，

；因此，在本模型中，传输数据时电量消耗的大小与传输的距离成正比；

步骤S11，在簇头选举过程中，为传感器节点n随机选取一个在0,1之间的数字，成为标志值。如果n的这个标志值小于一个阈值T(n)的话，节点就当选为本轮的簇头节点，T(n)按照下面式子计算：

                    T(n)=

其中，p是网络中簇头所占总节点数目的百分比，r为当前的轮数。G是一个集合，集合中的节点是前1/p轮中没有充当过簇头的节点；

步骤S12，所述簇头在其邻居节点中选择一个节点成为网关节点，并广播簇头申明；节点收到所述簇头申明后，判断本节点是否是所述网关节点，若为否，则本节点作为候选簇成员，并将该簇头添加到本节点的簇头表；若为是，则禁止本节点加入任何簇；

步骤S13，候选簇成员判断簇头表里面的簇头是否已经找到网关节点，若为是，则所述候选簇成员将该簇头作为其候选父节点；候选簇成员在所述候选父节点中选择最大发送链路估计的簇头加入，成为该簇头的正式簇成员，组成簇结构；簇头从邻居节点中选出一个簇成员作为备选簇头，该备选簇头不能是网关节点。 

步骤S2，稳定阶段，簇头收集感知信息； 

步骤S21，在稳定工作阶段中，所述簇结构的簇头融合簇成员收集的感知数据，将融合后的感知数据返回基站；

步骤S22，以T1为周期，把簇头的数据备份到备选簇头中；

步骤S3，满足一定条件，更换簇头或重新进行簇的选举；

步骤S31，当满足一定条件时，簇头的数据在备选簇头中恢复，备选簇头成为簇头，选取出新簇头的备选簇头；

所述的一定条件包括：当簇头的剩余电量降到阈值N1时；此时，簇头向备选簇头发出消息，提示备选簇头成为新的簇头，备选簇头恢复簇头数据，并且向簇内成员广播簇头申明，在成员确认后，成为新的簇头，并且在邻居节点中选出新的备选簇头；

所述的一定条件还包括：当备选簇头在超过T2的时间内未获得来自簇头的备份数据时；备选簇头恢复簇头数据，并且向簇内成员广播簇头申明，在成员确认后，成为新的簇头，并且在邻居节点中选出新的备选簇头。

步骤S32，当簇内成员的电量都低于阈值N2时，回到步骤S1，重新进行簇的选举。 

进一步的，所述步骤S13中，从簇头的邻居节点中选出备选簇头的标准是电量最高的作为备选簇头。 

进一步的，所述步骤S21中具体包括， 

S41、所述簇结构中的簇头融合由簇成员收集的感知数据；

S42、将融合后的感知数据传递至所述网关节点；

S43、选择下一跳节点将所述感知数据路由至基站；簇头完成数据融合操作后，通过网关节点将融合后的数据传出查询区域，网关节点和查询区域外的普通节点也会周期性的选出自己的下一跳节点。

进一步的，所述步骤S22中备份的簇头信息包括，簇成员列表、簇头本身的工作状态。 

进一步的，所述步骤S31当中的阈值N1一般取值20%。 

进一步的，所述步骤S31当中的阈值T2一般取值1.5T1。 

进一步的，所述步骤S32当中的阈值N2一般取值10%。 

进一步的，所述方法应用在城市交通监控中。 

附图说明

 图1为本发明中无线传感器网络中数据不间断传输方法的流程图。 

 图2为本发明中传感器节点发送数据消耗能量的模型图。 

 图3为本发明中数据路由回基站的拓扑结构图。 

具体实施方式

 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

无线传感器网络的传感器节点分为簇头和网关节点、簇成员。现有的工业无线传感器网络中，包括多个独立的簇，每个簇包含一个簇和若干个簇成员。簇成员只能通过簇头、网关节点与基站进行通信。在本发明中，定义了“轮”的概念，一轮由初始化和稳定工作两个阶段组成，初始化阶段也就是选举簇头，组成簇结构的过程，稳定工作阶段就是数据传输的过程，为使消耗能量最小化，稳定工作阶段应远远长于初始化阶段。 

这样的话，簇成员的通信成功与否和簇头的状态有直接关系，在目前的现有技术中，如果簇头发生故障，簇头就不能从簇成员获得成员数据，也不能通过网关节点传输给用户；用户将不能获得所有簇成员的状态，从而使得该簇瘫痪。 

为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种实现无线传感器网络数据不间断传输的方法，如图1所示，包括以下步骤： 

步骤S1，初始化阶段，选举簇头和网关节点，确定簇成员；

簇头选举主要基于下面的假设：

（1）网络里所有的节点完全相同并且能量非常有限；

（2）无线电信号在各个方向上能量的消耗相同；

（3）基站是固定的，并且离整个无线传感器网络较远。

根据图2的模型，传感器节点发送k bit数据所消耗的能量为： 

       

传感器节点接收k bit数据所消耗的能量为：

       

       其中，

是发射放大器的放大倍数，

是发送电路和接收电路消耗的能量，由于实际相差不大，在这个模式里面就简化为两者相等，而是由无线电通道所决定的常量，d是信号传输的距离。其中，

。因此，在本模型中，电量消耗的大小与传输的距离成正比。

在初始化阶段，每个节点要决定是否充当本轮的簇头节点。这个决定主要取决于整个网络中的簇头节点所占节点数目的百分比，并且取决于这个节点在过去的操作中充当过簇头节点的次数。 

步骤S11，在簇头选举过程中，对于一个传感器节点n来说，为节点n随机选取一个在0,1之间的数字，成为标志值。如果n的这个标志值小于一个阈值T(n)的话，节点就当选为本轮的簇头节点。T(n)按照下面式子计算： 

                    T(n)=

其中，p是网络中簇头所占总节点数目的百分比(例如p=0.05),r为当前的轮数，比如当前是第20轮，则r=20。G是一个集合，集合中的节点是前1/p轮中没有充当过簇头的节点。使用这个门限，每个节点会在1/p轮操作内充当一次簇头。符号mod是求模运算符号。

步骤S12，拓扑关系如图3所示，候选簇头成为簇头2后，在其邻居节点中选择一个节点成为网关节点7，并广播其成为簇头的申明消息。节点收到所述簇头申明后，判断本节点是否是所述网关节点，若为否，则本节点作为候选簇成员，并将该簇头添加到本节点的簇头表；若为是，则禁止本节点加入任何簇。这是为了避免网关节点再把感知数据传回给原来的簇头而产生路由环路。 

步骤S13，候选簇成员判断簇头表里面的簇头是否已经找到网关节点，若为是，则所述候选簇成员将该簇头作为其候选父节点；即，还没有找到网关节点的簇头不能进行组簇，这是为了避免网关节点再把感知数据传回给原来的簇头而产生路由环路，如果簇头先进行组簇后在选择网关节点，这就可能存在网关节点再把感知数据传回给原来的簇头。 

在所述候选父节点中选择最大发送链路估计的簇头加入，成为该簇头的正式簇成员，组成簇结构。 

以上选择簇头加入的伪代码如下所述： 

If My_state == Gateway  Return;

For each C(i) in CH_Set {

       If C(i)->parent == null continue;

       Choose the best CH with the max sendEST;

}

其中C(i)是节点簇头表中记录的簇头。代码的第一行表示网关节点不会再加入任何簇头。第三行是指如果这个簇头还没有找到网关节点的则不会选其作为父节点。第四行是在符合条件的簇头中选择有最大发送链路估计的簇头作为自己的父节点。

簇头从邻居节点中选出一个簇成员作为备选簇头，该备选簇头不能是网关节点。为了节约路由消耗的能量，备选簇头是从簇头的邻居节点中选取出来的，也就是路由距离为一跳的节点中选出。而备选簇头的选取标准往往是按照电量的高低来选取的，一般来说选取电量最高的作为备选簇头。 

步骤S2，稳定阶段，簇头收集感知信息； 

在稳定工作阶段中，所述簇结构的簇头融合簇成员收集的感知数据，将融合后的感知数据返回基站。本步骤由以下步骤实现：

S41、所述簇结构中的簇头融合由簇成员收集的感知数据；

S42、将融合后的感知数据传递至所述网关节点；

S43、选择下一跳节点将所述感知数据路由至基站。数据路由回基站3的拓扑结构见图3，簇头2完成数据融合操作后，通过网关节点7将融合后的数据传出查询区域4，网关节点7和查询区域4外的普通节点也会周期性的选出自己的下一跳节点。其选择的依据是：在邻居节点中选择跳数最小的节点，如果跳数相同则选择发送链路估计最大的节点作为下一跳节点。

步骤S22，以T1为周期，把簇头的数据备份到备选簇头中。数据包括簇头中簇成员的信息、工作状态。备份的新数据可以覆盖以前的旧数据。 

步骤S3，更换簇头或重新进行簇的选举； 

步骤S31，当满足一定条件时，簇头的数据在备选簇头中恢复，备选簇头成为簇头，选取出新簇头的备选簇头。

所述的一定条件包括：当簇头的剩余电量降到阈值N1时。通常阈值N1的取值为20%。此时，簇头随时有可能发生因电量耗尽终止工作的情形。簇头向备选簇头发出消息，提示备选簇头成为新的簇头。此时，备选簇头恢复簇头数据，并且向簇内成员广播簇头申明，在成员确认后，成为新的簇头，并且在邻居节点中选出新的备选簇头。 

所述的一定条件还包括：当备选簇头在超过T2的时间内未获得来自簇头的备份数据时。通常T2选取为T1的1.5倍。当备选簇头在T2的时间内未获得来自簇头的备份数据时，可以判断的是，簇头因为发生故障停止了工作。在这种情况下用户的查询数据操作就不能进行了。为了能继续进行数据查询的操作，此时需要选出新的簇头。此时备选簇头恢复之前备份的簇头数据，并且向簇内成员广播簇头申明，在成员确认后，成为新的簇头，并且在邻居节点中选出新的备选簇头。 

步骤S32，当簇内成员的电量都低于阈值N2时，回到步骤S1，重新进行簇的选举。此时的簇内成员包括簇头和簇成员。N2的选值一般是10%。此时，簇内成员的电量都很低，为了保证整个网络的有效性，此时需要重新组成簇结构。 

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。 

Claims (8)

1.一种无线传感器网络中数据不间断传输的方法，包括以下步骤：

步骤S1，初始化阶段，选举簇头和网关节点，确定簇成员；

簇头选举主要基于下面的假设：

（1）网络里所有的节点完全相同并且能量非常有限；

（2）无线电信号在各个方向上能量的消耗相同；

（3）基站是固定的，并且离整个无线传感器网络较远；

传感器节点发送k bit数据所消耗的能量为：

                                                   

传感器节点接收kbit数据所消耗的能量为：

    

其中，是发射放大器的放大倍数，

是发送电路和接收电路消耗的能量，而

是由无线电通道所决定的常量，d是信号传输的距离，其中，

；因此，在本模型中，传输数据时电量消耗的大小与传输的距离成正比；

步骤S11，在簇头选举过程中，为传感器节点n随机选取一个在0,1之间的数字，成为标志值；

如果n的这个标志值小于一个阈值T(n)的话，节点就当选为本轮的簇头节点，T(n)按照下面式子计算：

          T(n)=

其中，p是网络中簇头所占总节点数目的百分比，r为当前的轮数；

G是一个集合，集合中的节点是前1/p轮中没有充当过簇头的节点；

步骤S12，所述簇头在其邻居节点中选择一个节点成为网关节点，并广播簇头申明；节点收到所述簇头申明后，判断本节点是否是所述网关节点，若为否，则本节点作为候选簇成员，并将该簇头添加到本节点的簇头表；若为是，则禁止本节点加入任何簇；

步骤S13，候选簇成员判断簇头表里面的簇头是否已经找到网关节点，若为是，则所述候选簇成员将该簇头作为其候选父节点；候选簇成员在所述候选父节点中选择最大发送链路估计的簇头加入，成为该簇头的正式簇成员，组成簇结构；簇头从邻居节点中选出一个簇成员作为备选簇头，该备选簇头不能是网关节点；

步骤S2，稳定阶段，簇头收集感知信息；

步骤S21，在稳定工作阶段中，簇结构的簇头融合簇成员收集的感知数据，将融合后的感知数据返回基站；

步骤S22，以T1为周期，把簇头的数据备份到备选簇头中；

步骤S3，更换簇头或重新进行簇的选举；

步骤S31，当满足一定条件时，簇头的数据在备选簇头中恢复，备选簇头成为簇头，选取出新簇头的备选簇头；

所述的一定条件包括：当簇头的剩余电量降到阈值N1时；此时，簇头向备选簇头发出消息，提示备选簇头成为新的簇头，备选簇头恢复簇头数据，并且向簇内成员广播簇头申明，在成员确认后，成为新的簇头，并且在邻居节点中选出新的备选簇头；

所述的一定条件还包括：当备选簇头在超过T2的时间内未获得来自簇头的备份数据时；备选簇头恢复簇头数据，并且向簇内成员广播簇头申明，在成员确认后，成为新的簇头，并且在邻居节点中选出新的备选簇头；

步骤S32，当簇内成员的电量都低于阈值N2时，回到步骤S1，重新进行簇的选举。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S13中，从簇头的邻居节点中选出备选簇头的标准是电量最高的作为备选簇头。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤S21中具体包括，

S41、所述簇结构中的簇头融合由簇成员收集的感知数据；

S42、将融合后的感知数据传递至所述网关节点；

S43、选择下一跳节点将所述感知数据路由至基站；簇头完成数据融合操作后，通过网关节点将融合后的数据传出查询区域，网关节点和查询区域外的普通节点也会周期性的选出自己的下一跳节点，直至传到基站。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S22中备份的簇头信息包括，簇成员列表、簇头本身的工作状态。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S31当中的阈值N1一般取值20%。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S31当中的阈值T2一般取值1.5T1。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S32当中的阈值N2一般取值10%。

8.如权利要求1-7所述的方法，其特征在于，所述方法应用在城市交通监控中。

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