CN103237313B - 基于数据输出过滤机制的无线传感器网络数据收集方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络数据收集方法，尤其是基于数据输出过滤机制的无线传感器网络数据收集方法。该方法针对灾难、极端环境等场景中的数据可靠收集问题而设计，通过局部配置网络和数据过滤机制提高汇聚节点解码效率，以提高网络数据收集效率的方法。该方法在增量网络编码方法的基础上提出了局部配置网络收集模型、预解码机制以及数据监听缓存机制等三部分该方法，通过局部配置网络模型，增设缓存节点，并与代理节点形成单跳数据收集树，在普通节点进行数据编码和交换时，缓存节点通过监听和过滤功能保存有效的编码数据，促使汇聚节点能够提高解码效率，提高整个网络数据的收集效率。该方法能够以接近理想收集速率收集网络数据，并具有良好的鲁棒性，适用于灾难、极端环境中的数据可靠、高效收集。

Description

基于数据输出过滤机制的无线传感器网络数据收集方法

技术领域

本发明主要涉及无线传感器网络领域，特别涉及一种基于数据输出过滤机制的无线传感器网络数据收集方法，适用于条件恶劣环境中的数据可靠收集。

背景技术

无线传感器网络是由大量的传感器节点通过无线通信方式组成的多跳自组织网络，这些传感器节点具有信息采集、数据处理和无线通信等功能，同时具有能量受限，计算和通信能力受限的特点。无线传感器网络能够在人们无法接近的恶劣或特殊环境中工作，如气候监控、外层空间以及战场环境和信息采集系统建设等，也可以在水灾、火灾或地震灾难性环境的灾害监测中发挥重要作用，这类场景是无线传感器网络一类常见的应用模式。然而在这类场景下，网络中的感知数据往往变得非常脆弱，其可用性在外界环境的影响下可能严重下降。如何提高各类场景下无线传感器网络的数据持久性和数据收集效率成为了该研究领域的重要问题。

传统的多跳无线传感器网络数据收集方法主要基于可靠路由传输策略而设计，但这类方法通常需要对网络进行全局预配置，例如传感器节点需要一定的网络全局信息。然而，在灾难等极端场景下，此类基于路由的收集方法往往显得低效而不适用，更可行的方法是用随机路由的方式来进行数据收集。近年来，此领域中基于网络编码的数据收集方法的研究得到了较多的关注。

基于增量码(Growth Codes)的数据收集协议较好地解决了灾难场景中数据可靠收集问题，有效地提高了零配置网络的数据持久性和数据收集速率。但该协议仍存在一些问题，研究者们针对不同的问题相继提出了相应的收集方法，如：胡世文等人在《基于Bloom过滤器改进的Growth Codes》一文中，在增量码的研究基础上，提出一种有效减少冗余数据传输，提高数据传输和解码速度的数据收集方法；万健等人在专利《基于节点分级策略的无线传感器网络编码数据采集方法》（专利号：201210052883）中，针对监测区域边缘数据的收集效率低下的问题，设计了一种基于节点分级策略的数据收集协议，改变了基于增量码的数据收集协议中完全随机的数据传输方式，使每个传感器节点以不同的概率来选取邻居节点进行数据传输，从而提高了边缘数据被汇聚节点恢复的概率，进而提高了整个网络数据收集的效率；王汝传等在专利《基于时间序列预测模型的无线传感器网络数据采集方法》（专利号：200910026101）中，针对能耗最小化问题，利用时间序列预测模型来完成对传感器节点的动态调度，优化采样频率，解决无线传感器网络能耗最小化的需求问题。

由于基于增量码的数据收集方法中数据交换和数据汇聚都是以完全随机的方式进行，从而使汇聚节点随着数据收集过程的推进收集到越来越多的含有已恢复数据单元的无效码字，致使其解码率逐渐下降。特别地，在数据收集后期，由于汇聚节点的解码率过低，其需要相当长的时间来获取最后未收集到的数据单元。若能为汇聚节点持续不断地提供有效码字，提高其解码率，缩短收集最后一部分数据的时间，将会大幅度提升汇聚节点的数据收集效率。

发明内容

本发明的目的在于：针对已有增量网络编码的无线传感器网络数据收集方法效率低的问题，提出一种高效的数据收集技术方法，保证网络的其他传感器节点能持续为汇聚节点提供有效码字，提高汇聚节点在每个时段的解码率，缩短收集全部数据所需的时间，提高整个网络系统收集数据的效率。

为了达到以上目的，本发明设计了数据输出过滤机制，使得有效码字能够更快地输出到汇聚节点进行解码。该机制主要包括局部配置网络收集模型、预解码机制以及数据监听缓存机制等三部分。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

步骤1：部署无线传感器网络

Step1:将N个传感器节点快速部署在欲监测区域内，各传感器节点通过自组织通信形成网络。

Step2:初始化所有传感器节点的配置信息，如邻居表、存储空间等。

Step3:选取区域边缘的一个传感器节点作为网络数据处理中心在网络中的代理节点，其中网络数据处理中心也称汇聚节点。

步骤2：网络局部配置，构建单跳收集树

Step1:代理节点广播一次hello信息，将所有接受到hello信息的传感器节点设置为缓存节点。

Step2:初始化代理节点和缓存节点的特有配置信息，如过滤位图、存储空间、开启预解码和监听缓存功能等。

步聚3：传感器节点采集数据和收集

Step1:网络中每个传感器节点i对环境进行数据采样并产生一个数据单元xi。

Step2:网络中每个传感器节点i将自身的存储空间全部存储为x_i，并且在一个额外的空间中保存x_i，作为该节点的编码源数据。

Step3:设maxdegree=1，当前所有码字的度不大于maxdegree。

Step4:在汇聚节点上初始化一个空的解码数据单元集合X，以及一个暂时不能解码的空码字集合Y。

Step5:设round=1，round表示数据收集进行的轮数。

Step6:若round=1，则所有缓存节点将自身产生的数据发送给代理节点，然后清空存储空间；否则（round>1），在本轮中，遍历网络所有传感器节点，如果传感器节点i为普通节点，即除代理节点和缓存节点以外的传感器节点，则需完成的工作为：

1)从C个存储的码字中随机挑选一个码字s。

2)如果degree(s)<maxdegree并且码字s中不包含数据单元x_i，那么对码字s进行编码操作：其中degree(s)表示码字s的度。

3)如果round≥K_maxdegree，maxdegree增加1，其中K_maxdegree为码字的度转换时刻。

4)随机挑选一个能与其直接进行通信的传感器节点j，即邻居节点，并用码字s与邻居节点j随机挑选的码字s’互相交换。

5)将码字s’存储在s的存储空间。

如果传感器节点i为缓存节点，则需完成的工作为：

1)监听邻居节点的码字广播（在与其他传感器节点交换码字时产生），如果该码字是有效码字，保存下来；否则，丢弃。

2)轮到该节点通信时，从存储空间中随机挑选一个码字s，并发送给代理节点。

3)最后，缓存节点i收到最新的过滤位图后，根据该位图清理存储空间中的冗余码字。

代理节点所需完成的工作：

1)接收到一个来自代理节点的一个码字s，如果当前该码字是有效码字且存储空间有空闲时，保存s到存储空间；特别地，如果预解码出该码字为可解码字，在过滤位图上标记上解出数据属于哪个传感器节点ID号。

2)轮到该节点通信时，发送一个有效码字给汇聚节点。

3)最后，代理节点将最新的过滤位图广播给所有的缓存节点。

汇聚节点所需完成的工作为：

1)接收到一个来自代理节点的一个码字。

2)运行迭代型解码器D程序进行解码，新解出的数据单元存入X中，当X中的数据单元数量为N时，转入Step8。

Step7:round增加1，转至Step6。

Step8:停止收集工作。

本发明有益效果：

1、本发明采用局部配置模型，即在零配置收集模型的基础上，对代理节点及其邻居节点进行配置，将代理节点的邻居节点设置为缓存节点，形成了四层收集模型，即汇聚节点层、代理节点层、缓存节点层和普通节点层，缓存节点层的增加过滤掉了那些冗余码字，促进了数据传输的效率和汇聚节点恢复数据的效率。

2、本发明通过为缓存节点添加预解码功能和监听缓存功能，并为代理节点和缓存节点设置了过滤器位图，通过为汇聚节点拓宽码字的选择范围，过滤掉冗余的无效码字，保证了代理节点能够持续不断地为汇聚节点传输有效码字，提高了数据收集的效率。

3、本发明通过由缓存节点和代理节点组成的单跳收集树，在结构上从无配置改进为局部配置，优化了码字输出调度策略，减少了无效码字的传输次数，从而节省了网络的能量资源。此外，本发明通过不同角色的传感器节点间相互协作，使数据的收集速率几乎接近了理想速率，并表现了良好的鲁棒性。

4、本发明相对基于增量码的数据收集方法使用了较多的存储空间，但并没有增加通信资源的代价，而且具有了非常良好的收集性能，本发明更加适用于灾难场景下的数据收集工作。

附图说明

图1为本发明技术采用的无线传感器网络模型示意图；

图2为基于增量码的数据收集协议的三层网络收集模型；

图3为本发明技术的四层网络收集模型；

图4为本发明技术中进行局部配置后的网络示意图；

图5为本发明技术中缓存节点的监听与过滤功能示意图；

图6为本发明技术中代理节点过滤位图更新示意图；

图7为本发明技术中缓存节点过滤位图更新示意图；

图8为解码器D的具体流程图；

图9为本发明技术的具体流程图。

具体实施方式

根据图1网络模型示意图，本发明技术采用的无线传感器网络为：N个传感器节点被随机部署在一个L×L的监测区域内。汇聚节点被安放在监测区域外部来进行数据处理和恢复工作。汇聚节点在监测区域边缘选择一个传感器节点作为其代理节点。网络中所有的数据都是经过代理节点传输到汇聚节点的。在网络开始工作前，代理节点将进行局部配置，即：发送一次广播，将其所有邻居节点设置为缓存节点，形成一个单跳收集树结构，并使它们具有预解码功能和监听缓存功能，最后为代理节点和缓存节点均设置一个过滤位图。网络中其他普通节点只与其通信范围内的领居节点进行直接通信。

本发明技术主要包括局部配置网络收集模型、预解码机制和数据监听缓存机制三个部分：

1、局部配置网络收集模型

从网络节点的角色来看，已有基于增量码的数据收集协议的网络结构可以看成一种如图2所示的三层收集模型。在本发明技术中，通过局部配置，在代理节点周围增添了缓存节点层，形成如图3所示的四层收集模型。该四层模型仅需在网络布置完毕后，代理节点通过向其邻居节点广播一个hello消息，接收到消息的邻居节点将被设置为缓存节点。在该四层收集模型下，缓存节点的主要任务是监听普通节点之间的码字交换，并从中根据过滤位图挑选有效码字，最终通过代理节点将这些有效码字发送给汇聚节点。

2、预解码机制

为了接收和发送有效码字，代理节点和缓存节点需要判断码字的类型，在本发明技术中，该过程主要通过预解码机制完成。首先，传感器节点须知道汇聚节点迄今已经收集到了哪些数据，从而针对性地接收和发送有效码字。在本发明提出的局部配置网络模型中，由于缓存节点和代理节点需要使用预解码机制，这些传感器节点均设置一个过滤位图，用于记录汇聚节点已经恢复出的数据单元所属传感器节点的ID号。在本发明的具体实现中，采用位图结构来表示该过滤位图：boolean data_recovered[node_num]。

在网络开始收集数据时，过滤位图均被初始化为false，表示汇聚节点还未收集到任何数据。当代理节点或缓存节点监听或发送一个码字s_i时，通过计算其与已恢复数据集合X的距离dist(s_i,X)来判断该码字是否为可以解码出新的数据单元，从而进行相应的处理操作；其中，码字s_i和集合X的距离dist(s_i,X)定义为构成码字s_i的d个数据单元与集合X中的原始数据单元所不同的个数。本发明中，上述过程称为预解码。

缓存节点使用预解码机制进行码字监听过滤，其主要原理是：缓存节点通过自身的过滤位图，判断所监听的码字是无效的码字还是含有新数据单元的有效码字；如果判断监听的码字为有效码字，则保存；如果为无效码字，则丢弃。而代理节点使用预解码机制对发送给汇聚节点的码字进行过滤；如果判断出码字s是冗余码字，则表示汇聚已经恢复出了s中包含的所有数据单元，因此不发送这个类型的码字；如果判断出码字s是可解码字，则优先发送，表明汇聚节点将恢复出相应传感器节点的数据单元；如果判断出码字s是有效码字但暂时不能解出新的数据单元，同样发送给汇聚节点，但不具有优先发送权，因为该码字无法使汇聚节点立即解出新的数据单元。

由于过滤位图是保证预解码机制的重要基础，随着汇聚节点收集数据量的增加，代理节点和缓存节点上的过滤位图的更新变得十分重要。

代理节点主要通过预解码机制进行过滤位图更新，而缓存节点的更新过程主要通过代理节点的位图广播。

3、数据监听缓存机制

为了使代理节点能够持续不断地为汇聚节点输送有效码字，本发明设计了数据监听缓存机制，使缓存节点监听并保存有效数据。该机制的主要原理就是缓存节点通过预解码机制判断从普通节点监听到的码字是无效的码字还是有效码字。如果判断监听的码字为有效码字，则保存下来；如果为无效码字，则丢弃。由于缓存节点的数量较多，在每一轮的码字监听中，可以从中保存很多有效码字，从而有效地保证了代理节点能够持续不断地向汇聚节点发送有效码字进行解码。缓存节点从保存下来的有效码字中选取一个码字发送给代理节点，代理节点根据预解码机制判断该码字是否为能解出新的数据单元，若能解出，则将其优先发送给汇聚节点，并更新过滤位图。最后代理节点将向所有的缓存节点广播最新的过滤位图，以保持两类传感器节点间的同步。

下面将通过一个例子来更加形象地描述本技术发明的具体实施方式。如图4，网络中随机布置了13个传感器节点，并且每个传感器节点可以和网络中的一部分传感器节点通信（图中有线段相连的两个传感器节点可直接通信）。在此例中，1#传感器节点为代理节点，代理节点的邻居节点2#和4#则是缓存节点，从图中可以看出，缓存节点可以监听4个普通节点3#，6#，7#和8#，其它均为普通节点，进行码字存储和交换。

在本发明技术中，缓存节点的主要任务是监听普通节点间的码字交换。如，8#传感器节点和10#传感器节点互相交换码字。由于2#缓存节点是8#普通节点的邻居，即在码字交换时当8#传感器节点向10#传感器节点发送码字的时候，2#缓存节点也可以接收到该码字。如图5所示，假设8#传感器节点向10#传感器节点发送了一个码字2#缓存节点也将接收到该码字，它根据过滤位图判断出该码字包含新的数据单元，并保存该码字。

根据本发明，在每一轮中2#缓存节点需要随机发送一个码字给1#代理节点。如图6所示，若代理节点收到来自2#缓存节点的码字并判断出可以解出新数据单元，则更新过滤位图。

在每一轮的最后，如图7所示，1#代理节点将最新的过滤位图广播给2#缓存节点和4#缓存节点。汇聚节点在每一轮里都会接收到由代理节点发送的有效码字，通过运行解码器D（解码器D具体流程图如图8所示）对该码字进行解码。随后缓存节点根据收到的最新过滤位图清理缓存中的冗余码字。

本技术发明的具体流程图如图9所示。

Claims (5)

1.基于数据输出过滤机制的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于该数据收集方法包括以下步骤：

步骤1：部署无线传感器网络

Step1:将N个传感器节点快速部署在欲监测区域内，各传感器节点通过自组织通信形成网络；

Step2:初始化所有传感器节点的配置信息，包括邻居表和存储空间；

Step3:选取区域边缘的一个传感器节点作为网络数据处理中心在网络中的代理节点，其中网络数据处理中心也称汇聚节点；

步骤2：网络局部配置，构建单跳收集树

Step1:代理节点广播一次hello信息，将所有接受到hello信息的传感器节点设置为缓存节点；

Step2:初始化代理节点和缓存节点的特有配置信息，包括过滤位图、存储空间、开启预解码和监听缓存功能；

步聚3：传感器节点采集数据和收集

Step 1:网络中每个传感器节点i对环境进行数据采样并产生一个数据单元x_i；

Step 2:网络中每个传感器节点i将自身的存储空间全部存储为x_i，并且在一个额外的空间中保存x_i，作为该节点的编码源数据；

Step 3:设maxdegree＝1，当前所有码字的度不大于maxdegree；

Step 4:在汇聚节点上初始化一个空的解码数据单元集合X，以及一个暂时不能解码的空码字集合Y；

Step 5:设round＝1，round表示数据收集进行的轮数；

Step 6:若round＝1，则所有缓存节点将自身产生的数据发送给代理节点，然后清空存储空间；若round>1，在本轮中，遍历网络所有传感器节点，如果传感器节点i为普通节点，即除代理节点和缓存节点以外的传感器节点，则需完成的工作为：

1)从C个存储的码字中随机挑选一个码字s；

2)如果degree(s)<maxdegree并且码字s中不包含数据单元x_i，那么对码字s进行编码操作：其中degree(s)表示码字s的度；

3)如果round≥K_maxdegree，maxdegree增加1，其中K_maxdegree为码字的度转换时刻；

4)随机挑选一个能与其直接进行通信的传感器节点j，即邻居节点，并用码字s与邻居节点j随机挑选的码字S’互相交换；

5)将码字S’存储在s的存储空间；

如果传感器节点i为缓存节点，则需完成的工作为：

1)监听邻居节点的码字广播，如果该码字是有效码字，保存下来；否则，丢弃；

2)轮到该节点通信时，从存储空间中随机挑选一个码字s，并发送给代理节点；

3)最后，缓存节点i收到最新的过滤位图后，根据该位图清理存储空间中的冗余码字；

代理节点所需完成的工作：

1)接收到一个来自代理节点的一个码字s，如果当前该码字是有效码字且存储空间有空闲时，保存s到存储空间；特别地，如果预解码出该码字为可解码字，在过滤位图上标记上解出数据属于哪个传感器节点ID号；

2)轮到该节点通信时，发送一个有效码字给汇聚节点；

3)最后，代理节点将最新的过滤位图广播给所有的缓存节点；

汇聚节点所需完成的工作为：

1)接收到一个来自代理节点的一个码字；

2)运行迭代型解码器D程序进行解码，新解出的数据单元存入X中，当X中的数据单元数量为N时，转入Step 8；

Step 7:round增加1，转至Step 6；

Step 8:停止收集工作。

2.根据权利要求1所述的基于数据输出过滤机制的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于：在步骤2中，代理节点通过一次广播，将其所有邻居节点设置为缓存节点，构成了单跳收集树结构；每个代理节点和缓存节点都配置了一个过滤位图，并具有预解码功能和监听缓存功能。

3.根据权利要求1所述的一种基于数据输出过滤机制的无线传感器网络编码数据收集方法，其特征在于：在步骤3中，每个传感器节点的角色不同，具有不同的功能，在每轮所需要做的工作也有所不同；普通节点在数据收集阶段将采用增量码数据收集协议的编码方式和传输方式进行工作，不同的是，本方法根据新的数据传输模型对度转换时刻序列{K_i}进行重新计算得到的，并得出了最优的度转换时刻序列：其中R_i表示汇聚节点从度不大于i的码字中解码出数据单元的数量，ζ_r,d表示在汇聚节点已经解码出r个数据单元，且当前码字度为d时，每轮能够解码出新数据单元的概率。

4.根据权利要求1所述的一种基于数据输出过滤机制的无线传感器网络编码数据收集方法，其特征在于：在步骤3中，所有缓存节点采用数据监听缓存机制和预解码机制，并根据代理节点提供的最新过滤位图对网络中交换的码字进行过滤和监听，保存含有新数据的有效码字，从而保证了为代理节点不断地提供有效码字。

5.根据权利要求1所述的一种基于数据输出过滤机制的无线传感器网络编码数据收集方法，其特征在于：在步骤3中，代理节点采用预解码机制来判断来自缓存节点的码字是否为有效码字，并决定是否存储；每轮中代理节点都会为汇聚节点提供一个有效码字，并根据汇聚节点最新解码情况更新过滤位图，最后广播给所有缓存节点，使信息保持同步。