CN103402234A - 一种无线传感器网络数据汇聚方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络数据汇聚方法，包括路径探索阶段和数据汇集阶段：所述路径探索阶段在媒质访问控制层MAC实现，首先从基站发起路径查询信标帧，各个中转节点利用信标帧的接收、重构、再发送过程为自己建立“下一跳绑定表NHBT”，以跳数为评价指标，逐跳搜索距离基站最短的下一跳转发节点，从而反向查询各个源节点到基站的最短路径；所述数据汇集阶段是各个源节点在路径探索阶段出现的多条最短路径中，利用负载均衡原理选择一条最短路径把原始感知数据传递到基站。本发明具有路径最优、计算简洁、节点存储表小，通信量少、无环路的效果优点。

Description

一种无线传感器网络数据汇聚方法

技术领域

本发明涉及无线网络和移动计算领域，特别涉及一种无线传感器网络数据汇聚方法。

背景技术

近年来，无线传感器网络（WSN）领域的信息采集与监测技术得到了学术界和工业界的广泛关注，在环境信息检测、农业生产、医疗健康监护、军事侦察、建筑与家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。WSN一般由部署在同一区域的传感器节点组成，通过多个节点协同监测同一环境对象或目标，并将它们的监测数据传给汇聚节点sink或基站进行融合处理，这一过程称为数据汇聚。为了尽量延长计算能力有限、能量供应有限、存储空间有限、通信能力有限的传感器网络的生命期，有效数据汇聚的主要思想包括两个方面：一是选择最短路径来向基站传递原始传感数据，二是将多个不同节点传来的原始数据进行融合，消除冗余，获得被测对象的一致性描述。本专利是就第一方面开展的技术发明创新。

在此之前，已有的关于数据汇聚方法的文献和专利，他们的设计思想基本上是从各节点开始探索自身到达基站的路径，不但形成了大量的通信量，而且有的算法复杂度较高，不适合用于一些特定的场合。比如已有文献公开了一种基于反向组播树的路由方法，组播树的构造按照多源节点向一个Sink节点发送数据的过程建立，形成一个以Sink节点为根的树，其后节点只需将数据发送到一个树上的节点即可经过融合转发到Sink节点。

已有文献针对传感器网络节点资源有限的特点，公开了一种基于数据融合树的路由算法，组播树的构造过程思想是：在保证与Sink节点距离最短的情况下，选择与已计算源节点最近的路径，通过源节点之间共享尽可能长的路径来降低生成树的总消耗。该算法通过快速构造最小生成树来建立一个虚拟骨干网，使得数据高效的传输。

已有文献公开了一种MAX-MIN蚂蚁系统算法和自适应蚁群革统算法相结合的生成树构造方法，在此基础上，源节点的数据发送到构造好的生成树上，经过融合后传输到Sink节点，减少了网络中传输的数据量，是一种有效的数据融合方法。然而，该算法在实施过程中时间复杂度很大，并且线性编程中节点总数过大时处理会很困难。

已有专利公开了一种基于移动汇聚节点的无线传感器网络的数据收集方法，该方法基本思想是，将感知到相同时间的节点进行局部数据融合，产生源节点；源节点分发状态数据包选出数据分发节点，汇聚节点选出代理节点，转发查询数据包；收到查询数据包的节点将事件数据发送到代理节点，代理节点将事件数据发送到汇聚节点。此方法是使用移动汇聚节点来收集数据，与我们采用静态汇聚节点收据数据的背景截然不同。

已有专利公开了一种可以使树形拓扑随着时间变化，充分利用网络能量，减少延迟的数据汇聚方法，基本思想是，根节点发现邻居节点和基站，建立树形拓扑链接关系，然后根节点汇聚邻居节点的数据，向基站发送数据。该方法可以使各个节点能量消耗趋于平衡，可使基站较快地获取数据。但是，该方法面向拓扑实时变化的传感器网络，与我们研究的通用的传感网应用场景不同，并且该方法需要大量更新邻居列表，在实施的过程中时间复杂度较高。

已有专利公开了一种形成汇聚梯度的无线传感器网络路由的方法。该方法主要步骤为：节点接收到并判断路由建立帧，形成近汇聚节点路由；然后形成远汇聚节点（sink节点）路由；最后节点处理路由请求及回复，进行数据的传输与汇聚。该方法减少了无线传感器网络系统的控制开销，延长了网络的生存时间。但是该方法所建立的无线传感器网络是MESH型的网络拓扑，每个节点有若干个父节点，没有充分考虑父节点的能量均衡利用及选取策略。

CTP（collection tree protocol）汇聚树协议也是一种基于树状结构的WSN数据汇聚协议，网络中的一些节点将自己设为根节点，节点之间形成到根节点的树的集合。CTP是没有地址的，节点并不是向固定的根节点发送数据包，而是通过选择下一跳隐式地选择根节点。CTP使用期望传输值作为路由梯度，节点根据路由梯度，选取期望传输值最小的那条路径形成到根节点的路由。CTP以节点间链路质量估计作为选择父节点的依据，到汇聚节点的跳数可能不是最少的，这与我们以跳数作为选择父节点的依据不同，从而最短路径选择思路不同。它是一个任意播协议，意味着这个协议会将消息尽力传输到任意节点中的至少一个，但是这个传输并不保证必定是成功的。另外还有传到多个根节点的问题，而且数据包到达的顺序也没有保证。

综上所述，尚没有一种无线传感器网络数据汇聚方法，通过根节点逐跳发送MAC层的帧来构造生成树，进而完成数据汇聚。

发明内容

本发明的目的就是为了解决无线传感器网络数据汇聚问题，提供一种各个节点沿跳数最短路径向基站传递原始数据的实现方法，它具有路径最优、计算简洁、节点存储表小，通信量少、无环路的效果优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种无线传感器网络数据汇聚方法，包括路径探索阶段和数据汇集阶段：

所述路径探索阶段在媒质访问控制层MAC实现，首先从基站发起路径查询信标帧，各个中转节点利用信标帧的接收、重构、再发送过程为自己建立“下一跳绑定表NHBT”，以跳数为评价指标，逐跳搜索距离基站最短的下一跳转发节点，从而反向查询各个源节点到基站的最短路径；

所述数据汇集阶段是各个源节点在路径探索阶段出现的多条最短路径中，利用负载均衡原理选择一条最短路径把原始感知数据传递到基站。

所述下一跳绑定表包含三个条目：最小跳数（HC_NHBT）、下一跳节点集（NHS）和有效时间（ET）。

所述最小跳数是该节点作为发送数据的源节点时到基站的最小跳数，其值会随着下一跳节点集中元素的更新而更新，在下一跳绑定表建立之前，跳数的初始值为2¹²；

所述下一跳节点集是允许选择的到基站路径最短的下一跳转发节点集合，集合中的元素允许为一个或多个，根据信标帧的接收流程而更新，元素包含下一跳节点及其能量指示值，在下一跳绑定表建立之前，下一跳节点集初始值为空集；

所述有效时间是指下一跳绑定表的有效时间，有效时间一般根据无线传感器网络的应用场景设置为固定值；所述应用场景包括节点移动与否，平均电池能量多少、工作周期。

所述信标帧发送过程中的信标帧中必选字段有三个：控制（2字节）、源地址（2字节）和目的地址（2字节），其中控制字段包含当前跳数（HC_Expl）、能量指示（energy indicator,EI）和生存时间（time to live,TTL）；

所述当前跳数（11位）指的是信标帧发送节点到基站的最短路径跳数；

所述能量指示（4位）指的是信标帧发送节点的剩余能量；

所述生存时间（1位）在发送节点处总是置1，接收节点将其减1置0，不再继续广播同样的信标帧。

所述信标帧发送与接收过程总是在无线传感器网络WSN的相邻节点之间发生，非相邻节点不产生直接通信。

所述信标帧的接收过程，包括如下步骤：

步骤（a1）：比较HC_Expl与HC_NHBT-1的大小，如果HC_Expl<HC_NHBT-1，则更新下一跳绑定表；

步骤（a2）：如果HC_Expl=HC_NHBT-1，则更新下一跳绑定表中的下一跳节点集；

步骤（a3）：如果HC_Expl>HC_NHBT-1，则丢弃该帧，不触发任何事件。

所述步骤（a1）的具体步骤如下：

步骤（a1-1）：清空下一跳节点集NHS，把信标帧发送端的节点地址及其能量指示值添加入NHS中；

步骤（a1-2）：令HC_NHBT=HC_Expl+1；

步骤（a1-3）：将TTL位置0，丢弃该帧；

步骤（a1-4）：构建新的信标帧，令其字段HC_Expl=HC_Expl+1；

步骤（a1-5）：向邻居节点广播新的信标帧。

所述步骤（a2）的具体步骤如下：

步骤（a2-1）：检查信标帧发送端节点是否已经在下一跳节点集NHS中；

步骤（a2-2）：如果是则丢弃该帧，不触发任何事件；

步骤（a2-3）：如果否，则把信标帧发送端的节点地址及其能量指示值添加入NHS中，然后丢弃该帧，不再构建新的信标帧。

所述数据汇集阶段的过程，包括如下步骤：

步骤（b1）：源节点检查NHBT中的有效时间ET，如果ET=0，则启动路径探索；

步骤（b2）：如果ET>0，则判断HC_NHBT是否等于0，是则结束；

步骤（b3）：否则必然HC_NHBT>0，那么选择下一跳节点集中能量指示值最大的节点作为基站转发数据；

步骤（b4）：中间节点重复步骤（b2）和（b3），直到数据到达基站。

本发明的有益效果：

（1）本发明的方法流程简洁，节点存储表小，适合WSN节点低计算能力、低存储能力的特点。

（2）由于路径探索阶段是从父节点（根节点）发起信标帧，并且当且仅当下一跳绑定表中的HC_NHBT有更新时触发新的信标帧，所以不会形成回路，并且对于连通的WSN拓扑图能保证遍历全网节点，大幅减少了网络内通信量，适合WSN带宽低、节点通信能力小的特点。

（3）从基站发起路径探索，每次广播的信标帧被邻节点接收、处理后即丢弃，不会带来广播风暴，并具有全网节点遍历性。

（4）数据汇集阶段所利用的负载均衡原理有效的平衡了各节点的能量消耗，有利于延长网络生命周期。

(5)所述路径探索阶段，要求WSN中各个节点（源端）都查询自己到基站的跳数最小路径，当传感器节点数目为n时，需要n次查询过程，带来大量网络通信量。本发明采取逆向思维，利用目的端节点唯一（即基站）的特点，从基站发起路径查询信标帧，遍历全网，从而可以一次性获得各个节点到基站的跳数最小路径。

附图说明

图1是本发明的主流程图；

图2是本发明的信标帧接收处理流程；

图3是本发明信标帧接收处理过程中更新下一跳绑定表的操作流程示意图；

图4是本发明信标帧接收处理过程中更新下一跳节点集的操作流程示意图；

图5是本发明最短路径选择的处理流程；

图6是本发明路径探索阶段的一种实例；

图7是本发明信标帧的一种实例；

图8是本发明下一跳绑定表的一种实例；

图9是本发明信标帧的一种实例。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种无线传感器网络数据汇聚方法，包括路径探索阶段和数据汇集阶段：

所述路径探索阶段在媒质访问控制层MAC实现，首先从基站发起路径查询信标帧，各个中转节点利用信标帧的接收、重构、再发送过程为自己建立“下一跳绑定表NHBT”，以跳数为评价指标，逐跳搜索距离基站最短的下一跳转发节点，从而反向查询各个源节点到基站的最短路径；

所述数据汇集阶段是各个源节点在路径探索阶段出现的多条最短路径中，利用负载均衡原理选择一条最短路径把原始感知数据传递到基站汇聚。

所述下一跳绑定表包含三个条目：最小跳数（HC_NHBT）、下一跳节点集（NHS）和有效时间（ET）。

所述最小跳数是该节点作为发送数据的源节点时到基站的最小跳数，其值会随着下一跳节点集中元素的更新而更新，在下一跳绑定表建立之前，跳数的初始值为2¹²；

所述下一跳节点集是允许选择的到基站路径最短的下一跳转发节点集合，集合中的元素允许为一个或多个，根据信标帧的接收流程而更新，元素包含下一跳节点及其能量指示值，在下一跳绑定表建立之前，下一跳节点集初始值为空集；

所述有效时间是指下一跳绑定表的有效时间，有效时间一般根据无线传感器网络的应用场景设置为固定值；所述应用场景包括节点移动与否，平均电池能量多少、工作周期。

所述信标帧发送过程中的信标帧中必选字段有三个：控制（2字节）、源地址（2字节）和目的地址（2字节），其中控制字段包含当前跳数（HC_Expl）、能量指示（energy indicator,EI）和生存时间（time to live,TTL）；

所述当前跳数（11位）指的是信标帧发送节点到基站的最短路径跳数；

所述能量指示（4位）指的是信标帧发送节点的剩余能量；

所述生存时间（1位）在发送节点处总是置1，接收节点将其减1置0，不再继续广播同样的信标帧。

所述信标帧发送与接收过程总是在无线传感器网络WSN的相邻节点之间发生，非相邻节点不产生直接通信。

所述信标帧的接收处理流程如图2所示，包括如下步骤：

步骤（a1）：比较HC_Expl与HC_NHBT-1的大小，如果HC_Expl<HC_NHBT-1，则更新下一跳绑定表；

步骤（a2）：如果HC_Expl=HC_NHBT-1，则更新下一跳绑定表中的下一跳节点集；

步骤（a3）：如果HC_Expl>HC_NHBT-1，则丢弃该帧，不触发任何事件。

所述步骤（a1）的具体步骤如下（图3）：

步骤（a1-1）：清空下一跳节点集NHS，把信标帧发送端的节点地址及其能量指示值添加入NHS中；

步骤（a1-2）：令HC_NHBT=HC_Expl+1；

步骤（a1-3）：将TTL位置0，丢弃该帧；

步骤（a1-4）：构建新的信标帧，令其字段HC_Expl=HC_Expl+1；

步骤（a1-5）：向邻节点广播新的信标帧。

所述步骤（a2）的具体步骤如下（图4）：

步骤（a2-1）：检查信标帧发送端节点是否已经在下一跳节点集NHS中；

步骤（a2-2）：如果是则丢弃该帧，不触发任何事件；

步骤（a2-3）：如果否，则把信标帧发送端的节点地址及其能量指示值添加入NHS中，然后丢弃该帧，不再构建新的信标帧。

由于路径探索阶段是从父节点（根节点）发起信标帧，并且当且仅当下一跳绑定表中的HC_NHBT有更新时触发新的信标帧，所以不会形成回路，并且对于连通的WSN拓扑图能保证遍历全网节点。

所述最短路径选择的流程如图5所示，包括如下步骤：

步骤（b1）：源节点检查NHBT中的有效时间ET，如果ET=0，则启动路径探索；

步骤（b2）：如果ET>0，则判断HC_NHBT是否等于0，是则结束；

步骤（b3）：否则必然HC_NHBT>0，那么选择下一跳节点集中能量指示值最大的节点作为目的端转发数据；

步骤（b4）：中间节点重复步骤（b2）和（b3），直到数据到达基站。

对WSN中任意节点A，它的路径探索过程如图6所示，是通过接收和处理邻节点B、C和D的信标帧，建立起A的“下一跳绑定表”（NHBT_A）。最初的路径探索信标帧从基站发起，后续更新的信标帧未到达A之前，它的HC_NHBT=2¹²，NHS为空集，ET=10分钟。节点B或C的信标帧如图7所示，HC_Expl=4，EI=9（节点的能量指示），TTL=1，节点D或E的信标帧如图9所示，HC_Expl=5，EI=4，TTL=1。

具体来讲，节点A建立下一跳绑定表的一种可能过程为：（1）先收到C的信标帧，（2）再收到B的信标帧，（3）又收到D的信标帧，那么：

（1）、先收到C的信标帧，比较HC_NHBT-1=2¹²-1与C节点的HC_Expl=4的大小，发现HC_Expl小于HC_NHBT-1，所以更新下一跳绑定表，NHS={(ADD_C,EI_C)}，并令HC_NHBT=HC_Expl+1=5；然后将TTL位置0，丢弃该帧；再构建新的信标帧（即节点A的信标帧），如图9所示，HC_Expl=5，EI=8（节点的能量指示），TTL=1，并向A的邻节点广播。

（2）、再收到B的信标帧，比较HC_NHBT-1=5-1=4与B节点的HC_Expl=4的大小，发现HC_Expl等于HC_NHBT-1，所以更新下一跳绑定表中的下一跳节点集，NHS={(ADD_B,EI_B)，(ADD_C,EI_C)}。

（3）、又收到D的信标帧，比较HC_NHBT-1=5-1=4与D节点的HC_Expl=5的大小，发现HC_Expl大于HC_NHBT-1，所以丢弃该帧，不触发任何事件，A的下一跳绑定表也保持现状。

最终得到节点A的下一跳绑定表如图8所示，HC_NHBT=5，NHS={(ADD_B,EI_B)，(ADD_C,EI_C)}，ET=10分钟。

节点A建立下一跳绑定表的另一种可能过程为：（1）先收到E的信标帧，（2）再收到B的信标帧，（3）又收到C的信标帧，（4）最后收到D的信标帧，那么：

（1）、先收到E的信标帧，比较HC_NHBT-1=2¹²-1与E节点的HC_Expl=5的大小，发现HC_Expl小于HC_NHBT-1，所以更新下一跳绑定表，NHS={(ADD_E,EI_E)}，并令HC_NHBT=HC_Expl+1=6；然后将TTL位置0，丢弃该帧；再构建新的信标帧（即节点A的信标帧），HC_Expl=6，EI=8（节点的能量指示），TTL=1，并向A的邻节点广播。

（2）、再收到B的信标帧，比较HC_NHBT-1=6-1=5与B节点的HC_Expl=4的大小，发现HC_Expl小于HC_NHBT-1，所以清空下一跳节点集NHS，更新下一跳绑定表，NHS={(ADD_B,E_B)}，并令HC_NHBT=HC_Expl+1=5；然后将TTL位置0，丢弃该帧；再构建新的信标帧（即节点A的信标帧），如图9所示，HC_Expl=5，EI=8（节点的能量指示），TTL=1，并向A的邻节点广播。

（3）、又收到C的信标帧，比较HC_NHBT-1=5-1=4与C节点的HC_Expl=4的大小，发现HC_Expl等于HC_NHBT-1，所以更新下一跳绑定表中的下一跳节点集，NHS={(ADD_B,EI_B)，(ADD_C,EI_C)}。

（4）、最后收到D的信标帧，比较HC_NHBT-1=5-1=4与D节点的HC_Expl=5的大小，发现HC_Expl大于HC_NHBT-1，所以丢弃该帧，不触发任何事件，A的下一跳绑定表也保持现状。

节点A建立下一跳绑定表也可能有其它处理过程，但是最终得到的下一跳绑定表都如图8所示，就是说不同路径的探索过程会得到同样跳数的A到基站的最短路径，使系统达到稳态，直到有效时间清零。

当A需要把传感数据发往基站时，由于下一跳节点集中或许有多个元素，如NHS={(ADD_B,EI_B)，(ADD_C,EI_C)}，所以需要比较EI_B与EI_C的大小。若EI_B大于EI_C，则选择B节点作为目的端转发数据；若EI_B小于EI_C，则选择C节点作为目的端转发数据；若EI_B等于EI_C，则选择B节点或者选择C节点作为目的端转发数据。中间节点处理方法重复以上步骤，直到数据到达基站。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种无线传感器网络数据汇聚方法，其特征是，包括路径探索阶段和数据汇集阶段：

所述路径探索阶段在媒质访问控制层MAC实现，首先从基站发起路径查询信标帧，各个中转节点利用信标帧的接收、重构、再发送过程为自己建立“下一跳绑定表NHBT”，以跳数为评价指标，逐跳搜索距离基站最短的下一跳转发节点，从而反向查询各个源节点到基站的最短路径；

所述数据汇集阶段是各个源节点在路径探索阶段查找到的多条最短路径中，利用负载均衡原理选择一条最短路径把原始感知数据传递到基站。

2.如权利要求1所述的一种无线传感器网络数据汇聚方法，其特征是，所述下一跳绑定表包含三个条目：最小跳数、下一跳节点集和有效时间。

3.如权利要求2所述的一种无线传感器网络数据汇聚方法，其特征是，

所述最小跳数是该节点作为发送数据的源节点时到基站的最小跳数，其值会随着下一跳节点集中元素的更新而更新，在下一跳绑定表建立之前，跳数的初始值为2¹²；

所述下一跳节点集是允许选择的到基站路径最短的下一跳转发节点集合，集合中的元素允许为一个或多个，根据信标帧的接收流程而更新，元素包含下一跳节点及其能量指示值，在下一跳绑定表建立之前，下一跳节点集初始值为空集；

所述有效时间是指下一跳绑定表的有效时间，有效时间一般根据无线传感器网络的应用场景设置为固定值；所述应用场景包括节点移动与否，平均电池能量多少、工作周期。

4.如权利要求1所述的一种无线传感器网络数据汇聚方法，其特征是，所述信标帧发送过程中的信标帧中必选字段有三个：控制、源地址和目的地址，其中控制字段包含当前跳数、能量指示和生存时间。

5.如权利要求4所述的一种无线传感器网络数据汇聚方法，其特征是，

所述当前跳数HC指的是信标帧发送节点到基站的最短路径跳数；

所述能量指示指的是信标帧发送节点的剩余能量；

所述生存时间在发送节点处总是置1，接收节点将其减1置0，不再继续广播同样的信标帧。

6.如权利要求1所述的一种无线传感器网络数据汇聚方法，其特征是，所述信标帧发送与接收过程总是在无线传感器网络WSN的相邻节点之间发生，非相邻节点不产生直接通信。

7.如权利要求1所述的一种无线传感器网络数据汇聚方法，其特征是，所述信标帧的接收过程，包括如下步骤：

步骤（a1）：比较HC_Expl与HC_NHBT-1的大小，如果HC_Expl<HC_NHBT-1，则更新下一跳绑定表；

步骤（a2）：如果HC_Expl=HC_NHBT-1，则更新下一跳绑定表中的下一跳节点集；

步骤（a3）：如果HC_Expl>HC_NHBT-1，则丢弃该帧，不触发任何事件。

8.如权利要求7所述的一种无线传感器网络数据汇聚方法，其特征是，所述步骤（a1）的具体步骤如下：

步骤（a1-1）：清空下一跳节点集NHS，把信标帧发送端的节点地址及其能量指示值添加入NHS中；

步骤（a1-2）：令HC_NHBT=HC_Expl+1；

步骤（a1-3）：将TTL位置0，丢弃该帧；

步骤（a1-4）：构建新的信标帧，令其字段HC_Expl=HC_Expl+1；

步骤（a1-5）：向邻居节点广播新的信标帧。

9.如权利要求7所述的一种无线传感器网络数据汇聚方法，其特征是，所述步骤（a2）的具体步骤如下：

步骤（a2-1）：检查信标帧发送端节点是否已经在下一跳节点集NHS中；

步骤（a2-2）：如果是则丢弃该帧，不触发任何事件；

步骤（a2-3）：如果否，则把信标帧发送端的节点地址及其能量指示值添加入NHS中，然后丢弃该帧，不再构建新的信标帧。

10.如权利要求1所述的一种无线传感器网络数据汇聚方法，其特征是，所述数据汇集阶段的过程，包括如下步骤：

步骤（b1）：源节点检查NHBT中的有效时间ET，如果ET=0，则启动路径探索；

步骤（b2）：如果ET>0，则判断HC_NHBT是否等于0，是则结束；

步骤（b3）：否则必然HC_NHBT>0，那么选择下一跳节点集中能量指示值最大的节点作为基站转发数据；

步骤（b4）：中间节点重复步骤（b2）和（b3），直到数据到达基站。

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