CN103402262B - 线型无线传感器网络汇聚方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种线型无线传感器网络汇聚方法，其中的线型占空比无线传感器网络汇聚包含时隙分配与汇聚调度，在时隙分配阶段，初始化工作周期T_init为3的倍数，除BS外任意连续三个节点的工作时隙在时间轴上连续且各不相同；在汇聚调度阶段，除BS外任意节点初始模式下工作周期为T_init，工作时隙设为τ，工作模式下工作周期T_work为3，工作时隙为((τ-1)mod3)+1，通过设定定时器在两种模式下动态切换，网络中节点以占空比方式调度，节省节点能量，延长网络寿命，并确定了完成汇聚的时间理论上界。非占空比无线传感器网络汇聚方法，周期性对网络中除BS外所有节点进行搜索和调度，在线型无线传感器网络模型下利用最短时间完成汇聚。用于线型无线传感器网络中的无碰撞汇聚。

Description

线型无线传感器网络汇聚方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，主要涉及到线型无线传感器网络中汇聚的实现，具体是一种线型占空比无线传感器网络汇聚方法，用于将线型无线传感器网络中所有传感器节点上收集到的数据高效地传送给数据中心，数据中心也称作基站。

背景技术

无线传感器网络的一项基本功能是将网络中所有传感器节点上采集到的数据信息高效地传送到数据中心，数据中心也称作BS，这种多对一的通信模式称作汇聚。在许多无线传感器网络的应用中，传感器网络要定期地向BS发送信息，或者在收到BS下达汇聚命令后，将BS所需要的信息发送给BS。例如，在监测油气管道泄露，监测高速公路的流量或者事故预警，监测地下隧道(或者坑道)的瓦斯浓度，以及监测一条河流沿线泥土流失情况，以上任意一种应用都希望传感器网络能尽快地将数据信息汇聚到基站。有三个因素影响着汇聚完成时间：第一，一个传感器节点一般只配备一个半双工的收发器，这使得收、发信息不能同时进行；第二，由于传感器共享无线通信信道，当两个或更多个传感器节点向同一个接收节点传输数据，或者节点在接收数据时受到其它传输干扰时，就会出现碰撞，碰撞将导致重传；第三，传感器节点能量非常有限，为了节约传感器的能量延长网络的寿命，传感器节点大部分时间处于休眠状态，只在接收或传输报文时开启无线电。

无线传感器网络的汇聚技术已受到了广泛的关注，并且已经出现了一些汇聚方法。这些汇聚方法主要有两个共同特征：一种是使用分时隙的通信协议，例如基于TDMA协议，时间被划分为固定长度的时隙，报文的一次传输和确认可以在某一个时隙内完成。传感器节点被分配到不同的时隙传输数据，这样可以防止碰撞，也能减少汇聚完成的时间；另一种是基于树的汇聚模式：在汇聚之前建立起以汇聚节点为根节点的汇聚树，每个传感器都沿着汇聚树传输或转发报文。尽管以上技术均提升了汇聚的性能，在最短时间内完成汇聚依然是一个难以解决的问题。对于一些特殊场景，研究人员提出了一些最短时间汇聚的方法。

S.Gandham，Y.Zhang，andQ.Huang，“Distributedtime-optimalschedulingforconvergecastinwirelesssensornetworks，ComputerNetworks，vol.52，no.3，pp.610-629，Feb.2008中提出的技术方案：对于一个线型网络，定义一个节点在某一时隙可能的三种状态：R：节点可以从邻居节点接收；T：节点可以传输；I：节点即不传输也不接收，假设在汇聚之前，每个节点已知它与BS间的跳数，且每个节点仅有1个待发报文，基于此，网络中的每个节点被分配一个初始状态，对任意节点距BS跳数除以3取余，余数为1时初始状态为T，为2时初始状态为I，为0时初始状态为R。在接下来的每个时隙，节点根据R-＞T-＞I-＞R顺序变换状态，节点持续状态转换直到汇聚完成，注意到每个节点处于状态R时，其邻居节点中只有一个处于T状态，根据此方案可以成功完成传输调度，此调度方案可实现最优汇聚，尽管该方案提出的方法可以用最短的时间完成汇聚，但是它只适用于每个传感器只有一个报文传输的情况。

C.FlorensandR.McEliece，“Packetsdistributionalgorithmsforsensornetworks，”inProc.IEEEINFOCOM，pp.1063-1072，2003中提出的技术方案：对于一个线型无线传感器网络，假设BS被放置于线型网络的一端，每个传感器节点都配备了一个全向天线，且传输距离为r，设任意两个传感器之间的距离为d，满足d＜r＜2d，每个传感器节点有一定数量的报文要发送给BS，为了实现最优汇聚，即利用最短时间完成汇聚，首先将汇聚问题转化为数据分发问题：考虑BS如何用最短的时间给各节点传输相应数量的报文，为了解决最短时间完成分发问题，该方案提出在遵循信道复用受限原则的同时，BS应尽可能快得给距离BS最远的节点发送相应数量的报文，然后向距离它第二远的节点传输相应数量报文，依次类推。在数据分发过程中，中间节点一接到报文就立刻转发。汇聚调度方案的建立则基于和分发操作的对称性：分发问题的调度方案相对于一虚拟水平轴的对称即得到汇聚问题时间调度，利用该时间调度可实现最优汇聚。

上述提出的在线型无线传感器网络中的汇聚方法均假设网络内传感器节点始终处于工作状态，以一种非占空比模式工作，在实验室环境下，对非占空比无线传感器网络汇聚的研究有助于从理论方面研究无线传感器网络汇聚性能，具有一定的理论意义，但由于传感器节点能量受限，故上述假设在实际的无线传感器网络汇聚应用中不利于延长网络寿命，为了节省能量，传感器节点可以采用一种占空比的工作模式工作，即以T个时隙为一个工作周期，一个传感器节点只在T中的一个或多个工作时隙工作，而在其余时隙处于睡眠状态。每个传感器节点周期性地重复以上工作模式，于是就形成了一个占空比网络，目前，对占空比无线传感器网络的研究大多致力于路由协议，数据转发和负载平衡，对于汇聚研究的很少，但随着占空比的减少，网络完成汇聚的时间可能增大，特别地，当一个传感器节点在一个周期内只工作一个时隙时，其占空比达到最低，网络完成汇聚的时间可能进一步增大，因此需要进一步探讨在占空比网络中的汇聚问题，其中最重要的是解决以最短时间完成汇聚的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中线型无线传感器网络进行数据汇聚时能耗较多，不利于付诸于工程实现的问题，提出一种线型无线传感器网络汇聚方法，在线型占空比无线传感器网络汇聚中该方法具有高效节能延长网络寿命和动态自适应的特点。同时本发明还给出了基于线型非占空比无线传感器网络的汇聚方法，在一定条件下达到了最优汇聚。

本发明是一种线型占空比无线传感器网络汇聚方法，线型网络中，假设除BS外全网有N个节点，N≥1，距离BS最近的节点为节点1，距离BS第二近的节点为节点2，依此类推，其特征在于包含时隙分配与汇聚调度两个阶段，网络汇聚过程包括有如下步骤：

步骤1：时隙分配阶段，对网络进行时隙分配，时隙均具有固定的长度，首先依据占空比的需求设置初始化工作周期T_init并赋给BS，单位为时隙，T_init为3的倍数，然后给网络内除BS外的所有节点分配工作时隙，为防止碰撞，任意三个连续的节点工作时隙各不相同，时隙分配完毕，除BS外网络中所有节点进入初始模式，除BS外所有节点仅在被分配的时隙内处于工作状态，其余时隙处于睡眠状态。

步骤2：汇聚调度阶段，汇聚是网络定期向BS发送数据，或者在收到BS下达汇聚命令之后进行汇聚，或者由特殊条件触发的自发汇聚。网络进行汇聚时，除BS外任意节点在任意时刻得到一个报文(该报文由本节点采集传感数据打包得到或由上一跳节点转发给本节点)，此节点将等待其下一跳节点的工作时隙将该报文转发给下一跳节点，之后，若该节点处于初始模式，则切换到工作模式，并设置一个定时器，工作模式相对于初始模式具有新的工作周期T_work与新的节点工作时隙，该节点若处于工作模式，则维持工作模式，重新设定定时器；汇聚开始后，网络内所有节点均按照上述步骤执行，所有节点均沿着线型网络向BS进行数据汇聚直至网络内所有采集到数据的节点内数据均汇聚至BS，完成一次汇聚。

针对现有技术中线型无线传感器网络寿命短暂不利于用于工程实践的问题，本发明采用了上述时隙分配方法，使得节点以占空比模式工作，占空比为1/T_init，以占空比模式工作节省了节点的能量，从而达到延长全网工作寿命的目的，越大的T_init能够使全网寿命越长；在汇聚调度阶段，本发明采用上述对节点的汇聚调度方法，节点会以较高的占空比模式工作，占空比为1/T_work，一方面保证网络依然以占空比模式工作从而节省节点能量，另一方面保证以尽可能高的速率得实现汇聚。

本发明的实现还在于时隙分配的过程包括：

1.a、由BS节点广播一个时隙分配报文SLOT_ASSIGN，此报文内包含一个工作时隙域WORKING_SLOT，工作时隙域初始化值V在1～T_init之间任意选择。

1.b、节点1接收到来自BS的广播报文即时隙分配报文，时隙分配报文在线型网络中按照节点顺序依次接收，节点1选择广播报文中的V值作为其工作时隙，之后广播报文中V值自减1，由节点1继续广播此报文，这一过程被称为广播报文的接续转发，网络中只有BS和节点2能够接收到此报文，BS在接收到该报文后丢弃，其中若广播报文中的V值自减后为0，则V值被赋值为T_init，被赋值为T_init的节点继续广播此报文。

1.c、线型网络中，节点2～节点N依次收到来自其上一跳节点广播报文，执行对广播报文的接续转发过程，继续广播此广播报文，直至网络中所有节点时隙分配完毕。

本发明采用上述时隙分配方法，从节点1至节点N沿着线型网络依次分配时隙，时隙分配完毕后，线型传感器网络中任意三个连续的节点工作时隙从时间轴上看是连续的且各不相同，这样就解决了传感器节点在报文传输中因共享信道而导致的碰撞问题。

本发明的实现还在于任意节点进行汇聚调度特征在于：

2.a、除BS外对于任意节点i(N≥i≥1)设其初始模式工作时隙为τ_i(T_init≥τ_i≥1)，汇聚开始后，在任意时刻得到一个报文，节点i将在距离该时刻最近的下一跳节点i-1的工作时隙转发该报文至节点i-1，并且切换初始模式为工作模式，工作模式下新的周期T_work为3，单位为时隙，新的节点工作时隙为((τ_i-1)mod3)+1。

2.b、节点i进入工作模式伊始设置一个定时器，如果在定时结束前节点内不再有待发报文，恢复初始模式，若在定时结束前得到新的报文则重新设定定时器，所有定时器定时时长一致。

本发明采用上述汇聚调度方法，任意节点由初始模式转换为工作模式之后，工作模式下节点工作周期为T_work＝3使得占空比为1/T_work，工作时隙为((τ_i-1)mod3)+1保证了任意连续三个节点间的工作时隙从时间轴上看依然是连续的且各不相同。

本发明的实现还在于：

对于节点1，当其处于工作模式时，由于节点监听信道时长均很短，可以忽略不计，所以节点1在其工作时隙首先监听节点2是否有报文发送，若有则完成一个报文的接收，若没有且节点1内有待发报文，则节点1利用此时隙向BS发送一个报文。

本发明采用上述在汇聚调度阶段网络进行汇聚时对节点1的调度方法，使得节点1除了在节点3的工作时隙，也可能在节点1工作时隙向BS发送一个报文，从全网角度看，减少了汇聚完成的时间。

本发明还是一种线型非占空比无线传感器网络汇聚方法，线型网络中，假设除BS外全网有N个节点，N≥1，BS为节点0，距离BS最近的节点为节点1，距离BS第二近的节点为节点2，依此类推，其特征在于：网络汇聚过程包括有如下步骤：

步骤一、在汇聚起始时隙τ内，τ≥1，从节点1到节点N依次搜索，i＝1。

步骤二、若节点i，1≤i≤N，有待发报文，则调度节点i向其下一跳节点i-1传输一个报文，将i+3赋给i，若节点i内没有待发报文，则i+1赋给i。

步骤三、判断i是否小于N，若小于等于N则执行步骤2否则进入下一调度时隙。

步骤四、每个调度时隙内，进行与起始时隙τ内相同的节点搜索与调度，直至汇聚完成。

在线型非占空比无线传感器网络中，本发明采用上述集中式循环调度汇聚方法，利用最短的时间完成汇聚。

与现有技术相比，本发明的优点：

一、本发明中提出的线型占空比无线传感器网络汇聚方法，包含时隙分配与汇聚调度两个阶段。时隙分配阶段，给网络内除BS外的所有节点分配工作时隙，首先确定初始化工作周期T_init，由初始化工作周期可得占空比为1/T_init，T_init为3的倍数，单位为时隙，T_init越大占空比越低则节点能耗越少；汇聚调度阶段，对任意节点进行汇聚调度，除BS外任意节点若处于工作模式，则该模式下工作周期为T_work＝3，单位为时隙，占空比为1/R_work＝1/3，因此节点在两种模式下节点均采用了占空比方式，即仅在节点被分配的工作时隙内处于工作状态其余时隙处于睡眠状态，因此节省了节点能量，延长了网络寿命。

二、本发明中线型占空比无线传感器网络汇聚方法，具有动态自适应的特点。动态自适应特点表现在，在汇聚调度阶段，节点可以根据是否有报文要转发，在初始模式与工作模式之间转换，两种模式下，网络内任意连续三个节点的工作时隙在时间轴上连续且各不相同，因此解决了传感器节点在报文传输中因共享信道而导致的碰撞问题。

三、本发明中线型占空比无线传感器网络汇聚方法，确定了一个汇聚的理论时间上界，这样对线型占空比无线传感器网络的汇聚具有一定的时间保障。

四、本发明中线型非占空比无线传感器网络汇聚方法，网络汇聚调度简单，在线型无线传感器网络模型下达到最优。

附图说明

图1是本发明中线型占空比无线传感器网络汇聚方法中时隙分配过程框图；

图2是本发明中线型占空比无线传感器网络汇聚方法中任意节点i汇聚调度过程框图；

图3是本发明中线型非占空比无线传感器网络汇聚方法框图；

图4是本发明中线型非占空比无线传感器网络汇聚方法在7个节点的线型非占空比网络中的汇聚实例。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明详细说明。

以下实施实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的适用范围。

线型无线传感器网络G＝(V，E)，其中V＝{0，1，2...，N}代表节点集合，节点0代表BS，全网有N+1个节点，即除BS外有N个节点，N≥1，E＝{(i，i-1)|N≥i≥1}代表无线链路集合。线型网络中，距离BS最近的节点为节点1，距离BS第二近的节点为节点2，依此类推。节点1到节点N中任意传感器节点i距离基站i跳，且配备有一个全向天线和一个半双工的收发器，最多仅能够与两个邻居节点i-1和i+1通信，节点N仅能与节点N-1通信，假设节点i内有ω_i个待发报文，为了描述方便，按照下述方式给全网所有节点内待发报文编号：从节点1至节点N按照递增的顺序给节点内报文编号：节点1内的ω₁个报文的编号为1，2，...ω₁，节点2内的ω₂个报文编号为ω₁+1，ω₁+2...ω₁+ω₂，依次类推，任意节点仅接收来自其上一跳节点传输的报文，当任意节点转发报文，此报文必定是该节点中序号最小的，因此，报文汇聚过程中，序号为1的报文首先到达BS，而序号最大的报文最后到达BS。

实施例1

本发明是一种线型无线传感器网络汇聚方法，首先是一种线型占空比无线传感器网络汇聚方法。本实施例的网络汇聚过程包含时隙分配与汇聚调度两个阶段，具体汇聚过程包括：

步骤1：时隙分配阶段，参见图1，对网络进行时隙分配，时隙均具有固定的时间长度，在该时间长度内能够完成一次报文的发送和确认。首先依据占空比的需求设置初始化工作周期T_init并赋给BS，T_init为3的倍数，单位为时隙，以个计数，例如T_init为21个时隙，即为对占空比的需求约为百分之五，21是3的7倍；然后给网络内除BS外的所有节点分配工作时隙，为防止碰撞，任意三个连续节点工作时隙各不相同；时隙分配完毕，除BS外网络中所有节点进入初始模式，除BS外所有节点仅在被分配的工作时隙内处于工作状态，其余时隙均处于睡眠状态。

给网络内除BS外所有节点分配工作时隙的过程包括：

1.a、由BS节点广播一个时隙分配报文SLOT_ASSIGN，此报文内包含一个工作时隙域WORKING_SLOT，工作时隙域初始化值V在1～T_init中任意选取某值；

1.b、网络内节点1接收到来自BS的广播报文，选择广播报文中的V值作为其工作时隙，之后广播报文中V值自减1，由节点1继续广播此报文，这一过程被称为广播报文的接续转发，网络中只有BS和节点2能够接收到此报文，BS在接收到该报文后丢弃，若广播报文中的V值自减后为0，则V值被赋值为T_init，被赋值为T_init的节点继续广播此报文；

1.c、线型网络中，节点2～节点N依次收到来自其上一跳节点广播报文之后，执行对广播报文的接续转发过程，继续广播此广播报文，直至节点N接收到此广播报文，选择广播报文中V值作为其工作时隙，但不再广播此报文，网络中除BS外所有节点时隙分配完毕，进入初始模式。

在时隙分配之前，若网络内的所有节点均处于工作状态，则以最快速度完成上述时隙分配过程，否则根据对网内节点不同的睡眠调度，就会有不同的时隙分配完成时间。

步骤2：汇聚调度阶段，汇聚是网络定期向BS发送数据，或者在收到BS下达汇聚命令之后进行汇聚，或者由特殊条件触发的自发汇聚。网络进行汇聚时，对除BS外任意节点进行汇聚调度，即除BS外任意节点在任意时刻得到一个报文，该报文由本节点采集传感数据打包得到或由上一跳节点转发给本节点，此节点将等待其下一跳节点的工作时隙将该报文转发给下一跳节点，之后，若该节点处于初始模式，则切换到工作模式，工作模式相对于初始模式具有新的工作周期T_work与新的节点工作时隙，再设置一个定时器，定时器的时间长度全网统一，通常为3T_init；若该节点处于工作模式，则维持工作模式，只是要重新设定定时器，新的工作周期T_work必须为3个时隙，新的节点工作时隙与初始模式节点工作时隙相关，例：除BS外对于任意节点i(N≥i≥1)设其初始模式工作时隙为τ_i(T_init≥τ_i≥1)，则新的节点工作时隙为((τ_i-1)mod3)+1。汇聚调度过程中，网络内除BS外所有节点均按照上述步骤执行，即得到报文后等待下一跳节点的工作时隙将报文转发给下一跳节点，切换网络初始模式到工作模式，设置定时器，或维持工作模式，重新设定定时器。所有节点均沿着线型网络向BS进行数据汇聚直至网络内所有采集到数据的节点内数据均汇聚至BS，完成一次汇聚。

本发明中线型占空比无线传感器网络汇聚方法，具有动态自适应的特点。动态自适应特点表现在，在汇聚调度阶段，节点可以根据是否有报文要转发，在初始模式与工作模式之间转换，两种模式下，网络内任意连续三个节点的工作时隙在时间轴上连续且各不相同，因此解决了传感器节点在报文传输中因共享信道而导致的碰撞问题。

本发明汇聚调度过程中节点1的调度特征在于：对于节点1且仅对于节点1，当其处于工作模式时，由于节点监听信道时长均很短，可以忽略不计，所以节点1在其工作时隙首先监听节点2是否有报文发送，若有报文，则完成一个报文的接收，若没有报文而且节点1内有待发报文，则节点1利用此时隙向BS发送一个报文。其它节点均不需进行监听，也无需做类似节点1的上述调度。

当线型无线传感器网络需要进行汇聚时，汇聚过程均同上。

本发明提出的线型占空比无线传感器网络汇聚方法，在时隙分配阶段，根据初始化工作周期T_init可得占空比为1/T_init，T_init值越大占空比越低则节点能耗越少；在汇聚调度阶段，除BS外当任意节点处于工作模式，工作周期为T_work＝3，占空比为1/T_work＝1/3。节点在两种模式下节点均采用了占空比方式，即仅在节点被分配的工作时隙内处于工作状态其余时隙处于睡眠状态，因此节省了节点能量，延长了网络寿命。

实施例2

线型占空比无线传感器网络汇聚方法同实施例1，除BS外在50节点的线型无线传感器网络中，初始化周期设置为T_init为21个时隙，在时隙分配阶段中，对网络内除BS外所有节点进行时隙分配过程包括：

1、时隙分配阶段，由BS节点广播一个时隙分配报文SLOT_ASSIGN，此报文内包含一个工作时隙域WORKING_SLOT，工作时隙域WORKING_SLOT的初始化值V选择1～21中的17作为初始化值V。

2、网络内节点1接收到来自BS的广播报文，选择广播报文中的V值作为其工作时隙，即在一个周期21个时隙中的第17个时隙作为节点1工作时隙，其余时隙均处于睡眠状态，之后，广播报文中V值自减1为16，由节点1继续广播此报文，这一过程被称为广播报文的接续转发。

3、线型网络中，节点2～节点50依次收到来自其上一跳节点广播报文，执行对广播报文的接续转发过程，若广播报文中的V值自减后为0，则V值被赋值为21。本例中，在节点17和节点38在执行广播报文接续转发过程中，V值自减后为0，则将V值被赋值为21，节点18和节点39分别接收来自节点17和节点38的广播报文，选择广播报文中的V值为21作为其工作时隙。直至节点50接收到此广播报文，选择广播报文中V值为10作为其工作时隙，不再广播此报文，节点网络中所有节点时隙分配完毕。

除BS外具有50个节点的线型无线传感器网络时隙分配完毕后，除BS外所有50个节点均进入初始模式，均采用占空比方式工作，即所有节点仅在被分配的1个工作时隙内处于工作状态其余20时隙处于睡眠状态，因此在没有进行汇聚时，以此方式工作，节省了节点能量，延长了网络寿命。

实施例3

线型占空比无线传感器网络汇聚方法同实施例1-2，在除BS外50节点的线型无线传感器网络中，初始化周期T_init为21个时隙，设初始化值V仍选为17，在汇聚调度阶段中，参见图2，任意节点i汇聚调度过程，对任意节点如节点18进行汇聚调度，其过程包括：

1、对于节点18，时隙分配过程从节点1开始，沿线型网络方向顺序分配，分配过程中初始化值V逐个自减1，分配过程到达节点17时，V值自减为0，将21赋给V值，节点18接收到来自节点17将时隙分配广播报文，取V＝21作为其初始模式工作时隙，汇聚开始后，在任意时刻节点18得到一个报文，该报文由节点18采集传感数据打包得到或由节点19转发给节点18，节点18将在距离该时刻最近的下一跳节点的工作时隙，即节点17的工作时隙转发该报文至节点17，之后，若节点18处于初始模式，则切换到工作模式，工作模式下新的周期T_work为3个时隙，使用(21-1)mod3+1＝3作为其新工作时隙；若该节点处于工作模式，则维持工作模式。

2、节点18由初始模式切换到工作模式后设置一个时长为3T_init＝63个时隙的定时器，如果在定时结束前节点内不再有待发报文，恢复初始模式，若在定时结束前节点内还有待发报文则重新设定该定时器重新开始倒计时。

节点1到节点50均执行类似节点18的汇聚调度方法，直至网络内所有采集到数据的节点内数据均汇聚至BS，完成一次汇聚。

上述对节点18的汇聚调度具有动态自适应的特点。动态自适应特点表现在，节点18根据本节点内是否有报文发送，在初始模式与工作模式之间转换，且不论在初始模式还是工作模式下，节点17到节点19三个节点的工作时隙在时间轴上连续且各不相同，因此解决了传感器节点在报文传输中因共享信道而导致的碰撞问题。另外在汇聚调度阶段，节点18依然按照占空比方式工作，占空比为1/3，在一定程度上节省了节点18的能量，从全网的角度看，延长了全网的寿命。

实施例4

本发明还是一种线型非占空比无线传感器网络汇聚方法，按照具体实施方式首段中提到的网络模型中的方法给报文编号：从节点1至节点50按照递增的顺序给节点内报文编号：节点1内的ω₁个报文的编号为1，2，...ω₁，节点2内的ω₂个报文编号为ω₁+1，ω₁+2...ω₁+ω₂，以此类推，节点50内的ω₅₀个报文编号为ω₄₉+1，ω₄₉+2...ω₄₉+ω₅₀，当节点i转发报文，50≥i≥1，此报文必定是节点i中序号最小的。

当网络定期向BS发送数据或者在收到BS下达汇聚命令之后，本实施例的网络汇聚过程参见图3，包括如下步骤：

步骤一、在汇聚起始时隙τ内，τ＝1，从节点i到节点N依次搜索，i＝1；

步骤二、若节点i，1≤i≤N，有待发报文，则调度节点i向其下一跳节点i-1传输一个报文，将i+3赋给i，若节点i内没有待发报文，则i+1赋给i；

步骤三、判断i是否小于等于50，若小于等于50则执行步骤二，否则进入下一调度时隙；

步骤四、每个调度时隙内，进行与起始时隙1内相同的节点搜索与调度，直至汇聚完成。

上述集中式网络汇聚调度方法简洁，且在线型无线传感器网络模型下达到最优汇聚。

实施例5

线型非占空比无线传感器网络汇聚方法同实施例4，7节点线型非占空比网络汇聚实例，参见图4：

节点数N＝7，节点1到节点6依次有1、2、1、0、2、1个待发报文，汇聚开始，第一时隙内，搜索到第一个含有待发报文的节点为节点1，则调度节点1向BS发送一个报文，搜索到第二个含有待发报文的节点为节点5，则调度节点5向节点4发送一个报文，第一个时隙内调度完毕，进入第二个时隙，搜索到的第一个含有待发报文的节点为节点2，则调度节点2向节点1发送一个报文，第二个搜索到的节点为节点5，则调度节点5向节点4发送一个报文。依次类推，直到第17个时隙，6个节点内的7个待发报文全部汇聚的BS，此次汇聚过程完成。

实施例6

线型无线传感器网络汇聚方法包括线型占空比无线传感器网络汇聚方法和线型非占空比无线传感器网络汇聚方法同实施例1-5。

对以上方案进行仿真。节点数为N，N在[50，100]内取值。对每一个N值，节点i(i∈{1，2，...，N})，节点i内报文数ω_i值从集合{0，1，2，3}中以{50％，16.7％，16.7％，16.7％}的概率产生。经过500次仿真得出统计结果如表1所示。可以看出，由于C.FlorensandR.McEliece，“Packetsdistributionalgorithmsforsensornetworks，”inProc.IEEEINFOCOM，pp.1063-1072，2003中提出的线型非占空比无线传感器网络汇聚方案与本发明中提出的线型非占空比无线传感器网络汇聚方案均为最优汇聚方案，它们有相同的汇聚完成时隙数。本发明中提出的线型占空比WSN汇聚方案较最优汇聚方案汇聚时隙数略有增长，但最主要的是延长了全网的寿命，并且以分布式方式实现。

表1不同方案汇聚完成时隙数

实施例7

线型无线传感器网络汇聚方法包括线型占空比无线传感器网络汇聚方法和线型非占空比无线传感器网络汇聚方法同实施例1-5。

通过下述理论分析，进一步证明本发明中线型非占空比无线传感器网络汇聚方案为最优汇聚方案即利用最短时间完成汇聚。

证明：

使用数学归纳法证明。

为了方便描述，这里假设任意节点被调度时，它传输缓存中编号最小的报文。

如果整个网络只含有一个待发报文，明显地，该方法使用最少时隙数完成汇聚。

假设该方法在一个总计有k个待发报文的N节点网络中，使用最少时隙数完成汇聚。下面证明该方法完成一个总计有k+1个待发报文的N节点线型网络汇聚所用的时隙数也是最少的。

定义为报文l(l∈{1，2，...，k，k+1})在节点n(n∈{1，2，...，N})的调度时隙，定义为当该方法仅被用于调度报文1，2，...，k时报文l(l∈{1，2，...，k})在节点n的调度时隙。那么为报文1，2，...，k完成汇聚的最少时隙数。显然n∈{1，...，N}，l∈{1，...，k}。分两种情形讨论。

第一种情形：假设汇聚开始时报文k+1和报文k均在节点i上i，i＞3(当i＜3，易证)。

当利用该方法对报文k+1调度时，可知，任意时刻报文k+1与报文k间隔不超过3跳的距离，所以在时隙起始时刻，报文k+1可能在节点6、5、4、3，且其它报文(1，2，...，k-1)均已到达BS。该方法花费接下来两个时隙和将报文k传输至BS。时隙结束时，报文k+1应该位于节点3。所以该方法需要另外3个时隙将报文k+1传输至BS，即注意到节点3，2，1形成了线型网络汇聚的瓶颈，即在任意时刻，这三个节点中只有一个节点可以传输，因此，连续两个经过节点3到达BS的报文，它们的到达时间至少是3个时隙。由于则为报文1，2，...，k+1完成汇聚的最少时隙数。

第二种情形：假设报文k+1和报文k分别由节点j和节点i产生，j＞i。

当j≤i+3，意味着报文k+1与报文k初始时距离在3跳距离以内。在该方法的调度中，报文k+1总是距离报文k在3跳以内。所以在时隙起始，报文k+1可能在节点6、5、4、3，证明方法与第一种情形一致。

而当j＞i+3时，由于在节点j和节点i之间没有报文，根据该方法的调度，从第一个时隙开始，报文k+1以连续的时隙传输，直至报文k+1距离报文k在3跳以内。若则说明报文k+1距离报文k总是大于3跳，这样报文k+1从第一个时隙直至到达BS的时隙被连续调度，那么k+1个报文完成汇聚最少时隙数为若意味着报文k+1总会在某个特定的时刻距离报文k的距离小于3跳。证明与情形1类似。

第二种情形中，利用该方法可以使用最少时隙数完成对k+1个报文的汇聚。

综合以上两种情形，该方法为最优的。

实施例8

线型无线传感器网络汇聚方法包括线型占空比无线传感器网络汇聚方法和线型非占空比无线传感器网络汇聚方法同实施例1-5。

对于线型无线传感器网络，假设任意节点i(i＝1，2，...，N)有ω_i个待发报文，定义f₁(ω₁，ω₂，...ω_N)线型非占空比无线传感器网络汇聚方案的完成时间，f₂(ω₁，ω₂，...ω_N)为线型占空比汇聚方案在工作模式下汇聚完成的时间，即汇聚开始时所有节点处于工作模式，下面证明：线型占空比方案在工作模式下汇聚完成的时间小于等于线型非占空比无线传感器网络汇聚方案的完成时间加上3倍的节点1与节点2内待发报文总数再加2的三项和，用公式表示为f₂(ω₁，ω₂，...ω_N)≤f₁(ω₁，ω₂，...ω_N)+3(ω₁+ω₂)+2。

证明过程如下：

根据工作时隙分配方案，假设节点工作时隙分别为(τ₁，τ₂，...，τ_N)。首先已知：f₂(ω₁，ω₂，...ω_N)≤f₂(0，0，ω₃，ω₄...ω_N)+f₂(ω₁，ω₂，0，0，...0)≤f₂(0，0，ω₃，ω₄...ω_N)+3(ω₁+ω₂)，其中第二个不等式依据是：当初始仅有节点1，节点2有待发报文时，占空比汇聚方案的最少汇聚时隙至多为节点1，节点2内初始报文总数的三倍。对非占空比汇聚方案进行如下修改，将调度节点的条件改为：节点内有待发报文，而且此节点在前两个时隙均没有被调度。修改后的非占空比网络汇聚方案可以被证明对于线型非占空比网络，当节点1，节点2初始没有待发报文时，修改的调度方案仍然是最优的。定义f₃(ω₁，ω₂，...ω_N)为修改后的非占空比网络汇聚方案完成时间。那么可得f₃(0，0，ω₃，ω₄，...，ω_N)＝f₁(0，0，ω₃，ω₄，...，ω_N)。

对于一个线型占空比网络，初始报文数目由向量(0，0，ω₃，ω₄，...，ω_N)表示。将修改后的非占空比网络汇聚方案应用于占空比网络。将三个连续时隙作为一个周期。在该方案的调度中，对于任意节点i(i∈1，2，...，N)的传输，如果传输时间不是在一个周期内的τ_i-1时隙(这里τ₀∈{1，2，3}\{τ₂，τ₁})，则可以延缓传输时间至下一个周期的时隙τ_i-1，而一次传输至多被延迟两个时隙。在这种带有延缓机制的汇聚调度方案中节点i仅在时隙τ_i-1传输，可得f₂(0，0，ω₃，ω₄，...，ω_N)＝f₃(0，0，ω₄，ω₄，...，ω_N)+2，基于以上结果和f₁(0，0，ω₃，ω₄，...，ω_N)≤f₁(ω₁，ω₂，ω₃，ω₄，...，ω_N)，得证。

上述理论分析，进一步证明了本发明中线型占空比无线传感器网络汇聚完成时间具有一个理论上界。这样对线型占空比无线传感器网络的汇聚具有一定的时间保障。

简而言之，本发明的线型无线传感器网络汇聚方法，其中的线型占空比无线传感器网络汇聚包含时隙分配与汇聚调度，在时隙分配阶段，初始化工作周期T_init为3的倍数，除BS外任意连续三个节点的工作时隙在时间轴上连续且各不相同；在汇聚调度阶段，除BS外任意节点初始模式下工作周期为T_init，工作时隙假设为τ，工作模式下工作周期T_work为3，工作时隙为((τ-1)mod3)+1，通过设定定时器在两种模式下动态切换，网络中节点以占空比方式调度，节省了节点能量，延长了网络寿命，并确定了完成汇聚的时间理论上界。非占空比无线传感器网络汇聚方法，周期性对网络中除BS外所有节点进行搜索和调度，在线型无线传感器网络模型下利用最短时间完成汇聚。用于线型无线传感器网络中的无碰撞汇聚应用。

Claims (5)

1.一种线型占空比无线传感器网络汇聚方法，线型网络中，假设除BS外全网有N个节点，N≥1，距离BS最近的节点为节点1，距离BS第二近的节点为节点2，依此类推，其特征在于：网络汇聚过程包含时隙分配与汇聚调度两个阶段，具体汇聚过程包括：

步骤1：时隙分配阶段，对网络进行时隙分配，时隙均具有固定的长度，首先依据占空比的需求设置初始化工作周期T_init并赋给BS，T_init为3的倍数，然后给网络内除BS外的所有节点分配工作时隙，任意三个连续的节点工作时隙各不相同，时隙分配完毕，除BS外网络中所有节点进入初始模式，除BS外所有节点仅在被分配的工作时隙内处于工作状态，其余时隙均处于睡眠状态；

步骤2：汇聚调度阶段，除BS外任意节点在任意时刻得到一个报文，此节点将等待其下一跳节点的工作时隙将该报文转发给下一跳节点，之后，该节点若处于初始模式，则切换到工作模式，并设置一个定时器，工作模式相对于初始模式具有新的工作周期T_work与新的节点工作时隙，该节点若处于工作模式，则维持工作模式，重新设定定时器；网络内所有节点均按照上述步骤执行，直至网络内所有采集到数据的节点内数据均汇聚至BS，完成一次汇聚，当线型占空比无线传感器网络需要进行汇聚时，汇聚过程均同上。

2.根据权利要求1所述的线型占空比无线传感器网络汇聚方法，其特征在于：步骤1中所述给网络内除BS外的所有节点分配工作时隙的过程包括：

1.a、由BS节点广播一个时隙分配报文，此报文内包含一个工作时隙域，工作时隙域初始化值V在1～T_init之间任意选择；

1.b、节点1接收到来自BS的广播报文，选择广播报文中的V值作为其工作时隙，之后广播报文中V值自减1，由节点1继续广播此报文，这一过程被称为广播报文的接续转发，其中若广播报文中的V值自减后为0，则V值被赋值为T_init，被赋值为T_init的节点继续广播此报文；

1.c、线型网络中，节点2～节点N依次收到来自其上一跳节点广播报文，执行对广播报文的接续转发过程，继续广播此广播报文，直至网络中所有节点时隙分配完毕。

3.根据权利要求2所述的线型占空比无线传感器网络汇聚方法，其特征在于：步骤2中所述对任意节点进行汇聚调度特征在于：

2.a、除BS外对于任意节点i(N≥i≥1)设其初始模式工作时隙为τ_i(T_init≥τ_i≥1)，汇聚开始后，在任意时刻得到一个报文，节点i将在距离该时刻最近的下一跳节点i-1的工作时隙转发该报文至节点i-1，并且切换初始模式为工作模式，工作模式下新的周期T_work为3，单位为时隙，新的节点工作时隙为((τ_i-1)mod3)+1；

2.b、节点i进入工作模式伊始设置一个定时器，如果在定时结束前节点内不再有待发报文，恢复初始模式，若在定时结束前得到新的数据报文则重新设定定时器，所有定时器定时时长一致。

4.根据权利要求3所述的线型占空比无线传感器网络汇聚方法，其特征在于：步骤2中汇聚调度过程中节点1的调度特征在于：对于节点1，当其处于工作模式时，由于节点监听信道时长均很短，忽略不计，所以节点1在其工作时隙首先监听节点2是否有报文发送，若有则完成一个报文的接收，若没有且节点1内有待发报文，则节点1利用此时隙向BS发送一个报文。

5.一种线型非占空比无线传感器网络汇聚方法，线型网络中，假设除BS外全网有N个节点，N≥1，BS为节点0，距离BS最近的节点为节点1，距离BS第二近的节点为节点2，依此类推，其特征在于：网络汇聚过程包括有如下步骤：

步骤一、在汇聚起始时隙τ内，τ≥1，从节点i到节点N依次搜索，i＝1；

步骤二、若节点i，1≤i≤N，有待发报文，则调度节点i向其下一跳节点i-1传输一个报文，将i+3赋给i，若节点i内没有待发报文，则i+1赋给i；

步骤三、判断i是否小于N，若小于等于N则执行步骤二否则进入下一调度时隙；

步骤四、每个调度时隙内，进行与起始时隙τ内相同的节点搜索与调度，直至汇聚完成。