CN103686855B - 一种无线传感器网络数据汇聚方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络数据汇聚方法，包括以下步骤：1.建立路由阶段：由汇聚节点发起建立分层级的网络，其它节点按照本文所述的规则建立路由。所有节点维护其层级，邻居节点和父节点列表。节点的层数等于节点到汇聚节点的跳数；2.数据传输阶段：从最高层的节点开始，所有节点依据规则决定是否成为源节点（源节点采集数据，非源节点不采集数据），然后节点以一定的概率在其邻居节点或者父节点中随机选择一个作为下一跳路由节点。所有源节点的数据通过邻居节点或父节点的路由最终发送至汇聚节点；3.数据重构阶段，利用BP算法对网络中所有节点的数据进行重构。本发明能够实现网络中节点能耗均衡，延长无线传感器网络寿命。

Description

一种无线传感器网络数据汇聚方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别是涉及一种无线传感器网络数据汇聚方法。

背景技术

无线传感器网络是20世纪90年代末期兴起的技术，如图1所示，通过在目标区域内（如桥梁，河流，湖泊，监测区域等）布设大量的网络节点（node）可以实现监测目标的状态和安全。如图2所示，网络节点由处理器，存储器，传感器，无线传输模块和电源组成，节点具有数据采集、信息处理和无线通信功能，既可以是数据源，也可以是路由节点。网络中的节点布设完成后自组织形成网络，网络中的节点互相协作周期或根据监测任务变化不定时的采集监测目标某些属性数据（如温度，压力，光照，水体电导、溶氧、pH等），监测数据由网络节点以多跳方式传输至汇聚节点（sink）。无线传感器网络具有能量受限，存储能力受限，运算能力受限，带宽受限等特征，网络通常运行在无人值守的环境中，只能由小型电池供电，大量的监测数据汇聚至sink过程中，接近sink的节点会承担更大的负载，节点寿命严重衰减，因此研究能量均衡的数据汇聚协议具有重要意义。

现有的无线传感器网络数据汇聚方法包括：1.单跳传输；该协议中所有节点的数据通过一跳发送至sink节点；2.分簇路由协议。该类协议将网络所有节点分簇，在每一个簇中选出一个节点作为簇头，进而将网络内的通信划分为簇内通信和簇间通信。簇头节点完成区域内的节点数据汇聚，然后把聚合后的数据传送给sink节点。代表协议有LEACH（LowEnergy Adaptive Clustering Hierarchy），该协议分为簇的建立阶段和传输数据的稳定阶段。在建立阶段，每个节点随机生成（0，1）之间的随机数，该值与节点阈值进行对比，确定该节点是否作为簇头。节点阈值是由节点剩余能量决定的一个函数。然后所有簇头节点在网络中随机选择一部分节点作为簇头节点，其余节点选择最近的簇头加入簇，形成分簇网络拓扑。簇内采用TDMA-MAC协议，给每个节点分配相应时隙；簇间采用CDMA-MAC协议减少了簇间数据碰撞，另外还有利用簇内节点数据的相关性进行数据融合。现有的协议都需要所有节点采集数据，然后根据设计的协议传输至sink节点，由于所有节点都需要采集数据，因此节点的传输数据量和网络负载都过大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无线传感器网络数据汇聚方法，能够对大规模的无线传感器网络的节点数据进行实时的汇聚，实现网络中节点能耗均衡，延长无线传感器网络寿命，并具有可扩展性和鲁棒性等优点，同时不会带来更多的计算量和附加帧头。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种无线传感器网络数据汇聚方法，包括以下步骤：

（1）建立路由阶段，由汇聚节点发起建立分层级的网络，节点维护其层级，邻居节点和父节点列表，节点的层数等于节点到汇聚节点的跳数；所有节点按照本文所述的规则建立路由。

（2）数据传输阶段，节点依据规则决定是否成为源节点，然后节点以一定的概率在其邻居节点或者父节点中选择一个作为下一跳路由节点，其中，源节点采集数据，非源节点不采集数据；所有源节点的数据通过邻居节点或父节点的路由最终发送至汇聚节点。

所述步骤（2）后还包括：数据重构阶段，利用BP算法对网络中所有节点的数据进行重构。

所述步骤（1）中将所有节点的初始层级设为-1，汇聚节点的层级设为0，由汇聚节点发送组网命令帧，其他节点接收到汇聚节点发送的组网命令帧后把自己的层级设为1，然后已经设置层级为1的节点依次发送组网命令帧，接收到的节点判断自己的层级是否为-1，如果是则将自己的层级设为接收层级加一，并将发送节点ID加入到父节点，如果不是则判断自己的层级是否与接收层级相同，如果相同则将发送节点ID加入到邻居节点，如果不相同则判断节点等级是否大于接收层级一级，如果是则将发送节点ID加入到父节点，否则忽略该命令，再由层级为2的节点依次发送组网命令帧，采用上述同样的规则直到所有节点都确定层级完成组网。

所述步骤（2）中在数据传输节点开始时，每个节点产生0至1之间的第一随机数，并与预先设定的第一常数进行比较，如果第一随机数小于或等于第一常数，则该节点成为源节点；若第一随机数大于第一常数，则该节点只作为路由节点。

所述步骤（2）中，每个节点产生0至1之间的第二随机数，并与预先设定的第二常数进行比较，如果第二随机数大于第二常数，则节点从自身的父节点中以等概率选择一个父节点作为下一跳路由节点，如果第二随机数小于或等于第二常数，则节点从自身的邻居节点中以等概率选择一个邻居节点作为下一跳路由节点。

所述步骤（2）中源节点在收到数据帧后产生0至1之间的第三随机数，并把自己的ID和第三随机数加入到数据帧的路由节点及数据字段，发送至下一跳路由节点；非源节点在收到数据帧后直接转发至下一跳路由节点。

数据在路由过程中，如果路由节点同样为源节点则对路由节点的数据乘以一个随机产生的系数进行累加。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明利用无线传感网节点之间数据的相关性，设计一种全新的路由，可以实现网络中只要部分节点采集和发送数据，从而显著降低节点的传输数据量和网络负载。另外本方法采用随机路由的策略，可以实现节点能量消耗的均衡。

附图说明

图1是现有技术中无线传感器网络示意图；

图2是现有技术中无线传感器网络节点组成图；

图3是实施例中无线传感网络节点分布图；

图4是实施例中节点组网命令流程图；

图5是实施例中节点下一跳选择策略流程图；

图6是实施例中节点数据转发流程图；

图7是实施例中节点数据汇聚示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种无线传感器网络数据汇聚方法，包括以下步骤：建立路由阶段，由汇聚节点发起建立分层级的网络，节点的层数等于节点到汇聚节点的跳数；数据传输阶段，节点依据规则决定是否成为源节点，然后节点以一定的概率在其邻居节点或者父节点中选择一个作为下一跳路由节点，其中，源节点采集数据，非源节点不采集数据；所有源节点的数据通过邻居节点或父节点的路由最终发送至汇聚节点。该方法能够对大规模的无线传感器网络的节点数据进行实时的汇聚，可以实现网络中节点能耗均衡，延长无线传感器网络寿命，并具有可扩展性和鲁棒性等优点，同时本方法不会带来更多的计算量和附加帧头。

如图3所示，400个节点散布在400×400的范围内，区域分为20×20大小一致的网格，每个节点随机分布在一个网格中。每个节点可以采集监测区域的某种或几种属性，如温度，光照，振动等。节点可以发送数据和接收其它节点发送的数据。节点可以对数据帧进行融合处理。汇聚节点（sink）位于区域中心，即（200，200）处。汇聚节点收集网络中所有节点的数据。如图3所示，网络中节点A的数据分别经过A1,A2,A3,A4,A5（图3中白色节点）路由至sink节点。节点B的数据分别经过B1,B2,B3,B4（图3中白色节点）传输至sink节点。

网络中每个节点拥有唯一的地址ID，节点存储维护该节点层级，邻居节点和父节点信息。所有节点的初始层级设为-1。Sink节点的层级为0。

本发明分为路由建立阶段，节点数据传输阶段和节点数据重构阶段。

A）路由建立阶段：

由sink节点发起，sink节点发送组网命令帧。其中，组网命令帧格式见表1。

源地址	目的地址	命令类型	层级
				发送节点ID	广播	组网命令	发送节点的层级

表1

收到组网命令帧的节点执行以下操作：节点接收到sink节点发送的组网命令帧后把自己的层级设为1。如图4所示，然后已经设置层级为Level=1的节点依次发送组网命令帧，接收到的节点判断自己的层级是否为-1，如果是则将自己的层级设为接收层级加一，并将发送节点ID加入到父节点，如果不是则判断自己的层级是否与接收层级相同，如果相同则将发送节点ID加入到邻居节点，如果不相同则判断节点等级是否大于接收层级一级，如果是则将发送节点ID加入到父节点，否则忽略该命令，再由层级为2的节点依次发送组网命令帧，采用上述同样的规则直到所有节点都确定层级完成组网。

B）节点数据传输阶段：

本方法不同于传统方法，本文中无线传感器网络的只有部分节点采集和发送数据，而不是所有节点都有采集数据并发送。在数据传输节点开始时，每个节点产生（0-1）之间的随机数t，并与预先设定的常数p∈(0,1)进行比较。如果t≤p，则该节点成为源节点，源节点既采集数据也作为路由节点，接收和发送数据帧；若t＞p，则该节点不采集数据，只作为路由节点。假定h为(0,1)之间的常数，网络中的所有节点确定了是否为源节点以后，节点依据以下规则选择下一跳的目的节点：如图5所示，每个节点产生0至1之间的第二随机数c，并与预先设定的第二常数h进行比较，如果第二随机数c大于第二常数h，则节点从自身的父节点中以等概率选择一个父节点作为下一跳路由节点，如果第二随机数c小于或等于第二常数h，则节点从自身的邻居节点中以等概率选择一个邻居节点作为下一跳路由节点。

节点发送数据帧格式见表2。

源地址	目的地址	数据	路由节点及数据
				节点ID	节点选定	数据累积	节点ID，rand

表2

节点收到发送到数据帧后按照以下规则操作：如图6所示，源节点在收到数据帧后产生0至1之间的第三随机数，并把自己的ID和第三随机数加入到数据帧的路由节点及数据字段，发送至下一跳路由节点，即节点node_i产生0-1之间的随机数r_i，节点把自己的ID和r_i加入到数据帧的路由节点及数据字段。数据帧的数据为r_i·d_i+c_rec，其中，c_rec为节点接收数据帧的数据部分；非源节点在收到数据帧后直接转发至下一跳路由节点。所有源节点的数据通过邻居节点或父节点的路由最终发送至汇聚节点（sink）。

如图7所示，有400个节点布设在长400宽400的区域中，区域划分为400个20×20的网格，每个节点随机分布在一个网格中。所有节点的有效通信距离为56。图中的节点已经按照本文中的规则确定了层级，建立了路由。每个节点存储有该节点的编号（ID），层级，邻居节点和父节点信息。节点已经按照规则确定是否为源节点，图中黑色节点为源节点，采集数据；白色节点为非源节点，不采集数据。节点层级越大，节点的外观越大。Sink节点位于区域中心位置。我们选取三个节点说明本文数据路由过程：如图7所示，节点A₀为源节点，其层级为6，其数据通过A₁，A₂，A₃，A₄,A₅发送至sink节点。其中A₂,A₄为源节点，因此根据上述规则，节点A₀数据经过路由传送至sink的数据为其中分别为源节点A₀,A₂,A₄的数据，分别为源节点生成的A₀,A₂,A₄随机系数。类似的源节点B₀，C₀经过路由sink节点接收到的数据分别为 $d_{B_0}\·r_{B_0}+d_{B_1}\·r_{B_1}+d_{B_2}\·r_{B_2}+d_{B_4}\·r_{B_4}+d_{B_5}\·r_{B_5}+d_{B_6}\·r_{B_6}$ 和

假设网络中有N个节点，其中M个节点选定为源节点，在所有源节点数据路由至sink节点（称为一轮数据收集过程完成）后，sink节点接收到数据为[y₁,y₂,…,y_M]^T可以表示为其中[d₁,d₂,…,d_N]^T为所有节点的数据。为节点路由矩阵，其中R_M×N的第i行是某个源节点的路由路径，的第j个元素为路由路径上ID＝j的源节点产生的随机系数。

C）数据重构阶段：

由于网络密集布设在目标区域中，节点之间数据具有相关性，即节点数据向量[d₁,d₂,…,d_N]^T是可压缩的。[d₁,d₂,…,d_N]^T在正交矩阵Ψ下的变换为：θ＝Ψ^-1d＝Ψ^**d。把θ系数绝对值按照由大到小顺序排列为：|θ₁|≥|θ₂|≥|θ₃|≥…≥|θ_N|。|θ_s|≤Cs^-q,s＝1,2,…，其中C,q为常数，q越大表示衰减速率越快。式可以写为y＝R*d＝R*Ψ*θ，节点数据恢复可以表示为：min||θ′||₁subject to y＝R*Ψ*θ′，该式可以用Basis Pursuit算法求解。重构的网络节点数据为：d′＝Ψ*θ′。

不难发现，本发明利用无线传感网节点之间数据的相关性，设计一种全新的路由，可以实现网络中只要部分节点采集和发送数据，从而显著降低节点的传输数据量和网络负载。另外本方法网络中只有部分节点需要采集数据，同时由于节点选择下一跳时在其父节点和邻居节点中随机选取，因此节点的能耗更均衡，提高了网络的生命周期。

Claims (6)

1.一种无线传感器网络数据汇聚方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立路由阶段，由汇聚节点发起建立分层级的网络，节点维护其层级，邻居节点和父节点列表，节点的层数等于节点到汇聚节点的跳数；

(2)数据传输阶段，节点依据规则决定是否成为源节点，然后节点以一定的概率在其邻居节点或者父节点中选择一个作为下一跳路由节点，其中，源节点采集数据，非源节点不采集数据；所有源节点的数据通过邻居节点或父节点的路由最终发送至汇聚节点；其中，源节点在收到数据帧后产生0至1之间的第三随机数，并把自己的ID和第三随机数加入到数据帧的路由节点及数据字段，发送至下一跳路由节点；非源节点在收到数据帧后直接转发至下一跳路由节点。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络数据汇聚方法，其特征在于，所述步骤(2)后还包括：数据重构阶段，利用BP算法对网络中所有节点的数据进行重构。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络数据汇聚方法，其特征在于，所述步骤(1)中将所有节点的初始层级设为-1，汇聚节点的层级设为0，由汇聚节点发送组网命令帧，其他节点接收到汇聚节点发送的组网命令帧后把自己的层级设为1，然后已经设置层级为1的节点依次发送组网命令帧，接收到的节点判断自己的层级是否为-1，如果是则将自己的层级设为接收层级加一，并将发送节点ID加入到父节点，如果不是则判断自己的层级是否与接收层级相同，如果相同则将发送节点ID加入到邻居节点，如果不相同则判断节点等级是否大于接收层级一级，如果是则将发送节点ID加入到父节点，否则忽略该命令，再由层级为2的节点依次发送组网命令帧，采用上述同样的规则直到所有节点都确定层级完成组网。

4.根据权利要求1所述的无线传感器网络数据汇聚方法，其特征在于，所述步骤(2)中在数据传输节点开始时，每个节点产生0至1之间的第一随机数，并与预先设定的第一常数进行比较，如果第一随机数小于或等于第一常数，则该节点成为源节点；若第一随机数大于第一常数，则该节点只作为路由节点。

5.根据权利要求1所述的无线传感器网络数据汇聚方法，其特征在于，所述步骤(2)中，每个节点产生0至1之间的第二随机数，并与预先设定的第二常数进行比较，如果第二随机数大于第二常数，则节点从自身的父节点中以等概率选择一个父节点作为下一跳路由节点，如果第二随机数小于或等于第二常数，则节点从自身的邻居节点中以等概率选择一个邻居节点作为下一跳路由节点。

6.根据权利要求1所述的无线传感器网络数据汇聚方法，其特征在于，数据在路由过程中，如果路由节点同样为源节点则对路由节点的数据乘以一个随机产生的系数进行累加。