CN103763751B - 无线传感器网络的数据传输方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线传感器网络的数据传输方法和系统，其中方法包括：获取源节点的数据并根据数据的属性设定数据的生命值；将数据及其生命值发送至候选节点，并从候选节点中选择转发节点；计算转发节点接收的数据的剩余生命值：T₁＝T‑t；其中，T₁为剩余生命值，T为数据的生命值，t为数据从源节点发送时刻到到达当前节点的时间间隔；若T₁≥T₀，将所述转发节点接收的数据以多跳转发方式传输至信宿端，否则将转发节点接收的数据直接发送至信宿端；其中，T₀为转发节点通过多跳转发方式将数据传输至信宿端所需要的时间阈值。本发明的技术，提高了无线传感器网络的整体传输效率，特别是在传输大量数据时，能够明显提高数据传输的效率、时效性和安全性。

Description

无线传感器网络的数据传输方法和系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种无线传感器网络的数据传输方法和系统。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)，由部署在监测区域内大量的节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者，即信宿端。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。从架构上看，无线传感器网络由大量小型传感器所组成的网络。这些小型传感器一般称作sensor node(传感器节点)或者mote(灰尘)，网络中一般也设置一个或几个用来集中从小型传感器收集的数据。无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域。

例如，作为一种先进的无线通信技术，无线传感器网络已经被广泛引入到智能电网中，智能电网分为两部分：电力传输网络(简称传输网)和电力分配网络(简称配电网)；传输网主要用于高压电力的传输，配电网主要功能是把电力传输到各个用户。传统的电网的监控网络都是通过有线方式进行通信，而有线通信方式需要昂贵的基础设施，维护起来也很困难，所以，在智能电网中一般考虑无线通信方式。比如IEEE802.11，基于WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球微波互联接入)的IEEE802.16，3G/4G网络，IEEE802.20等等。智能电网作为一种配备有高效率、高可靠性和高安全性的通信设施的现代电力网络，它通过自动控制、自动感知、现代能量管理技术和现代通信技术来实现电力网络的智能化。例如，为了给电力公司提供实时的能耗数据，并且允许客户在使用时，以价格为基础，对能源使用做出明智的选择，采用智能电表基础建设网络(Advanced Metering Infrastructure，AMI)，简称AMI网络，是智能网络计划的重要组成部分。在智能电网具体运行中，需要把智能电表采集的数据传输到数据处理中心(DataManagement Center，DMC)，即信宿端，数据处理中心可以根据这些数据了解当前网络状态并及时处理。因此，数据能否被及时有效地通过AMI网络发送到数据处理中心进行处理是决定网络性能的重要因素。

Sedat Gormus等人提出了在AMI网络中的协作通信协议(Opportunity RoutingProtocol for Low Power and Lossy Networks，ORPL)，简称ORPL协议，利用机会路由的方式发送数据包到目的地，即信宿端，该协议的主要思想是任何一个源节点都有一个候选发送节点组，候选发送节点组中的节点间可以相互通信，并且都是源节点的邻居节点，组内的节点都优先级。由于无线网络的广播特性和无线链路的不稳定性，源节点发送数据后，A内的节点可能只有一部分收到数据，ORPL协议中选择收到数据的并且优先级高的候选节点作为转发节点转发数据，其余收到数据的节点直接丢弃数据。

Dusit Niyato等人提出了另一种用于AMI网络中电表数据采集的传输协议(Cooperative Transmission for Meter Data Collection，CTMDC)，简称CTMDC协议。传统的数据传输方式中，智能电表采集的数据先发送到数据收集单元(Data Aggregator Unit，DAU)，再由数据收集单元转发到数据处理中心，该传输方式中，当数据量大时，数据收集单元处会发生拥塞，降低数据传输效率的缺点。CTMDC协议能够在一定程度上克服上述缺点，该协议的基本思想是：在每个小区设置一个中继节点来帮助数据收集单元转发数据。数据被送达数据处理中心存在两种传输方式：一种是数据收集单元收集电表数据然后直接发送到数据处理中心的直接传输方式，第二种是数据收集单元收集数据后再经过中继节点转发到数据处理中心的传输方式。当数据收集单元处数据量太多时，此时可以使用第二种传输方式转发数据，以此缓解数据收集单元处的拥塞情况。

通过上述分析，无线传感器网络在AMI网络中的应用，由此而产生的ORPL协议和CTMDC协议，对无线传感器网络的数据传输方式应用作出了优化的改进，都是选择中继节点帮助转发数据，在一定程度上提升了无线传感器网络的传输效率。但两种通信方式仍然存在明显的缺陷，在数据传输过程中无法对数据进行传输控制，导致紧急的、重要的数据没法及时、安全地传输至信宿端，使得无线传感器网络的整体传输效率较低，特别是在传输的数据量较大时，无线传感器网络的整体传输效率和安全性都会明显降低。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种数据的传输效率和安全性更高的无线传感器网络的数据传输方法和系统。

一种无线传感器网络的数据传输方法，包括如下步骤：

获取源节点的数据并根据数据的属性设定所述数据的生命值；

将所述数据及其生命值发送至候选节点，并从候选节点中选择转发节点；

计算转发节点接收的数据的剩余生命值：T₁＝T-t；其中，T₁为剩余生命值，T为数据的生命值，t为数据从源节点发送时刻到到达当前节点的时间间隔；

若T₁≥T₀，将所述转发节点接收的数据以多跳转发方式传输至信宿端，若T₁＜T₀，将转发节点接收的数据直接发送至信宿端；其中，T₀为转发节点通过多跳转发方式将数据传输至信宿端所需要的时间阈值。

一种无线传感器网络的数据传输系统，包括：

生命值设置模块，用于获取源节点的数据并根据数据的属性设定所述数据的生命值；

转发节点选择模块，用于将所述数据及其生命值发送至候选节点，并从候选节点中选择转发节点；

剩余生命值计算模块，用于计算转发节点接收的数据的剩余生命值：T₁＝T-t；其中，T₁为剩余生命值，T为数据的生命值，t为数据从源节点发送时刻到到达当前节点的时间间隔；

数据传输模块，用于若T₁≥T₀，将所述转发节点接收的数据以多跳转发方式传输至信宿端，若T₁＜T₀，将转发节点接收的数据直接发送至信宿端；其中，T₀为转发节点通过多跳转发方式将数据传输至信宿端所需要的时间阈值。

上述无线传感器网络的数据传输方法和系统。充分考虑了数据的属性，在传输数据前，首先设定数据的生命值，使得数据具有优先级特性，数据传输时间超过生命值后即会失效，然后在节点间进行转发，根据数据的剩余生命值及其所在节点通过多跳转发方式将数据传输至信宿端所需要的时间阈值进行比较，从而确定数据下一跳的传输方式，是进行多跳转发方式传输至信宿端或者是直接发送至信宿端；从而避免了紧急的数据因为传输时间太长而失效，以及非紧急的数据占用最短传输路径的情况，实现了对数据传输过程的可控性，使得紧急的数据能够及时、安全地传输至信宿端；从整体上优化了无线传感器网络的传输路径，提高无线传感器网络的整体传输效率，特别是在传输大量数据时，能够明显提高数据传输的效率、时效性和安全性。

附图说明

图1为本发明的无线传感器网络的数据传输方法流程图；

图2为一个实施例的多跳转发方式传输数据的流程图；

图3为本发明的无线传感器网络的数据传输系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的无线传感器网络的数据传输方法和系统的具体实施方式作详细描述。

参考图1所示，图1为本发明的无线传感器网络的数据传输方法流程图，包括如下步骤：

步骤S10，获取源节点的数据并根据数据的属性设定所述数据的生命值。

在本步骤中，源节点可以为各种需要将数据传输至信宿端的节点，所述数据包括节点产生的各种数据，如计量数据、控制数据、环境数据等。上述处理方式，充分考虑到了数据属性，对获取的数据进行差异化处理，对获取的数据设置生命值，使得数据都具有不同的优先级特性，以生命值为标记作为后续选择转发方式的依据，所有数据必须要在生命值终结前发送到信宿端，从而避免导致有些紧急的数据因为传输时间太长而失效，而非紧急的数据却被及时送到信宿端占用紧急传输路径的现象。

例如，在AMI网络中，对于紧急的控制信息，设定较小的生命值，对于非紧急的环境数据，可以设定较长的生命值。

在一个实施例中，步骤S10的过程具体可以包括如下步骤：

根据数据的重要性设置不同数据类型的优先级等级；其中，每个优先级等级对应一个生命值；采集源节点的数据并确定其数据类型；根据数据类型及其对应的所述优先级设定所述数据的生命值。

例如，在AMI网络中，将智能电表节点采集数据优先级分为三种：高优先级A，较高优先级B和普通优先级C，优先级等级高低为：A＞B＞C。不同优先级的数据对应不同的生命值T，假设为T_A、T_B、T_C，则T_A＜T_B＜T_C，生命值代表的是数据能被传输的时间，优先级高的数据生命值就越小，具体生命值的设定可根据用户的需要设定；然后通过智能电表节点采集数据，标记优先级并设置其生命值。

步骤S20，将所述数据及其生命值发送至候选节点，并从候选节点中选择转发节点。

在本步骤中，首先是确定源节点的一跳范围内且互相通信的节点为候选节点，利用候选节点组成的节点组，将数据及其生命值以数据包形式发送至候选节点，针对于无线网络的广播特性和无线链路的不稳定性，再从候选节点中选择转发节点，用于转发数据，其余收到数据的节点直接丢弃数据。

在一个实施例中，对于步骤S20中的从候选节点中选择转发节点的过程，可以结合ORPL协议的应用，具体包括如下步骤：

(1)根据ORPL协议计算候选节点的优先级；具体的，根据ORPL协议，节点的优先级计算方法为计算期望传输次数，即优先级的权值为其中p为链路传输概率。

(2)将最高优先级的候选节点设为转发节点；其中，转发节点将接收到的所述数据进行转发，其它节点将接收到的所述数据丢弃。

作为一个优选的实施例，上述(1)计算候选节点的优先级的过程，具体可以采用如下公式：

式中，r为优先级的权值，p为链路传输概率，E为节点的剩余能量，α为设定的能量对节点的影响系数，0＜α＜1。

通过上述公式可以看出，p越大，r值越小，候选节点的优先级越高，反之，候选节点优先级越低；同时，E越大，r值越小，候选节点优先级越高，反之，候选节点优先级越低，E可以通过读取节点的供电单元监测数据方式获得。

上述实施例，结合链路情况和候选节点能量选择转发节点，可以采用机会转发方式转发数据。由于在无线通信技术中，节点的能量是很重要的因素，如果某个节点的能量一旦消耗完，经过此节点的路径都不能正常工作，从而导致影响数据传输性能下降。

因此，本发明的上述技术方案充分考虑节点的能量影响因素，通过设定的能量对节点的影响系数，并依此作为重要参量，来确定能量对该节点影响程度，计算候选节点的优先级时，将节点剩余能量作为重要参考因素，能够明显提高选择的转发节点选择的准确性，避免将数据转发至剩余能量较少的节点，从而降低了通信中断的风险，减少数据重传次数，保证了转发数据的安全性，极大提升了数据传输性能。

步骤S30，计算转发节点接收的数据的剩余生命值：T₁＝T-t；其中，T₁为剩余生命值，T为数据的生命值，t为数据从源节点发送时刻到到达当前节点的时间间隔，t可以根据计算在传输路径所损耗的时间获得。

在本步骤中，在数据经过转发后，计算该数据经过当前转发节点接收后的剩余生命值(Residual Life Time，RLT)，从而确定该数据是可以继续在节点间进行转发，还是必须要转发至信宿端。

步骤S40，若T₁≥T₀，将所述转发节点接收的数据以多跳转发方式传输至信宿端，若T₁＜T₀，将转发节点接收的数据直接发送至信宿端；其中，T₀为转发节点通过多跳转发方式将数据传输至信宿端所需要的时间阈值。

在本步骤中，即利用转发节点的时间阈值T₀去判断转发节点接收数据的剩余生命值T₁，如果T₁≥T₀，采用多跳转发方式传输数据，即把数据发送到下一个节点，如果T₁＜T₀，说明该数据的剩余生命值不足以支持其进行转发时间消耗，因此，必须采用直接传输方式传输至信宿端。

例如，在AMI网络中，对于智能电表采集数据的传输，对于紧急的控制信息，可以通过最短的路径传输至数据处理中心，避免传输时间太长而失效，而非紧急的环境数据，由于对时间要求不高，可以通过较长的路径转发至数据处理中心。

另外，将转发节点接收的数据直接发送至信宿端过程，可以结合CTMDC协议的应用，即首先发送数据到数据收集单元，再由数据收集单元直接把数据发送到数据处理中心。

对于上述通过多跳转发方式把数据发送到信宿端所需要的时间阈值T₀，每个节点都需要维护一个T₀值，此值可以通过统计从此节点经过多跳转发方式发送数据到数据处理中心的时间进行计算获得。而剩余生命值T₁代表数据剩余的生命时间，也就是这个数据还能被传输的最大时间，当超过这个时间时此数据就会无效，T₁可以通过节点在接收到数据后进行实时计算获得。

在一个实施例中，步骤S40中将所述转发节点接收的数据以多跳转发方式传输至信宿端的步骤，可以包括如下：

选择当前转发节点的下一个转发节点，并将接收的数据转发至所述下一个转发节点；计算所述数据在所述下一个转发节点的剩余生命值T₁，若T₁≥T₀，则继续执行转发的步骤，若T₁＜T₀，则执行所述通过所述转发节点将对应的数据直接发送至信宿端的步骤。

参考图2所示，图2为一个实施例的多跳转发方式传输数据的流程图，结合在AMI网络中的应用，具体包括如下步骤：

步骤S401，将数据转发至候选节点；

步骤S402，候选节点接收数据；

步骤S403，候选节点相互协作，计算节点优先级并确定转发节点，并由转发节点准备转发数据；

步骤S404，转发节点计算数据的剩余生命值T₁；

步骤S405，判断T₁是否大于或等于多条传输所需要的时间阈值T₀；若是，执行步骤S401，否则，执行步骤S406；

步骤S406，转发节点将数据发送到数据收集单元；

步骤S407，数据收集单元将数据发送到数据处理中心。

通过上述处理机制，可以避免AMI网络中的应用无线传感器网络传输数据时的拥塞问题，对于剩余生命值较大的非紧急的数据，可以在节点间进行多次转发，对于剩余生命值较小的数据，及时转发至数据处理中心，这样既能够保证紧急数据能够及时传输，又能够充分有效地利用节点间的数据转发非紧急的数据，从而提高数据传输效率和网络的整体利用率。

综合上述实施例的技术方案，在AMI网络中的应用具有如下明显优点：

第一，充分切合了智能电网中数据具有不同优先级的特点，使得电网中不同优先级的数据都能及时送达数据处理中心进行处理，所以电网能迅速对网络中的状况进行处理，有效地监控电网，这样既可以减小网络出现故障的时间，又可以提高用户满意度。

第二，结合了无线链路情况和节点能量来选择中继节点并采用机会转发的方式进行数据传输，这样可以减少数据的重传次数，提高数据传输效率，并有效地利用网络中的节点发送数据，提高网络的整体利用率。

参考图3所示，图3为本发明的无线传感器网络的数据传输系统结构示意图，包括：

生命值设置模块10，用于获取源节点的数据并根据数据的属性设定所述数据的生命值；

转发节点选择模块20，用于将所述数据及其生命值发送至候选节点，并从候选节点中选择转发节点；

剩余生命值计算模块30，用于计算转发节点接收的数据的剩余生命值：T₁＝T-t；其中，T₁为剩余生命值，T为数据的生命值，t为数据从源节点发送时刻到到达当前节点的时间间隔；

数据传输模块40，用于若T₁≥T₀，将所述转发节点接收的数据以多跳转发方式传输至信宿端，若T₁＜T₀，将转发节点接收的数据直接发送至信宿端；其中，T₀为转发节点通过多跳转发方式将数据传输至信宿端所需要的时间阈值。

在一个实施例中，所述生命值设置模块10进一步用于：

根据数据的重要性设置不同数据类型的优先级等级；其中，每个优先级等级对应一个生命值；采集源节点的数据并确定其数据类型；根据数据类型及其对应的所述优先级设定所述数据的生命值。

在一个实施例中，所述转发节点选择模块20用于从候选节点中选择转发节点的过程具体包括：

根据ORPL协议计算候选节点的优先级；

将最高优先级的候选节点设为转发节点；其中，转发节点将接收到的所述数据进行转发，其它节点将接收到的所述数据丢弃。

进一步地，所述转发节点选择模块20用于根据ORPL协议计算候选节点的优先级的方法包括：

式中，r为优先级的权值，p为链路传输概率，E为节点的剩余能量，α为设定的能量对节点的影响系数，0＜α＜1。

在一个实施例中，所述数据传输模块40用于将所述转发节点接收的数据以多跳转发方式传输至信宿端的过程具体包括：

选择当前转发节点的下一个转发节点，并将接收的数据转发至所述下一个转发节点；

计算所述数据在所述下一个转发节点的剩余生命值T₁，若T₁≥T₀，则继续执行转发的步骤，若T₁＜T₀，则执行所述通过所述转发节点将对应的数据直接发送至信宿端的步骤。

本发明的无线传感器网络的数据传输系统与本发明的无线传感器网络的数据传输方法一一对应，在上述无线传感器网络的数据传输方法的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于无线传感器网络的数据传输系统的实施例中，特此声明。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种无线传感器网络的数据传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取源节点的数据并根据数据的属性设定所述数据的生命值；

将所述数据及其生命值发送至候选节点，并从候选节点中选择转发节点；

计算转发节点接收的数据的剩余生命值：T₁＝T-t；其中，T₁为剩余生命值，T为数据的生命值，t为数据从源节点发送时刻到到达当前节点的时间间隔；

若T₁≥T₀，将所述转发节点接收的数据以多跳转发方式传输至信宿端，若T₁＜T₀，将转发节点接收的数据直接发送至信宿端；其中，T₀为转发节点通过多跳转发方式将数据传输至信宿端所需要的时间阈值。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络的数据传输方法，其特征在于，所述获取源节点的数据并根据数据的属性设定所述数据的生命值的步骤包括：

根据数据的重要性设置不同数据类型的优先级等级；其中，每个优先级等级对应一个生命值；

采集源节点的数据并确定其数据类型；

根据数据类型及其对应的所述优先级设定所述数据的生命值。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络的数据传输方法，其特征在于，所述从候选节点中选择转发节点的步骤包括：

根据ORPL协议计算候选节点的优先级；

将最高优先级的候选节点设为转发节点；其中，转发节点将接收到的所述数据进行转发，其它节点将接收到的所述数据丢弃。

4.根据权利要求3所述的无线传感器网络的数据传输方法，其特征在于，所述根据ORPL协议计算候选节点的优先级的步骤包括：

$r=\mathrm{\α}*\frac{1}{p}+\frac{1-\mathrm{\α}}{E}$

式中，r为优先级的权值，p为链路传输概率，E为节点的剩余能量，α为设定的能量对节点的影响系数，0＜α＜1。

5.根据权利要求1所述的无线传感器网络的数据传输方法，其特征在于，所述将所述转发节点接收的数据以多跳转发方式传输至信宿端的步骤包括：

选择当前转发节点的下一个转发节点，并将接收的数据转发至所述下一个转发节点；

计算所述数据在所述下一个转发节点的剩余生命值T₁，若T₁≥T₀，则继续执行转发的步骤，若T₁＜T₀，则执行所述通过所述转发节点将对应的数据直接发送至信宿端的步骤。

6.一种无线传感器网络的数据传输系统，其特征在于，包括：

生命值设置模块，用于获取源节点的数据并根据数据的属性设定所述数据的生命值；

转发节点选择模块，用于将所述数据及其生命值发送至候选节点，并从候选节点中选择转发节点；

剩余生命值计算模块，用于计算转发节点接收的数据的剩余生命值：T₁＝T-t；其中，T₁为剩余生命值，T为数据的生命值，t为数据从源节点发送时刻到到达当前节点的时间间隔；

数据传输模块，用于若T₁≥T₀，将所述转发节点接收的数据以多跳转发方式传输至信宿端，若T₁＜T₀，将转发节点接收的数据直接发送至信宿端；其中，T₀为转发节点通过多跳转发方式将数据传输至信宿端所需要的时间阈值。

7.根据权利要求6所述的无线传感器网络的数据传输系统，其特征在于，所述生命值设置模块进一步用于：

根据数据的重要性设置不同数据类型的优先级等级；其中，每个优先级等级对应一个生命值；

采集源节点的数据并确定其数据类型；

根据数据类型及其对应的所述优先级设定所述数据的生命值。

8.根据权利要求6所述的无线传感器网络的数据传输系统，其特征在于，所述转发节点选择模块用于从候选节点中选择转发节点的过程具体包括：

根据ORPL协议计算候选节点的优先级；

将最高优先级的候选节点设为转发节点；其中，转发节点将接收到的所述数据进行转发，其它节点将接收到的所述数据丢弃。

9.根据权利要求8所述的无线传感器网络的数据传输系统，其特征在于，所述转发节点选择模块用于根据ORPL协议计算候选节点的优先级的方法包括：

$r=\mathrm{\α}*\frac{1}{p}+\frac{1-\mathrm{\α}}{E}$

式中，r为优先级的权值，p为链路传输概率，E为节点的剩余能量，α为设定的能量对节点的影响系数，0＜α＜1。

10.根据权利要求6所述的无线传感器网络的数据传输系统，其特征在于，所述数据传输模块用于将所述转发节点接收的数据以多跳转发方式传输至信宿端的过程具体包括：

选择当前转发节点的下一个转发节点，并将接收的数据转发至所述下一个转发节点；

计算所述数据在所述下一个转发节点的剩余生命值T₁，若T₁≥T₀，则继续执行转发的步骤，若T₁＜T₀，则执行所述通过所述转发节点将对应的数据直接发送至信宿端的步骤。