CN103945534A - 基于二阶滞后信息的无线传感网络一致性方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于二阶滞后信息的无线传感网一致性方法，其特征在于通过节点信息交互建立一跳和两跳的邻居列表，利用贪婪算法为节点提供定向邻居列表，各节点利用定向邻居列表获取二阶滞后的信息，利用两跳邻居节点的滞后信息，对当前数据进行更新操作，加速获取网络一致性的收敛速度。发明包括邻居列表的建立和数据迭代更新两部分，两者主要服务于数据迭代更新操作。邻居列表建立部分为节点提供一跳邻居列表和定向邻居列表，在数据迭代更新部分，发明通过一跳邻居节点提供一阶数据更新量，通过定向邻居列表提供二阶滞后数据更新量。有效提升一致性方法的收敛速度。该性能的提升也降低了节点计算量和数据通信量。所述的方法是一种收敛速度快、计算通信开销低的一致性方法。

Description

基于二阶滞后信息的无线传感网络一致性方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络一致性方法，旨在提供网路数据平均，从而服务于数据融合和时间同步技术，更确切地说本发明是基于二阶滞后信息的无线传感网络一致性方法。

背景技术

一致性问题起源于自然界中物种的群体性活动。通过对鸟类和鱼类活动规律的观察，科学家构建出一致性模型。一致性方法建立之初主要服务于多智能体领域编队问题。随着无线传感网的兴起，研究者们正在寻找一致性模型在传感网中的应用。

一致性问题致力于寻求网络中所有节点的数据平均，可服务于传感网数据融合技术和时间同步协议。一致性方法建立在完全分布式架构的基础上，节点间进行局部信息交互，经过多次迭代更新操作后，实现网络中数据平均。假设网络中每个节点都拥有一个初始数值x(0)，该数值可通过传感器测量或计数器数值读取等方法获取，通过采用一致性模型，网络中每个节点都将获得一个数据信息式中A代表网络中所有节点的集合。不难发现，一致性是一种典型的传感网数据融合技术，该方法为每个节点提供全网络测量数据的平均值。另外，一致性也可以为传感网时间同步技术服务，提供一种完全分布式的时间同步技术，并且具有良好的抗毁性和鲁棒性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于二阶之后信息的无线传感网一致性方法，主要服务于数据融合和时间同步等应用。本发明是通过节点信息交互建立一跳和两跳邻居列表，采用贪婪算法为节点提供定向邻居列表。各节点利用定向邻居列表获取二阶滞后信息，对当前数据进行更新操作，加速获得网络一致性的收敛速度。发明的主要步骤为：

(1)节点相互通信，建立邻居列表；

(2)节点进行算法迭代操作，通过网络一致性算法，寻求数据平均。

主要步骤(1)还包括以下子步骤：

(11)节点相互交换数据包，通过数据包中的标识信息建立一跳邻居列表；

(12)节点相互交换一跳邻居列表，通过贪婪算法建立定向邻居列表。

子步骤(12)还包括以下步骤：

(121)节点根据一跳邻居的邻居列表，建立两跳邻居列表；

(122)节点找出可覆盖最多两跳邻居的一跳邻居节点；

(123)节点为步骤(122)查询出的一跳邻居节点建立定向邻居列表，节点将该一跳邻居节点从一跳邻居列表中去除，节点将该一跳邻居节点所覆盖的两跳邻居从两跳邻居列表中去除；

(124)步骤(122)和(123)持续，直到两跳邻居列表为空。

主要步骤(2)还包括以下子步骤：

(21)节点与一跳邻居相互交换数据信息，并进行初次更新；

(22)节点与一跳邻居相互交换数据信息，并进行迭代更新；

(23)步骤(22)持续，直到网络达到一致性平均。

子步骤(21)还包括以下几个方面：

(211)节点与邻居节点交换初次更新数据包，包中数据包括节点的初始值和定向邻居列表；

(212)节点根据收到的来自一跳邻居节点的初始值计算初次更新量，并进行数据更新操作；

(213)节点根据收到的来自一跳邻居的定向邻居列表，计算一跳邻居节点需要的定向数据信息。

子步骤(22)还包括以下几个方面：

(221)节点与一跳邻居节点相互交换迭代更新数据包，包中数据包含节点的当前数据值和定向数据信息；

(222)节点计算一跳数据更新量，二阶滞后数据更新量并进行数据更新操作，节点为一跳邻居计算定向数据信息。

本发明提供的无线网络一致性方法是一种低开销的一致性方法。通过采用贪婪算法，发明仅要求部分一跳邻居节点提供定向数据信息，可以节省节点的计算量，也可以减少数据通信量。由算法的数据迭代更新部分可知，节点每次数据更新都需要进行信息交互。发明可通过加快收敛速度和降低迭代次数减少数据通信量。

本发明提供的无线网络一致性方法具有较快的收敛速度。本发明不仅保留一跳邻居提供给节点的一阶数据更新量，同时也添加了两跳邻居提供给节点的二阶滞后数据更新量。该滞后信息相当于为节点和其两跳邻居建立了连接关系。通过一致性问题的性质可知，在相同网络规模条件下，网络密度越大，算法收敛速度越快[Olfati-Saber R，Fax J A，Murray R M.Consensus andcooperation in networked muIti-agent systems[J].Proceedings of the IEEE，2007，95(1)：215-233.]。本发明将节点和其两跳邻居进行了虚拟连接，等价于增加网络密度，因此具有更快的收敛速度。最后，节点更新数据时采用的两跳邻居信息滞后一个时间段，这是由传感网通信传输的多跳特性所决定，且该时延为不可避免时延。

由此可见，本发明主要为传感网数据融合和时间同步技术提供服务。发明的主体包括邻居列表的建立和数据迭代更新两部分。邻居列表建立部分为节点提供一跳邻居列表和定向邻居列表，两者主要服务于数据迭代更新操作。在数据迭代更新部分，发明通过一跳邻居节点提供一阶数据更新量，通过定向邻居列表提供二阶滞后数据更新量。经由以上过程，本发明可有效提升一致性方法的收敛速度。该性能的提升也降低了节点计算量和数据通信量。因此，该算法是一种收敛速度快、计算通信开销低的一致性方法。

附图说明

图1为定向邻居列表建立；

图2简单网络示意图。

具体实施方式

下面介绍发明的具体实施方案，并结合实际例子进行说明。以阐明本发明实质性特点和显著的进步，需强调指出的是这些实施例子仅用于阐述本发明而不用于限制本发明的应用范围。此外，在阅读了本发明描述的内容后，相关领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样处于本发明所附权利要求书限定的范围。

下面对基于二阶滞后信息的无线传感网一致性方法进行具体说明。本发明主要包括两个步骤：邻居列表的建立；节点数据迭代更新。

步骤一，邻居列表的建立。节点通过与邻居进行两次信息交互，获取一跳邻居列表和邻居节点的一跳邻居列表。节点根据以上信息计算邻居节点的定向邻居列表，为节点数据迭代更新服务。

首先，节点建立一跳邻居列表。节点广播表1所示一跳邻居发现包，包中数据包含节点的自身标识。节点收到邻居发现包后，读取邻居标识并将其加入一跳邻居列表N(1)。节点等待足够长时间，以收集所有邻居信息，从而确保邻居列表建立完毕。注意，在无线传感器网络中，为支持寻址或者数据路由等应用，节点通常会建立一跳邻居列表。在这种情况下，该列表的建立过程就不需要了。

其次，节点为一跳邻居建立定向邻居列表。节点广播表2所示两跳邻居发现包，包中数据包含节点的自身标识和一跳邻居列表。节点收取所有一跳邻居的数据包，并根据收到的邻居列表信息计算出两跳邻居集合N(2)＝{N_j(1)-N(1)：j∈N(1)}。

节点通过贪婪算法挑选部分一跳邻居，并为其建立定向邻居列表。本发明力求寻找最少数量的一跳邻居以覆盖所有两跳邻居。该问题为NP完全问题，因此可以采用贪婪算法进行近似计算。算法迭代流程图如图1所示，该图阐述了节点建立定向邻居列表的过程，具有重要性和不可替代性。进行贪婪算法之前，节点i需复制一跳和两跳邻居列表。用J＝N_i(1)代表复制的一跳邻居列表，S＝N_i(2)代表复制的两跳邻居列表。节点j∈J可覆盖的S中元素的集合为S_j＝N_j(1)-J，并且该集合满足S＝{S_j：j∈J}。节点i经过如下过程计算定向邻居列表：

(1)由流程图1可知，节点首先需要找出满足条件|S_e|＝MAX(|S_j|)，(j∈J)的节点。如果多个节点同时拥有最大值，则随机选择出一个节点。

(2)如流程图1所示，节点为步骤(1)选择出的节点建立定向邻居列表N_e→i＝S_e。

(3)由流程图1可知，节点对集合进行更新操作。执行J＝J-e以去除选择出的一跳邻居，执行S＝S-S_e以去除e可通信的两跳邻居，执行S_j＝S_j∩S对一跳邻居j∈J可覆盖的S中元素的集合进行更新。

(4)如流程图1所示，步骤(1)到(3)持续进行，直到

下面结合具体实例对定向邻居列表建立过程进行说明。图2所示为简单的两跳网络，假设节点0需要为一跳邻居节点建立定向邻居列表。它收集周围节点的一跳和两跳邻居发现包，建立一跳邻居列表并复制为J＝{1，2，3}，建立两跳邻居列表并复制为S＝{4，5，6，7，8}。节点0进入贪婪算法迭代过程。节点选择出覆盖最多两跳邻居的节点1，为其建立定向邻居列表N1→0＝{4，5，8}。节点更新列表J＝{2，3}，S＝{6，7}，S₂＝{6，7}和S₃＝{7}。节点选择出覆盖最多两跳邻居的节点2，为其建立定向邻居列表N_2→0＝{6，7}。节点更新列表算法迭代终止。

使用贪婪算法可保证为较少数目的一跳邻居节点建立定向邻居列表。上述实例中，节点0只为一跳邻居1和2创建定向邻居列表。该方案可以节省数据迭代更新过程中的数据通信量并保证算法的收敛性。

表1一跳邻居发现包的帧格式

帧类型(一跳邻居发现帧)

源地址(节点标识)

目的地址(广播地址oxff)

帧尾

表2两跳邻居发现包的帧格式

步骤二，数据迭代更新。节点数据迭代更新分为初次更新和迭代更新两部分。初次更新部分要求节点相互交换定向邻居列表，为后续迭代更新提供服务。迭代更新部分为算法的主体，通过分布式方案计算数据平均，从而实现网络一致性。

第一部分，初次更新。节点i发送表3所示初次更新数据包给一跳邻居j，数据包含有节点的初始值x_i(0)和定向邻居列表N_j→i。于此同时，节点也接收来自一跳邻居的相关信息包，存储定向邻居列表，并对数据进行更新操作

$x_i\left(1\right)=x_i\left(0\right)+\mathrm{\α}\underset{j\∈N_i\left(1\right)}{\mathrm{\Σ}}[x_j\left(0\right)-x_i\left(0\right)]---\left(1\right)$

若节点i的一跳邻居j满足则节点i为其计算定向数据信息

$x_{i\→j}\left(1\right)=\underset{k\∈N_{i\→j}}{\mathrm{\Σ}}{x}_k\left(0\right)---\left(2\right)$

第二部分，迭代更新。节点i发送表4所示迭代更新数据包给一跳邻居j，数据包含有节点的当前数值x_i(t)和发送给该邻居的定向数据信息x_i→j(t)。于此同时，节点也接收来自一跳邻居的相应信息包，并对数据进行更新操作。节点利用一跳邻居的当前数值，计算一阶数据更新量

${\stackrel{\·}{x}}_i(t+1)=\underset{j\∈N_i\left(1\right)}{\mathrm{\Σ}}[x_j\left(t\right)-x_i\left(t\right)]---\left(3\right)$

节点利用来自一跳邻居的定向数据信息，计算出二阶滞后数据更新量

${\stackrel{\·}{x}}_i^{\′}\left(t\right)=\underset{j\∈N_i\left(1\right)}{\mathrm{\Σ}}[x_{j\→i}\left(t\right)-|N_{j\→i}|*x_i(t-1)]---\left(4\right)$

节点利用一阶数据更新量和二阶滞后数据更新量对自己的当前数值进行更新操作。为保证算法的收敛性，算法通过权重α和β对更新量进行加权

$x_i(t+1)=x_i\left(t\right)+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{x}}_i(t+1)+\mathrm{\β}{\stackrel{\·}{x}}_i^{\′}\left(t\right)---\left(5\right)$

若节点i的一跳邻居j满足则节点i为其计算定向数据信息

$x_{i\→j}(t+1)=\underset{k\∈N_{i\→j}}{\mathrm{\Σ}}{x}_k\left(t\right)---\left(6\right)$

上述迭代更新操作持续，直到所有节点均具有一致性数据，实现网络数据平均。至此，基于二阶滞后信息的无线传感网一致性算法结束。

表3初次更新数据包的帧格式

表4迭代更新数据包的帧格式

下面结合具体实例对数据迭代更新进行说明。图2所示为简单的两跳网络，第t次迭代过程中，节点0收集来自一跳邻居的数据信息。节点1为其提供当前数值x₁(t)和定向数据信息x_1→0(t)＝∑_{k∈{4，5，8}}x_k(t-1)，节点2为其提供当前数值x₂(t)和定向数据信息x_2→0(t)＝∑_k∈{6,7}xk₍t-1)，节点3为其提供当前数值x₃(t)。节点0利用公式(5)对自己的当前数值进行更新操作

$\begin{array}{c}{x}_0(t+1)=x_0\left(t\right)+\mathrm{\α}\underset{k\∈\left\{\mathrm{1,2,3}\right\}}{\mathrm{\Σ}}[x_k\left(t\right)-x_0\left(t\right)]\\ +\mathrm{\β}\underset{k\∈\left\{\mathrm{4,5,6,7,8}\right\}}{\mathrm{\Σ}}[x_k(t-1)-x_0(t-1)]\end{array}---\left(7\right)$

本发明可实现网络一致性。对整个网络来说，公式(3)(4)提供的数据更新量的总和为0，算法可以保证全网数据总和不变。通过公式(5)，网路可以实现一致性，每个节点都将拥有相同数据。当算法结束时，每个节点都将获得网络数据的平均值。

本发明通过一跳邻居列表为节点提供一阶数据更新量，通过定向邻居列表为节点提供二阶滞后数据更新量。该方法可以加快算法的收敛速度，收敛速度的提升可降低节点计算和通信开销。于其它发明相比，本发明是一种计算通信开销低，收敛速度快的一致性方法，尤其适用于能量受限的无线传感器网络。

Claims (8)

1.一种基于二阶滞后信息的无线传感网一致性方法，其特征在于通过节点信息交互建立一跳和两跳的邻居列表，利用贪婪算法为节点提供定向邻居列表，各节点利用定向邻居列表获取二阶滞后的信息，利用两跳邻居节点的滞后信息，对当前数据进行更新操作，加速获取网络一致性的收敛速度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于具体包括：

(1)节点相互通信，建立邻居列表；

(2)节点进行算法迭代操作，通过网络一致性算法，寻求数据平均；

其中，步骤(1)还包括以下子步骤：

(11)节点相互交换数据包，通过数据包中的标识信息建立一跳邻居列表；

(12)节点相互交换一跳邻居列表，通过贪婪算法建立定向邻居列表；

步骤(2)还包括以下子步骤：

(21)节点与一跳邻居相互交换数据信息，并进行初次更新；

(22)节点与一跳邻居相互交换数据信息，并进行迭代更新；

(23)步骤(22)持续，直到网络达到一致性平均。

3.根据权利要求2所述的性方法，其特征在于：

①步骤(12)还包括以下子步骤：

(121)节点根据一跳邻居的邻居列表，建立两跳邻居列表；

(122)节点找出可覆盖最多两跳邻居的一跳邻居节点；

(123)节点为步骤(122)查询出的一跳邻居节点建立定向邻居列表，节点将该一跳邻居节点从一跳邻居列表中去除，节点将该一跳邻居节点所覆盖的两跳邻居从两跳邻居列表中去除；

(124)步骤(122)和(123)持续，直到两跳邻居列表为空；

②步骤(21)还包括以下几个方面：

(211)节点与邻居节点交换初次更新数据包，包中数据包括节点的初始值和定向邻居列表；

(212)节点根据收到的来自一跳邻居节点的初始值计算初次更新量，并进行数据更新操作；

(213)节点根据收到的来自一跳邻居的定向邻居列表，计算一跳邻居节点需要的定向数据信息；

③步骤(22)还包括以下几个方面：

(221)节点与一跳邻居节点相互交换迭代更新数据包，包中数据包含节点的当前数据值和定向数据信息；

(222)节点计算一跳数据更新量，二阶滞后数据更新量并进行数据更新操作，节点为一跳邻居计算定向数据信息。

4.按权利要求2所述的方法，其特征在于建立邻居列表是节点通过与邻居进行两次信息交互，获取一跳邻居列表和邻居节点的一跳邻居列表，节点根据上述信息计算邻居节点的定向邻居列表，为节点数据迭代更新服务，步骤是：

首先，节点建立一跳邻居列表时节点广播一跳邻居发现包的帧格式，包中数据包含节点的自身标识；节点收到邻居发现包后，读取邻居标识并将其加入一跳邻居列表N(1)；节点等待足够长时间，以收集所有邻居信息，从而确保邻居列表建立完毕；

其次，节点为一跳邻居建立定向邻居列表时节点广播两跳邻居发现包的帧格式，包中数据包含节点的自身标识和一跳邻居列表；节点收取所有一跳邻居的数据包，并根据收到的邻居列表信息计算出两跳邻居集合N(2)＝{N_j(1)-N(1)：j∈N(1)}；

节点通过贪婪算法挑选部分一跳邻居，并为其建立定向邻居列表，力求寻找最少数量的一跳邻居以覆盖所有两跳邻居，该问题为NP完全问题，采用贪婪算法进行近似计算，在进行贪婪算法之前，节点i需复制一跳和两跳邻居列表；用J＝N_i(1)代表复制的一跳邻居列表，S＝N_i(2)代表复制的两跳邻居列表；节点j∈J可覆盖的S中元素的集合为S_j＝N_j(1)-J，并且该集合满足S＝{S_j：j∈J}；然而，节点i经过下述过程计算定向邻居列表：

(1)节点首先需要找出满足条件|S_e|＝MAX(|S_j|)，(j∈J)的节点，如果多个节点同时拥有最大值，则随机选择出一个节点；

(2)节点为步骤(1)选择出的节点建立定向邻居列表N_e→i＝S_e；

(3)节点对集合进行更新操作。执行J＝J-e以去除选择出的一跳邻居，执行S＝S-S_e以去除e可通信的两跳邻居，执行S_j＝S_j∩S对一跳邻居j∈J可覆盖的S中元素的集合进行更新；

(4)步骤(1)到(3)持续进行，直到

5.按权利要求4所述的方法，其特征在于：

①节点建立一跳邻居列表时节点广播内一跳邻居发现包的帧格式，包括一跳邻居发现帧的帧类型、节点标识的源地址、广播地址oxff的目的地址及帧尾；

②节点为一跳邻居建立定向邻居列表时节点广播的两跳邻居发现包的帧格式包括两跳邻居发现帧的帧类型、节点标识的源地址、广播地址oxff的目的地址、一跳邻居列表N(1)数据以及帧尾。

6.按权利要求2所述的方法，其特征在于初次更新部分要求节点相互交换定向邻居列表，为后续迭代更新提供服务；迭代更新部分为算法的主体，通过分布式方案计算数据平均，从而实现网络一致性：

①初次更新时节点i发送初次更新数据包给一跳邻居j，数据包含有节点的初始值x_i(0)和定向邻居列表N_j→i；于此同时，节点也接收来自一跳邻居的相关信息包，存储定向邻居列表，并对数据进行更新操作

$x_i\left(1\right)=x_i\left(0\right)+\mathrm{\α}\underset{j\∈N_i\left(1\right)}{\mathrm{\Σ}}[x_j\left(0\right)-x_i\left(0\right)]$

若节点i的一跳邻居j满足则节点i为其计算定向数据信息

$x_{i\→j}\left(1\right)=\underset{k\∈N_{i\→j}}{\mathrm{\Σ}}{x}_k\left(0\right)$

②迭代更新时节点i发送迭代更新数据包给一跳邻居j，数据包含有节点的当前数值x_i(t)和发送给该邻居的定向数据信息x_i→j(t)；同时，节点也接收来自一跳邻居的相应信息包，并对数据进行更新操作；节点利用一跳邻居的当前数值，计算一阶数据更新量

${\stackrel{\·}{x}}_i(t+1)=\underset{j\∈N_i\left(1\right)}{\mathrm{\Σ}}[x_j\left(t\right)-x_i\left(t\right)]$

节点利用来自一跳邻居的定向数据信息，计算出二阶滞后数据更新量

${\stackrel{\·}{x}}_i^{\′}\left(t\right)=\underset{j\∈N_i\left(1\right)}{\mathrm{\Σ}}[x_{j\→i}\left(t\right)-|N_{j\→i}|*x_i(t-1)]$

节点利用一阶数据更新量和二阶滞后数据更新量对自己的当前数值进行更新操作；为保证算法的收敛性，算法通过权重α和β对更新量进行加权

$x_i(t+1)=x_i\left(t\right)+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{x}}_i(t+1)+\mathrm{\β}{\stackrel{\·}{x}}_i^{\′}\left(t\right)$

若节点i的一跳邻居j满足则节点i为其计算定向数据信息

$x_{i\→j}(t+1)=\underset{k\∈N_{i\→j}}{\mathrm{\Σ}}{x}_k\left(t\right)$

上述迭代更新操作持续，直到所有节点均具有一致性数据，实现网络数据平均。

7.按权利要求6所述的方法，其特征在于：

①初次更新时节点发送数据包的帧格式包有初次更新帧的帧类型、节点标识i的源地址、邻居标识j的目的地址、数据x_i(0)、定向数据列表N_j→i以及帧尾；

②迭代更新时节点发送的迭代更新数据包的帧格式包有迭代更新帧的帧类型、节点标识i源地址、邻居标识j的目的地址、数据x_i(t)和x_i→j(t)以及帧尾。

8.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于适用于能量受限制的无线传感网络。