CN104717752B - 一种基于数据聚合的传输调度时隙分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数据聚合的传输调度时隙分配方法，包括如下步骤：步骤一、为网络中的节点构建聚合集合：根据聚合率r∈R&r∈(0,1)，根据公式计算出节点聚合数m的值，其中，N为聚合后的节点个数，n为网络中节点总数，M₀ ^-表示取满足上述公式的整数集合M₀中的最小值，即取m个节点进行聚合；步骤二、调度时隙分配：从最后一层到第一层，依次考虑每一层的每一个节点，若该节点尚未分配时隙，则找到该节点所在的聚合集合，并为该聚合集合内所有的节点分配尽早开始的时隙。本发明解决了传统无线传感网络中数据聚合形式单一的情况，并且时隙有效利用率更大，网络寿命更长，汇聚节点的数据接收量更大，网络的能量利用率更高，在很多工农业等实际问题上具有一定的指导意义。

Description

一种基于数据聚合的传输调度时隙分配方法

技术领域

本发明涉及无线传感网络领域的数据传输调度方法，尤其是一种基于数据聚合的传输调度时隙分配方法。

背景技术

无线传感网络是物联网的重要基础技术之一，是物联网中信息的获取渠道，为物联网提供了主动感知物理世界的手段。

在无线传感网络中，数据传输调度策略直接影响到网络系统的运行效率和服务质量。目前，大部分基于数据聚合技术的数据传输调度都是采用如下过程：叶子节点在其调度时隙将其感知数据聚合成一个数据包进行发送；汇聚节点将其感知和接收的其它节点的数据聚合成一个数据包，在其调度时隙发送给其父节点；汇聚节点将会接收其一跳子节点发送的数据包。大多数文章研究的都是以降低传输能耗与延迟为目标的数据传输调度问题。对于面向传输能量最优的数据传输调度算法，其目的为使收集全网数据所消耗的节点的数据传输能量最小；对于面向传输延迟最优的数据传输调度算法，其目标为使汇聚节点收集全网数据的延迟最小。

近年来，在无线传感网研究领域中，传统的数据获取方式主要有两种：一、面向原始数据收集的数据获取方式。如果数据完全不相关，则它们不能被汇聚。传感网中的中继节点只是对传输路径中的上一跳邻居节点传输过来的数据包进行中继转发，并不对数据包的感知数据部分进行处理。因此这种方式我们也常常叫做数据收集。二、面向数据聚合技术的数据获取方式。如果多个数据完全相关，则它们可以被汇聚为一个数据。在无线传感网数据聚合过程中，网络中继节点在收到传输路径中的上一跳邻居节点传输过来的数据包后，并不是立即对数据包进行中继转发，而是对收集到的上游节点的感知数据与自己感知到的数据进行聚合计算操作，然后把聚合计算得到结果封装到一个数据包中，再进行数据包的转发。被汇聚的数据数量越多，节点需要通信的数据量越少，反之亦然。由于通信是节点最重要的能耗因素，因此数据聚合能够有效地减少网络中所需传输的数据量，降低数据传输能耗。数据聚合技术由于其在数据传输能量效率方面具有显著优势，因而得到了广泛的关注。

综上所述，在数据传输调度中无论是采用数据聚合(N个节点聚合成1个数据包)还是采用数据收集(N个节点聚合成N个数据包)，这两种方式都是理想的一种状态，在实际应用中，大多数情况是做不到的。聚合后的数据包都只考虑了边界值1或N，而没有考虑N个节点聚合成m个数据包，即1-N之间的情况。

因此急需提出一种能解决N个节点可以聚合成[1,n]之间个数的数据包的数据传输调度方法，也是更合乎实际情况的方法。

发明内容

本发明提供一种基于数据聚合的传输调度时隙分配方法，能保持了较好的性能，且更适合无线传感器网络的实际，适合于依据不同聚合率的数据聚合传输。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于数据聚合的传输调度时隙分配方法，包括如下步骤：

步骤一、为网络中的节点构建聚合集合：根据聚合率r∈R&r∈(0,1)，R表示实数集，根据公式计算出节点聚合数m的值，其中，N为聚合后的节点个数，n为网络中节点总数，M₀ ^-表示取满足上述公式的整数集合M₀中的最小值，即取m个节点进行聚合；

步骤二、调度时隙分配：从最后一层到第一层，依次考虑每一层的每一个节点，若该节点尚未分配时隙，则找到该节点所在的聚合集合，并为该聚合集合内所有的节点分配尽早开始的时隙。接着再考虑本层的每一个节点，如果节点有孩子节点,根据该节点和其孩子节点是否在同一个聚合集合中来给该节点分配时隙转发其孩子节点最终的聚合结果。

优选地，步骤一中，聚合方式具体为：按照拓扑树结构从下往上的顺序，依次考虑每一层的每一个节点，如果当前节点不在任何聚合集合中,则把它加入一个聚合集合中.计算这个聚合集合包含的节点的个数L,如果L小于m,且父亲节点不为汇聚节点，则把这个节点的父亲节点加进这个聚合集合；又计算这个聚合集合包含的节点的个数L,如果L小于m,把这个节点的兄弟节点加进这个聚合集合；再次计算这个聚合集合包含的节点的个数L，如果L仍然小于m,设置这个节点的父亲节点为当前节点；重复上述过程直到L和m相等,或者节点的父亲节点为汇聚节点,或者节点的父亲节点已经存在于某个聚合集合中。

优选地，步骤二中，非汇聚节点分配其子节点个数+1个时隙，汇聚节点分配一个时隙用来聚合所有的子节点的数据，集合内的中继节点不聚合，而是转发同一集合内子节点的数据。所以充分利用了远汇聚节点区域的能量，增加了网络的能量利用率。然而近汇聚节点区域的第一层节点因为都是聚合节点，所以在这个区域的数据因为聚合而需转发的数据量大大减少，增加了网络寿命。

本发明的有益效果是：本发明解决了传统无线传感网络中数据聚合形式单一的情况，并且时隙有效利用率更大，网络寿命更长，汇聚节点的数据接收量更大，网络的能量利用率更高，在很多工业、农业等实际问题上具有一定的指导意义。

附图说明

图1为本发明所述方法的流程图；

图2为给节点构造聚合集合的流程图；

图3为给节点分配调度时隙的流程图；

图4为一个传感器网络各节点组成的拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实例，对本发明做进一步说明。

如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种数据聚合传输调度时隙分配方法，其目的在于，克服现有技术中聚合后的数据包为1或N的两种单一的理想情况，该方法包括以下步骤。

步骤1：构建聚合树101；

在一个无线传感器网络结构中，随机部署n个传感器节点，利用BFS算法生成n个节点到基站的聚合树。再利用最小跳数路由算法使每个节点获得到达基站的跳数，基站的层次为0，距离基站跳数为k的所有节点都组成第k层。

步骤2：建立数据聚合模型102；

汇聚节点汇聚的数据来自于其一跳子节点，而一跳子节点聚合自身节点信息和其它节点发来的信息后发送给汇聚节点。数据的聚合是由叶子节点到中继节点，然后逐跳汇聚到汇聚节点。

网络应该有针对网络中数据汇聚的情况适当调整节点的协作方式以保存能量的能力。由于并不是所有数据均能够被汇聚或多次汇聚，因此本发明针对这种情况给出数据聚合模型，如式(1)(2)(3)所示。

数据聚合只在原始数据包中进行，而聚合后的数据则不再重复聚合，这样通过一定的聚合既减少了通信的数据信息量，保证了网络能量，又不至于过多重复的聚合导致数据的失真。同时增加了非hotspots区域的非聚合节点，其数据传输所需的数量不仅不比近汇聚节点少，反而比近汇聚节点区域的数据传输所需的数量大，充分利用了远汇聚节点区域节点的剩余能量，使整个网络的能量利用率提高。在我们给出的聚合模型中,σi表示节点i的原始数据包,表示节点i从节点j接收到的数据包,φ_i表示节点i聚合自身的节点与接收到的子节点的信息的最终的聚合结果。我们假设一个传感器节点在一个调度周期只感应一个数据包，每个数据包都有相同大小的尺寸，每个节点都要发送自身感应的数据。

当节点i从节点j接收数据如果节点i的数据是σ_i，来自于节点j的数据是也就是说节点i接收的数据是原始数据,则聚合公式如下式:

如果节点i的数据是σ_i，来自于节点j的数据是也就是说节点i接收的数据不是原始数据,则聚合公式如下式:

以上讨论的节点i都不是叶子节点.如果节点i是叶子节点,则聚合公式如下式:

φ_i＝σ_i(3)

步骤3：构建各节点的数据聚合集合103；

传统的数据获取方式主要有两种：

一、面向原始数据收集的数据获取方式。即n个节点聚合成1个数据包。

二、面向数据聚合技术的数据获取方式。即n个节点聚合成n个数据包。

在这两种数据获取方式中，聚合后的数据包只考虑了边界值1或N，而没有考虑N个节点聚合成m个数据包，即m∈[1,n]的情况。ξ表示聚合计算。

但是在步骤2所述的聚合模型中，每个节点和它的子节点、父节点聚合时都采用事先给出的聚合率r，这样不同的节点个数，采用给定的聚合率r聚合时会产生不同个数的数据包，比如3个节点以r＝25％聚合，会产生0.75个数据包，4个节点以r＝25％聚合，会产生1个数据包，5个节点以r＝25％聚合会产生1.25个数据包，6个节点以r＝25％聚合会产生1.5个数据包。在实际的传输中，传感器节点传输一个或小于一个的数据包必须在一个时隙内，且能在一个时隙内数据包传输完毕。1个数据包传送是需要占用1个时隙的，不足1个数据包的传送也必须占用1个时隙。以此类推，所以，0.75个数据包需要占用1个时隙来传送，1.25个数据包需要占用2个时隙来传送，1.5个数据包也需要占用2个时隙来传送。我们很容易看出，4个节点以r＝25％聚合成1个数据包来传送，对时隙的利用率是最充分的。而其它几种节点个数，比如3、5、6都没有最大程度的利用时隙，造成了时隙的浪费。根据给定的聚合率r规定m(m未知)个节点聚合，m个节点达到最大程度的聚合就能达到聚合后的数据信息在传输时时隙的最大利用率。

根据聚合率r，取m个节点尽量凑成整数个数据包进行聚合，在网络节点中进行的构造最大聚合集合能够最优地聚合从多个不同传感器节点收集上来的数据，再在所分配的相应时隙进行传输，从而增加时隙的利用率。

即：取聚合率r∈R&r∈(0,1)， $\∃M_0\∈\[1,n\],\underset{m\→M_0^{-}}{\lim }r\×m=N,N\∈\[1,n\]$

为各节点生成set{k},k∈[1,K]。

为了简单，我们先讨论根据给定的聚合率，n个节点聚合后的数据包趋近于整数1的情况。

即：取聚合率r∈R&r∈(0,1)，根据给定的聚合率r规定m(m未知)个节点聚合，m个节点达到最大程度的聚合就能达到聚合后的数据信息在传输时时隙的最大利用率。

聚合集合的作用在于选择哪些节点作为一个聚合集合一起聚合,因而聚合集合的构造是整个方法的基础。聚合集合要求节点只在所处的聚合集合内聚合，且只聚合一次。同一聚合集合内的节点在集合内的最后一个汇聚节点一起聚合，而集合内之前的中继节点只转发该集合内子节点的数据。这样,节点根据聚合率选择自己和哪些节点聚合，可以进一步提高数据传输过程中的时隙利用率。且聚合集合内非汇聚节点需传输的数据量大，充分利用了远汇聚节点区域节点的剩余能量。

步骤4：分配各节点的数据传输时隙104；

从最后一层到第一层，依次考虑每一层的每一个节点，若该节点尚未分配时隙，则找到该节点所在的聚合集合，并为该聚合集合内所有的节点分配尽早开始的时隙。非汇聚节点分配其子节点个数+1个时隙，汇聚节点分配一个时隙用来聚合所有的子节点的数据。集合内的中继节点不聚合，而是转发同一集合内子节点的数据。这样充分利用了远汇聚节点区域的能量。而近汇聚节点区域的第一层节点因都为聚合集合的汇聚节点，故数据在此都大大减少，从而减少了第一层节点发送的数据量，提高了网络寿命。从最后一层到第一层，依次考虑每一层的每一个节点，若该节点存在子节点，则根据子节点和其在一个聚合集合内还是不在一个聚合集合内，为该节点分配带走子节点的聚合结果的时隙。

步骤5：数据聚合传输调度方案的性能评估105；

(1)增加时隙的利用率。

在无线传感网研究领域中，传统的数据获取方式主要有两种：

一、面向原始数据收集的数据获取方式。即n个节点聚合成1个数据包。例如,当节点10发送数据时，转发的是节点10、16、17、18、23、24信息的6个数据包。如图4。

二、面向数据聚合技术的数据获取方式。即n个节点聚合成n个数据包。例如,当节点10发送数据时，转发的是包含了节点10、16、17、18、23、24信息的1个数据包。如图4。

在这两种数据获取方式中，聚合后的数据包只考虑了边界值1或N，而没有考虑N个节点聚合成m个数据包，即的情况。ξ表示聚合计算。

我们假设任意给定聚合率r＝25％，按照后面步骤2中对数据聚合模型的定义.例如,当节点10发送数据时，转发的可以是node18、23、24、18、23、24的6个数据包以r＝25％聚合成的1.25个数据包，也可以是节点10和节点16、17的3个数据包聚合成0.75个数据包，加上节点18、23、24的3个数据包聚合后的0.75个数据包。亦可以是更多其它的情况。如图4。

在实际的传输中，传感器节点传输一个或小于一个的数据包必须在一个时隙内，且能在一个时隙内数据包传输完毕。因此，1个数据包传送是需要占用1个时隙的，不足1个数据包的传送也必须占用1个时隙。以此类推，1.25个数据包需要占用2个时隙来传送，2.5个数据包需要占用3个时隙来传送。

假设：时隙的利用率是指在数据传输的过程中，传输的数据包个数与所需要占用的时隙的比值。使得时隙的有效利用率最大化可以表示为下式：

从公式4我们很容易看出，当n个节点聚合后的数据包越趋近于整数，则时隙的利用率越好。比如上例4个节点以r＝25％聚合成1个数据包来传送，对时隙的利用率是最充分的。而其它几种节点个数，比如3、5、6都没有最大程度的利用时隙，都造成了时隙的浪费。

(2)网络寿命最大化。应用需求的根本目标是使得网络寿命最大化。网络寿命可以定义为网络中第一个节点死亡的时间，由于网络中第一个节点死亡后，那么就可能严重影响网络的连通与覆盖，导致网络不能完全发挥应有的作用。网络寿命为第一个节点死亡的时间。设E_i为节点i的能量消耗，那么使得网络寿命最大化可以表达为下式：

$max\left(T\right)=min\underset{0<i\&le;n}{max}\left(E_i\right)---\left(5\right)$

(3)增加能量的有效利用率。

尽管以往的数据传输调度研究做了较好的工作.但是，以往的策略存在能量有效性较低的情况。网络能量有效利用率是指当网络死亡时，网络中被利用的能量与网络初始能量的比值。以往的大多数研究主要考虑节省节点的能量消耗，以减少节点发送的数据量来降低节点能量消耗。因为无线传感器网络中存在一种特有的"energyhole"现象,即近汇聚节点区域的节点由于要接收与转发整个网络的数据，因而其承担的数据量最多，能量消耗最大，因而这些节点最先死亡，围绕汇聚节点的环形区域的节点都死亡后，导致汇聚节点不能接收外围节点的数据，从而导致整个网络死亡。这时，即使外围区域节点虽然还剩余高达90％，但却不能被充分利用，能量有效利用率低。因而以往的这些方法能量利用率不高。

使得网络能量有效利用率最大化可以表示为下式：

$max\left(\mathrm{\&eta;}\right)=min\left(\frac{\underset{i\&Element;n}{\&Sigma;}{E}_{left}^i}{\underset{i\&Element;n}{\&Sigma;}{E}_{init}^i}\right)---\left(6\right)$

(4)减少网络的传送延迟。

网络的传送延迟较大。无线传感器网络最重要的作用是监视感兴趣区域的事件，在某些应用场合中对事件产生到汇聚节点接收到事件信息所需的时间，即：传送延迟越小则对事件的处理越及时，对应用越有利。因而如何在保证网络寿命的前提下，减少网络延迟值得进一步研究。

最小化延时可以表示为：

$\min \left(D\right)=\min \left(\underset{i\&SubsetEqual;route}{\&Sigma;}{d}_i\right)---\left(7\right)$

本实施例中，以图4的25个节点的拓扑结构为例，网络中节点能量有关参数的具体设置，如表1所示。

表1网络能量消耗参数

对于图4所示的树型传感器网络数据聚合调度结构，我们可分析出汇聚节点在时间T＝50个时隙的情况下，汇聚节点汇聚的数据信息量和节点的能量消耗情况。如表2所示。

表2

从表2可以看出，各聚合率中，能量利用率最大的，网络寿命也最长，当网络死亡时，汇聚节点汇聚的数据信息量也最多。本发明提出的数据聚合传输调度方案可以综合提高无线传感网络的性能。

本发明的数据聚合传输调度方法主要核心在于:根据聚合集合的构建规则，(1)保证对于hotspots区域(近汇聚节点区域)的第一层节点恰好是聚合节点，在该节点聚合可以减少数据传输所需的数量，从而减少了hotspots区域节点的能量消耗，提高了网络寿命；(2)而对非hotspots区域的节点，若不为聚合节点，其数据传输所需的数量不仅不比近汇聚节点少，反而比近汇聚节点区域的数据传输所需的数量大，充分利用了远汇聚节点区域节点的剩余能量，使整个网络的能量利用率提高；(3)对远汇聚节点区域能量较为充裕的节点增加了数据传输的数量，这样，会导致路由相邻节点的thenumberofintersectionslots增加，因而在forwarding数据时，可有效减少forwardingdelay，从而具有更低的传送延迟(transmissionlatency)。(4)根据聚合率计算出的合理的几个节点进行聚合，保证每个时隙传送的都是尽量趋近于1的数据包，使数据传输过程中所占用的时隙的利用率可以最大化。

从实证的角度，针对各种不同聚合率情况下进行了比较实验，实验结果定量的展示了本发明所述方法的明显优势，解决了传统无线传感网络中数据聚合形式单一的情况。并且发现时隙有效利用率越大，则网络寿命越长，汇聚节点的数据接收量越大，网络的能量利用率越高。在很多工业、农业等实际问题上具有一定的指导意义。

Claims (3)

1.一种基于数据聚合的传输调度时隙分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、为网络中的节点构建聚合集合：根据聚合率r∈R&r∈(0,1)，R表示实数集，根据公式N∈[1,n]计算出节点聚合数m的值，其中，N为聚合后的节点个数，n为网络中节点总数，M₀ ^-表示取满足上述公式的整数集合M₀中的最小值，即取m个节点进行聚合；

步骤二、调度时隙分配：从最后一层到第一层，依次考虑每一层的每一个节点，若该节点尚未分配时隙，则找到该节点所在的聚合集合，并为该聚合集合内所有的节点分配尽早开始的时隙，接着再考虑本层的每一个节点，如果节点有孩子节点,根据该节点和其孩子节点是否在同一个聚合集合中来给该节点分配时隙转发其孩子节点最终的聚合结果。

2.根据权利要求1所述的基于数据聚合的传输调度时隙分配方法，其特征在于，步骤一中，聚合方式具体为：

步骤1.1、按照拓扑树结构从下往上的顺序，依次考虑每一层的每一个节点，如果当前节点不在任何聚合集合中,则把它加入一个聚合集合中，计算这个聚合集合包含的节点的个数L,如果L小于m，且父亲节点不为汇聚节点，则把这个节点的父亲节点加进这个聚合集合；

步骤1.2、又计算这个聚合集合包含的节点的个数L,如果L小于m,把这个节点的兄弟节点加进这个聚合集合；

步骤1.3、再次计算这个聚合集合包含的节点的个数L，如果L仍然小于m,设置这个节点的父亲节点为当前节点；

步骤1.4、重复上述步骤1.1到步骤1.3的过程直到L和m相等,或者节点的父亲节点为汇聚节点,或者节点的父亲节点已经存在于某个聚合集合中。

3.根据权利要求1所述的基于数据聚合的传输调度时隙分配方法，其特征在于，步骤二中，非汇聚节点分配其分配孩子节点个数+1个时隙用以转发自身和孩子节点的原始数据，汇聚节点分配一个时隙用来聚合所有的子节点的数据，集合内的中继节点不聚合，而是转发同一集合内子节点的数据，所以充分利用了远汇聚节点区域的能量，增加了网络的能量利用率，然而近汇聚节点区域的第一层节点因为都是聚合节点，所以在这个区域的数据因为聚合而需转发的数据量大大减少，增加了网络寿命。