CN104936131A - 一种用于无线传感器网络的数据汇聚方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信领域，具体为一种用于无线传感器网络的数据汇聚方法。本方法包括以下步骤：数据汇聚树的初始化、选择新的虚拟汇聚节点、数据汇聚树的更新和数据路由；其中对于数据汇聚树的更新，分成两种情况，分别是：汇聚节点移动后，新选择的虚拟汇聚节点属于汇聚节点所在的作用域；汇聚节点移动后，新选择的虚拟汇聚节点不属于汇聚节点所在的作用域；数据汇聚树在更新的过程，利用节点之间的空间相关性，更新部分节点的路由，从而形成一条近似最短的路径到相应的汇聚节点，从而达到降低控制开支的目的。在汇聚节点移动过程中，通过本发明进行数据汇聚树的更新，有效地减少了无线传感器网络的控制开支。

Description

一种用于无线传感器网络的数据汇聚方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体为一种用于无线传感器网络的数据汇聚方法。
背景技术
在无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）中引入移动汇聚节点，会带来许多的好处，例如，可以降低甚至消除网络中节点负载不均衡的问题，使得部分节点不会因为能耗过快而迅速死亡，从而提高了网络的性能。但是，汇聚节点的移动将会引起网络的拓扑经常发生变化，从而需要通过发送控制包来构建新的网络拓扑。由于网络中节点的能量有限，过多的发送或者转发控制包会消耗大量的能量，降低节点的寿命。因此，有效减少控制开支的数据汇聚算法至关重要。
目前，移动无线传感器网络（Wireless Sensor Networks with Mobile Sinks, mWSN）中，数据汇聚算法有很多，包括基于汇聚节点地理位置的、汇聚节点移动路径可预测的以及汇聚节点移动路径不可预测的等。在基于汇聚节点地理位置的算法中，需要通过某种定位算法或者某种定位技术（例如GPS）来确定汇聚节点位置，感知节点通过某种路由方法将数据传送给汇聚节点。在汇聚节点移动路径可预测的算法中，通过某种算法来预测汇聚节点移动路径，然后根据汇聚节点的移动路径建立相关数据传输模型。在汇聚节点移动路径不可预测的算法中，很多协议是通过发送控制包来构建新的数据汇聚树或者利用随机路由结合汇聚节点移动轨迹的方法来将数据传送给汇聚节点。在这些移动无线传感器网络的数据汇聚算法中，数据汇聚树的更新通常都是全局的，即大部分的节点都需要更新路由，这就会产生大量额外的控制开支，对于能量有限的无线传感器网络来说，这是难以接受的。
发明内容
本发明为了解决现有的数据汇聚算法会产生大量额外的控制开支的问题，提供了一种用于无线传感器网络的数据汇聚方法。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种用于无线传感器网络的数据汇聚方法，包括以下步骤：
数据汇聚树的初始化：当汇聚节点进入网络后，每个汇聚节点选择相应的虚拟汇聚节点，以虚拟汇聚节点为根节点，以到虚拟汇聚节点的跳数为路由指标，建立数据汇聚树，每个数据汇聚树为一个对应汇聚节点的作用域，设定以虚拟汇聚节点u为根节点的数据汇聚树记为Tu，Tu为汇聚节点j的作用域，Tu(i,u) 表示在Tu中节点i到虚拟汇聚节点u的跳数；
选择新的虚拟汇聚节点：当汇聚节点j移动一定距离超出了原来虚拟汇聚节点u的通信范围时，汇聚节点j重新选择新的虚拟汇聚节点v；
数据汇聚树的更新：若新的虚拟汇聚节点v属于汇聚节点j所在的作用域，则新的虚拟汇聚节点v首先告知原来虚拟汇聚节点u节点v成为了新的虚拟汇聚节点，然后广播一个更新包到它的邻居节点，这个更新包包含了在Tu中节点v到虚拟汇聚节点u的跳数Tu(v,u)和这个更新包距离节点v的跳数，当汇聚节点j所在的作用域中一个节点x收到这样一个更新包后，它比较通过原来的最短路径到达新的虚拟汇聚节点v跳数Tu(x,u)+ Tu(v,u)和现在直接通过更新的路径达到节点v的跳数Tv(x,v)，如果Tu(x,u)+ Tu(v,u)大于λ（λ> 1）倍的Tv(x,v)，其中，λ是设置的阈值，节点x将把发送这个更新包的节点作为下一跳，然后再广播这个更新包到它的邻居节点，否则就丢弃这个更新包，一直重复此过程，直到完成Tu中节点路径更新；
若新的虚拟汇聚节点v不属于汇聚节点j所在的作用域，则节点v加入汇聚节点j所在的作用域，然后向它的邻居节点广播一个更新包，这个更新包包含了汇聚节点j的ID和这个更新包距离节点v的跳数；当一个节点x收到这样一个更新包，若这个节点x属于汇聚节点y所在的作用域，汇聚节点y对应的虚拟汇聚节点为z，它先比较在Tz中节点x到节点z的跳数Tz(x,z)与通过更新的路径到达节点v的跳数Tv(x,v)，如果Tv(x,v)小于Tz(x,z)，则将发送这个更新包的节点作为下一跳，并且节点x加入汇聚节点j所在的作用域，否则，丢弃这个更新包，一旦汇聚节点j所在的作用域中的节点收到这个更新包，就停止广播，由于是广播方式，汇聚节点j所在的作用域中可能有多个节点收到这个更新包，比较这些节点在Tu中到节点u的跳数，将跳数最小的节点设置为代理虚拟汇聚节点v*，代理虚拟汇聚节点v*广播一个更新包到它的邻居节点，这个更新包包含了在Tu中节点v*到虚拟汇聚节点u的跳数Tu(v*,u)和这个更新包距离节点v*的跳数，当汇聚节点j所在的作用域中一个节点p收到这样一个更新包后，它比较通过原来的最短路径到达代理虚拟汇聚节点v*的跳数Tu(p,u)+ Tu(v*,u)和现在直接通过更新的路径达到节点v*的跳数Tv(p,v*)，如果Tu(p,u)+ Tu(v*,u)大于λ倍的Tv(p,v*)，节点p将把发送这个更新包的节点作为下一跳，然后再广播这个更新包到它的邻居节点，否则就丢弃这个更新包，一直重复此过程，直到完成Tu中节点路径更新；
数据路由：在数据汇聚树更新后，每个节点都有一条到达汇聚节点的路径，每个节点将自身感知的数据和来自其他的节点的数据沿着这条路径传递到汇聚节点。
本发明在数据汇聚树更新的过程中，利用节点之间的空间相关性，更新部分节点的路由，从而形成一条近似最短的路径到相应的汇聚节点，与全局的路由更新算法相比，本发明通过局部的路由更新，有效地减少了控制包的数量和发送次数，从而达到降低控制开支的目的，延长了网络寿命。
附图说明
图1为数据汇聚树初始化示意图。
图2为本发明流程图。
具体实施方式
一种用于无线传感器网络的数据汇聚方法，包括以下步骤：
数据汇聚树的初始化：当汇聚节点进入网络后，每个汇聚节点选择相应的虚拟汇聚节点，虚拟汇聚节点可直接将数据发送给对应的汇聚节点，以虚拟汇聚节点为根节点，以到虚拟汇聚节点的跳数为路由指标，建立数据汇聚树，每个数据汇聚树为一个作用域，每个汇聚节点对应一个作用域，设定以虚拟汇聚节点u为根节点的数据汇聚树记为Tu，Tu为汇聚节点j的作用域，Tu(i,u) 表示在Tu中节点i到虚拟汇聚节点u的跳数（或者距离）；
选择新的虚拟汇聚节点：当汇聚节点j移动一定距离超出了原来虚拟汇聚节点u的通信范围时，汇聚节点j重新选择新的虚拟汇聚节点v；
数据汇聚树的更新：若新的虚拟汇聚节点v属于汇聚节点j所在的作用域，则新的虚拟汇聚节点v首先告知原来虚拟汇聚节点u节点v成为了新的虚拟汇聚节点，然后广播一个更新包到它的邻居节点，这个更新包包含了在Tu中节点v到虚拟汇聚节点u的跳数Tu(v,u)和这个更新包距离节点v的跳数，当汇聚节点j所在的作用域中一个节点x收到这样一个更新包后，它比较通过原来的最短路径到达新的虚拟汇聚节点v跳数Tu(x,u)+ Tu(v,u)和现在直接通过更新的路径达到节点v的跳数Tv(x,v)，如果Tu(x,u)+ Tu(v,u)大于λ倍的Tv(x,v)，其中，λ是设置的阈值，节点x将把发送这个更新包的节点作为下一跳，然后再广播这个包到它的邻居节点，否则就丢弃这个更新包，一直重复此过程，直到完成Tu中节点路径更新；
若新的虚拟汇聚节点v不属于汇聚节点j所在的作用域，则节点v加入汇聚节点j所在的作用域，然后向它的邻居节点广播一个更新包，这个更新包包含了汇聚节点j的ID和这个更新包距离节点v的跳数；当一个节点x收到这样一个更新包，若这个节点x属于汇聚节点y所在的作用域，汇聚节点y对应的虚拟汇聚节点为z，它先比较在Tz中节点x到节点z的跳数Tz(x,z)与通过更新的路径到达节点v的跳数Tv(x,v)，如果Tv(x,v)小于Tz(x,z)，则将发送这个更新包的节点作为下一跳，并且节点x加入汇聚节点j所在的作用域，否则，丢弃这个更新包，一旦汇聚节点j所在的作用域中的节点收到这个更新包，就停止广播；由于是广播方式，汇聚节点j所在的作用域中可能有多个节点收到这个更新包，比较这些节点在Tu中到节点u的跳数，将跳数最小的节点设置为代理虚拟汇聚节点v*，代理虚拟汇聚节点v*广播一个更新包到它的邻居节点，这个更新包包含了在Tu中节点v*到虚拟汇聚节点u的跳数Tu(v*,u)和这个更新包距离节点v*的跳数，当汇聚节点j所在的作用域中一个节点p收到这样一个更新包后，它比较通过原来的最短路径到达代理虚拟汇聚节点v*的跳数Tu(p,u)+ Tu(v*,u)和现在直接通过更新的路径达到节点v*的跳数Tv(p,v*)，如果Tu(p,u)+ Tu(v*,u)大于λ倍的Tv(p,v*)，节点p将把发送这个更新包的节点作为下一跳，然后再广播这个更新包到它的邻居节点，否则就丢弃这个更新包，一直重复此过程，直到完成Tu中节点路径更新；
数据路由：在数据汇聚树更新后，每个节点都有一条到达汇聚节点的路径，每个节点将自身感知的数据和来自其他的节点的数据沿着这条路径传递到汇聚节点。

Claims (1)

1.一种用于无线传感器网络的数据汇聚方法，其特征在于包括以下步骤：
数据汇聚树的初始化：当汇聚节点进入网络后，每个汇聚节点选择相应的虚拟汇聚节点，以虚拟汇聚节点为根节点，以到虚拟汇聚节点的跳数为路由指标，建立数据汇聚树，每个数据汇聚树为一个对应汇聚节点的作用域，设定以虚拟汇聚节点u为根节点的数据汇聚树记为Tu，Tu为汇聚节点j的作用域，Tu(i,u) 表示在Tu中节点i到虚拟汇聚节点u的跳数；
选择新的虚拟汇聚节点：当汇聚节点j移动一定距离超出了原来虚拟汇聚节点u的通信范围时，汇聚节点j重新选择新的虚拟汇聚节点v；
数据汇聚树的更新：若新的虚拟汇聚节点v属于汇聚节点j所在的作用域，则新的虚拟汇聚节点v首先告知原来虚拟汇聚节点u节点v成为了新的虚拟汇聚节点，然后广播一个更新包到它的邻居节点，这个更新包包含了在Tu中节点v到虚拟汇聚节点u的跳数Tu(v,u)和这个更新包距离节点v的跳数，当汇聚节点j所在的作用域中一个节点x收到这样一个更新包后，它比较通过原来的最短路径到达新的虚拟汇聚节点v跳数Tu(x,u)+ Tu(v,u)和现在直接通过更新的路径到达节点v的跳数Tv(x,v)，如果Tu(x,u)+ Tu(v,u)大于λ倍的Tv(x,v)，其中，λ是设置的阈值，节点x将把发送这个更新包的节点作为下一跳，然后再广播这个跟新包到它的邻居节点，否则就丢弃这个更新包，一直重复此过程，直到完成Tu中节点路径更新；
若新的虚拟汇聚节点v不属于汇聚节点j所在的作用域，则节点v加入汇聚节点j所在的作用域，然后向它的邻居节点广播一个更新包，这个更新包包含了汇聚节点j的ID和这个更新包距离节点v的跳数；当一个节点x收到这样一个更新包，若这个节点x属于汇聚节点y所在的作用域，汇聚节点y对应的虚拟汇聚节点为z，它先比较在Tz中节点x到节点z的跳数Tz(x,z)与通过更新的路径到达节点v的跳数Tv(x,v)，如果Tv(x,v)小于Tz(x,z)，则将发送这个更新包的节点作为下一跳，并且节点x加入汇聚节点j所在的作用域，否则，丢弃这个更新包，一旦汇聚节点j所在的作用域中的节点收到这个更新包，就停止广播，由于是广播方式，汇聚节点j所在的作用域中可能有多个节点收到这个更新包，比较这些节点在Tu中到节点u的跳数，将跳数最小的节点设置为代理虚拟汇聚节点v*，代理虚拟汇聚节点v*广播一个更新包到它的邻居节点，这个更新包包含了在Tu中节点v*到虚拟汇聚节点u的跳数Tu(v*,u)和这个更新包距离节点v*的跳数，当汇聚节点j所在的作用域中一个节点p收到这样一个更新包后，它比较通过原来的最短路径到达代理虚拟汇聚节点v*的跳数Tu(p,u)+ Tu(v*,u)和现在直接通过更新的路径达到节点v*的跳数Tv(p,v*)，如果Tu(p,u)+ Tu(v*,u)大于λ倍的Tv(p,v*)，节点p将把发送这个更新包的节点作为下一跳，然后再广播这个更新包到它的邻居节点，否则就丢弃这个更新包，一直重复此过程，直到完成Tu中节点路径更新；
数据路由：在数据汇聚树更新后，每个节点都有一条到达汇聚节点的路径，每个节点将自身感知的数据和来自其他的节点的数据沿着这条路径传递到汇聚节点。
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