CN105050077B - 一种分簇链式无线传感网数据传输方法 - Google Patents

一种分簇链式无线传感网数据传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分簇链式无线传感网数据传输方法，本方法将数据分簇上传，节点的数据包括数据信息和控制信息，簇内的节点在发送数据给簇头节点时会融合本簇的数据信息，将节点的数据信息融合在一起，共用一个控制信息，以减少转发控制信息带来的能量。该方法能够有效的降低了数据传输的时延，同时降低了能耗，延长了网络寿命，最大可能的减少节点间数据收发。本发明还为该传输方法建立了数学模型，为工程实践提供理论指导。

Description

一种分簇链式无线传感网数据传输方法
技术领域
本发明涉及一种分簇链式无线传感网数据传输方法，属于无线传感器网络技术领域。
背景技术
无线传感器网络(WSN，wireless sensor networks)是由大量的微型传感器节点通过自组织方式构成的网络。这些传感器节点成本低、功耗小、并且具备一定的感知能力、计算能力和无线通信能力。无线传感器网络在环境检测、国防反恐、抗震救灾、医疗护理、智能家居和太空探测等诸多领域都有广阔的应用前景，是目前学术界研究的热点之一。无线传感器网络中链式的拓扑结构在实际应用中具有广泛应用，如矿井、道路、铁轨以及大型农场的数据监测。
基于链式的无线传感器网络的一个特点就是，离汇聚节点远的节点的数据传输需要经过很大的跳数，网络的传输时延较大。另外，链式无线传感器网络的负载不均衡，离汇聚节点近的节点需要中继更多的数据，消耗更多的能量，将缩短链式无线传感器网络的整体寿命。如何有效降低时延，均衡负载，减少数据传输的次数，最大化网络的生命周期成为链式无线传感器网络的重要挑战。
文献[1]提出了一种链式多跳无线传感器网络的快速分簇数据传输方法，该方法利用分簇的思想，在路由建立的过程将链路分簇，在数据上报的过程中，分簇上传数据到汇聚节点，降低了链路节点转发数据包的数目，有效的节省了节点的能量和数据传输的延时。
文献链式多跳无线传感器网络的快速分簇数据传输方法:中国,101801114A[P].2010-08-11，张雪凡周伟。公开了一种能够有效的降低链式无线传感器网络的传输时延，利用分簇的方法，有效的降低了链路上节点转发数据包的数目。在无线传感器网络中，相较于节点的数据处理过程，数据的传送才是能耗的关键。该方案在建立路由的过程中，节点在给临近节点发送建立路由的命令时，只要收到命令的节点都会响应，根据节点收到的应答帧的场强来确定下一个节点的序号，增加了节点的能耗。但是在实际工程应用中由于链式无线传感器网络的节点位置一般固定不变，所以可在部署的时候将节点的物理位置确定，数据传输按节点的物理地址过滤，只有物理地址与数据传输命令中物理地址相等的节点才会响应。减少数据收发的次数，节省能耗。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种分簇链式无线传感网数据传输方法，该方法能够有效的降低了数据传输的时延，同时降低了能耗，延长了网络寿命，最大可能的减少节点间数据收发。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种分簇链式无线传感网数据传输方法，包括以下步骤：
步骤1，根据链式无线传感器网络的特性，每个节点在部署的时候都有一个确定的物理地址，物理地址包括链路号和节点序号，表示为ni,j，i表示节点链路号，j表示节点序号，所有链路共用一个汇聚节点，汇聚节点表示为n0,0；
步骤2，以第i条链路为例，该链路总节点个数为N，汇聚节点n0,0下发路由建立命令，链路建立过程中，节点ni,j-1发送链路建立命令给节点ni,j，节点ni,j收到命令后，直接发送链路建立命令给节点ni,j+1，其他收到该命令的节点不作响应。由于节点ni,j可以收到节点ni,j-1发送的命令，所以节点ni,j发送给节点ni,j+1的链路建立命令节点ni,j-1也可以收到；节点ni,j-1收到节点ni,j发送给节点ni,j+1的命令后，确定节点ni,j正常，不用重发命令；该链路最后一个节点ni,N收到节点ni,N-1发送的链路建立命令，节点ni,N确定本节点是链路的最后一个节点，则需回复节点ni,N-1响应信息，并且不再继续传递命令，链路建立结束；
步骤3，链路在传递路由建立命令的同时，也同时开始分簇，路由建立命令中设定本次数据采集每个簇的大小k和簇头节点序号t，节点ni,j收到链路建立命令后，比较本节点序号j和命令中簇头节点序号t，如果j等于t，那么设定该节点为簇头节点，并将链路建立命令中簇头地址更新为t＝j+k，然后发送链路建立命令给下一节点ni,j+1，如果j不等于t，则直接发送命令给下一节点ni,j+1。链路建立过程中，如果出现节点损失的情况。例如，节点ni,j发送命令给节点ni,j+1时，节点ni,j+1连续三次都没有响应，节点ni,j+1在此次通信过程被越过，节点ni,j将直接发送链路建立命令给节点ni,j+2，此时需要将命令中簇头的地址加1，即t＝t+1，以保证正确分簇。簇中最后一个节点，传递完命令后，并接收到下一个节点的响应后，等待一定时间后开始簇内数据的融合；簇头完成本簇内的数据融合后立即上传数据，上传数据时数据包的长度不再改变。
优选的：所述步骤3中，等待的一定时间为两个时隙。
优选的：根据步骤2的链路节点总个数、每个节点发送链路建立命令所消耗的时间、到达最后一个节点的时间、数据包的控制信息的长度、每个节点的数据信息的长度以及步骤3的分簇情况以及簇的长度、非整数分簇剩余节点个数，建立数据传输过程中的传输时延模型：
其中，T为数据传输的时延，N为链路节点总个数，troute为每个节点发送链路建立命令所消耗的时间，Ntroute为到达最后一个节点的时间，k为簇的长度，Pcontrol为数据包的控制信息的长度，Pdata为每个节点的数据信息的长度，v为节点发送数据的速率，nrest为非整数分簇剩余节点个数，N％k＝nrest。
τ3＝(N-nrest)troute+(2kPcontrol+(k2-k)Pdata)/2v+(N-k-nrest+1)(kPdata+Pcontrol)/v 为非整数分簇情况下倒数第二个簇的数据到达汇聚节点的时间，为非整数分 簇情况下最后一个簇的数据到达汇聚节点的时间大于倒数第二个簇到达汇聚节点的数据 传输时延。
优选的：根据步骤2中的链路节点总个数、每个节点数据信息数目、每个节点控制信息数目以及步骤3中得到的链路分簇后簇的个数、节点收发1bit数据所消耗的能量，建立数据传输过程中的传输能耗模型：
其中，N为链路节点总个数，k为簇的长度，cnum＝N/k(例如N＝15,k＝4,那么cnum＝N/k＝3，所以链路分簇后簇的个数c＝cnum+1)，Pcontrol为数据包的控制信息的长度(数目)，Pdata为每个节点的数据信息的长度(数目)，eλ为节点收发1bit数据所消耗的能量。
数据传输过程中的能耗最优的链式无线传感器网络的分簇方法：当簇的长度满足此时能耗最小，其中，k为簇的长度(大小)，N为链路长度，c为簇的个数，表示向上取整。
有益效果：本发明提供的一种分簇链式无线传感网数据传输方法，相比现有技术，具有以下有益效果：
利用本发明的分簇链式无线传感网数据传输方法可以有效的降低链路上节点数据传输的时间，离汇聚节点近的节点的需要中继的数据更少，中继的次数也更少。有效的降低了数据传输的时延，延长了网络寿命。节点在部署时确定在网络中的物理地址，而且每一次数据传输，可根据实际情况设定簇的大小和采集数据的节点的总个数，最大可能的减少节点间数据收发。本发明还为该数据传输方法的传输能耗和传输延时建立了数学模型，为实际工程应用提供理论依据。
综上所述：与现有的链式无线传感器网络相比，本方案能有效降低数据传输的时延，同时降低了能耗，延长了网络的生命周期，并为传输时延和能耗建立数学模型，为实际工程应用提供了理论基础。
附图说明
图1链式无线传感器网络的拓扑图
图2路由建立流程图
图3数据融合
图4节点分簇图
图5非整数分簇数据上传示意图
图6链路节点总个数为15,100,250情况下簇的长度对传输能耗和时延的影响，其中，
图6a为链路节点总个数为15情况下簇的长度对传输能耗和时延的影响，图6b为链路节点总个数为100情况下簇的长度对传输能耗和时延的影响，图6c为链路节点总个数为250情况下簇的长度对传输能耗和时延的影响.
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种分簇链式无线传感网数据传输方法，解决了链式无线传感器网络中采集链路上数据的时延大的问题，特别是离汇聚节点远的节点的时延大的问题，导致整个链路的数据采集时延过大的问题，本方案采用链路分簇和数据融合的方法，并为该方案建立数学模型。系统网络拓扑如图1所示。
实际应用中，根据链式无线传感器网络的特性，每个节点在部署的时候都有一个确定的物理地址，物理地址包括链路号和节点序号，表示为ni,j，i表示节点链路号，j表示节点序号，所有链路共用一个汇聚节点，汇聚节点表示为n0,0
以第i条链路为例，该链路总节点个数为N，汇聚节点n0,0下发路由建立命令，链路建立过程中，节点ni,j-1发送链路建立命令给节点ni,j，节点ni,j收到命令后，直接发送链路建立命令给节点ni,j+1，其他收到该命令的节点不作响应。由于节点ni,j可以收到节点ni,j-1发送的命令，所以节点ni,j发送给节点ni,j+1的链路建立命令节点ni,j-1也可以收到；节点ni,j-1收到节点ni,j发送给节点ni,j+1的命令后，确定节点ni,j正常，不用重发命令，利用这种方式省去了节点专门回复前一节点的应答消息，即节省了时间也节省了能量，该链路最后一个节点ni,N收到节点ni,N-1发送的链路建立命令，节点ni,N确定本节点是链路的最后一个节点，则需回复节点ni,N-1响应信息，并且不再继续传递命令，链路建立结束。路由建立流程图如图2所示。
链路在传递路由建立命令的同时，也同时开始分簇，路由建立命令中设定本次数据采集每个簇的大小k和簇头节点序号t，节点ni,j收到链路建立命令后，比较本节点序号j和命令中簇头节点序号t，如果j等于t，那么设定该节点为簇头节点，并将链路建立命令中簇头地址更新为t＝j+k，然后发送链路建立命令给下一节点ni,j+1，如果j不等于t，则直接发送命令给下一节点ni,j+1。链路建立过程中，如果出现节点损失的情况。例如，节点ni,j发送命令给节点ni,j+1时，节点ni,j+1连续三次都没有响应，节点ni,j+1在此次通信过程被越过，节点ni,j将直接发送链路建立命令给节点ni,j+2，此时需要将命令中簇头的地址加1，即t＝t+1，以保证正确分簇。
簇中最后一个节点，传递完命令后，接收到下一个簇头的响应后，等待一定时间(两个时隙)后开始簇内数据的融合，以免发生碰撞。簇头完成本簇内的数据融合后立即上传数据，上传数据的包的长度不再改变，即只融合本簇的信息。数据融合的过程如图3所示。
2.2.2基于分簇的链式无线传感器网络的数据传输方法的传输时延的数学模型
首先设定链路上所有节点都正常工作，链路上节点只和前后相邻节点进行通信，数据需要经过本节点前面所有节点中继才可到达汇聚节点。汇聚节点每次采集数据发送链路建立命令时决定簇的长度，链路上平均分簇后剩余的节点成为一个簇，其他每个簇的长度相等。另外，不考虑节点处理数据带来的时延和所消耗的能量。
设定链路节点总个数为N，簇的长度为k，分簇有两种情况，第一种情况，N％k＝0，整数分簇；第二种情况，N％k＝nrest，非整数分簇，剩余nrest个节点，如图4所示。
1.整数分簇，即N％k＝0。
链路上所有数据传输到汇聚节点的总时间可分为两部分，第一，链路建立命令到达节点的时间，命令下行时间；第二，数据开始上传到达汇聚节点，数据上行时间。链路建立命令的长度相等，所以每个节点传递链路建立命令的时间相等，设定每个节点传递链路建立命令的时延为troute，那么到达最后一个节点的时间为Ntroute。设节点发送数据的速率v，每个节点的数据为Pdatabit，数据包的控制信息为Pcontrolbit。
在整数分簇情形下，数据传输的时延T为可分为三段时间，链路建立命令到达最后一个节点的时延Ntroute、最后一个簇内数据汇聚的时间τ1和最后一个簇的数据包上传到汇聚节点的时间τ2。簇内数据汇聚的时间τ1为最后一个节点发送数据到倒数第二个节点的时间(Pdata+Pcontrol)/v，倒数第二节点发送数据到倒数第三个节点的时间(2Pdata+Pcontrol)/v，…，簇中第二个节点发送数据到簇头节点的时间((k-1)Pdata+Pcontrol)/v，将所有时间累加可得到τ1为
τ1＝(2kPcontrol+(k2-k)Pdata)/2v (1)
数据包上传数据到汇聚节的时间τ1为
τ2＝(N-k+1)(kPdata+Pcontrol)/v (2)
所以整数分簇情形下数据传输的总时延T1为
T1＝Ntroute+(2kPcontrol+(k2-k)Pdata)/2v+(N-k+1)(kPdata+Pcontrol)/v (3)
2.非整数分簇，即N％k！＝0
在非整数分簇的情况下，由于最后一个簇的数据包的长度会小于前面的簇，所以数据包在节点间的传递速度快于前面的节点。如果不考虑前面节点正在上传数据，那么最后一簇的数据到达汇聚节点的可能时间会少于倒数第二簇的数据到达汇聚节点，情形如图5所示。那么意味着某节点在发送最后一个簇的数据时，该节点前一节点正在处理倒数第二个簇的数据，那么该节点必须等待前一节点发送完簇的数据发送处理完后节点再发送最后一个簇的数据，确保数据是按照簇在链路上前后顺序依次到达汇聚节点。从而在非整数分簇情形下，数据传输的时延分为两种情况。
(a)最后一个簇的数据到达汇聚节点的时间大于倒数第二个簇到达汇聚节点的时间
这种情况下，数据传输的时延T2就是最后nrest个节点到达汇聚节点的时间，分析方法和整数分簇的情况类似，此次不再赘述，
(b)最后一个簇的数据到达汇聚节点的时间少于倒数第二个簇到达汇聚节点的时间
在这种情形下，意味着最后两个簇的数据在某一时刻会同时到达某节点，节点在这种情形下，会先发送倒数第二个簇的数据，再发送最后一个簇的数据，所以数据传输的时延T3为倒数第二个簇的数据到达汇聚节点的时间τ3与节点发送最后一个簇的时间τ4之和。
τ3＝(N-nrest)troute+(2kPcontrol+(k2-k)Pdata)/2v
(5)
+(N-k-nrest+1)(kPdata+Pcontrol)/v
τ4＝2(nrestPdata+Pcontrol)/v (6)
T3＝(N-nrest)troute+(2kPcontrol+(k2-k)Pdata)/2v
(7)
+(N-k-nrest+1)(kPdata+Pcontrol)/v+2(nrestPdata+Pcontrol)/v
以上给出了发送数据所消耗的的时间，有发送就有接收。发送多少信息就要接收多少信息，传输的总时延是发送时间的两倍。综上所述，基于分簇的链式无线传感器网络的传输时延T数学模型可如式(8)所示
其中，T为数据传输的时延，N为链路节点总个数，troute为每个节点发送链路建立命令所消耗的时间，Ntroute为到达最后一个节点的时间，k为簇的长度，Pcontrol为数据包的控制信息的长度，Pdata为每个节点的数据信息的长度，v为节点发送数据的速率，nrest为非整数分簇剩余节点个数，N％k＝nrest。
τ3＝(N-nrest)troute+(2kPcontrol+(k2-k)Pdata)/2v+(N-k-nrest+1)(kPdata+Pcontrol)/v 为非整数分簇情况下倒数第二个簇的数据到达汇聚节点的时间，为非整数分 簇情况下最后一个簇的数据到达汇聚节点的时间大于倒数第二个簇到达汇聚节点的数据 传输时延，。
2.2.3基于分簇的链式无线传感器网络的数据传输方法的传输能耗的数学模型
本发明设计的基于分簇的链式无线传感器网络的特点在于，数据是分簇上传，节点的数据包括数据信息和控制信息，簇内的节点在发送数据给簇头节点时会融合本簇的数据信息，将节点的数据信息融合在一起，共用一个控制信息，以减少转发控制信息带来的能量。由于节点数据信息没有减少，减少的只是控制信息。所以不管有没有分簇，每个节点转发的数据信息所带来的能耗不变。
链路上第一节点转发的数据信息数目为NPdata bit，第二节点转发的数据信息数目为(N-1)Pdata bit，…，最后一个节点转发的信息数目为Pdata bit。所以所有节点转发的数据信息的总数目为N(N+1)Pdata bit。
链路传输控制信息所消耗的能量也按照分簇情形。
1.整数分簇，即N％k＝0
第一个簇发送控制信息的总数e1为式(9)所示，
e1＝(cnum-1)×k×Pcontrol+k×Pcontrol (9)
其中k×Pcontrol为簇内节点汇聚本簇内的数据所转发的控制信息总数目，而(cnum-1)×k×Pcontrol为簇内所有节点转发后面cnum-1个簇的控制信息。依此类推，第二簇转发的控制信息的总数为(cnum-2)×k×Pcontrol+k×Pcontrol，…，最后一个簇的转发的控制信息的总数为k×Pcontrol，所以链路上所有节点转发的控制信息总数为
2.非整数分簇，即N％k！＝0
设N＝kcnum+nrest，转发的控制信息的总数目为
设收发1bit信息所消耗的能量为eλ，链式无线传感器网络的能耗E的数学模型可表示为如式(12)所示
其中，N为链路节点总个数，k为簇的长度，cnum＝N/k(例如N＝15,k＝4,那么cnum＝N/k＝3，所以链路分簇后簇的个数c＝cnum+1)，Pdata每个节点数据信息的长度，Pcontrol为每个节点控制信息的长度，eλ为节点收发1bit数据所消耗的能量。
2.2.4能耗最优的链式无线传感器网络的分簇策略
在链路簇的个数cnum确定的前提下，例如，假设链路上有100个节点，需要分为5个簇，那么根据簇的长度的不同链路可进行以下几种分簇(20,20,20,20,20)，(21,21,21,21,16)，(22,22,22,22,12)，(23,23,23,23,8)，(24,24,24,24,4)。
根据公式(12)，可推出，簇的长度满足能耗最小。其中，k为簇的长度，N为链路节点总个数，c为链路簇的个数，表示向上取整。
实例
下面结合具体实施实例，和建立的数学模型，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，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例的仿真平台为MATLAB R2010a。具体参数表1所示。
每个节点的数据信息Pdata＝25*8＝200bits，每个数据包的控制信息Pcontrol＝10*8＝80bits，传感器节点串口传输数据的速率v＝9600bits/s，无线模块频率设置为433.92MHz，发送功率5dBm，空中传输速率为10Kbps，每个节点间距离为15m，节点收发1bit的能耗eλ＝3.16237×10-7J。节点最多一次传输512Bytes，所以每个簇的长度k≤25。具体参数如表1所示。
表1仿真参数表
不同节点总数下，簇的长度对能耗和时间的影响仿真结果如图6所示，图6为链路节点总个数为15,100,250情况下簇的长度对传输能耗和时延的影响。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种分簇链式无线传感网数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据链式无线传感器网络的特性，每个节点在部署的时候都有一个确定的物理地址，物理地址包括链路号和节点序号，表示为ni,j，i表示节点链路号，j表示节点序号，所有链路共用一个汇聚节点，汇聚节点表示为n0,0；
步骤2，汇聚节点n0,0下发路由建立命令，该链路为第i条链路，总节点个数为N，链路建立过程中，节点ni,j-1发送链路建立命令给节点ni,j，节点ni,j收到命令后，直接发送链路建立命令给节点ni,j+1，其他收到该命令的节点不作响应；由于节点ni,j可以收到节点ni,j-1发送的命令，所以节点ni,j发送给节点ni,j+1的链路建立命令节点ni,j-1也可以收到；节点ni,j-1收到节点ni,j发送给节点ni,j+1的命令后，确定节点ni,j正常，不用重发命令；该链路最后一个节点ni,N收到节点ni,N-1发送的链路建立命令，节点ni,N确定本节点是链路的最后一个节点，则需回复节点ni,N-1响应信息，并且不再继续传递命令，链路建立结束；
步骤3，链路在传递路由建立命令的同时，也同时开始分簇，路由建立命令中设定本次数据采集每个簇的长度k和簇头节点序号t，节点ni,j收到链路建立命令后，比较本节点序号j和命令中簇头节点序号t，如果j等于t，那么设定该节点为簇头节点，并将链路建立命令中簇头地址更新为t＝j+k，然后发送链路建立命令给下一节点ni,j+1，如果j不等于t，则直接发送命令给下一节点ni,j+1；簇中最后一个节点，传递完命令后，并接收到下一个节点的响应后，等待一定时间后开始簇内数据的融合；簇头完成本簇内的数据融合后立即上传数据，上传数据时数据包的长度不再改变；
根据步骤2的链路节点总个数、每个节点发送链路建立命令所消耗的时间、到达最后一个节点的时间、数据包的控制信息的长度、每个节点的数据信息的长度以及步骤3的分簇情况以及簇的长度、非整数分簇剩余节点个数，建立数据传输过程中的传输时延模型：
其中，T为数据传输的时延，N为链路节点总个数，troute为每个节点发送链路建立命令所消耗的时间，Ntroute为到达最后一个节点的时间，k为簇的长度，Pcontrol为数据包的控制信息的长度，Pdata为每个节点的数据信息的长度，v为节点发送数据的速率，nrest为非整数分簇剩余节点个数，N％k＝nrest；
τ3＝(N-nrest)troute+(2kPcontrol+(k2-k)Pdata)/2v+(N-k-nrest+1)(kPdata+Pcontrol)/v为非整数分簇情况下倒数第二个簇的数据到达汇聚节点的时间，为非整数分簇情况下最后一个簇的数据到达汇聚节点的时间大于倒数第二个簇到达汇聚节点的数据传输时延；
根据步骤2中的链路节点总个数、每个节点数据信息数目、每个节点控制信息数目以及步骤3中得到的链路分簇后簇的个数、节点收发1bit数据所消耗的能量，建立数据传输过程中的传输能耗模型：
其中，N为链路节点总个数，k为簇的长度，cnum＝N/k，Pcontrol为数据包的控制信息的长度，Pdata为每个节点的数据信息的长度，eλ为节点收发1bit数据所消耗的能量；
数据传输过程中的能耗最优的链式无线传感器网络的分簇方法：当簇的长度满足此时能耗最小，其中，k为簇的长度，N为节点总个数，c为链路簇的个数，表示向上取整。
2.根据权利要求1所述的分簇链式无线传感网数据传输方法，其特征在于：所述步骤3中，在链路建立过程中出现节点损失的情况：节点ni,j发送命令给节点ni,j+1时，节点ni,j+1连续三次都没有响应，节点ni,j+1在此次通信过程被越过，节点ni,j将直接发送链路建立命令给节点ni,j+2，此时需要将命令中簇头的地址加1，以保证正确分簇。
3.根据权利要求1所述的分簇链式无线传感网数据传输方法，其特征在于：所述步骤3中，等待的一定时间为两个时隙。
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