CN105828276A - 单播与广播混合的数据融合调度方法 - Google Patents

单播与广播混合的数据融合调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单播与广播混合的数据融合调度方法：将无线传感器网络中的节点层依据其距离基站的跳数分为近基站层和远基站层，对远基站层的节点采用广播路由方式进行数据收集，从而在相同的时隙内收集更多的感知信息并减少延迟。对近基站层中的节点采用单播路由方式进行数据收集可节省节点能量，保持高寿命。本发明还给出了单播与广播混合调度的时隙分配方法。本发明方法相对于以往的方法在不降低网络寿命的前提下减少数据收集延迟，增大收集的信息量。在即使不改变以往单播路由调度方法给节点分配的时隙前提下，仅在远基站采用广播方式就可有效减少数据收集延迟，增大收集的信息量。在采用本发明的时隙分配方法下，网络性能提高更显著。

Description

单播与广播混合的数据融合调度方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络数据收集调度领域，尤其涉及一种在无线传感器网络中实时数据收集的单播与广播混合的数据融合调度方法。
背景技术
无线传感器网络(WSNs，WirelessSensorNetworks)是由大量的彼此之间通过多跳无线链路和通信的传感器节点以自组织和多跳的方式构成的无线网络，可以广泛的运用到工业监测、农业、民用、环境监测、战场、海洋和火灾等各种特殊环境与应用中，被认为是未来的重要物联网络的关键基础技术之一。实时无线传感器网络研究中存在的一个至关重要的问题是如何在固定的数据收集周期内收集尽可能多的感知信息，而又能够提高网络的寿命，并使感知信息到达基站的延迟最小化是实时无线传感器网络研究的重要问题。网络收集的感知信息是指如下：网络中有n个节点，每个节点在一个调度周期内产生一个数据包，基站在一个调度周期内收集到的数据包中包含有来自m(m<＝n)个节点来的数据包的信息，则基站收到的感知信息量为m。数据收集的延迟是指：节点的数据包产生，到数据包的信息被基站接收到所经历的时隙数。网络寿命是网络第一个节点死亡时的寿命。
数据融合收集是无线传感器网络中一种重要的数据收集方法。当传感器节点收到其子节点的数据后，能够将所有收集到的数据包融合成一个数据包后向前传送。因而，数据融合方法是提高无线传感器网络寿命的一种重要的方法。在非实时性无线传感器网络中，数据融合采用的方法与实时性数据融合收集完全不同的方法。在非实时无线传感器网络中，数据融合调度采用的方法是逐层调度的方法，首先将网络分层形成以基站为根的树形网络。相邻层的节点，外层节点是与里层节点能够通信的节点是里层节点的子节点。首先从最远离基站的叶子节点(不具有子节点)开始调度，当节点的所有叶子节点的数据都发到父节点后，父节点将所有节点的数据融合成一个数据包。例如，在想查询网络中所有节点的最高温度是多少这样的应用中，所有子节点的数据中将最高温度向前路由就可以，因而可以融合成一个数据包。当基站收集到其所有子节点的数据后，整个网络的数据融合收集就完成了。
在实时数据收集无线传感器网络中存在着完全不同的情况。在实时性网络，对时间有严格的要求，因而，不能等到所有节点都收集到所有子节点的数据后再向前(向前为朝向基站的方向)传送，为了保证数据的实时性，往往是收集到部分节点的数据后，就向前传送，以使数据到达基站的延迟时间最小。因而，如何给每个节点分配合适的发送数据时隙，而使基站收集到的节点数据的个数也就是感知信息最多，数据到达基站的延迟最小是一个重要的研究课题。
目前，已经有实时性数据融合收集网络的调度方法。但是，这些研究存在如下问题：(1)基站收集的感知信息还不够多；(2)数据收集的延迟较大；(3)网络寿命不够高。因此需要一种即具有实时数据收集，又能提高数据收集信息量的数据融合调度方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种单播与广播混合的数据融合调度方法，以解决现有实时性数据融合收集网络收集信息不够多、延迟较大且网络寿命不够高的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种单播与广播混合的数据融合调度方法，至少包括以下步骤：
将无线传感器网络中的节点层按照距离基站的跳数分为近基站层和远基站层，近基站层中的节点距离基站的跳数小于远基站层中的节点距离基站的跳数，远基站层中的节点收集数据后采用广播路由向前传递数据，近基站层中的节点收集数据后采用单播路由向前传递数据。
作为本发明的方法的进一步改进：
优选地，近基站层中的节点距离基站的跳数小于等于3跳，远基站层中的节点距离基站的跳数大于3跳。
优选地，在节点传递数据之前，先为节点分配数据发送的时隙，每个节点均在本节点分配的发送时隙到达时进行数据发送，而在其它时隙不发送数据，仅接收发往自己的数据包。
优选地，节点在进行数据发送时，每个节点将收到的数据包以及自己本身的数据包融合成一个数据包后再向前发送；融合后的数据包与融合前的数据包的长度相等，融合后的数据包包含的信息量包括来自不同节点产生的源数据包的个数。
优选地，除基站节点外每个节点向前传递数据的时隙按照从根节点基站节点开始，从上往下逐层给节点分配时隙，包括如下步骤：
(1)对以基站节点为父节点的节点进行时隙分配，包括以下两种情况：
(a)如果该节点i是叶子节点，则从A[]中分配调度周期C中最早的可用时隙给节点i；其中，A[]为数组，标记节点i在第j时隙时是否可发送数据，可发送数据时标记为TRUE；不可时标记为FALSE；
(b)如果节点i是非叶子节点，则从A[]中分配调度周期C中最迟的可用时隙给基站节点的子节点中没有分配时隙且度最大的节点i；
(2)在任何一次时隙分配后,节点i将时隙分配信息发送给并更新A[]，其中，Fi t为节点i的首次传输时隙；为节点i的传输周期；为 为节点i的除父节点外的一跳邻居节点；为节点i的一跳邻居节点的子节点。
优选地，对于距离基站大于1跳的节点，时隙分配原则如下：
当节点i需要给中的节点分配时隙时，则节点i选取A[]中离Fi t最近的可用时隙分配给子节点中度最大且没有分配时隙的节点j，其中，为节点i的子节点集；依据此原则，直到把网络中所有节点的时隙都分配好。
优选地，当无线传感器网络的调度周期C的长度分别为4、5和6，节点数量为28时，时隙分配结果如下表1：
表1
表1中，ID为节点的序号。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的单播与广播混合的数据融合调度方法，让远基站层(远离基站的节点)采用广播的方式传递数据，虽然多消耗了能量，但是提高了数据收集的性能，而其增加的能量消耗还是小于近基站附近节点的能量消耗，这样既充分利用了能量，又不影响网络寿命。可减少数据收集延迟，增大了基站收集的感知信息量。
2、本发明的单播与广播混合的数据融合调度方法，系统收集的信息量和节能可以同时提高，而延迟可降低14.25％，同时保证了网络寿命不低于以往的方法，因此本发明尤其适合于大规模的、实时性强的网络。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的节点数为28的无线传感器网络的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的单播与广播混合的数据融合调度方法的流程示意图；
图3是本发明优选实施例的节点数为50的无线传感器网络的结构示意图；
图4是本发明优选实施例的图3所示的无线传感器网络的总延迟示意图；
图5是本发明优选实施例的图3所示的无线传感器网络的平均延迟示意图；
图6是本发明优选实施例的图1所示的无线传感器网络的节点发送的感知信息量示意图；
图7是本发明优选实施例的图1所示的无线传感器网络的节点接收的感知信息量示意图；
图8是本发明优选实施例的图1所示的无线传感器网络的基站收集的感知信息个数与传统的单播方法的收集的感知信息个数的对比示意图；
图9是本发明优选实施例的图1所示的无线传感器网络的网络总的延迟与传统的单播方法的网络总的延迟的对比示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
图1是本发明优选实施例的节点数为28的无线传感器网络的结构示意图；而本实施例中所称的无线传感器网络，是指网络分层形成以基站为根的树形网络，传感器节点具有唯一的编号。传感器节点一旦部署，所有节点均不移动并具有相同的初始能量和通信范围。在每一个采样周期内，每个节点均产生一个数据包。由于调度的实时性，如果节点产生的数据包在一个采样周期内没有被发送出去，则在下一个周期内又会有新的数据产生，而新的数据拥有更新的信息而比上一周期的数据更有价值。因而，如果节点的数据在一个周期内没有发送，则此数据被丢弃。因而，在数据收集时要尽量使得基站收集到的信息量最多。延迟最小，网络寿命最大。
参见图2，本发明的单播与广播混合的数据融合调度方法，至少包括以下步骤：
将无线传感器网络中的节点层按照距离基站的跳数分为近基站层和远基站层，近基站层中的节点距离基站的跳数小于远基站层中的节点距离基站的跳数，远基站层中的节点收集数据后采用广播路由向前传递数据，近基站层中的节点收集数据后采用单播路由向前传递数据。
在实时性数据融合收集中，近基站附近的节点发送次数多于远基站区域的节点。因为，近基站的节点接收了远基站区域节点的数据，因而只要能够安排时隙，这些节点就可以多次发送，以便让基站尽可能早的收集更多的数据。这样造成的后果是近基站节点的能量消耗高，而远基站节点的能量消耗低。而采用上述步骤，对于近基站区域的节点只采用传统的单播路由方式，从而减少节点的能量消耗；而对于距离基站(本实施例中，近基站层中的节点距离基站的跳数小于等于3跳，远基站层中的节点距离基站的跳数大于3跳。)的节点采用广播路由的方法，采用单播与广播混合的数据收集方法具有以下优点：
(a)增多了系统收集的感知信息。采用广播方法时，节点的数据被广播给一跳邻居节点，因而只要任意一个一跳邻居节点的数据被发送到基站，则此节点的感知信息都会被基站收集到，因而此节点的感知信息被收集到的概率大大增加，因而增多了系统收集的感知信息。
(b)减少了延迟。采用广播方法时，节点的感知信息是以多路路由方式被传送到基站，因而多路路由中最快的路由就是此节点的延迟，相对于纯单播方法减少了延迟。
(c)在达到上述两点的同时，并没有减少网络寿命。广播方法的主要不足是消耗的能量较大，因而很少应用到能量非常宝贵的无线传感器网络中。而在实际中，由于近基站的节点数据转发的次数远高于远基站区域，因而其能量消耗高于远基站区域。而上述步骤针对不同的区域采用不同的数据传送方式，对近基站区域采用单播方式以节省能量，而对远基站区域采用广播方式，这样即充分利用了能量，又没有降低网络寿命。
本实施例中，在节点传递数据之前，先为节点分配数据发送的时隙，每个节点均在本节点分配的发送时隙到达时进行数据发送，而在其它时隙不发送数据，仅接收发往自己的数据包。节点在进行数据发送时，每个节点将收到的数据包以及自己本身的数据包融合成一个数据包后再向前发送；融合后的数据包与融合前的数据包的长度相等，融合后的数据包包含的信息量包括来自不同节点产生的源数据包的个数。叶子节点由于没有子节点，因此只向前传递自身的数据包(感知信息)。除基站节点外每个节点向前传递数据的时隙按照从根节点基站节点开始，从上往下逐层给节点分配时隙，包括如下步骤：
(1)对以基站节点为父节点的节点进行时隙分配，包括以下两种情况：
(a)如果该节点i是叶子节点，则从A[]中分配调度周期C中最早的可用时隙给节点i；其中，A[]为数组，标记节点i在第j时隙时是否可发送数据，可发送数据时标记为TRUE；不可时标记为FALSE；
(b)如果节点i是非叶子节点，则从A[]中分配调度周期C中最迟的可用时隙给基站节点的子节点中没有分配时隙且度最大的节点i；
(2)在任何一次时隙分配后,节点i将时隙分配信息发送给并更新A[]，其中，Fi t为节点i的首次传输时隙；为节点i的传输周期；为 为节点i的除父节点外的一跳邻居节点；为节点i的一跳邻居节点的子节点。
其中，对于节点到基站的跳数大于1的节点，时隙分配原则如下：
当节点i需要给中的节点分配时隙时，则节点i选取A[]中离Fi t最近的可用时隙分配给子节点中度最大且没有分配时隙的节点j，其中，为节点i的子节点集；依据此原则，直到把网络中所有节点的时隙都分配好。
按照上述的时隙分配方式为图1所示的无线传感器网络分配时隙，当无线传感器网络的调度周期C的长度分别为4、5和6，节点数量为28时，时隙分配结果如下表1所示，表1中，ID为节点的序号。
表1
将本发明的单播与广播混合的数据融合调度方法应用到图3所示的WSNs，在不同的调度周期C下在不同层进行广播情况下，网络的总延迟和平均延迟的实验结果如图4和图5所示，在图4中，当调度周期C一定时，对远基站层的节点采用广播，近基站层的节点采用单播，由图可见，采用本发明可以减少延迟。尤其是在当调度周期较小时，也就是实时性要求高的网络中，减小延迟的效率更高。从图4的实验结果可以看出，当调度周期C＝4时，网络延迟能够减少14％到18％以上，这充分说明了本发明的有效性。
从图5可以看出，对于图1所示的网络，如果采用以往所有节点都采用单播的方法，则网络的平均延迟是大于本发明提出的方法的。在本发明的方法中，如果对节点到达基站的跳数大于等于3的节点采用广播方式进行数据发送，而对其它节点采用单播方式路由时，本发明方法中的网络平均延迟显著低于以往方法。但本发明方法也可以适当的调整参数，例如，也可以让节点到达基站的跳数大于等于4的节点采用广播方式进行数据发送，而对其它节点采用单播方式路由，这种方式下的网络平均延迟仍然小于以往方法。这说明本发明方法具有很好的适用性和有效性。
对于图1所示的网络，调度周期C＝5时，图6给出了在调度的时长为30个时隙时，每个节点发送的数据信息量。相应的，对于图1所示的网络，采用同样的参数，图7给出了其每个节点接收到的数据信息量。从图6与图7的实验结果可知，采用本发明，绝大多数节点接收的信息量显著增加，进一步说明了本发明的有效性。图8和图9给出了即使采用以往的单播的时隙分配方法,而在图1所示的网络中第3层及以上开始进行广播传输的方法时，网络性能仍然会有提高。如图8所示，单播与广播混合方法基站收集到的感知信息大于以往方法。而图9的结果显示，采用单播与广播混合方法下，网络的延迟也小于以往的仅采用单播方法。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种单播与广播混合的数据融合调度方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
将无线传感器网络中的节点层按照距离基站的跳数分为近基站层和远基站层，所述近基站层中的节点距离基站的跳数小于所述远基站层中的节点距离基站的跳数，所述远基站层中的节点收集数据后采用广播路由向前传递数据，所述近基站层中的节点收集数据后采用单播路由向前传递数据。
2.根据权利要求1所述的数据融合调度方法，其特征在于，所述近基站层中的节点距离基站的跳数小于等于3跳，所述远基站层中的节点距离基站的跳数大于3跳。
3.根据权利要求1所述的数据融合调度方法，其特征在于，在所述节点传递数据之前，先为所述节点分配数据发送的时隙，每个节点均在本节点分配的发送时隙到达时进行数据发送，而在其它时隙不发送数据，仅接收发往自己的数据包。
4.根据权利要求3所述的数据融合调度方法，其特征在于，所述节点在进行数据发送时，每个节点将收到的数据包以及自己本身的数据包融合成一个数据包后再向前发送；融合后的数据包与融合前的数据包的长度相等，融合后的数据包包含的信息量包括来自不同节点产生的源数据包的个数。
5.根据权利要求3所述的数据融合调度方法，其特征在于，除基站节点外的每个节点向前传递数据的时隙按照从根节点基站节点开始，从上往下逐层给节点分配时隙，包括如下步骤：
(1)对以基站节点为父节点的节点进行时隙分配，包括以下两种情况：
(a)如果该节点i是叶子节点，则从A[]中分配调度周期C中最早的可用时隙给所述节点i；其中，A[]为数组，标记节点i在第j时隙时是否可发送数据，可发送数据时标记为TRUE；不可时标记为FALSE；
(b)如果节点i是非叶子节点，则从A[]中分配调度周期C中最迟的可用时隙给基站节点的子节点中没有分配时隙且度最大的节点i；
(2)在任何一次时隙分配后,节点i将时隙分配信息发送给并更新A[]，其中，Fi t为节点i的首次传输时隙；为节点i的传输周期；为 为节点i的除父节点外的一跳邻居节点；为节点i的一跳邻居节点的子节点。
6.根据权利要求5所述的数据融合调度方法，其特征在于，对于距离基站大于1跳的节点，时隙分配原则如下：
当节点i需要给中的节点分配时隙时，则节点i选取A[]中离最近的可用时隙分配给子节点中度最大且没有分配时隙的节点j，其中，为节点i的子节点集；依据此原则，直到把网络中所有节点的时隙都分配好。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的数据融合调度方法，其特征在于，当所述无线传感器网络的调度周期C的长度分别为4、5和6，节点数量为28时，所述时隙分配结果如下表：
表中，ID为节点的序号。
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Granted publication date: 20190809

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