CN106060895B - 基于动态路由的可穿戴传感器网络的数据汇聚方法 - Google Patents

基于动态路由的可穿戴传感器网络的数据汇聚方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于动态路由的可穿戴传感器网络的数据汇聚方法。该方法主要包括：可穿戴节点对接收到的其它节点发送的信标帧信号进行解析，得到其它节点的ID和其它节点与汇聚节点之间的链路代价值ETX_N；根据信标帧信号的强度计算出可穿戴节点和其它节点之间的链路代价值ETX_E，判断自己的路由表中记载的链路代价值ETX是否大于ETX_N和ETX_E之和；如果是，则可穿戴节点将自己的路由表中的下一跳地址更新为其它节点的ID，将自己的路由表中的链路代价值更新为ETX_N和ETX_E之和。本发明提出了一种新的基于地址的动态由更新和快速链路估计协议，使网络中的拓扑能够实时动态变化，且尽可能地降低传输耗能，实现拓扑动态可变的数据汇聚过程。

Description

基于动态路由的可穿戴传感器网络的数据汇聚方法
技术领域
本发明涉及可穿戴传感器网络技术领域，尤其涉及一种基于动态路由的可穿戴传感器网络的数据汇聚方法。
背景技术
近年来，可穿戴传感器在监控、健康、医疗、军事等方面获得了大量应用。传感器的组网能够明显提升数据传输质量，并且降低传输耗能，因此同样适用于可穿戴传感网中。在一些场景中，节点必须动态组网以完成数据传输的需要。比如在医院环境中，病人可能会出现在医院的各个位置，而汇聚节点的数量是一定且静止不动的。在此情形下，一旦病人移动到汇聚节点的通信范围以外，那么通信将会中断。此外，即使通信没有中断，距离汇聚节点过远会使节点传输耗能大幅度增加，或者是通信质量大幅度降低。若能实现动态组网，只要节点能通过其他同类节点实现数据的中继，那么通信质量将得到保证，并且会大大降低传输耗能。
传统的静态数据汇聚协议能够实现使各节点按照一定的路由上传感知数据，最终达到保证通信质量和降低通信能耗能的目的。然而，静态路由机制在路由建立后不允许节点地理位置发生改变，否则将使拓扑发生变化，节点无法找到下一跳节点以致通信中端。同时，已有的路由链路估计方式存在耗时过长、对网络动态变化反应迟钝等缺点，一样不适用节点不断移动的可穿戴传感网中。因此，为可穿戴传感网设计支持动态路由的数据汇聚协议具有重要的实际意义。
发明内容
本发明的实施例提供了一种基于动态路由的可穿戴传感器网络的数据汇聚方法，以实现为可穿戴传感网设计支持动态路由的数据汇聚协议。
本发明提供了如下方案：
一种基于动态路由的可穿戴传感器网络的数据汇聚方法，包括：
可穿戴节点接收到其它节点发送的信标帧信号后，对所述信标帧信号进行解析得到所述其它节点的ID和所述其它节点与汇聚节点之间的链路代价值ETX_N；
所述可穿戴节点根据所述信标帧信号的强度计算出所述可穿戴节点和所述其它节点之间的链路代价值ETX_E，所述可穿戴节点判断自己的路由表中记载的链路代价值ETX是否大于所述ETX_N和所述ETX_E之和；
当所述的判断结果为是，则所述可穿戴节点将自己的路由表中的下一跳地址更新为所述其它节点的ID，将自己的路由表中的链路代价值更新为所述ETX_N和所述ETX_E之和。
进一步地，所述的可穿戴节点根据所述信标帧信号的强度计算出所述可穿戴节点和所述其它节点之间的链路代价值ETX_E，包括：
设所述可穿戴节点为链路上的第k个可穿戴节点，所述可穿戴节点获取接收到的所述信标帧信号的强度Sk-1，对所述Sk-1进行归一化处理得到
所述Smax为设定的最大的接收信号强度，所述Smin为设定的最小的接收信号强度；
所述可穿戴节点和所述其它节点之间的链路代价值ETX_E为ETXE,k-1，ETXE,k-1的计算公式如下：
上式中表示向上取整运算符，参数α表示设定的ETX调整系数。
进一步地，所述的可穿戴节点将自己的路由表中的下一跳地址更新为所述其它节点的ID，将自己的路由表中的链路代价值更新为所述ETX_N和所述ETX_E之和之后，还包括：
所述可穿戴节点对外发送信标帧信号，所述信标帧中携带的发送节点的ID为所述可穿戴节点的ID，所述信标帧中携带的链路代价值为所述可穿戴节点的路由表中记载的链路代价值。
进一步地，所述的方法还包括：
当所述的判断结果为否，则所述可穿戴节点不更新自己的路由表，不对外发送信标帧信号。
进一步地，所述的方法还包括：
每个可穿戴节点维持一张路由表，该路由表中记录下一跳地址和ETX值，该ETX值指的是可穿戴节点自身与汇聚节点之间的传输代价，路由表中的下一跳地址初始化设置为-1，ETX值初始化值设置为正无穷大。
进一步地，汇聚节点每隔一定时间周期向周围节点广播信标帧，所述信标帧中携带的发送节点的ID为所述汇聚节点的ID，所述信标帧中携带的链路代价值为0。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提出了一种新的基于地址的动态由更新和快速链路估计协议，使网络中的拓扑能够实时动态变化，且尽可能地降低传输耗能，实现拓扑动态可变的数据汇聚过程，为可穿戴传感网提供实时、尽力和节能的数据传输服务。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于动态路由的可穿戴传感器网络的数据汇聚方法的处理流程图；
图2为本发明实施例提供的一种信标帧的格式示意图；
图3为本发明实施例提供的一种可穿戴节点中信标帧的接收和广播操作流程；
图4为本发明实施例提供的一种网络的路由第一轮路由更新过程示意图；
图5为本发明实施例提供的一种图4所示网络的后两次更新后的拓扑示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
针对以上问题，本发明在设计实时路由更新和链路代价估计协议的基础上，提出了一种基于路由更新和链路代价估计的并发路由协议，实现数据的可变路由传输，为可穿戴传感网提供实时、尽力和节能的数据传输服务。
本发明实施例提出的动态路由数据汇聚协议主要包括以下两个方面：
实时链路代价估计：对可达节点实现链路代价的实时估计，以及时反映因位置变化而发生的数据传输代价变化。链路代价评估的指标为接收信号质量。后续会详细介绍具体的链代价估计协议。
实时路由更新：实现节点之间数据传输路由的动态更新，以适应节点不断移动的特性。本发明实施例的并发路由协议采用基于地址的数据汇聚方式，每个可穿戴节点都维持一张路由表，记录下当前时刻下一跳地址以及对应的链路代价。主要包括路由表更新和自我信息广播两部分；
并发路由协议中包含的节点类型有以下两种：
汇聚节点：数据汇聚的终点，与服务器连接，具备充足的能量供应和较强数据收发能力。在并发路由协议中，汇聚节点既可以是静止节点，也可以是动态变化的节点。此外，汇聚节点可以是一个或多个；
可穿戴节点：用以监控目标的可穿戴传感器节点，且每个节点使用自己的编号作为通信地址。在并发路由协议中，可穿戴节点可以自由移动。
实施例一
该实施例提供的一种基于动态路由的可穿戴传感器网络的数据汇聚方法的处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤：
步骤S110、可穿戴节点接收到其它节点发送的信标帧信号后，根据所述信标帧信号的强度计算出所述可穿戴节点和所述其它节点之间的链路代价值ETX_E。
本发明实施例的并发路由协议使用信标帧完成网络的同步和路由信息的交互任务。信标帧只负责动态更新路由，不包含其他数据信息，因此单个包数据量很少，以最低限度降低路由更新所损耗的能量，并且避免过多占用信道。
本发明实施例提供的一种信标帧格式示意图如图2所示，信标帧大小为2个字节(byte)，除了4个bit用作保留位以外，其余位包含以下信息：
帧标识(F)：用于说明当前帧的类型，以区分信标帧和其他类型帧。协议中取1bit，即1为信标帧，0为其他帧。
拥塞标识(C)：表征网络是否拥赌，1bit，其中0表示网络正常，1表示拥堵。
节点ID(Node ID)：作为节点的地址。可以根据网络中节点的数量设定具体的位数，并发路由协议设定节点ID为10bit，即最多支持1024个节点；
链路代价(Expected transmission,ETX)：记录信标帧的发送节点自己的路由表中的ETX值，为信标帧的发送节点与汇聚节点之间的数据传输代价大小，为确保网络范围足够大，设定为16bit。
每个可穿戴节点维持一张路由表，该路由表中记录下一跳地址和ETX值，该ETX值指的是可穿戴节点自身与根节点(汇聚节点)之间的传输代价。路由表中下一跳地址初始化可以设置为-1，ETX值初始化值可以设置为正无穷大。
为了保证节点通信可靠性，还可以在路由表中加入候选节点，当首选节点失去响应时向候选节点发送信息。路由表按照链路代价由低到高排序，即代价最小的节点为首选节点，其余为候选节点。并发路由协议中路由表总节点个数为5，第一个节点为首选节点，剩余节点作为候选节点。候选节点数量根据实际需要还可以进行调整。若有候选节点，更新路由表需要避免地址重复的现象发生。
可穿戴节点接收到其它节点发送的信标帧信号后，可穿戴节点根据所述信标帧信号的强度计算出所述可穿戴节点和所述其它节点之间的链路代价值ETX_E。由于实时动态的需要，以往根据丢包率计算链路代价的做法是不可行的，因此，并发路由协议根据接收到的信标帧信号的强度RSSI(Received Signal Strength Indication，接收的信号强度指示)估计链路质量。若某条链路上共有n个子节点，从最后一个子节点到根节点之间，两个相邻节点之间的链路代价依次为ETXn-1,ETXn-2,…,ETX1。设最大的接收信号强度为Smax，最小为Smin，设上述接收到信标帧信号的可穿戴节点为第k个节点，第k个节点接收到的信标帧信号的强度为Sk-1，归一化信号强度为：
上述第k个节点与信标帧信号的发送节点之间的链路代价ETXr,k-1：
上式中表示向上取整运算符，参数α表示ETX调整系数。参数α越大，ETX区分度越大，但信标帧耗费的传输能量越多。反之，α越小，区分度越小，但是信标帧耗能相对较低。若接收信标帧中记录的发送节点与根节点之间的总链路代价为ETXN,k-1，那么接收节点与根节点之间的总代价即为：
ETXk＝ETXE,k-1+ETXN,k-1
实际上，第k(k≥1)个子节点与根节点之间的总链路代价为
在并发路由协议中，Smax默认取-10dBm，Smin默认取-70dBm。
若Sk-1>-10dBm，则ETXE,k-1直接取1。
步骤S120、所述可穿戴节点对所述信标帧信号进行解析得到所述其它节点的ID和所述其它节点与汇聚节点之间的链路代价值ETX_N，判断自己的路由表中记载的链路代价值ETX是否大于所述ETX_N和ETX_E之和。
并发路由协议是基于地址的数据汇聚协议，因此网络中的节点需要知道当前时刻的下一跳地址，避免因节点移动而导致通信中断的情况发生。
图3为本发明实施例提供的一种可穿戴节点中信标帧的接收和广播操作流程，具体处理过程包括：可穿戴节点在接收到信标帧信号以后，可以获得信标帧信号的RSSI，根据ETX计算协议可以计算出所述可穿戴节点和所述其它节点之间的链路代价值为ETX_E(即上述ETXE,k-1)。同时，通过解析信标帧可以获得发送节点的ID和对应的ETX值。为方便区分，记为ETX_N，即上述其它节点与汇聚节点之间的链路代价值ETX_N。
所述可穿戴节点判断自己的路由表中记载的链路代价值ETX是否大于所述ETX_N和ETX_E之和。
步骤S130、当所述的判断结果为是，则可穿戴节点将自己的路由表中的下一跳地址更新为所述其它节点的ID，将自己的路由表中的链路代价值更新为所述ETX_N和ETX_E之和。其中路由表信息采用push()函数操作，即在更新加入新的目的节点放在第一个，之前的条目下移一行。
注意若没有下一跳地址，ETX是正无穷大，此时同样会大于ETX_E和ETX_N的和。在一开始若没有建立路由，通过同样的方式一样可以建立初始路由，因此无需专门设计特定的路由初始化过程。
在更新路由表后等待时间t后，若路由表没有再次更新，则可穿戴节点对外发送信标帧信号，告知周围节点自身信息。所述信标帧中携带的发送节点的ID为所述可穿戴节点的ID，所述信标帧中携带的链路代价值为所述可穿戴节点的路由表中记载的链路代价值。
当所述的判断结果为否，则所述可穿戴节点不更新自己的路由表，不对外发送信标帧信号。若节点的路由表中下一跳地址没有发生变化，对应的ETX也没有发生改变，则不用广播信标帧，因为此时它不会对其他节点的通信造成影响。若路由表中下一跳地址没变，但是对应的ETX值发生了变化，同样需要更新路由表，并且进行信标帧广播过程。
上述等待时间t是一个较短的时间点，默认为300ms。设置等待时间的作用有两个：一是避免频繁发送信标帧。一般信标帧接收在比较集中的时间点，因此设置等待时间可以避免频繁发送信标帧，节约节点能量；二是避免频繁发送信标帧过多占用信道，致使数据通信收到影响。
在整个路由动态更新过程中，汇聚节点每隔一定时间周期向周围节点广播信标帧，所述信标帧中携带的发送节点的ID为所述汇聚节点的ID，所述信标帧中携带的链路代价值为0。汇聚节点只需要发送自身节点ID即可，信标帧中链路代价置0。另外，信标帧发送周期T可以人为设定，默认为3秒。汇聚节点无需维持路由表，但在每个周期开始时，汇聚节点会首先发起路由更新操作，向整个网络发送信标帧，告知自己的信息。
整个网络不断进行上述步骤S110-步骤S130的操作，直到所有节点路由表不发生改变为止。
在本发明中，数据发送过程与一般的传感器网络协议没有差异。即在缓存中维持一个队列，所有需要发送的包(包括转发)进入队列排队以先进先出的顺序进行发送。若队列溢出，则抛弃所有包。在接受到包之后会返回ACK信息，以告知发送节点信息确认接收到信息。此外，为避免信道拥塞，数据传输过程依旧支持CSMA/CA协议。
表1网络相关参数设定
实施例二
该实施例将通过仿真模拟展示一个具体的实施示例。在MATLAB环境下对协议进行实现，设定网络覆盖范围为一个圆形，汇聚节点位于圆心位置。通过模拟节点不断随机移动时路由拓扑的变化情况，测试协议的相关性能。在模拟的过程中，设定信号衰减模型为：
很明显，在数量一定的情况下，网络覆盖范围越大，节点发生通信的概率就越大。同样，覆盖范围一定，节点数量越少，通信发生中断的概率也会越低。在模拟中，只要不是路由不可达节点，网络中的节点在一轮更新后都会知道自己的下一跳地址。因此，并发路由协议能够为动态数据汇聚提供动态路由支持，保证通信不因节点发生移动而发生中断。
上式中E_t和E_r分别表示发射信号和接收信号的功率，d为发送节点与接收节点之间的距离，λ表示信号衰减系数，是一个3～5之间的常数。相关参数设定如表1所示。
在该示例中，节点可以出现网络覆盖范围的任意位置。节点移动的速度和方向都是随机的。每次实验时，节点会被随机撒播在覆盖范围的任意位置，以避免结果出现片面性。在某次模拟中，网络的路由第一轮路由更新过程如图4所示：其中(a)节点的分布图；(b)汇聚节点广播信标帧，发起路由更新；(c)节点接收到(b)中信标帧后的拓扑图；(d)最终的网络拓扑图
在图4中，圆点表示可穿戴节点，三角形表示汇聚节点。在(a)中画出了节点的分布情况，此时节点没有连接，网络还没搭建。在(b)中，汇聚节点开始发起路由更新过程，即向周围广播信标帧，告知自己的信息。节点收到信标帧后，首先把路由表下一跳地址改为汇聚节点，并记录相应的ETX。在等待一定时间后，路由表发生改变的节点也广播信标帧，其他节点收到后再进行相应的操作。图(c)中即为子节点在收到(b)中信标帧后网络的拓扑图，此时网络中还有一个节点没有连接上网络，且路由处于不稳定状态，需要进一步调整。最终的路由拓扑如(d)所示，此时即为该轮路由更新过程的最终路由。
随后，由于节点的不断移动，网络的拓扑在每个周期都会进行更新。图4所示网络的后两次更新后的拓扑如图5所示。图5中网络拓扑的后续两次路由更新模拟结果，其中(a)为第一次更新；(b)为第二次更新。
综上所述，本发明实施例提出了一种新的基于地址的动态由更新和快速链路估计协议，使网络中的拓扑能够实时动态变化，且尽可能地降低传输耗能，实现拓扑动态可变的数据汇聚过程，为可穿戴传感网提供实时、尽力和节能的数据传输服务。
本发明实施例提出的动态路由协议在满足实时更新路由信息的前提下，以简单、高效为基本要求。由汇聚节点(根节点)发起路由更新过程，子节点之间随后通过信标帧进行交互以更新路由。整个过程无需复杂的控制机制，各子节点根据自身情况更新路由和广播信标帧即可。
本发明实施例提出的动态路由协议中，用以传播路由变化信息的信标帧数据量很小，因此单帧传输耗能低。路由更新协议中的延时等待机制避免了因路由信息短期内多次更新而频繁发送冗余信标帧，因此多帧传输效率高。信标帧的低传输代价使本协议适用于能量有限的无线可穿戴传感器网络。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于动态路由的可穿戴传感器网络的数据汇聚方法，其特征在于，包括：
可穿戴节点接收到其它节点发送的信标帧信号后，对所述信标帧信号进行解析得到所述其它节点的ID和所述其它节点与汇聚节点之间的链路代价值ETX_N；
所述可穿戴节点根据所述信标帧信号的强度计算出所述可穿戴节点和所述其它节点之间的链路代价值ETX_E，包括：
设所述可穿戴节点为链路上的第k个可穿戴节点，所述可穿戴节点获取接收到的所述信标帧信号的强度Sk-1，对所述Sk-1进行归一化处理得到
所述Smax为设定的最大的接收信号强度，所述Smin为设定的最小的接收信号强度；
所述可穿戴节点和所述其它节点之间的链路代价值ETX_E为ETXE，k-1，ETXE，k-1的计算公式如下：
上式中表示向上取整运算符，参数α表示设定的ETX调整系数；
所述可穿戴节点判断自己的路由表中记载的链路代价值ETX是否大于所述ETX_N和所述ETX_E之和；
当所述的判断结果为是，则所述可穿戴节点将自己的路由表中的下一跳地址更新为所述其它节点的ID，将自己的路由表中的链路代价值更新为所述ETX_N和所述ETX_E之和。
2.根据权利要求1所述的基于动态路由的可穿戴传感器网络的数据汇聚方法，其特征在于，所述的可穿戴节点将自己的路由表中的下一跳地址更新为所述其它节点的ID，将自己的路由表中的链路代价值更新为所述ETX_N和所述ETX_E之和之后，还包括：
所述可穿戴节点对外发送信标帧信号，所述信标帧中携带的发送节点的ID为所述可穿戴节点的ID，所述信标帧中携带的链路代价值为所述可穿戴节点的路由表中记载的链路代价值。
3.根据权利要求1所述的基于动态路由的可穿戴传感器网络的数据汇聚方法，其特征在于，所述的方法还包括：
当所述的判断结果为否，则所述可穿戴节点不更新自己的路由表，不对外发送信标帧信号。
4.根据权利要求1所述的基于动态路由的可穿戴传感器网络的数据汇聚方法，其特征在于，所述的方法还包括：
每个可穿戴节点维持一张路由表，该路由表中记录下一跳地址和ETX值，该ETX值指的是可穿戴节点自身与汇聚节点之间的传输代价，路由表中的下一跳地址初始化设置为-1，ETX值初始化值设置为正无穷大。
5.根据权利要求1至4任一项所述的基于动态路由的可穿戴传感器网络的数据汇聚方法，其特征在于，汇聚节点每隔一定时间周期向周围节点广播信标帧，所述信标帧中携带的发送节点的ID为所述汇聚节点的ID，所述信标帧中携带的链路代价值为0。
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