CN108024303B - 多跳无线传感器网络内节点选择方法和系统 - Google Patents

多跳无线传感器网络内节点选择方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多跳无线传感器网络内节点选择方法和系统。该方法包括：在源节点处，确定与该源节点的每个邻节点关联的剩余能量，以及确定与该源节点的每个邻节点关联的安全度值。然后，生成潜在候选集，该潜在候选集包括一个或多个剩余能量大于能量阈值的节点。在此之后，从所述潜在候选集中生成实际候选集，其中，该实际候选集中每个节点的安全度值大于安全度阈值。此外，根据按照所述安全度值确定的优先度值，对所述实际候选集进行排序。最后，从所述实际候选集中选出具有最高优先度值的节点，用于接收来自所述源节点的数据包。

Description

多跳无线传感器网络内节点选择方法和系统
技术领域
本发明涉及多跳无线传感器网络内的节点选择，尤其涉及以节能且基于可信度和合格性的方式在多跳无线传感器网络内选择节点的方法和系统。
背景技术
无线和网络技术的最新进步实现了无线传感器网络的一系列用途，这些用途包括目标跟踪，环境监测，工业监测，医疗监测和交通监视。传统上，传感器(也称中继点或节点)的计算能力有限，其用于收集环境信息并将该信息传输至中央存储库。当将信息从远程节点经无线通信信道传输至中央存储库时，该传输通常需要巨大的功耗。然而，在此之后的一段时间内，人们设计出了具有更大计算能力的节点，而且这些节点配置为在无线传感器网络内通过一跳或多跳将所收集的信息传输至中央存储库。
此外，人们还设计出了用于在多跳无线传感器网络内传输数据的路由协议，并确定了源节点和汇节点之间能耗最佳的最短能量路径。然而，此类路由协议经常导致多跳无线传感器网络内产生不均匀的能量分布。此外，由于节点通常由电池供电，因此为了节省能量，潜在的节点可能经常需要进入睡眠周期。如此，使得多跳无线传感器网络内源节点和邻节点之间的交流需要较大的开销。此外，不可靠的无线链路和网络分割可导致数据包的丢失，从而对于预选合理路径需要实施多次重传。
因此，需要一种根据节点能耗和安全性在多跳无线传感器网络内选择数据传输节点的高效方法。
发明内容
在一种实施方式中，公开一种在包括多个节点的多跳无线传感器网络中选择节点的方法。该方法包括：在源节点处，确定与该源节点的每个邻节点关联的剩余能量；在所述源节点处，确定与该源节点的每个邻节点关联的安全度值；在所述源节点处，生成包括该源节点的邻节点当中的至少一个节点的潜在候选集，其中，所述至少一个节点中的每个节点的剩余能量大于能量阈值；在所述源节点处，生成实际候选集，其中，该实际候选集包括所述潜在候选集中安全度值大于安全度阈值的节点；在所述源节点处，根据优先度值对所述实际候选集进行排序，其中，所述优先度值根据所述安全度值确定；以及在所述源节点处，从所述实际候选集中选出具有最高优先度值的节点，用于对来自该源节点的数据包进行发送。
在另一实施方式中，公开一种在包括多个节点的多跳无线传感器网络中选择节点的系统。该系统包括数据库以及处理器，其中，该处理器以可操作方式连接于所述数据库。该处理器配置为：确定与源节点的每个邻节点关联的剩余能量；确定与所述源节点的每个邻节点关联的安全度值；生成包括所述源节点的邻节点当中的至少一个节点的潜在候选集，其中，所述至少一个节点中的每个节点的剩余能量大于能量阈值；生成实际候选集，其中，该实际候选集包括所述潜在候选集中安全度值大于安全度阈值的节点；根据优先度值对所述实际候选集进行排序，其中，所述优先度值根据所述安全度值确定；以及从所述实际候选集中选出具有最高优先度值的节点，用于对来自该源节点的数据包进行发送。
在又一实施方式中，公开一种计算机可用介质，该计算机可用介质存有非暂时性计算机可读指令，该指令用于通过由包括多个节点的多跳无线传感器网络内的处理器执行而实施方法，该方法用于：确定与源节点的每个邻节点关联的剩余能量；确定与所述源节点的每个邻节点关联的安全度值；生成包括所述源节点的邻节点当中的至少一个节点的潜在候选集，其中，所述至少一个节点中的每个节点的剩余能量大于能量阈值；生成实际候选集，其中，该实际候选集包括所述潜在候选集中安全度值大于安全度阈值的节点；根据优先度值对所述实际候选集进行排序，其中，所述优先度值根据所述安全度值确定；以及从所述实际候选集中选出具有最高优先度值的节点，用于对来自该源节点的数据包进行发送。
附图说明
所附各图并入本公开内容之内并构成本公开内容的一部分，用于对例示实施方式进行描述，并与说明书一道阐明所公开的原理。
图1为可采用本发明概念实施方式的多跳无线传感器网络(例示)的系统图。
图2显示了根据一种实施方式在包括多个节点的多跳无线传感器网络内选择节点的方法流程图。
图3显示了根据一种实施方式确定与多跳无线传感器网络相关联的一个或多个参数的方法流程图。
图4显示了根据一种实施方式对每个节点的关联的安全度值进行周期性更新的方法流程图。
图5显示了根据一种实施方式对每个节点的关联的安全度值进行周期性更新的方法流程图。
图6显示了根据一种实施方式生成潜在候选集的方法流程图。
图7显示了根据一种实施方式在数据包中添加高优先度值节点地址的方法流程图。
图8显示了根据一种实施方式在包括多个节点的多跳无线传感器网络内传输数据包的系统。
图9显示了根据一种实施方式用于将数据包从源节点转发至目的节点的多跳无线传感器网络。
图10显示了用于实现各种实施方式的例示计算机系统框图。
具体实施方式
以下，参考附图，对例示实施方式进行描述。在任何方便之处，各图中均采用相同附图标记指代相同或类似部件。虽然本文中描述了所公开原理的实施例和特征，但是在不脱离所公开实施方式的精神和范围的前提下，还可进行修改、调整以及做出其他实施方式。以下具体描述意在仅视作例示，而真正的范围及精神如权利要求书所述。
本发明的各种实施方式提供了用于在包括多个节点的多跳无线传感器网络内选择节点的方法，系统和计算机程序产品。所述方法包括，在源节点处，确定该源节点的每个邻节点的关联剩余能量。在此之后，该方法包括确定该源节点的每个邻节点的关联安全度值。确定了所述剩余能量和安全度值后，该方法生成包括该源节点的关联邻节点当中的至少一个节点的潜在候选集，其中，所述至少一个节点中的每个节点的剩余能量大于能量阈值。在此之后，该方法生成实际候选集，其中，该实际候选集包括所述潜在候选集中安全度值大于安全度阈值的节点。生成所述实际候选集后，该方法根据优先度值对所述实际候选集进行排序。其中，所述优先度值根据所述安全度值确定。最后，该方法从所述实际候选集中选出最高优先度值节点，用于对来自该源节点的数据包进行发送。
图1为可采用本发明概念实施方式的多跳无线传感器网络100的系统图。多跳无线传感器网络100包括多个传感器节点102-n，以及网络数据库104。每个传感器节点102-2，102-4，102-6，……，102-n(n为多跳无线传感器网络100内的传感器节点总数)感测温度、压力、湿度、应力、振动等特定参数，并将感测数据发送于网络数据库104。多跳无线传感器网络100可用于目标跟踪、环境监测、工业监测、医疗监测和交通监视等一系列用途。如图1所示，连接各对传感器节点的箭头表示仅这些以箭头连接的传感器节点可彼此通信。例如，传感器节点102-2可向传感器节点102-4和传感器节点102-8发送数据包，并自其接收数据包。同样地，传感器节点102-4可向传感器节点102-2，传感器节点102-6和传感器节点102-10发送数据包，并自其接收数据包。
因此，多跳无线传感器网络100的感测数据可通过无线或无线电通信直接或间接地从源节点发送至目的节点或网络数据库104。当源节点的网络覆盖范围不能直接触及目的节点或网络数据库104时，源节点可利用一个或多个其他传感器节点来触及目的节点或网络数据库104。源节点利用多跳无线传感器网络100内的其他节点来触及目的节点的通信类型通常称为多跳路由。
图2显示了根据一种实施方式在包括多个节点的多跳无线传感器网络100内选择节点的方法流程图。如以上结合图1所述，数据可通过一跳或多跳从一个节点直接或间接地发送至另一节点。因此，当需要在多跳无线传感器网络100内将数据从源节点传输至目的节点时，可能需要使用多跳无线传感器网络100内的一个或多个中间节点。为了确定用于接收源节点数据包的节点，需要在转发数据包前对该节点的节能性和合格性进行考虑和评价。
因此，在步骤202中，在源节点处，确定与该源节点的每个邻节点相关联的剩余能量。或者，该源节点的每个邻节点可自身确定其剩余能量，并将此信息与所述源节点共享。所述剩余能量通过计算节点的总能耗(Emax)与该节点接收所有输入数据包的能耗与该节点发送所有输出数据包的能耗的和之间的差值确定。在一种实施方式中，多跳无线传感器网络100内的每个节点均对其每个邻节点的剩余能量进行计算。在一种实施方式中，可使用基于剩余能量合格性(LEEB)选择方案计算。
在所述LEEB选择方案中，从多跳无线传感器网络100内的所述多个节点中，选择剩余能量最高且所需通信距离最短的簇头。一般而言，拓扑内通信成本为网络属性的函数。网络属性可对应于拓扑规模，以及是否允许以可变功率水平进行系统内通信。如果所有节点所使用的网络拓扑通信能量水平为固定值，则所述成本可与以下两者之间成比例：(1)在簇头之间分配能量的要求，或者(2)当所述要求在于创建稠密网络时，1/节点度。
选择所述簇头后，确定所述网络范围内的所有节点在触及所述簇头时所需的最小能量均值(AME)水平。在一种实施方式中，可按照式(1)所示方式，确定所述AME水平。式(1)中，min(Pi)表示节点1<i<M所需的最小能量水平，其中，M为拓扑内的节点数。
Figure BDA0001241094580000061
此外，还按照式(2)所示方式，确定所述网络内每个节点的剩余能量，其中，ELeftover为节点所估计的当前剩余能量。
ELeftover＝Emax-AME (2)
在此之后，在步骤204中，确定与源节点的每个邻节点相关联的安全度值。该安全度值表示节点接收及转发数据包的可靠性。该安全度值还表示节点的合格性和可信度系数。因此，具有高安全度值的节点表示该节点可可靠地接收数据包并将该数据包转发至下一跳。在一种实施方式中，对每个节点的安全度值进行周期性更新。以下，将结合图4对此进行更加详细的描述。在另一实施方式中，每当多跳无线传感器网络100的拓扑发生变化或被修饰时，即对每个节点的安全度值进行更新。以下，将结合图5对此进行更加详细的描述。所述安全度值用于识别多跳无线传感器网络100内的恶意节点，从而避免数据包的重复传输并确保整体安全性。
在一种实施方式中，每个节点可根据式(3)计算其邻节点的安全度值，其中，DRf为前向传输成功率，DRr为反向传输成功率，ETC为预计传输次数。
ETC＝1/(DRf×1/DRr) (3)
ETC这一度量结合了链路丢包率的影响，每一链路双向间丢包率的非对称性，以及路径内的连续链路之间的干扰。ETC将多跳路径的吞吐量提升最小跳数度量值的两倍。对于多跳无线传感器网络100内的两跳或更多跳路径，ETC具有最大的提升效果。此外，网络规模越大且路径越长，ETC的益处越大。链路的ETC为经该链路发送数据包时所需的预计的数据传输(包括重传)次数。路径的ETC为该路径内每个链路的ETC之和。例如，具有理想链路的三跳路径的ETC为3，而传输成功率为50％的单跳路径的ETC为2。
如式(3)所示，链路ETC的计算使用该链路的前向和反向传输成功率。前向传输成功率(DRf)为数据包成功抵达接收方的实测概率，而反向传输成功率(DRr)为成功接收确认(ACK)数据包的概率。传输被成功接收并确认的预期概率为DRf×DRr。因此，发送方将对未被成功确认的数据包进行重传。
在确定了所述安全度值后，在步骤206中生成潜在候选集。该潜在候选集通过将与源节点的每个邻节点相关联的剩余能量与能量阈值相比较的方式生成。因此，该潜在候选集包括与源节点相关联的邻节点当中的一个或多个节点。当剩余能量大于所述能量阈值时，可保证该节点具有足够的能量转发数据包。以下，将结合图6对此进行更加详细的描述。在此之后，在步骤208中，通过将安全度值与安全度阈值相比较的方式生成实际候选集。所述安全度值确定为剩余能量大于所述能量阈值的节点的系数。因此，所述实际候选集包括所述潜在候选集中剩余能量大于所述能量阈值且安全度值大于所述安全度阈值的一个或多个节点。当某个节点的安全度值判断为小于所述安全度阈值，则该节点被丢弃并且不纳入所述实际候选集。
在步骤210中，根据优先度值对所述实际候选集进行排序。所述实际候选集中每个节点的所述优先度值根据每个节点的关联安全度值确定。所述安全度值根据上式(3)中所述的ETC矩阵确定。因此，在所述实际候选集内，节点以安全度值降序排序。例如，所述节点按优先度排序为其相应ETC的降序，以保证每个节点具有更高安全度值及更少的重传次数。
在根据优先度值对所述实际候选集排序后，在步骤212中，选择所述实际候选集中最高优先度值节点。选择该最高优先度值节点的目的在于令其发送来自源节点的数据包。因此，为了促进所述数据包的发送，将所述最高优先度值节点的地址添加至该数据包内。以下，将参考图9，对在将数据包从源节点转发至目的节点的过程中通过最高优先度值节点对该数据包进行转发的实施例进行更加详细的描述。
图3显示了根据一种实施方式确定与多跳无线传感器网络100相关联的一个或多个参数的方法流程图。为了实现在多跳无线传感器网络100内的数据包发送，需要确定与多跳无线传感器网络100及数据包相关联的一个或多个参数。因此，在步骤302中，确定与多跳无线传感器网络100相关联的拓扑信息。该拓扑信息用于确定多跳无线传感器网络100内节点和链路的大小，形状，数量和位置。该拓扑信息还提供与所述源节点相关的数据以及与该源节点在多跳无线传感器网络100内的位置相关的数据。在此之后，在步骤304中，确定多跳无线传感器网络100内的所述多个节点当中每个节点的关联邻节点。最后，在步骤306中，确定来自源节点的数据包需被传输至的目的节点。在确定了该目的节点，上述邻节点以及与多跳无线传感器网络100相关联的拓扑信息后，便可启动所述数据包的传输。
图4显示了根据一种实施方式对每个节点的关联安全度值进行周期性更新的方法流程图。为了启动从源节点至目的节点的数据包传输，首先确定源节点的每个邻节点的关联剩余能量。以上，已结合图2对此进行了详细描述。在启动数据包传输时，需要考虑的一个重要参数为每个节点的关联安全度值。因此，在步骤402中，确定源节点的每个邻节点的关联安全度值。该安全度值依据前向传输成功率和反向传输成功率计算。所述前向传输成功率对应于从发送节点发送的数据包成功抵达接收节点的概率，而所述反向传输成功率对应于在发送节点处成功接收确认(ACK)数据包的概率。以上已结合式(3)对此进行了描述。
确定所述安全度值后，在步骤404中，对源节点的每个邻节点的关联安全度值进行周期性更新。该安全度值更新可在当一个或多个条件得到满足时实施。所述一个或多个条件例如包括，但不限于，对多跳无线传感器网络100拓扑的修饰，预定周期时间，添加或移除所述源节点的邻节点，存在恶意活动或判断存在恶意活动，数据包完成一跳，以及多跳无线传感器网络100关联软件的改变。通过周期性更新安全度值，可识别出多跳无线传感器网络100内的任何恶意节点。此外，所述安全度值还有助于确保避免数据包的重传。
图5显示了根据一种实施方式对每个节点的关联安全度值进行周期性更新的方法流程图。在步骤502中，判断多跳无线传感器网络100的关联拓扑是否被修改。该拓扑可因各种原因被修改，例如在多跳无线传感器网络100中添加或移除节点，以及因恶意活动而隔离多跳无线传感器网络100内的特定节点。当判断所述拓扑已被修改时，在步骤504中，对源节点的每个邻节点的关联安全度值进行更新。如果所述拓扑未被修改，则不更新源节点的每个邻节点的关联安全度值。
图6显示了根据一种实施方式生成潜在候选集的方法流程图。为了将数据包从源节点发送至目的节点，首先，在步骤602中，确定源节点的每个邻节点的关联剩余能量。然后，在步骤604中，确定源节点的每个邻节点的关联安全度值。以上已结合图2对此进行了描述。在确定了剩余能量和安全度值之后，在步骤606中，将每个邻节点的剩余能量与能量阈值相比较。之后，在步骤608中，生成所含节点的剩余能量大于所述能量阈值的潜在候选集。生成所述潜在候选集后，根据优先度值，选出用于接收来自源节点的数据包的节点。以下，结合图7对此进行更加详细的描述。
图7显示了根据一种实施方式在数据包中添加高优先度值节点地址的方法流程图。为了促进从源节点至目的节点的数据包传输，首先生成潜在候选集。该潜在候选集包括所述源节点的关联邻节点当中剩余能量大于所述能量阈值的节点。在此之后，在步骤702中，根据安全度值生成实际候选集，其中，该实际候选集中的节点的安全度值大于安全度阈值。该安全度值确定为剩余能量大于所述能量阈值的节点的系数。因此，所述实际候选集包括由剩余能量大于所述能量阈值的一个或多个节点组成的子集。生成所述实际候选集后，在步骤704中，根据优先度值，对所述实际候选集中的所述一个或多个节点进行排序。其中，对所述实际候选集的每个节点均生成优先度值。该优先度值根据上述ETC矩阵确定。所述实际候选集内的节点按其相应ETC降序排列，以保证每个节点具有更高安全度值及更少的重传次数。
为了选出安全度值更高且ETC更小的节点，按照式(3)计算ETC。如此，高优先度值的节点不但为安全节点，而且距目的节点的距离更短。因此所述实际候选集内节点排列的优先度顺序为降序。以上，已结合图2对此进行了详细描述。在步骤706中，从所述实际候选集中选出最高优先度值节点。最后，在步骤708中，将该最高优先度值节点的地址添加至所述数据包内。如此，作为下一跳的一部分，将来自源节点的数据包转发至已将其地址添加至该数据包内的节点。
为了从所述实际候选集选出上述节点，可使用ETSB_OR算法。根据ETSB_OR算法选出的该节点具有基于高可信度的安全度值以及高节能性。该ETSB_OR算法为如何根据每个节点的剩余能量及每个候选节点的安全度值对实际候选集进行选择及优先级排序提供解决方案。所述ETSB_OR算法还有助于从按优先度排列的所述实际候选集中确定最佳节点。如此可见，为了从所述实际候选集中选出用于下一跳的节点，所述ETSB_OR算法使用了上述剩余能量，最佳能量，安全度值参数以及优先度值。ETSB_OR算法的伪代码如下：
Figure BDA0001241094580000101
Figure BDA0001241094580000111
图8显示了根据一种实施方式在包括多个节点的多跳无线传感器网络100内传输数据包的系统800。系统800包括数据库802，以及与数据库802以可操作方式连接的处理器804。数据库802和处理器804处于多跳无线传感器网络100(图8中未示出)内。处理器804既可实施为多跳无线传感器网络100内节点的一部分，也可为以可操作方式与多跳无线传感器网络100内的每个节点相连接的独立计算系统。处理器804包括能量计算模块806，安全度值计算模块808，候选节点选择模块810以及优先度生成模块812。如图8所示，处理器804的每个模块以可操作方式连接于其他模块。
在多跳无线传感器网络100内，数据包可以一跳或多跳从源节点发送至目的节点。为了促进从所述源节点至目的节点的数据传输，需要识别出在多跳无线传感器网络100中作为所述一跳或多跳的一部分传输所述数据包时需经过的一个或多个节点。数据库802用于保存多跳无线传感器网络100的关联信息，以及与所述数据包的传输相关联的信息。例如，可在数据库802内保存多跳无线网络100的拓扑、多跳无线网络100的规模以及多跳无线传感器网络100内的节点数等信息。
首先，当生成用于将数据包从所述源节点传输至目的节点的请求时，处理器804内的能量计算模块806确定出所述源节点的每个邻节点的关联剩余能量。其中，能量计算模块806通过计算节点总能耗(Emax)与该节点接收所有输入数据包的能耗与该节点发送所有输出数据包的能耗的和之间的差值确定所述剩余能量。在一种实施方式中，能量计算模块806可使用基于剩余能量合格性(LEEB)选择方案计算所述剩余能量。
在所述LEEB选择方案中，由能量计算模块806从多跳无线传感器网络100内的所述多个节点中，选择剩余能量最高且所需通信距离最短的簇头。一般而言，拓扑内通信成本为网络属性的函数。在一种实施方式中，网络属性可对应于拓扑规模，以及是否允许以可变功率水平进行系统内通信。如果所有节点所使用的网络拓扑通信的能量水平为固定值，则所述成本可与以下两者之间成比例：(1)在簇头之间分配能量的要求，或者(2)当所述要求在于创建稠密网络时，1/节点度。
选择所述簇头后，由能量计算模块806根据式(1)所示方式确定所述网络范围内的所有节点在触及所述簇头时所需的最小能量均值(AME)水平。以上，已结合图2对此进行了详细描述。在此之后，由能量计算模块806根据式(2)所示方式，确定所述网络内每个节点的剩余能量。以上，已结合图2对此进行了详细描述。
在能量计算模块806确定了所述源节点的每个邻节点的关联剩余能量后，由安全度值计算模块808确定与源节点的每个邻节点相关联的安全度值。该安全度值表示节点接收及转发数据包的可靠性。此外，该安全度值还表示节点的合格性和可信度系数。因此，具有高安全度值的节点表示该节点可可靠地接收数据包并将该数据包转发至下一跳。该安全度值由安全度值计算模块808根据前向传输成功率和反向传输成功率而计算。所述前向传输成功率对应于数据包从发送节点成功抵达接收节点的概率，而所述反向传输成功率对应于发送节点成功接收确认(ACK)数据包的概率。以上已结合式(3)对此进行了描述。
在一种实施方式中，安全度值计算模块808可对所述源节点的每个邻节点的安全度值进行周期性更新。该安全度值的更新可在当一个或多个条件得到满足时实施。所述一个或多个条件例如包括，但不限于，对多跳无线传感器网络100拓扑的修饰，预定周期时间，添加或移除所述源节点的邻节点，存在恶意活动或判断存在恶意活动，数据包完成一跳，以及多跳无线传感器网络100关联软件的改变。类似地，在另一实施方式中，安全度值计算模块808可在每当多跳无线传感器网络100的拓扑发生改变或被修改时对所述源节点的每个邻节点的安全度值进行更新。所述拓扑可因各种原因被修改，例如在多跳无线传感器网络100中添加或移除节点，以及因恶意活动而隔离多跳无线传感器网络100内的特定节点。
在确定了源节点的每个邻节点的关联的剩余能量和安全度值后，能量计算模块806和安全度值计算模块808将该剩余能量信息和安全度值信息发送于候选节点选择模块810。根据所接收到的信息，候选节点选择模块810生成潜在候选集。该潜在候选集包括所述源节点的关联邻节点当中的一个或多个节点。该潜在候选集由候选节点选择模块810通过首先选择具有高剩余能量和高安全度值的节点的方式生成。为了识别所述具有高剩余能量和高安全度值的节点，候选节点选择模块810将所述节点以从高值到低值的方式排列。在此之后，候选节点选择模块810通过仅选择剩余能量大于能量阈值的节点的方式生成所述潜在候选集。
此外，候选节点选择模块810根据安全度值生成实际候选集。所述安全度值确定为剩余能量大于所述能量阈值的节点的系数。所述实际候选集包括所述潜在候选集中安全度值大于所述安全度阈值的一个或多个节点。当某个节点的安全度值判断为小于所述安全度阈值时，则该节点被候选节点选择模块810丢弃并且不纳入所述实际候选集。
在此之后，所述实际候选集的关联信息被发送于优先度生成模块812。优先度生成模块812然后根据优先度值对所述实际候选集进行排序。优先度生成模块812根据所述实际候选集中每个节点的关联安全度值确定相应节点的优先度值。如式(3)所述，所述安全度值根据上述ETC矩阵确定。因此，优先度生成模块812根据所述安全度值的降序对所述实际候选集内的节点进行排序。在根据所述优先度值对所述实际候选集进行排序后，优先度生成模块812将所述实际候选集内最高优先度值节点选为用于接收来自所述源节点的数据包的节点。为了促进来自所述源节点的数据包至所述最高优先度值节点的传输，优先度生成模块812将该最高优先度值节点的地址添加至所述数据包。以下，将参考图9，对在将数据包从源节点转发至目的节点的过程中通过最高优先度值节点对该数据包进行转发的实施例进行更加详细的描述。
图9所示为根据一种实施方式用于将数据包从源节点转发至目的节点的多跳无线传感器网络900。如图9所示，在多跳无线传感器网络900内，源节点X希望向目的节点Z发送数据包。源节点X可采用多种可将所述数据包转发至目的节点Z的路径。首先，源节点X确定各邻节点(A，B，C，D)的剩余能量和安全度值。该剩余能量和安全度值可由能量计算模块和安全度值计算模块确定。所述能量计算模块和安全度值计算模块可内嵌于源节点X内，或可在与源节点X以可操作方式连接的处理器内实现。在此之后，根据所述剩余能量，从所述邻节点中确定潜在候选集，其中，该潜在候选集内的节点的剩余能量大于能量阈值。举例而言，当节点B，C，D，K中的每个节点的剩余能量大于所述能量阈值时，则可选择这些节点生成所述潜在候选集。所述潜在候选集可由候选节点选择模块生成，该候选节点选择模块可内嵌于源节点X内，或可在与源节点X以可操作方式连接的处理器内实现。
确定所述潜在候选集后，根据安全度值生成实际候选集。当节点B，C，D，K当中的节点B和D的安全度值大于安全度阈值时，则所述实际候选集包括节点B和D。最后，从所述实际候选集中选出具有高优先度值的节点。该优先度值可由优先度生成模块确定，该优先度生成模块可内嵌于源节点X内，或可在与源节点X以可操作方式连接的处理器内实现。所述实际候选集内每个节点的优先度值根据相应节点的关联安全度值确定。因此，节点B和D根据其安全度值以降序排列，从而形成优先度列表。在该优先度列表中，节点B的顺位位于节点D之前，这表明节点B具有更高的优先度值，因此被赋予更高的优先度。最后，节点X将所述数据包在下一跳中转发至节点B，其中，节点B在所述实际候选集中具有最高的优先度值。
类似地，节点B在其关联邻节点中确定用于在下一跳中转发所述数据包的潜在候选集。在此类邻节点当中，选择剩余能量大于所述能量阈值的节点F，H，I和J并纳入潜在候选集。在此之后，在该潜在候选集的节点当中生成实际候选集。该实际候选集包括安全度值大于所述安全度阈值的节点。由于节点F，H，I和J当中的节点H，I和J的安全度值均大于所述安全度阈值，因此被纳入所述实际候选集。在该实际候选集中，各节点根据优先度值排序，因此其顺序为：节点H，节点J，节点I。由于节点H具有最高的优先度值，因此被选为用于接收来自节点B的数据包，并将其转发至下一跳，以最终实现到达目的节点Z的目的。
图10为用于实现所公开的各种实施方式的例示计算机系统1002的框图。计算机系统1002可包括中央处理单元(“CPU”或“处理器”1004)。处理器1004可包括至少一个用于执行程序组件的数据处理器，所述程序组件用于执行用户或系统生成的请求。用户可包括使用设备(例如，本公开内容范围内的设备)的个人或此类设备本身。处理器1004可包括专用处理单元，例如集成系统(总线)控制器、存储器管理控制单元、浮点单元、图形处理单元、数字信号处理单元等。处理器1004可包括微处理器，例如AMD速龙(Athlon)、毒龙(Duron)或皓龙(Opteron)，ARM应用处理器，嵌入式或安全处理器，IBM PowerPC，Intel Core、安腾(Itanium)、至强(Xeon)、赛扬(Celeron)或其他处理器产品线等。处理器1004可通过主机、分布式处理器、多核、并行、网格或其他架构实现。一些实施方式可使用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)等嵌入式技术。
处理器1004可通过输入/输出(I/O)接口1006与一个或多个I/O设备进行通信。I/O接口1006可采用通信协议/方法，例如但不限于，音频、模拟、数字、单声道、RCA、立体声、IEEE-1394、串行总线、通用串行总线(USB)、红外、PS/2、BNC、同轴、组件、复合、数字视觉接口(DVI)、高清晰度多媒体接口(HDMI)、射频天线、S-视频，VGA、IEEE 802.n/b/g/n/x、蓝牙、蜂窝(例如码分多址(CDMA)、高速分组接入(HSPA+)、移动通信全球系统(GSM)、长期演进(LTE)、WiMax等)等。
通过使用I/O接口1006，计算机系统1002可与一个或多个I/O设备进行通信。举例而言，输入设备1010可以为天线、键盘、鼠标、操纵杆、(红外)遥控、摄像头、读卡器、传真机、加密狗、生物计量阅读器、麦克风、触摸屏、触摸板、轨迹球、传感器(例如加速度计、光传感器、GPS、陀螺仪、接近传感器等)、触控笔、扫描仪、存储设备、收发器、视频设备/视频源、头戴式显示器等。输出设备1008可以为打印机、传真机、视频显示器(例如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)、等离子等)、音频扬声器等。在一些实施方式中，收发器1012可与处理器1004连接。收发器1012可促进各类无线传输或接收。例如，收发器1012可包括以可操作方式连接至收发器芯片(例如德州仪器(Texas Instruments)WiLinkWL1283、博通(Broadcom)BCM4750IUB8、英飞凌科技(Infineon Technologies)X-Gold 618-PMB9800等)的天线，以实现IEEE 802.11a/b/g/n、蓝牙、FM、全球定位系统(GPS)、2G/3GHSDPA/HSUPA通信等。
在一些实施方式中，处理器1004可通过网络接口1014与通信网络1016通信。网络接口1014可与通信网络1016通信。网络接口1014可采用连接协议，包括但不限于，直接连接，以太网(例如双绞线10/100/1000BaseT)，传输控制协议/网际协议(TCP/IP)，令牌环，IEEE 802.11a/b/g/n/x等。通信网络1016可包括，但不限于，直接互连、局域网(LAN)、广域网(WAN)、无线网络(例如使用无线应用协议)、因特网等。通过网络接口1014和通信网络1016，计算机系统1002可与设备1018、1020和1022通信。这些设备可包括，但不限于，个人计算机，服务器，传真机，打印机，扫描仪，以及各种移动设备，例如蜂窝电话、智能电话(例如苹果(Apple)iPhone、黑莓(Blackberry)、基于安卓(Android)系统的电话等)、平板电脑、电子书阅读器(亚马逊(Amazon)Kindle，Nook等)、膝上型计算机、笔记本电脑、游戏机(微软(Microsoft)Xbox、任天堂(Nintendo)DS，索尼(Sony)PlayStation等)等。在一些实施方式中，计算机系统1002可本身包含一个或多个上述设备。
在一些实施方式中，处理器1004可通过存储接口1024与一个或多个存储设备(例如RAM 1026、ROM 1028等)进行通信。存储接口1024可采用串行高级技术连接(SATA)、集成驱动电子设备(IDE)、IEEE 1394、通用串行总线(USB)、光纤通道、小型计算机系统接口(SCSI)等连接协议连接至存储器1030，该存储器包括，但不限于，存储驱动器、可移除磁盘驱动器等。所述存储驱动器还可包括磁鼓、磁盘驱动器、磁光驱动器、光盘驱动器、独立磁盘冗余阵列(RAID)、固态存储设备、固态驱动器等。
存储器1030可存储一系列程序或数据库组件，包括但不限于，操作系统1042、用户界面应用程序1040、网页浏览器1038、邮件服务器1036、邮件客户端1034、用户/应用程序数据1032(例如本公开内容中所述的任何数据变量或数据记录)等。操作系统1042可促进计算机系统1002的资源管理和运行。操作系统1042例如包括，但不限于，苹果Macintosh OS X、Unix、类Unix系统套件(例如伯克利软件套件(BSD)、FreeBSD、NetBSD、OpenBSD等)、Linux套件(如Red Hat、Ubuntu、Kubuntu等)、IBM OS/2、微软Windows(XP，Vista/7/8等)、苹果iOS、谷歌(Google)安卓、黑莓操作系统等。用户界面1040可利用文本或图形工具促进程序组件的显示、执行、互动、操控或操作。例如，用户界面可在以可操作方式连接至计算机系统1002的显示系统上提供光标、图标、复选框、菜单、滚动条、窗口、窗口部件等计算机交互界面元件。其中，还可采用图形用户界面(GUI)，包括但不限于，苹果Macintosh操作系统的Aqua、IBM OS/2、微软Windows(例如Aero、Metro等)、Unix X-Windows、网页界面库(例如ActiveX、Java、Javascript、AJAX、HTML、Adobe Flash等)等。
在一些实施方式中，计算机系统1002可执行网页浏览器1038存储的程序组件。网页浏览器1038可以为超文本浏览应用程序，如微软Internet Explorer、谷歌Chrome、谋智(Mozilla)火狐(Firefox)、苹果Safari等。其中，可通过HTTPS(安全超文本传输协议)、安全套接字层(SSL)、安全传输层(TLS)等实现安全网页浏览。网页浏览器可使用AJAX、DHTML、Adobe Flash、JavaScript、Java、应用程序编程接口(API)等工具。在一些实施方式中，计算机系统1002可执行邮件服务器1036存储的程序组件。邮件服务器1036可以为微软Exchange等因特网邮件服务器。邮件服务器1036可使用ASP、ActiveX、ANSI C++/C#、微软.NET、CGI脚本、Java、JavaScript、PERL、PHP、Python、WebObjects等工具。邮件服务器1036还可使用因特网信息访问协议(IMAP)，邮件应用程序编程接口(MAPI)，微软Exchange，邮局协议(POP)，简单邮件传输协议(SMTP)等通信协议。在一些实施方式中，计算机系统1002可执行邮件客户端1034存储的程序组件。邮件客户端1034可为苹果Mail、微软Entourage、微软Outlook、谋智Thunderbird等邮件查看程序。
在一些实施方式中，计算机系统1002可存储用户/应用程序数据1032，例如本公开内容中所述数据、变量、记录等。此类数据库可以为容错、关系、可扩展、安全数据库，例如甲骨文(Oracle)或赛贝斯(Sybase)。或者，上述数据库可通过数组、散列、链表、结构、结构化文本文件(例如XML)、表格等标准化数据结构实现，或者实施为面向对象的数据库(例如通过ObjectStore、Poet、Zope等)。上述数据库可以为合并或分布数据库，有时分布于本公开内容所讨论的上述各种计算机系统之间。应该理解的是，可以以任何可工作的组合形式对上述任何计算机或数据库组件的结构及操作进行组合、合并或分布。
可以理解的是，为了清楚起见，以上已参考不同功能单元和处理器对本发明实施方式进行了描述。然而，容易理解的是，在不影响本发明的前提下，还可将功能在不同功能单元、处理器或域之间进行任何合适的分布。例如，描述为由各不同处理器或控制器实现的功能也可由同一处理器或控制器实现。因此，所指的特定功能单元仅视为指代用于提供所描述功能的合适手段，而不严格表示逻辑上或物理上的结构或组织。
本发明的各种实施方式提供了用于在包括多个节点的多跳无线传感器网络内选择节点的方法，系统和计算机程序产品。所述节点选择基于剩余能量和安全度值，从而实现了节能性并提高了整个系统的可靠性。所述方法根据安全度值选择节点，以避免因数据报丢失导致的反复重传，从而在信息发送方面实现了一致性。此外，上述节能算法所实现的机会路由可保证多跳无线传感器网络内的最小功耗。另外，所述方法利用节点位置信息选择区域内的节点，从而为数据包到达目的节点提供清晰路径。最后，该方法根据剩余能量，安全度值和最佳路由选择节点，从而延长了所述多跳无线传感器网络的使用寿命。
本说明书已对包含多个节点的多跳无线传感器网络内节点选择方法和系统进行了描述。所示步骤用于说明所述例示实施方式，并且应当预想到的是，随着技术的不断发展，特定功能的执行方式也将发生改变。本文所呈现的上述实施例用于说明而非限制目的。此外，为了描述的方便性，本文对各功能构建模块边界的定义为任意性的，只要其上述功能及其关系能够获得适当执行，也可按其他方式定义边界。根据本申请的启示内容，替代方案(包括本申请所述方案的等同方案、扩展方案、变形方案、偏差方案等)对于相关领域技术人员是容易理解的。这些替代方案均落入所公开实施方式的范围和精神内。
此外，一个或多个计算机可读存储介质可用于实施本公开内容的实施方式。计算机可读存储介质是指可对处理器可读取的信息或数据进行存储的任何类型的物理存储器。因此，计算机可读存储介质可对由一个或多个处理器执行的指令进行存储，包括用于使处理器执行根据本申请实施方式的步骤或阶段的指令。“计算机可读介质”一词应理解为包括有形物件且不包括载波及瞬态信号，即为非临时性介质，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、易失性存储器、非易失性存储器、硬盘驱动器、只读光盘存储器(CD-ROM)、DVD、闪存驱动器、磁盘以及其他任何已知物理存储介质。
以上公开内容及实施例旨在于仅视为示例性内容及实施例，所公开实施方式的真正范围和精神由权利要求给出。

Claims (12)

1.一种在包括多个节点的多跳无线传感器网络内选择节点的方法，其特征在于，所述方法包括：
在源节点处，确定与所述源节点的每个邻节点关联的剩余能量，其中，通过计算某一节点的总能耗与该节点接收所有输入数据包的能耗及该节点发送所有输出数据包的能耗的和之间的差值确定所述剩余能量；
在所述源节点处，确定与所述源节点的每个邻节点关联的安全度值；
在所述源节点处，生成包括所述源节点的邻节点当中的至少一个节点的潜在候选集，其中，所述至少一个节点中的每个节点的剩余能量大于能量阈值；
在所述源节点处，生成实际候选集，其中，所述实际候选集包括所述潜在候选集中安全度值大于安全度阈值的节点；
在所述源节点处，根据优先度值对所述实际候选集进行排序，其中，所述优先度值根据所述安全度值确定；以及
在所述源节点处，从所述实际候选集中选出具有最高优先度值的节点，用于对来自所述源节点的数据包进行发送，
其中，根据前向传输成功率和反向传输成功率计算所述安全度值，所述前向传输成功率对应于数据包自发送节点成功抵达接收节点的概率，所述反向传输成功率对应于所述发送节点成功接收确认数据包的概率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括确定：
与所述多跳无线传感器网络关联的拓扑；
与所述多跳无线传感器网络的多个节点中的每个节点关联的邻节点；以及
自所述源节点发送的数据包的目的节点。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对与所述源节点的每个邻节点关联的所述安全度值进行周期性更新。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每当所述多跳无线传感器网络的拓扑被修改时，对与每个节点关联的所述安全度值进行更新。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，选出用于对所述数据包进行发送的所述具有最高优先度值的节点还包括将所述具有最高优先度值的节点的地址添加至所述数据包。
6.一种在包括多个节点的多跳无线传感器网络中选择节点的系统，其特征在于，所述系统包括：
数据库；以及
处理器，其中，所述处理器以可操作方式连接于所述数据库，所述处理器配置为：
确定与源节点的每个邻节点关联的剩余能量，其中，通过计算某一节点接收所有输入数据包的能耗及该节点发送所有输出数据包的能耗之间的差值确定所述剩余能量；
确定与所述源节点的每个邻节点关联的安全度值；
生成包括所述源节点的邻节点当中的至少一个节点的潜在候选集，其中，所述至少一个节点中的每个节点的剩余能量大于能量阈值；
生成实际候选集，其中，所述实际候选集包括所述潜在候选集中安全度值大于安全度阈值的节点；
根据优先度值对所述实际候选集进行排序，其中，所述优先度值根据所述安全度值确定；以及
从所述实际候选集中选出具有最高优先度值的节点，用于对来自所述源节点的数据包进行发送，
其中，所述处理器还配置为根据前向传输成功率和反向传输成功率计算所述安全度值，所述前向传输成功率对应于数据包自发送节点成功抵达接收节点的概率，所述反向传输成功率对应于所述发送节点成功接收确认数据包的概率。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述处理器还配置为确定：
与所述多跳无线传感器网络关联的拓扑；
与所述多跳无线传感器网络的多个节点中的每个节点关联的邻节点；以及
自所述源节点发送的数据包的目的节点。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述处理器还配置为对与所述源节点的每个邻节点关联的所述安全度值进行周期性更新。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述处理器还配置为每当所述多跳无线传感器网络的拓扑被修改时，对与每个节点关联的所述安全度值进行更新。
10.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述处理器还配置为通过选择具有高剩余能量和高安全度值的节点而生成所述潜在候选集。
11.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述处理器还配置为将具有最高优先度值的节点的地址添加至待发送的数据包。
12.一种计算机可用介质，所述计算机可用介质存有非暂时性计算机可读指令，所述指令用于通过由包括多个节点的多跳无线传感器网络内的处理器执行而实施方法，其特征在于，所述方法用于：
确定与源节点的每个邻节点关联的剩余能量，其中，通过计算某一节点接收所有输入数据包的能耗及该节点发送所有输出数据包的能耗之间的差值确定所述剩余能量；
确定与所述源节点的每个邻节点关联的安全度值；
生成包括所述源节点的邻节点当中的至少一个节点的潜在候选集，其中，所述至少一个节点中的每个节点的剩余能量大于能量阈值；
生成实际候选集，其中，所述实际候选集包括所述潜在候选集中安全度值大于安全度阈值的节点；
根据优先度值对所述实际候选集进行排序，其中，所述优先度值根据所述安全度值确定；以及
从所述实际候选集中选出具有最高优先度值的节点，用于对来自所述源节点的数据包进行发送，
其中，根据前向传输成功率和反向传输成功率计算所述安全度值，所述前向传输成功率对应于数据包自发送节点成功抵达接收节点的概率，所述反向传输成功率对应于所述发送节点成功接收确认数据包的概率。
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