CN108600981A - 一种基于树的无线传感器网络数据收集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于树的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、构成一棵以sink节点为根的FNS树，包括以下步骤：第二步、数据的回传过程。本发明将查询请求的传递与数据回传结构的建立有机结合起来，通过使用一种洪泛避免的方法传递查询请求，建立起一棵以sink节点为根的、包含最少中间节点的查询转发树，作为数据回传结构。本发明具有较高的数据采集效率和较低的存储开销，能够满足提高无线传感器网络数据聚合效率，同时延长网络生命周期的要求。

Description

一种基于树的无线传感器网络数据收集方法

技术领域

本发明针对无线传感器网络(英文简称为WSNs)在数据收集中，为减少冗余数据的传输耗能、降低延迟等问题，需要使用数据聚合技术，而提出的一种基于树的无线传感器网络数据收集方法。本发明适用于WSNs、VANETs、ad hoc网络、无线网络通信领域。

背景技术

无线传感器网络由于具有部署灵活及信息获取精度高、可靠性强、经济性好等特点，在军事侦察、环境监测、智能建筑、交通运输等领域具有广阔的应用前景，是目前信息技术领域的一个热点研究方向。无线传感器网络中的数据收集需要通过节点间的有机协作完成，由于传感器节点由电池供电，仅具有有限的计算、通信及能量等资源，所以数据收集需要解决的一个重要问题是如何节省能量，以延长无线传感器网络的生命周期。考虑到在无线传感器网络中，通信的代价比计算的代价高几个量级，所以数据收集过程中常采用数据聚合技术，尽量减少传网络中的总传输次数。

数据聚合技术，即节点利用本地处理能力，先对采集到的或接收到的其它传感器节点发送的数据进行网内处理，消除冗余信息，然后再传输处理后的数据。由于多个传感器节点对同一事件采集到的数据是相同或相近的，并且数据回传存在一定的重复路径，所以使用数据聚合技术可以有效节省传感器网络的能量。数据聚合技术面临的问题是：选择何种结构回传采集的数据，才能使总的分组回传次数最少。一种实现该任务的最简单方法是直接传送[Estrin D.Next century challenges：Scalable coordination in sensornetworks.In：Proc.of the MobiCOM’99.1999.263-270]，即网络中的每个节点把收集的数据直接传送给基站。此后一些以节约能量为目的的算法以此为基础相继被提出来；Estrin等人于文献[Krishnamachari B，Estrin D，and Wicker S.Modeling data-centricrouting in wireless sensor networks.USC Computer Engineering Technical ReportCENG，2002：02-14.]提出，在一次数据回传中，最优的数据聚合结构为包含所有源传感器节点及sink节点的最小Steiner树，当sink节点的位置任意时，求解上述问题为一个NP问题。

无线传感器网络数据聚合算法中，直接传送(directed diffusion，DD)对于远离基站的传感器节点，节点传送数据消耗的能量代价太高将使节点很快死亡。文献[Krishnamachari B，Estrin D，and Wicker S.Modeling data-centric routing inwireless sensor networks.USC Computer Engineering Technical Report CENG，2002：02-14.]中给出了3种典型的构造数据聚合树的近似优化算法，其主要思想分别为：(1)CNS(Centerat Nearest Source)算法：与某次数据采集相关的所有源传感器节点，首先都把采集到的信息传送至离sink节点最近的传感器节点，由该传感器节点完成数据聚合并最终传递至sink节点；(2)SPT(Shortest Path Tree)算法：所有源传感器节点均沿自己至sink节点的最短路径独立传输数据分组，在各个路径交叉点进行数据聚合，形成一棵以sink节点为根的数据聚合树；(3)GIT(Greedy IncrementaL Tree)算法：sink节点首先建立至与之距离最近的传感器节点的一条最短路径，然后依次将下一个最近的传感器节点加入当前树。但是上述3种算法在实际使用时，当源传感器节点数量巨大且分布范围广时，CNS算法的节能效果远远小于GIT和SPT算法，不再适用；GIT算法的性能虽然较好，但实现时需要全局信息，难于分布式实现；SPT算法虽然比较容易进行分布式实现，但是由于各个传感器节点独立选择数据回传路径，路径交叉点是随机形成的，所以可进一步优化以提高数据聚合的概率。

同时，现有的无线传感器网络路由协议在建立路由时，大多数在选路时没有考虑对数据聚合的支持，有的还使用洪泛转发建路请求消息，这将导致广播风暴，极大消耗传感器网络的能量。

发明内容

本发明的目的是：在不降低无线传感器网络的连通性，又能效节省能量的前提下，提供一种无线传感器网络数据收集方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于树的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、构成一棵以sink节点为根的FNS树，包括以下步骤：

步骤1.1、当用户欲通过无线传感器网络获取信息时，sink节点先计算自己的转发节点集合FNS，依据转发节点集合FNS生成FNS节点列表，然后广播带有该FNS节点列表的查询请求消息QREQ；

步骤1.2、当sink节点的某个一跳邻节点收到查询请求消息QREQ后，则判断查询请求消息QREQ是否为重复查询请求，若是，则反馈错误标志FALSE，若不是，再判断当前一跳邻节点是否在转发节点集合FNS中，若不在，则反馈错误标志FALSE，若在，则计算当前一跳邻节点自己的转发节点集合FNS，将计算得到的转发节点集合FNS替换查询请求消息QREQ中已有的转发节点集合FNS，根据当前一跳邻节点在步骤1.1计算得到的转发节点集合FNS中的位置，延迟一个成正比的时间后广播转发节点集合FNS更新后的查询请求消息QREQ；

步骤1.3、重复步骤1.2直至得到离sink节点远近不同的一系列转发节点集合FNS，构成一棵以sink节点为根的FNS树；

第二步、数据的回传过程

当源传感器节点采集到与查询相关的数据时，若当前源传感器节点不是FNS树中的节点，则向当前源传感器节点至sink节点路径上的上一跳节点，即FNS树中的某个节点回传数据；若当前源传感器节点是FNS树中的节点，则先等待并选择合适的时机进行数据聚合，若超过最大等待时间则结束等待，若在最大等待时间内有合适的时机进行数据聚合，则对已经收到的数据分组执行应用所要求的数据聚合处理，然后将聚合后的数据发送至自己在FNS树中的上一跳节点，如此循环，最后将聚合后的数据回传至sink节点。

优选地，所述第一步中，在所述FNS节点列表中，较早选出的、具有较多一跳邻节点的节点排列在较晚选出的、具有较少一跳邻节点的节点前边。

优选地，所述第一步中，将sink节点或当前一跳邻节点定义为节点x，则计算节点x的转发节点集合FNS的步骤包括：

步骤1、获得节点x的一跳邻节点集合A⁽¹⁾及两跳邻节点集合A⁽²⁾；

步骤2、判断当前两跳邻节点集合A⁽²⁾是否为非空集合，若是，则进入步骤3，若不是，则反馈得到的转发节点集合FNS；

步骤3、从一跳邻节点集合A⁽¹⁾中选择任意一个节点y；

步骤4、若|N(y)∩A⁽²⁾|为最大值且E_y≥E_threshold，则进入步骤5，否则，返回步骤3重新挑选一个节点y，其中，N(y)＝{z|y∈A⁽¹⁾，e(y，z)∈E，hop(z)＝hop(x)+2}，式中，z表示某个节点，e(y，z)表示节点y、z间的边，E表示所有能够直接通信的节点之间的连线，hop(x)表示节点x至sink节点的跳数；E_y表示节点y的剩余能量；E_threshold表示门限值；

步骤5、将两跳邻节点集合A⁽²⁾更新为A⁽²⁾-N(y)，转发节点集合FNS更新为FNS+{y}，一跳邻节点集合A⁽¹⁾更新为A⁽¹⁾-{y}，返回步骤2。

优选地，所述第二步中，数据聚合时机的选择采用以下方法：

选择当节点收到自己所有子FNS节点的数据后执行相应的聚合操作，同时为了防止部分子FNS节点不参与该次数据采集或转发，通过分析已经接收到数据包的时间优先级要求或周期性监测应用中的历史信息，决定执行聚合操作前的最大等待时间。

优选地，还包括FNS树的维护，包括以下步骤：

采用软状态的方法维护FNS树，每个FNS树的节点均有一定的有效期，超时自动失效，若在周期性数据采集中使用TBDCS，则sink节点周期性发送查询请求消息QREQ，重建FNS树，FNS树中的节点保存多个上一跳节点的信息，在当前上一跳节点失效时进行FNS树的局部修复。

本发明将查询请求的传递与数据回传结构的建立有机结合起来，通过使用一种洪泛避免的方法传递查询请求，建立起一棵以sink节点为根的、包含最少中间节点的查询转发树，作为数据回传结构。本发明具有较高的数据采集效率和较低的存储开销，能够满足提高无线传感器网络数据聚合效率，同时延长网络生命周期的要求。

本发明通过查询请求消息的传递，建立了一棵以sink节点为根的、包含最少中间转发节点的FNS树，作为数据回传结构，避免了查询分组在网络中的洪泛，同时增加了数据回传时数据聚合的概率，有效节省了无线传感器网络的能量。本发明由于仅利用传感器节点的局部信息，所以容易分布式实现。另外，由于每个数据聚合节点均了解自己所有的子节点，所以可以为合理选择数据聚合时机提供支持。

本发明提供的数据采集方法充分利用了节点的本地信息，在查询请求的传递过程中选择尽可能少的中间转发节点建立数据回传结构，可以有效节省无线传感器网络的能量，并且不降低网络的连通性，具有如下优点：

1、低能耗。使用FNS树可大大减少查询请求的总发送次数，节省发送QREQ消息所消耗的能量；每个源传感器节点实际均沿自己至sink节点的最小跳数路径回传采集的数据，根据算法Find-FNS，仅有部分节点被选作数据转发点，因而增加了各个源节点数据回传时最短路径交叉的概率，所以在回传时的总聚合点数小于等于SPT算法的总聚合点数，因为后者的聚合点是随机形成的，从而降低数据回传所消耗的能量。

2、空间开销小。每个节点均需要存储自己的一跳及两跳邻节点的信息，可以对此进行优化，仅存储比自己离sink节点远的一跳及两跳邻节点的信息。在无线通信距离一定的情况下，无线传感器网络中节点的密度越高，节点需要的存储空间越大，同时由Find-FNS算法得到的FNS集合中结点也越多，使QREQ消息中FNS列表的开销也越大。由于节点发送的每个分组一般有最大长度的限制，所以FNS列表的长度也有限制，即要求传感器网络节点的密度在一定的范围内。

附图说明

图1为FNS的示例图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，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。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提供的一种基于树的无线传感器网络数据收集方法基于如下定义及算法：

1)网络模型

设G＝(V，E)表示一个连通的无线传感器网络，V为网络中所有节点(这里暂不考虑节点的休眠)的集合，E为所有能够直接通信的节点之间的连线。本发明研究的问题是：在网络中仅有一个sink节点的情况下，当sink节点发起一次查询请求时，多个随机分布的源传感器节点如何以多跳方式向sink节点回传采集到的数据。假设每个传感器节点均已知到达sink节点的最小跳数，一跳邻节点及其能量等信息，且相邻传感器节点间交互邻节点信息，从而使每个节点均了解自己的两跳邻节点信息。中间节点进行数据聚合时，使用简单的数据聚合函数，如重复分组压缩、求最大值及最小值等，将多个输入分组聚合为一个输出分组。

2)转发节点集合FNS的定义

设x为传感器网络中的某个节点，节点x距离sink节点的最小跳数为hop(X)，则有：

节点x的一跳邻节点集合A⁽¹⁾＝{i|i是x的一跳邻节点且hop(i)＝hop(x)+1}；

节点x的两跳邻节点集合A⁽²⁾＝{i|i是x的两跳邻节点且hop(i)＝hop(X)+2}；

定义转发节点集合FNS为集合A(1)的一个最小子集，使得：

A⁽²⁾＝U_y∈FNS(x)N(y)，式中，N(y)＝{z|y∈A⁽¹⁾，e(y，z)∈E，hop(z)＝hop(X)+2}，式中，z表示某个节点，e(y，z)表示节点y、z间的边，E表示所有能够直接通信的节点之间的连线，hop(x)表示节点x至sink节点的跳数。

图1为FNS的示例，节点0为sink节点，sink节点的一跳邻节点集合A⁽¹⁾＝{1，2，3，4，5，6，7}，两跳邻节点集合A⁽²⁾＝{8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20}，转发节点集合FNS＝{1，2，4，6，7}。节点6的一跳邻节点集合A⁽¹⁾＝{17，18，20}，两跳邻节点集合A⁽²⁾＝{21，22，33，32，31，30}，转发节点集合FNS＝{18，20}。

3)Find-FNS算法，即求解任意节点的转发节点集合FNS的算法

求解任意节点的转发节点集合FNS的算法可以归结为求解顶点覆盖问题，是一个已知的NP问题。这里用贪婪算法求解该问题，依次在未被挑选的A⁽¹⁾集合节点中，选择一个其一跳邻节点覆盖A⁽²⁾中节点最多的节点。同时，考虑到无线传感器网络中的节点能量有限，FNS中节点的选择还要考虑能量的均衡，选择当前剩余能量大于某个门限值(设为E_threshold)的节点作为FNS中的节点。设E_x表示节点x的当前剩余能量，某节点x求其FNS的Find-FNS算法包括以下步骤：

步骤1、获得节点x的一跳邻节点集合A⁽¹⁾及两跳邻节点集合A⁽²⁾；

步骤2、判断当前两跳邻节点集合A⁽²⁾是否为非空集合，若是，则进入步骤3，若不是，则反馈得到的转发节点集合FNS；

步骤3、从一跳邻节点集合A⁽¹⁾中选择任意一个节点y；

步骤4、若|N(y)∩A⁽²⁾|为最大值且E_y≥E_threshold，则进入步骤5，否则，返回步骤3重新挑选一个节点y，其中，E_y表示节点y的剩余能量；

步骤5、将两跳邻节点集合A⁽²⁾更新为A⁽²⁾-N(y)，转发节点集合FNS更新为FNS+{y}，一跳邻节点集合A⁽¹⁾更新为A⁽¹⁾-{y}，返回步骤2。

需要说明的是：集合{从A⁽¹⁾中每个节点出发，可以到达的，至sink节点的跳数为hop(x)+2的节点}与集合A⁽²⁾相等。因为节点x至sink节点的跳数为hop(x)，所以节点x的一跳邻节点至sink节点的跳数小于等于hop(x)+1，从而节点x的两跳邻节点至sink节点的跳数小于等于hop(X)+2，只有通过跳数为hop(x)+1的点，才能到达跳数为hop(x)+2的点，所以本算法是正确的。

基于上述定义及算法，本发明提供的一种基于树的无线传感器网络数据收集方法包括以下步骤：

第一步、构成一棵以sink节点为根的FNS树，包括以下步骤：

步骤1.1、当用户欲通过无线传感器网络获取信息时，sink节点先计算自己的转发节点集合FNS，依据转发节点集合FNS生成FNS节点列表，然后广播带有该FNS节点列表的查询请求消息QREQ；在FNS节点列表中，较早选出的、具有较多一跳邻节点的节点排列在较晚选出的、具有较少一跳邻节点的节点前边；

步骤1.2、当sink节点的某个一跳邻节点收到查询请求消息QREQ后，则判断查询请求消息QREQ是否为重复查询请求，若是，则反馈错误标志FALSE，若不是，再判断当前一跳邻节点是否在转发节点集合FNS中，若不在，则反馈错误标志FALSE，若在，则计算当前一跳邻节点自己的转发节点集合FNS，将计算得到的转发节点集合FNS替换查询请求消息QREQ中已有的转发节点集合FNS，根据当前一跳邻节点在步骤1.1计算得到的转发节点集合FNS中的位置，延迟一个成正比的时间后广播转发节点集合FNS更新后的查询请求消息QREQ；

需要说明的是：如果节点x收到不同上一跳节点转发的同一查询分组，则视为重复包，这里选择最早到达的QREQ消息发送节点为自己的上一跳FNS节点。广播新生成的QREQ消息前等待一段时间是为了避免传输冲突，使得一跳邻节点数目多的节点较早发送QREQ消息。另外，由QREQ消息的转发过程可知，每个传感器节点均知道自己在FNS树中的父节点，FNS树中的每个节点也均知道自己有哪些子节点；

步骤1.3、重复步骤1.2直至得到离sink节点远近不同的一系列转发节点集合FNS，构成一棵以sink节点为根的FNS树；

第二步、数据的回传过程

当源传感器节点采集到与查询相关的数据时，如果自己不是FNS节点，则向自己至sink节点路径上的上一跳节点，即FNS树中的某个节点回传数据，否则先等待并选择合适的时机进行数据聚合。数据聚合时机的选择应使尽可能多的相关数据进行聚合，同时也要考虑时延的要求，需要在数据聚合和时延之间进行折衷。由于FNS树中的每个节点均知道自己有哪些子FNS节点，所以可以选择当节点收到自己所有子FNS节点的数据后执行相应的聚合操作，同时为了防止部分子FNS节点不参与该次数据采集或转发，可以通过分析已经接收到数据包的时间优先级要求、或周期性监测应用中的历史信息等，决定执行聚合操作前的最大等待时间，超时则结束等待，对已经收到的数据分组执行应用所要求的数据聚合处理，然后将聚合后的数据发送至自己在FNS树中的上一跳节点，如此循环，最后将聚合后的数据回传至sink节点。

第三步、FNS树的维护

采用软状态的方法维护FNS树，每个FNS树的节点均有一定的有效期，超时自动失效，这种方法有助于均衡地消耗网络中节点的能量。如果在周期性数据采集中使用TBDCS，则需要sink节点周期性发送QREQ消息，重建FNS树。QREQ消息的刷新周期选择需要考虑应用对时延的要求、均衡消耗节点的能量等因素。另外，由于每个节点可能收到一个或多个节点转发的QREQ消息，所以节点可以保存多个上一跳节点的信息，在当前上一跳节点失效时进行聚合树的局部修复。

Claims (5)

1.一种基于树的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、构成一棵以sink节点为根的FNS树，包括以下步骤：

步骤1.1、当用户欲通过无线传感器网络获取信息时，sink节点先计算自己的转发节点集合FNS，依据转发节点集合FNS生成FNS节点列表，然后广播带有该FNS节点列表的查询请求消息QREQ；

步骤1.2、当sink节点的某个一跳邻节点收到查询请求消息QREQ后，则判断查询请求消息QREQ是否为重复查询请求，若是，则反馈错误标志FALSE，若不是，再判断当前一跳邻节点是否在转发节点集合FNS中，若不在，则反馈错误标志FALSE，若在，则计算当前一跳邻节点自己的转发节点集合FNS，将计算得到的转发节点集合FNS替换查询请求消息QREQ中已有的转发节点集合FNS，根据当前一跳邻节点在步骤1.1计算得到的转发节点集合FNS中的位置，延迟一个成正比的时间后广播转发节点集合FNS更新后的查询请求消息QREQ；

步骤1.3、重复步骤1.2直至得到离sink节点远近不同的一系列转发节点集合FNS，构成一棵以sink节点为根的FNS树；

第二步、数据的回传过程

当源传感器节点采集到与查询相关的数据时，若当前源传感器节点不是FNS树中的节点，则向当前源传感器节点至sink节点路径上的上一跳节点，即FNS树中的某个节点回传数据；若当前源传感器节点是FNS树中的节点，则先等待并选择合适的时机进行数据聚合，若超过最大等待时间则结束等待，若在最大等待时间内有合适的时机进行数据聚合，则对已经收到的数据分组执行应用所要求的数据聚合处理，然后将聚合后的数据发送至自己在FNS树中的上一跳节点，如此循环，最后将聚合后的数据回传至sink节点。

2.如权利要求1所述的一种基于树的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于，所述第一步中，在所述FNS节点列表中，较早选出的、具有较多一跳邻节点的节点排列在较晚选出的、具有较少一跳邻节点的节点前边。

3.如权利要求1所述的一种基于树的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于，所述第一步中，将sink节点或当前一跳邻节点定义为节点x，则计算节点x的转发节点集合FNS的步骤包括：

步骤1、获得节点x的一跳邻节点集合A⁽¹⁾及两跳邻节点集合A⁽²⁾；

步骤2、判断当前两跳邻节点集合A⁽²⁾是否为非空集合，若是，则进入步骤3，若不是，则反馈得到的转发节点集合FNS；

步骤3、从一跳邻节点集合A⁽¹⁾中选择任意一个节点y；

步骤4、若|N(y)∩A⁽²⁾|为最大值且E_y≥E_threshold，则进入步骤5，否则，返回步骤3重新挑选一个节点y，其中，N(y)＝{z|y∈A⁽¹⁾，e(y，z)∈E，hop(z)＝hop(x)+2}，式中，z表示某个节点，e(y，z)表示节点y、z间的边，E表示所有能够直接通信的节点之间的连线，hop(x)表示节点x至sink节点的跳数；E_y表示节点y的剩余能量；E_threshold表示门限值；

步骤5、将两跳邻节点集合A⁽²⁾更新为A⁽²⁾-N(y)，转发节点集合FNS更新为FNS+{y}，一跳邻节点集合A⁽¹⁾更新为A⁽¹⁾-{y}，返回步骤2。

4.如权利要求1所述的一种基于树的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于，所述第二步中，数据聚合时机的选择采用以下方法：

选择当节点收到自己所有子FNS节点的数据后执行相应的聚合操作，同时为了防止部分子FNS节点不参与该次数据采集或转发，通过分析已经接收到数据包的时间优先级要求或周期性监测应用中的历史信息，决定执行聚合操作前的最大等待时间。

5.如权利要求1所述的一种基于树的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于，还包括FNS树的维护，包括以下步骤：

采用软状态的方法维护FNS树，每个FNS树的节点均有一定的有效期，超时自动失效，若在周期性数据采集中使用TBDCS，则sink节点周期性发送查询请求消息QREQ，重建FNS树，FNS树中的节点保存多个上一跳节点的信息，在当前上一跳节点失效时进行FNS树的局部修复。