CN109922510A - 一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线传感器网络路由优化技术领域，尤其涉及一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化方法，同时，本发明还提供一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化系统，选择在冲突路径的入口节点将原始数据包进行融合编码运算并得到编码数据包，将编码数据包通过冲突路径分别传送到目标节点，本发明解决了现有技术存在由于无线网络中传感节点的传输范围有限，数据传输经过多个中间节点的转发，从而导致在一条路径当中只要有一个节点因能量耗尽而失效，整个数据的传输路径都有可能失效的问题，具有减少转发数据包的次数，有效延长中间节点的生命周期、网络吞吐量大、算法直接且简单的有益技术效果。

Description

一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化方法及系统

技术领域

本发明属于无线传感器网络路由优化技术领域，尤其涉及一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化方法，同时，本发明还提供一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化系统。

背景技术

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，同时，网络中的节点拥有感知能力、无线通信能力以及计算能力，由于无线传感器网络具有不依赖与任何预设网络设施等特点，所以在军事应用、大型设备监控和环境监测和预报等领域，传感器网络都有着广泛的应用前景，传感器网络中节点分布数量众多，且能量是由容量有限的电池供电，更换不易，传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块，随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上，所以如何设计节能高效的路由策略是延长网络生存周期的重要手段，现有技术存在由于无线网络中传感节点的传输范围有限，数据传输经过多个中间节点的转发，从而导致在一条路径当中只要有一个节点因能量耗尽而失效，整个数据的传输路径都有可能失效的问题。

发明内容

本发明提供一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化方法及系统，以解决上述背景技术中提出了现有技术存在由于无线网络中传感节点的传输范围有限，数据传输经过多个中间节点的转发，从而导致在一条路径当中只要有一个节点因能量耗尽而失效，整个数据的传输路径都有可能失效的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化方法，包括：

若传输路径间存在部分重合而形成冲突路径，则选择在冲突路径的入口节点将原始数据包进行融合编码运算并得到编码数据包，将编码数据包通过冲突路径分别传送到目标节点，目标节点将编码数据包进行拆分反编码运算并将编码数据包还原为原始数据包。

进一步，若传输路径间不存在部分重合，则按原始传输路径传输。

进一步，所述无线传感器网络路由优化方法还包括：

第一源节点通过第一传输路径将第一数据包传送到第一目标节点，第一源节点通过第二传输路径将第二数据包传送到第二目标节点；

同时；

第二源节点通过第三传输路径将第一数据包传送到第一目标节点，第二源节点通过第四传输路径将第二数据包传送到第二目标节点。

进一步，所述无线传感器网络路由优化方法还包括：

若第二传输路径与第三传输路径部分重合而形成冲突路径，则选择在冲突路径的入口节点将第一数据包和第二数据包进行编码运算并得到第三数据包，将第三数据包通过冲突路径分别传送到第一目标节点和第二目标节点，第一目标节点将第三数据包和本端接收的第一数据包反编码运算并将第三数据包还原为第二数据包，第二目标节点将第三数据包和本端接收的第二数据包异或运算并将第三数据包还原为第一数据包。

进一步，所述编码运算和反编码运算均为异或运算。

进一步，将传输路径间的两个节点间跳变控制于相互处于对方的有效信号覆盖范围之内。

进一步，所述两个节点间跳变控制于相互处于对方的有效信号覆盖范围之内的算法包括：

a、建立传输路径间点对点通信时的有效半径与最小能耗的通信关系模型；

b、根据通信关系模型推算出最优通信半径；

c、将编码数据包通过路由选择推算出目标节点的目标解码概率；

d、通过目标解码概率绘制出最佳通信路径；

e、将最佳通信路径的中间节点根据通信关系模型推算出最优通信半径；

f、动态调整最佳通信路径的中间节点的发射功率。

进一步，所述节点的供电采用可充电锂电池供电。

进一步，所述编码运算和反编码运算采用低能耗直接编解码技术。

同时，本发明还提供一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化系统，包括网络路由优化模块；

所述网络路由优化模块用于：

若传输路径间存在部分重合而形成冲突路径，则选择在冲突路径的入口节点将原始数据包进行融合编码运算并得到编码数据包，将编码数据包通过冲突路径分别传送到目标节点，目标节点将编码数据包进行拆分反编码运算并将编码数据包还原为原始数据包；

同时，将传输路径间的两个节点间跳变控制于相互处于对方的有效信号覆盖范围之内。有益技术效果：

本专利采用若传输路径间存在部分重合而形成冲突路径，则选择在冲突路径的入口节点将原始数据包进行融合编码运算并得到编码数据包，将编码数据包通过冲突路径分别传送到目标节点，目标节点将编码数据包进行拆分反编码运算并将编码数据包还原为原始数据包，由于将网络编码技术应用在无线传感器网络中，相对于传统网络中路由主要负责数据的接收和转发，结合了编码技术的网络路由则具备了数据的接受、编码、转发三项功能，既可以通过中间节点对接收到不同的数据源的数据包进行编码合并，再进行转发，减少转发数据包的次数，有效延长中间节点的生命周期。

附图说明

图1是本发明一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化方法总流程图；

图2是本发明一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化方法的具体流程图；

图3是本发明一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化方法的冲突路径结构示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述：

图中：

S101-若传输路径间存在部分重合而形成冲突路径；

S102-则选择在冲突路径的入口节点将原始数据包进行融合编码运算并得到编码数据包；

S103-将编码数据包通过冲突路径分别传送到目标节点；

S104-目标节点将编码数据包进行拆分反编码运算并将编码数据包还原为原始数据包；

S201-第一源节点通过第一传输路径将第一数据包传送到第一目标节点，第一源节点通过第二传输路径将第二数据包传送到第二目标节点；

S202-第二源节点通过第三传输路径将第一数据包传送到第一目标节点，第二源节点通过第四传输路径将第二数据包传送到第二目标节点；

S203-若第二传输路径与第三传输路径部分重合而形成冲突路径；

S204-则选择在冲突路径的入口节点将第一数据包和第二数据包进行编码运算并得到第三数据包；

S205-将第三数据包通过冲突路径分别传送到第一目标节点和第二目标节点；

S206-第一目标节点将第三数据包和本端接收的第一数据包反编码运算并将第三数据包还原为第二数据包；

S207-第二目标节点将第三数据包和本端接收的第二数据包异或运算并将第三数据包还原为第一数据包；

实施例：

本实施例：如图1所示，一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化方法，包括：

若传输路径间存在部分重合而形成冲突路径S101，则选择在冲突路径的入口节点将原始数据包进行融合编码运算并得到编码数据包S102，将编码数据包通过冲突路径分别传送到目标节点S103，目标节点将编码数据包进行拆分反编码运算并将编码数据包还原为原始数据包S104。

由于采用若传输路径间存在部分重合而形成冲突路径，则选择在冲突路径的入口节点将原始数据包进行融合编码运算并得到编码数据包，将编码数据包通过冲突路径分别传送到目标节点，目标节点将编码数据包进行拆分反编码运算并将编码数据包还原为原始数据包，由于将网络编码技术应用在无线传感器网络中，相对于传统网络中路由主要负责数据的接收和转发，结合了编码技术的网络路由则具备了数据的接受、编码、转发三项功能，既可以通过中间节点对接收到不同的数据源的数据包进行编码合并，再进行转发，减少转发数据包的次数，有效延长中间节点的生命周期。

若传输路径间不存在部分重合，则按原始传输路径传输。

由于采用若传输路径间不存在部分重合，则按原始传输路径传输，由于若网络中不存在冲突，则按照正常顺序路径实现数据传递。

如图2、3所示，所述无线传感器网络路由优化方法还包括：

第一源节点通过第一传输路径将第一数据包传送到第一目标节点，第一源节点通过第二传输路径将第二数据包传送到第二目标节点S201；

同时；

第二源节点通过第三传输路径将第一数据包传送到第一目标节点，第二源节点通过第四传输路径将第二数据包传送到第二目标节点S202。

所述无线传感器网络路由优化方法还包括：

若第二传输路径与第三传输路径部分重合而形成冲突路径S203，则选择在冲突路径的入口节点将第一数据包和第二数据包进行编码运算并得到第三数据包S204，将第三数据包通过冲突路径分别传送到第一目标节点和第二目标节点S205，第一目标节点将第三数据包和本端接收的第一数据包反编码运算并将第三数据包还原为第二数据包S206，第二目标节点将第三数据包和本端接收的第二数据包异或运算并将第三数据包还原为第一数据包S207。

由于采用第一源节点通过第一传输路径将第一数据包传送到第一目标节点，第一源节点通过第二传输路径将第二数据包传送到第二目标节点，同时，第二源节点通过第三传输路径将第一数据包传送到第一目标节点，第二源节点通过第四传输路径将第二数据包传送到第二目标节点，若第二传输路径与第三传输路径部分重合而形成冲突路径，则选择在冲突路径的入口节点将第一数据包和第二数据包进行编码运算并得到第三数据包，将第三数据包通过冲突路径分别传送到第一目标节点和第二目标节点，第一目标节点将第三数据包和本端接收的第一数据包反编码运算并将第三数据包还原为第二数据包，第二目标节点将第三数据包和本端接收的第二数据包异或运算并将第三数据包还原为第一数据包，由于该编码技术的基本原理，如图3所示，其中AA1和AA2为两个数据发送的源节点，BB1和BB2为两个数据接收的目的节点，连线部分为通信链路，假设BB1作为当前的数据接收端，它可以分别接收到AA1和AA2发送的L1、L2两个数据包，其中L1可以沿传输路径P-S到达BA1，L2可以沿传输路径QQ-RR-UU-SS到达BB1，假设BB2作为当前的数据接收端，同样可以接收到AA1、AA2所发送的数据包L1和L2，其中L1可以沿传输路径PP-RR-UU-TT到达BB2，L2可以沿传输路径QQ-TT到达BB2，假设BB1和BB2两个接收端需要同时接受AA1、AA2同时发送的两个数据包L1和L2，路径RR-UU就产生冲突，传统方法采用优先排序，按序传输，而不能同时传输，本方法采用网络编码技术，使得路径节点RR具有简单的编码功能，在通过节点RR时，可以对数据包L1、L2先进行异或运算，得到数据包L3，将该数据包同时传送到BB1和BB2端，BB1端通过PP-SS接收到的L1和L3再进行异或运算，即可还原得到数据包L2，BB2端通过QQ-TT接收到的L2与L3再进行异或运算，即可还原数据包L1，由此可见，采用了网络编码技术的路径节点可以有效减少数据包的传输次数，提高网络吞吐量。

所述编码运算和反编码运算均为异或运算。

由于采用所述编码运算和反编码运算均为异或运算，由于异或运算的编码技术其反编码与原编码技术使用的是同一种算法，其特点是直接且简单。

将传输路径间的两个节点间跳变控制于相互处于对方的有效信号覆盖范围之内。

由于采用将传输路径间的两个节点间跳变控制于相互处于对方的有效信号覆盖范围之内，由于在减少数据包传输次数的基础上，如何进一步控制传感器节点发射功率也是优化无线传感器网络路由能耗的重要手段之一，控制节点的发射功率过大，会对节点造成较大的能耗损失，而过小则会导致网络链路的不可靠，因此，单一的降低传感器节点发射功率并不能有效提高无线网络的传输速率，反而增加丢包率，导致重发，消耗更多的节点能源，本方法提出了动态功率控制优化策略是将传感器节点间的跳变必须是相互处于对方的有效信号覆盖范围之内，节点的有效半径越大，所需传输功率也就越大，而缩小半径范围虽然可降低发射功率，却有可能增加数据包的跳转次数，采用动态的功率控制策略就是要实时依据路径情况动态调整节点的有效范围，实现动态的能耗调整。

所述两个节点间跳变控制于相互处于对方的有效信号覆盖范围之内的算法包括：

a、建立传输路径间点对点通信时的有效半径与最小能耗的通信关系模型；

b、根据通信关系模型推算出最优通信半径；

c、将编码数据包通过路由选择推算出目标节点的目标解码概率；

d、通过目标解码概率绘制出最佳通信路径；

e、将最佳通信路径的中间节点根据通信关系模型推算出最优通信半径；

f、动态调整最佳通信路径的中间节点的发射功率。

由于采用所述两个节点间跳变控制于相互处于对方的有效信号覆盖范围之内的算法包括：a、建立传输路径间点对点通信时的有效半径与最小能耗的通信关系模型；b、根据通信关系模型推算出最优通信半径；c、将编码数据包通过路由选择推算出目标节点的目标解码概率；d、通过目标解码概率绘制出最佳通信路径；e、将最佳通信路径的中间节点根据通信关系模型推算出最优通信半径；f、动态调整最佳通信路径的中间节点的发射功率，由于首先，建立一个点对点通信时的有效半径与最小能耗的关系模型，依据两者间的关系推演出最佳的通信半径，然后对经过网络编码的数据包进行路由选择，计算出接收点能够成功接收到编码数据并对其能够进行正确编码的概率，从而绘制出最佳的路径，最后将该路径中的中间节点根据有效半径与最小能耗的关系模型计算出最佳的节点半径，并最终达到动态调整发射功率的优化目标，该优化策略在动态控制发射功率的同时，还充分考虑了网络编码对路径选择的影响，以确保能够最大限度的降低网络路由能耗。

所述节点的供电采用可充电锂电池供电。

由于采用所述节点的供电采用可充电锂电池供电，由于通过传感器节点发射无线通信信号，并以多跳方式实现数据的传递，且传感节点的可通信范围需要大于相邻节点的探测范围，而这些都需要相应的电力功能才能维持传感器节点上的数据有效传输，传统手段仅仅通过一次性的电池进行功能，更换电池麻烦且费时，由于采用持续供电的锂电池，当电力消耗后，可以直接充电或采用无线充电，从而减少了该节点上传输路径失效的几率。

所述编码运算和反编码运算采用低能耗直接编解码技术。

由于采用所述编码运算和反编码运算采用低能耗直接编解码技术，由于编码运算的复杂度也决定了节点的功耗，因此，采用低能耗直接编解码技术，降低了节点上的功耗。

同时，本发明还提供一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化系统，包括网络路由优化模块；

所述网络路由优化模块用于：

若传输路径间存在部分重合而形成冲突路径S101，则选择在冲突路径的入口节点将原始数据包进行融合编码运算并得到编码数据包S102，将编码数据包通过冲突路径分别传送到目标节点S103，目标节点将编码数据包进行拆分反编码运算并将编码数据包还原为原始数据包S104；

同时，将传输路径间的两个节点间跳变控制于相互处于对方的有效信号覆盖范围之内。

由于采用同时提供的一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化系统，包括网络路由优化模块，该网络路由优化模块采用无线传感器网络路由优化方法，提高了该方法应用的实用性。

工作原理：

本专利通过若传输路径间存在部分重合而形成冲突路径，则选择在冲突路径的入口节点将原始数据包进行融合编码运算并得到编码数据包，将编码数据包通过冲突路径分别传送到目标节点，目标节点将编码数据包进行拆分反编码运算并将编码数据包还原为原始数据包，由于将网络编码技术应用在无线传感器网络中，相对于传统网络中路由主要负责数据的接收和转发，结合了编码技术的网络路由则具备了数据的接受、编码、转发三项功能，既可以通过中间节点对接收到不同的数据源的数据包进行编码合并，再进行转发，本发明解决了现有技术存在由于无线网络中传感节点的传输范围有限，数据传输经过多个中间节点的转发，从而导致在一条路径当中只要有一个节点因能量耗尽而失效，整个数据的传输路径都有可能失效的问题，具有减少转发数据包的次数，有效延长中间节点的生命周期、网络吞吐量大、算法直接且简单的有益技术效果。

利用本发明的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化方法，其特征在于，包括：

若传输路径间存在部分重合而形成冲突路径，则选择在冲突路径的入口节点将原始数据包进行融合编码运算并得到编码数据包，将编码数据包通过冲突路径分别传送到目标节点，目标节点将编码数据包进行拆分反编码运算并将编码数据包还原为原始数据包。

2.根据权利要求1所述的一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化方法，其特征在于，若传输路径间不存在部分重合，则按原始传输路径传输。

3.根据权利要求1所述的一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化方法，其特征在于，所述无线传感器网络路由优化方法还包括：

第一源节点通过第一传输路径将第一数据包传送到第一目标节点，第一源节点通过第二传输路径将第二数据包传送到第二目标节点；

同时；

第二源节点通过第三传输路径将第一数据包传送到第一目标节点，第二源节点通过第四传输路径将第二数据包传送到第二目标节点。

4.根据权利要求3所述的一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化方法，其特征在于，所述无线传感器网络路由优化方法还包括：

若第二传输路径与第三传输路径部分重合而形成冲突路径，则选择在冲突路径的入口节点将第一数据包和第二数据包进行编码运算并得到第三数据包，将第三数据包通过冲突路径分别传送到第一目标节点和第二目标节点，第一目标节点将第三数据包和本端接收的第一数据包反编码运算并将第三数据包还原为第二数据包，第二目标节点将第三数据包和本端接收的第二数据包异或运算并将第三数据包还原为第一数据包。

5.根据权利要求4所述的一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化方法，其特征在于，所述编码运算和反编码运算均为异或运算。

6.根据权利要求1所述的一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化方法，其特征在于，将传输路径间的两个节点间跳变控制于相互处于对方的有效信号覆盖范围之内。

7.根据权利要求1所述的一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化方法，其特征在于，所述两个节点间跳变控制于相互处于对方的有效信号覆盖范围之内的算法包括：

a、建立传输路径间点对点通信时的有效半径与最小能耗的通信关系模型；

b、根据通信关系模型推算出最优通信半径；

c、将编码数据包通过路由选择推算出目标节点的目标解码概率；

d、通过目标解码概率绘制出最佳通信路径；

e、将最佳通信路径的中间节点根据通信关系模型推算出最优通信半径；

f、动态调整最佳通信路径的中间节点的发射功率。

8.根据权利要求6所述的一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化方法，其特征在于，所述节点的供电采用可充电锂电池供电。

9.根据权利要求6所述的一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化方法，其特征在于，所述编码运算和反编码运算采用低能耗直接编解码技术。

10.一种基于数据融合的无线传感器网络路由优化系统，其特征在于，包括网络路由优化模块；

所述网络路由优化模块用于：

若传输路径间存在部分重合而形成冲突路径，则选择在冲突路径的入口节点将原始数据包进行融合编码运算并得到编码数据包，将编码数据包通过冲突路径分别传送到目标节点，目标节点将编码数据包进行拆分反编码运算并将编码数据包还原为原始数据包；

同时，将传输路径间的两个节点间跳变控制于相互处于对方的有效信号覆盖范围之内。