CN112055395B - 基于事件驱动的动态分簇网络的协作传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于事件驱动的动态分簇网络的协作传输方法，属于无线通信领域，包括S1：在基于事件驱动的动态分簇网络中，传感器节点s_i在t时刻检测事件是否发生；若事件未发生，各节点按预先形成的静态簇低频传输数据；若事件发生则下一步；S2：在t时刻出现检测到事件发生的节点时，所有检测到事件发生的节点组成事件簇，向簇头发送采集的数据，簇头融合数据后集中发往汇聚节点；若汇聚节点接收到簇头发送的数据，本轮数据传输成功；若汇聚节点未能接收到簇头发送的数据，本轮数据传输失败，转至步骤S3；S3：处于前向通道矩形区域内的节点参与最佳中继的竞争，最佳中继将监听到的数据转发给汇聚节点，完成此轮的协作传输。

Description

基于事件驱动的动态分簇网络的协作传输方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种基于事件驱动的动态分簇网络的协作传输方法。

背景技术

在基于事件驱动的大规模分簇网络的应用场景中，节点收集数据由事件的发生与否来决定，无事件发生时，节点处于休眠状态或以极低的频率向簇头定时汇报节点状态；当有事件发生时，节点被唤醒，处于活跃状态，高频采集数据并向簇头高速传输数据，实现对事件的实时监测。然而在节点的数据传输过程中，常常由于信道质量不佳等原因造成通信中断的情况，汇聚节点因此接收不到事件信息。特别在在突发的紧急事件的监测中，如山洪、台风、森林火灾、燃油或化学物质泄漏等这些对可靠性要求较高的场景中，事件信息的丢失导致系统无法实现对事件的实时监控，可能会引发严重安全事故。

RAGHAVENDRA等人用两类节点：传感节点和中继节点来分别承担感知和数据包多跳转发任务以提升节点的能量效率和数据传输的可靠性。但在无线传感器网络中，很少布置专门的中继来转发数据，且当事件连续变化时，原有的多跳路由可能不再适用，频繁的中继选择也会耗费更多的能量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于事件驱动的动态分簇网络的协作传输方法，定义了事件移动的前向通道范围，从前向通道中选出具有较大的感应值和更好的协作能力的节点对传输中断的节点实施协作传输，以提高网络的传输效率，有效地提升网络数据传输的可靠性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于事件驱动的动态分簇网络的协作传输方法，包括以下步骤：

S1：在基于事件驱动的动态分簇网络中，传感器节点s_i在t时刻检测事件是否发生；若事件未发生，各节点按预先形成的静态簇低频传输数据；若事件发生，转至步骤S2；

S2：在t时刻出现检测到事件发生的节点时，所有检测到事件发生的节点组成事件簇，向簇头发送采集的数据，簇头融合数据后集中发往汇聚节点；若汇聚节点接收到簇头发送的数据，本轮数据传输成功；若汇聚节点未能接收到簇头发送的数据，本轮数据传输失败，转至步骤S3；

S3：当事件簇簇头传输失败时，处于前向通道矩形区域内的节点参与最佳中继的竞争，竞争成功的节点当选为最佳中继；最佳中继将监听到的数据转发给汇聚节点，完成此轮的协作传输。

进一步，在所述步骤S2中，通过以下步骤形成事件簇：

S21：确定事件中心节点；当有事件发生时，采用竞争方式确定事件中心节点；各感知到事件的节点按事件感应强度

的倒数

设置定时器，同时监听信道；定时器最先减小到0的节点即为事件中心节点；

S22：竞争簇头；各事件节点检测自身的剩余能量

若

则该节点能量不足，放弃簇头竞争；否则，该节点参与簇头的竞争，并设置定时器初值，定时器最先归零的节点当选为簇头，其余节点竞争失败，关闭定时器；

S23：成簇；簇头确定后，各事件感知节点竞争加入事件簇；检测到事件发生的节点按事件感应强度的倒数设置定时器初始值并开始计时，同时监听信道；感应强度最大的节点第一个抢占信道，发送确认信息给簇头，其在事件簇中的编号设置为j＝1；在后面的每个时隙，未加入簇的各节点重置定时器，继续竞争信道，竞争成功者，发送确认信息给簇头，并设置在事件簇中的编号；当子时隙中无节点占用信道时，成簇结束。

进一步，步骤S22中，按下式设置定时器初值：

式中：

为评价指标，

为事件感知节点s_i到事件中心节点s_ec的距离；

为s_i的剩余能量；

为s_i到汇聚节点的瞬时信道值。

进一步，步骤S3中，通过以下步骤确定前向通道：

事件直径为2r_e，移动速度为d＝v×T_d，与x轴夹角为θ，以事件中心为起点，沿事件发展方向为中垂线，构建2r_e＝d的矩形，所述矩形即为所设定的前向通道区域；各节点根据事件中心节点的位置，事件移动速度和方向及自身位置，计算自己是否位于该区域内。

进一步，步骤S3中，位于前向通道内的节点竞争最佳中继的步骤如下：

处于前向通道内的节点有资格参与最佳中继的竞争，设置区域指示标记IS_j＝1；若不处于前向通道内，则无资格竞争，设置IS_j＝0；

成功监听到事件簇簇头数据并成功解码NACK帧的节点若具有与簇头和汇聚节点较好的信道质量，能承担协作转发任务，则设置信道指示标记IC_j＝1；否则，设置IC_j＝0；

IS_j＝1且IC_j＝1的节点参与竞争，各自启动定时器，初始值设置为与剩余能量成反比，具有最大剩余能量的节点计时器首先减小至零，当选为最佳中继；

其余节点竞争失败，关闭定时器。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明针对事件驱动的大规模无线传感器网络，提出了一种基于事件驱动的动态分簇网络的协作传输方案，描述了事件簇的形成过程，并选出最佳中继对传输中断时的事件簇簇头节点协作转发，有效地提升了数据传输的可靠性。

(2)本发明在最佳中继选择过程中，根据网络中不同位置的节点协作效果不同，提出了基于前向通道的最佳中继选择方法。处于事件移动方向上的节点更接近于事件中心和汇聚节点，从该区域中选出的最佳中继能更好的实施协作传输，提高了最佳中继的协作能力，从而提高了最佳中继的选择效率。

(3)本发明中事件的检测、事件簇的形成及最佳中继的选择均采用分布式方法，所提方法计算复杂度低，传输可靠性高，适用于在无线传感器网络中推广，具有较好的实用性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的流程图。

图2为本发明所述事件簇形成过程的通信流程图。

图3为本发明所述前向通道示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，为本发明的基于事件驱动的动态分簇网络的协作传输方法的流程图。在动态分簇网络中，传感器节点s_i在时刻t检测事件是否发生。若事件未发生，各节点按预先形成的静态簇低频传输数据。若事件发生，所有的这些检测到事件发生的节点组成事件簇，向簇头发送采集的数据，簇头融合数据后集中发往汇聚节点。若汇聚节点接收到簇头发送的数据，本轮数据传输成功，无需进行协作传输。若汇聚节点未能接收到簇头发送的数据，本轮数据传输失败，确定事件运动的前向通道，开始节点间的协作传输。节点判断是否位于前向通道矩形区域内，处于前向通道矩形区域内的节点参与最佳中继的竞争。竞争中胜利的节点当选为最佳中继。随后，其将监听到的簇头数据转发给汇聚节点，完成此轮的协作传输。

如图2所示，为本发明的基于事件驱动的动态分簇网络的协作传输方法的事件簇形成过程的通信流程图，事件簇形成过程如下：

事件簇形成阶段的时隙T_d0划分为多个子时隙T_d0s。形成方法主要包括三个组成部分：确定事件中心节点、竞争簇头、成簇。当有事件发生时，在第一个子时隙，采用竞争方式确定事件中心节点。各感知到事件的节点按事件感应强度

的倒数

设置定时器，同时监听信道；定时器最先减小到0的节点即为事件中心节点。事件中心节点确定后，在第二个子时隙，各事件节点检测自身的剩余能量

若

则该节点能量不足，放弃簇头竞争；否则，该节点参与簇头的竞争，设置定时器初值，定时器最先归零的节点当选为簇头，其余节点竞争失败，关闭定时器。簇头确定后，在接下来的时隙，各事件感知节点竞争加入事件簇。检测到事件发生的节点按事件感应强度的倒数设置定时器初始值并开始计时，同时监听信道；感应强度最大的节点第一个抢占信道，发送确认信息给簇头，其在事件簇中的编号设置为j＝1；在后面的每个时隙，未加入簇的各节点重置定时器，继续竞争信道，竞争成功者，发送确认信息给簇头，并设置在事件簇中的编号。当子时隙中无节点占用信道时，簇头广播事件簇成簇结束信息，成簇结束。

如图3所示，为本发明的基于事件驱动的动态分簇网络的协作传输方法的前向通道示意图。事件直径为2r_e，移动速度为d＝v×T_d，与x轴夹角为θ，以事件中心为起点，沿事件发展方向为中垂线，构建2r_e×d的矩形，如图3所示，该矩形即为所设定的前向通道区域。各节点根据事件中心节点的位置，事件移动速度和方向，计算自己是否位于该区域内。若是，则有资格参与最佳中继的竞争，设置区域指示标记IS_j＝1；否则，无资格竞争，IS_j＝0。同时，为确保协作传输顺利进行，成功监听到事件簇簇头数据并成功解码NACK帧的节点具有与簇头和汇聚节点较好的信道质量，能承担协作转发任务，设置信道指示标记IC_j＝1，否则，IC_j＝0；IS_j＝1且IC_j＝1的节点参与竞争，各自启动定时器，初始值设置为与剩余能量成反比，具有最大剩余能量的节点计时器首先减小至零，当选为最佳中继。其余节点竞争失败，关闭定时器。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于事件驱动的动态分簇网络的协作传输方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：在基于事件驱动的动态分簇网络中，传感器节点s_i在t时刻检测事件是否发生；若事件未发生，各节点按预先形成的静态簇低频传输数据；若事件发生，转至步骤S2；

S2：在t时刻出现检测到事件发生的节点时，所有检测到事件发生的节点组成事件簇，向簇头发送采集的数据，簇头融合数据后集中发往汇聚节点；若汇聚节点接收到簇头发送的数据，本轮数据传输成功；若汇聚节点未能接收到簇头发送的数据，本轮数据传输失败，转至步骤S3；通过以下步骤形成事件簇：

S21：确定事件中心节点；当有事件发生时，采用竞争方式确定事件中心节点；各感知到事件的节点按事件感应强度

的倒数

设置定时器，同时监听信道；定时器最先减小到0的节点即为事件中心节点；

S22：竞争簇头；各事件节点检测自身的剩余能量

若

则该节点能量不足，放弃簇头竞争；否则，该节点参与簇头的竞争，并设置定时器初值，定时器最先归零的节点当选为簇头，其余节点竞争失败，关闭定时器；

S23：成簇；簇头确定后，各事件感知节点竞争加入事件簇；检测到事件发生的节点按事件感应强度的倒数设置定时器初始值并开始计时，同时监听信道；感应强度最大的节点第一个抢占信道，发送确认信息给簇头，其在事件簇中的编号设置为j＝1；在后面的每个时隙，未加入簇的各节点重置定时器，继续竞争信道，竞争成功者，发送确认信息给簇头，并设置在事件簇中的编号；当子时隙中无节点占用信道时，成簇结束；

S3：当事件簇簇头传输失败时，处于前向通道矩形区域内的节点参与最佳中继的竞争，竞争成功的节点当选为最佳中继；最佳中继将监听到的数据转发给汇聚节点，完成此轮的协作传输。

2.根据权利要求1所述的基于事件驱动的动态分簇网络的协作传输方法，其特征在于：步骤S22中，按下式设置定时器初值：

式中：

为评价指标，

为事件感知节点s_i到事件中心节点s_ec的距离；

为s_i的剩余能量；

为s_i到汇聚节点的瞬时信道值。

3.根据权利要求1所述的基于事件驱动的动态分簇网络的协作传输方法，其特征在于：步骤S3中，通过以下步骤确定前向通道：

事件直径为2r_e，移动速度为d＝v×T_d，与x轴夹角为θ，以事件中心为起点，沿事件发展方向为中垂线，构建2r_e×d的矩形，所述矩形即为所设定的前向通道区域；各节点根据事件中心节点的位置，事件移动速度和方向及自身位置，计算自己是否位于该区域内。

4.根据权利要求3所述的基于事件驱动的动态分簇网络的协作传输方法，其特征在于：步骤S3中，位于前向通道内的节点竞争最佳中继的步骤如下：

处于前向通道内的节点有资格参与最佳中继的竞争，设置区域指示标记IS_j＝1；若不处于前向通道内，则无资格竞争，设置IS_j＝0；

成功监听到事件簇簇头数据并成功解码NACK帧的节点若具有与簇头和汇聚节点较好的信道质量，能承担协作转发任务，则设置信道指示标记IC_j＝1；否则，设置IC_j＝0；

IS_j＝1且IC_j＝1的节点参与竞争，各自启动定时器，初始值设置为与剩余能量成反比，具有最大剩余能量的节点计时器首先减小至零，当选为最佳中继；

其余节点竞争失败，关闭定时器。

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