CN112073931B - 一种基于冗余节点的线性传感网多跳数据收集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于冗余节点的线性传感网多跳数据收集方法，包含以下步骤：S1.针对线性待监测环境，确定待监测点和网络冗余度，进行包括sink节点、感知节点以及冗余节点的部署工作，确定待监测点所在级别；S2.sink节点生成INIT数据包并广播；S3.尚未加入网络或已加入网络但是级别需要更新的节点根据所接收的INIT数据包，设置所在级别、建立睡眠‑唤醒调度，随后由感知节点更新并广播INIT；S4.节点通过一种竞争发送、竞争回复的握手机制，建立路由信息；S5.节点根据路由信息，通过一种竞争发送、单独回复的握手机制转发数据。该方法能够实现能量在全网节点的均衡消耗，解决能量空洞问题，同时保持现有协议在能量效率和传输时延方面的优势。

Description

一种基于冗余节点的线性传感网多跳数据收集方法
技术领域
本发明涉及的领域为无线传感器网络中的介质访问控制协议的设计，特别涉及一种基于冗余节点的线性传感网多跳数据收集方法。
背景技术
物联网近年来的快速发展展示了其广泛的应用领域，无线传感器网络(WirelessSensor Network,WSN)作为其中的一项重要技术以及研究方向而备受研究者关注，其对于物联网领域的发展具有重要的推动作用。
WSN技术的应用领域广泛，其中最为重要且常见的应用领域之一是对于传感器节点覆盖范围内的环境监测。相应的监测环境多为无人常住的地域，对应的监测场景包括石油/天然气/自来水运输管道以及边境线异常事件的监测等。由于此类型的监测区域呈现出线性拓扑特征，传感器的相应部署方法则需要遵从这一特征，进而形成线性传感器网络(Linear Sensor Network,LSN)。LSN提供的最主要的服务之一为数据收集，通过多跳无线转发方式，由汇聚节点(sink)收集传感器节点感知到的数据。这一数据收集方法受到研究人员持续而广泛的关注，诸多设法改进此收集方法所存在弊端的研究成果也相继被提出。
由于LSN中的传感器节点多由能量有限的电池供电，故提高能量使用效率从而延长网络寿命尤为重要，而这也使具备占空比调度的介质访问控制协议和路由协议的设计工作在无线传感器网络中备受关注。在具有占空比调度特征的协议中，传感器节点的无线电发射机状态会随着周期性一种睡眠-唤醒状态而选择开启或关闭，从而减少不必要的电量消耗。但是因为节点只有在唤醒状态下方可正常工作，故其可能导致睡眠延迟的问题，这一问题在多跳传输中更加严峻，因为延迟会逐跳累积。针对延迟敏感的LSN应用场景，因节点睡眠而导致的延迟问题亟待解决。
在现有的基于占空比调度的流水线式数据传输协议(Duty-Cycling andPipelined-Forwarding,DCPF)中，流水线式数据传输功能通过将相邻两个级别中的节点的睡眠-唤醒周期错开，以大幅降低端到端的时延问题。不过现有的DCPF协议仍然是基于普通WSN进行设计，并未专门考虑LSN的应用场景，故在实际部署该协议时，仍会出现能量空洞的问题，即靠近sink的节点，由于其不仅需要转发自己产生的数据包，还要转发由远离sink的节点所产生的数据包，会更快地耗尽自身的电池电量，严重影响网络的正常运行。
发明内容
本方案在现有DCPF协议的基础上，提出了一种基于冗余节点的线性传感网多跳数据收集方法，该方法旨在解决能量空洞问题，同时保持现有DCPF协议在能量效率和出具传输延迟方面的优势。
为实现该目的，本发明提出了一种基于冗余节点的线性传感网多跳数据收集方法，其步骤主要包含有：
S1.针对线性待监测环境，确定待监测点和网络冗余度，进行包括sink节点、感知节点以及冗余节点的部署工作，确定待监测点所在级别；
S2.sink节点生成INIT数据包并广播；
S3.尚未加入网络或已加入网络但是级别需要更新的节点根据所接收的INIT数据包，设置所在级别、建立睡眠-唤醒调度以加入网络，随后由感知节点更新并广播INIT；
S4.节点通过一种竞争发送、竞争回复的握手机制，建立路由信息；
S5.节点根据路由信息，通过一种竞争发送、单独回复的握手机制转发数据。
进一步，前述S1中，在一个待监测的线性环境中，每隔一段距离有一个待监测点，相应部署一个装配有各类传感器、能够感知环境的感知节点，以及若干个无传感器、仅作为中继节点的冗余节点。sink节点部署在线性环境两端中的某一端，用来收集感知数据。通过调节发射功率，sink节点或位于某个待监测点的节点只能和相邻的待监测点上的节点进行通信，以减少网络通信干扰并节省能量。每个待监测点部署的冗余节点的个数Ni由下式确定：
其中i表示该待监测点所在级别：距离sink节点最近的待监测点的级别为1，次最近的待监测点的级别为2，以此类推，距离sink节点最远的待监测点的级别为N；RD为网络冗余度(Redundancy Degree)，特别地，令RD＝0表示没有部署冗余节点的情况。
进一步，前述S2中，INIT数据包包含以下五个域：
(1)grade：发送节点所在的级别；
(2)state：发送节点在发送该数据包的时刻，所处的状态，即state∈{R,T,S}，R表示接收状态，T表示发送状态，S表示休眠状态；
(3)stateDuration：发送节点在发送数据包时，其所在state状态的持续时间；
(4)source：发送节点的地址信息；
(5)timestamp：发送节点发送该数据包时的时间戳。
sink节点设置INIT.grade＝0，INIT.state设置为节点发送INIT包时所处的状态(记为)，INIT.stateDuration＝0，INIT.timestamp设置为sink发出INIT时的时间，INIT.source设置为sink节点的地址，随后sink节点广播该数据包。
每个节点维护六个属性：
(1)节点所在级别，初始化为-1；
(2)节点状态，满足初始化为Idle状态，即空闲状态；
(3)节点在状态中所持续的时间；
(4)FID：数据包传输链路中，当前节点的上一跳节点的ID信息；
(5)CID：当前节点的ID信息；
(6)NID：数据包传输链路中，下一跳节点的ID信息。
记级别i中的感知节点为SNi，若RD＝0或(RD≠0)，则判定SNi是可中继节点，可以中转来自i+1级别中的节点的数据；否则，SNi为不可中继节点，只能由该级别中的冗余节点来中转数据，以均衡感知节点的能量消耗。
进一步，前述S3中，尚未加入网络或已加入网络但是级别需要更新的节点(包括感知节点和冗余节点)，在收到INIT数据包后执行以下操作：
(1)
(2)计算t0＝INIT.timestamp-INIT.stateDuration，节点根据下式推断其自身在t0处时，的取值：
上式中δ一个循环时长中S状态所占时隙数。
(3)根据取值以及定长的时隙长度取值进行节点的睡眠-唤醒周期设置。
(4)若节点为感知节点，且RD＝0或INIT.grade％RD>0(RD≠0)，则设置NID＝INIT.source。
随后由感知节点更新并广播INIT，其具体步骤如下：
(1)INIT.
(2)INIT.
(3)INIT.
(4)INIT.source为该感知节点的地址；
(5)INIT.timestamp设置为该感知节点发出INIT时的时间。
进一步，前述S4中，节点在加入网络以后，通过一种RTS/CTS握手机制，建立路由信息。RTS/CTS数据包包含以下域：
(1)type：消息类型的标识符，标明是RTS还是CTS包；
(2)grade：生成该数据包的节点所处的级别；
(3)destination：该消息发送的目标节点的地址信息，若设置为0，则所有接收到该数据包的节点均可竞争回复CTS；
(4)source：该数据包发送节点的CID信息；
握手机制的具体操作如下：
(1)若当前节点为感知节点，且已在S3中确定NID，则不需要执行此握手过程；否则，节点生成RTS数据包，设置RTS.destination＝0，以及其他域，然后竞争广播该RTS包；
(2)若收到此RTS数据包的节点为冗余节点且没有设置过FID，则设置其FID＝RTS.source，生成CTS数据包，设置CTS.destination＝FID，CTS.source＝CID，以及其他域，然后竞争发送该CTS包；否则节点将此收到的RTS包直接丢掉；
(3)节点收到第一个回复给自己的CTS包后，设置NID＝CTS.source，完成路由信息的建立，后续收到的其他CTS包将被直接丢弃。此时节点若有数据要发送，即可以设置数据包的下一跳地址为NID，并将其发送出去。
最后，前述S5中，根据所建立的路由信息，节点通过一种竞争发送、单独回复的RTS/CTS握手机制，转发所接收到的数据或自身感知到的数据。与S4中竞争发送、竞争回复的RTS/CTS握手机制不同，这里RTS的destination域被设置为NID，因而RTS包将被单播出去；另外，只有地址为NID的节点在收到该RTS包后才回复CTS，因此不需要竞争回复CTS。经过多跳转发后，数据将最终被sink节点接收。
相较于现有技术而言，本发明的优点在于：本发明继承了现有DCPF协议占空比调度和流水线式数据转发的技术特点，具有较低的端到端时延和较高的能量效率。在此基础上，针对线性传感器网络，通过添加冗余节点和提出相应的介质访问控制协议，本发明能够实现能量在全网节点的均衡消耗，有效解决网络中越靠近sink节点处的节点因中转更多数据而更快耗尽能量所导致的能量空洞问题。由于传感器节点价格低廉且易于部署，而本发明中的冗余节点不需要配置传感器，仅作为中继节点，价格更为低廉，可以大量部署，在实际的无线传感器网络监测应用中具有较高的可行性。
附图说明
图1是基于冗余节点的线性传感网多跳数据收集方法的流程图。
图2是本发明在固定网络最大级别数为6后，不同RD取值下的网络拓扑示意图。
图3是现有的基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集示意图。
图4是现有DCPF协议基于竞争窗口以及RTS/CTS握手机制的数据收发示意图。
图5是基于冗余节点的线性传感网多跳数据收集方法中INIT数据包收发示意图。
图6是基于冗余节点的线性传感网多跳数据收集方法和现有的基于占空比调度的流水线式数据收集方法在不同网络流量下，吞吐率的分析结果图。
图7是基于冗余节点的线性传感网多跳数据收集方法和现有的基于占空比调度的流水线式数据收集方法在不同网络流量下，网络存活时间的分析结果图。
图8是基于冗余节点的线性传感网多跳数据收集方法和现有的基于占空比调度的流水线式数据收集方法在RD取值下，平均能量消耗的分析结果图。
图9是基于冗余节点的线性传感网多跳数据收集方法和现有的基于占空比调度的流水线式数据收集方法在不同网络流量、不同节点缓存队列长度取值以及不同RD取值下，数据包传输时延的分析结果图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的技术方案和效果进行详细说明。还提供一个和现有的DCPF协议进行比较的仿真结果作为实施例，但此实施例仅作为示例，目的在于解释本发明，不能理解为本发明的限制。
本发明涉及无线传感器网络中的介质访问控制协议，特别涉及一种基于冗余节点的线性传感网多跳数据收集方法。本发明通过在LSN中的每个级别中添加一定数量的冗余节点，并限制网络在转发数据时的可选择路径来很好地解决sink节点附近的能量空洞问题，实现了一种可行的解决能量空洞问题的方法，并且可以很好地延长网络寿命、减少端到端时延。
实施例1：如图1所示，本发明实施的基于冗余节点及占空比调度的流水线式数据收集方法包括以下步骤：
S1.针对线性待监测环境，确定待监测点和网络冗余度，进行包括sink节点、感知节点以及冗余节点的部署工作，确定待监测点所在级别；
在一个待监测的线性环境中，每隔一段距离有一个待监测点，相应部署一个装配有各类传感器、能够感知环境的感知节点，以及若干个无传感器、仅作为中继节点的冗余节点。sink节点部署在线性环境两端中的某一端，用来收集感知数据。通过调节发射功率，sink节点或位于某个待监测点的节点只能和相邻的待监测点上的节点进行通信，以减少网络通信干扰并节省能量。每个待监测点部署的冗余节点的个数Ni由下式确定：
其中i表示该待监测点所在级别：距离sink节点最近的待监测点的级别为1，次最近的待监测点的级别为2，以此类推，距离sink节点最远的待监测点的级别为N；RD为网络冗余度(Redundancy Degree)，特别地，令RD＝0表示没有部署冗余节点的情况。图2显示了在N＝6，RD＝0,1,2时的网络拓扑示意图。
S2.sink节点生成INIT数据包并广播；
INIT数据包包含以下五个域：
(1)grade：发送节点所在的级别；
(2)state：发送节点在发送该数据包的时刻，所处的状态，即state∈{R,T,S}，R表示接收状态，T表示发送状态，S表示休眠状态；
(3)stateDuration：发送节点在发送数据包时，其所在state状态的持续时间；
(4)source：发送节点的地址信息；
(5)timestamp：发送节点发送该数据包时的时间戳。
sink节点设置INIT.grade＝0，INIT.state设置为节点发送INIT包时所处的状态(记为)，INIT.stateDuration＝0，INIT.timestamp设置为sink发出INIT时的时间，INIT.source设置为sink节点的地址。随后sink节点广播该数据包。
每个节点维护六个属性：
(1)节点所在级别，初始化为-1；
(2)节点状态，满足初始化为Idle状态，即空闲状态；
(3)节点在状态中所持续的时间；
(4)FID：数据包传输链路中，当前节点的上一跳节点的ID信息；
(5)CID：当前节点的ID信息；
(6)NID：数据包传输链路中，下一跳节点的ID信息。
记级别i中的感知节点为SNi，若RD＝0或(RD≠0)，则判定SNi是可中继节点，可以中转来自i+1级别中的节点的数据；否则，SNi为不可中继节点，只能由该级别中的冗余节点来中转数据，以均衡感知节点的能量消耗。
为了减少数据包的传输时延，避免因为LSN本身的线性性质，导致级别间的传输时延长时间积累，从而使端到端时延也极度恶化，本发明将任意两个相邻级别间的睡眠-唤醒调度周期交错开，从而以流水线方式沿数据转发路径转发数据。具体来说，每个传感器节点(包含感知节点以及冗余节点两类)的操作周期由数据接收状态(由R表示)、数据发送状态(由T表示)和休眠状态(由S表示)组成，同时所有传感器节点在为加入网络时，均处于空闲状态(由Idle表示)。sink节点为保证数据包实时接收，其需要将其无线收发机始终保持打开状态。由于任意两个相邻级别间的睡眠-唤醒周期均已交错开，一旦级别(i+1)节点进入R状态，便可以从处于T状态的级别(i+2)节点处接收数据包，并在其进入T状态后，转发至恰好进入R状态的级别i节点，这一过程如图3所示。为此，R以及T状态的持续时间应当相同，这一持续时间称为时隙，记作tslot。现有的DCPF协议通常采用竞争窗口(Contention Window，CW)以及RTS/CTS(Request-To-Send/Clear-To-Send)的握手机制来进行数据包的存储转发，如图4所示。由图4易知一个时隙长度为：
tslot＝tDIFS+tCW+3tSIFS+tRTS+tCTS+tDATA+tACK
其中tRTS、tCTS、tDATA、tACK分别为RTS、CTS、DATA、ACK数据包的一跳传输时长，tDIFS为分布式帧间间隔(Distributed Inter-Frame Space,DIFS)的时长，tSIFS为短帧间间隔(Short Inter-Frame Space,SIFS)的时长，tCW为竞争窗口总长度。
在R以及T状态后，每个节点进入δ个时隙长度的睡眠状态S以减少不必要的能量开销。故节点处于睡眠的总时长为tS＝δ·tslot，从而可得每个节点的工作周期时长为tcycle＝(δ+2)·tslot。
S3.尚未加入网络或已加入网络但是级别需要更新的节点根据所接收的INIT数据包，设置所在级别、建立睡眠-唤醒调度，随后由感知节点更新并广播INIT；
尚未加入网络或已加入网络但是级别需要更新的节点(包括感知节点和冗余节点)，在收到INIT数据包后执行以下操作：
(1)
(2)计算t0＝INIT.timestamp-INIT.stateDuration，节点根据下式推断其自身在t0处时，的取值：
上式中δ一个循环时长中S状态所占时隙数。
(3)根据取值以及定长的时隙长度取值进行节点的睡眠-唤醒周期设置。
(4)若节点为感知节点，且RD＝0或INIT.grade％RD>0(RD≠0)，则设置NID＝INIT.source。
图5展示了上述过程。随后由感知节点更新并广播INIT，其具体步骤如下：
(1)INIT.
(2)INIT.
(3)INIT.
(4)INIT.source为该感知节点的地址；
(5)INIT.timestamp设置为该感知节点发出INIT时的时间。
S4.节点通过一种竞争发送、竞争回复的握手机制，建立路由信息；
RTS/CTS数据包包含以下域：
(1)type：消息类型的标识符，标明是RTS还是CTS包；
(2)grade：生成该数据包的节点所处的级别；
(3)destination：该消息发送的目标节点的地址信息，若设置为0，则所有接收到该数据包的节点均可竞争回复CTS；
(4)source：该数据包发送节点的CID信息；
握手机制的具体操作如下：
(1)若当前节点为感知节点，且已在S3中确定NID，则不需要执行此握手过程；否则，节点生成RTS数据包，设置RTS.destination＝0，以及其他域，然后竞争广播该RTS包；
(2)若收到此RTS数据包的节点为冗余节点且没有设置过FID，则设置其FID＝RTS.source，生成CTS数据包，设置CTS.destination＝FID，CTS.source＝CID，以及其他域，然后竞争发送该CTS包；否则节点将此收到的RTS包直接丢掉；
(3)节点收到第一个回复给自己的CTS包后，设置NID＝CTS.source，完成路由信息的建立，后续收到的其他CTS包将直接被丢弃，此时节点若有数据要发送，即可以设置数据包的下一跳地址为NID，并将其发送出去。
此时感知节点可以开始感知环境、产生数据，在其发送数据之前，首先检查自身维护的NID是否已被设置，若已被设置，说明其可以直接根据设置值将数据包发送出；若未设置，则说明数据包传输链路仍未建立。为不失一般性，假设此时一个处于级别n的T状态节点α仍未建立有效的路由信息(即NID未设置)，其需要将数据包转发给级别(n-1)中任一冗余节点。α首先应用RTS/CTS握手机制来选择出级别(n-1)中的某个冗余节点记作β，并将数据包转发给β。β根据RTS/CTS握手机制中的竞争回复原则选出，该节点是第一个对α广播的RTS作出CTS回复的冗余节点。β将α的RTS.CID记录至β.FID中，α将β的CTS.CID信息记录至α.NID中，由此创建出一条数据传输链路。
S5.节点根据路由信息，通过一种竞争发送、单独回复的握手机制转发数据。
根据所建立的路由信息，节点通过一种竞争发送、单独回复的RTS/CTS握手机制，转发所接收到的数据或自身感知到的数据。与S4中竞争发送、竞争回复的RTS/CTS握手机制不同，这里RTS的destination域被设置为NID，因而RTS包将被单播出去；另外，只有地址为NID的节点在收到该RTS包后才回复CTS，因此不需要竞争回复CTS。经过多跳转发后，数据将最终被sink节点接收。
仿真对比实验结果如下：
为证实本方法相较于现有的DCPF协议，可以有效地解决能量空洞问题，同时保持了现有DCPF的优点，仿真中设置多组对比实验，其中每组实验中的对照组均为未添加冗余节点情况下的传感器网络，即RD＝0。实验对比分析了以下4个性能指标：
(1)吞吐率(Throughput)：sink节点单位时间内成功接收到数据包的数量；
(2)网络存活时间(Network Survival Time，NST)：当传感器网络中出现第一个能量耗尽的节点时，即认为该网络死亡。定义网络开始正常工作至网络死亡这段时间为网络存活时间。
(3)平均能量消耗(Average Energy Consumption，AEC)：每个级别中，所有节点的平均能量消耗。其中能量消耗的计算采用无线传感器网络的典型能耗模型，如下式所述:
ER＝k·Eelec (2)
(1)式为发送k比特数据的能量损耗ET的计算公式，由发射电路耗损和功率放大耗损两部分构成。功率放大耗损根据发送节点和接收节点之间的距离分别采用自由空间模型(d＜d0)和多路径衰减模型(d≥d0)，其中d0为87m。Eelec为发射电路的耗损能量(取50nJ/bit)。εfs为自由空间模型下功率放大所需能量(取10pJ/bit/m2)，εmp为多路径衰减模型下功率放大所需能量(取0.0013pJ/bit/m4)。
(2)式为接收k比特数据的能量损耗ER的计算公式。
(4)数据包传输延时(Packet Delivery Latency，PDL)：每个数据包从源节点转发至sink节点所花费的平均时间。
假定网络中的所有感知节点(配备有传感器的节点)可以相互独立地产生数据，并且其产生速率服从泊松分布，为每秒钟λ个数据包。
图6展示了本发明在网络最大级别数N＝12和λ变化的情况下，RD＝1和RD＝0之间的吞吐率的对比结果。图6显示，随着λ以0.02的步长递增，吞吐率由最开始的明显增加变为在λ＝0.05时趋于平缓。在λ≤0.05时，RD＝0和1两种情况的曲线几乎重合，这是因为，在级别1处，无论是否添加了冗余节点，该级别的节点在向sink转发数据包时，同一时间都仅有一个数据包可以被转发；进一步，因为此时数据包到达速率并未达到网络的服务速率，因而两种RD取值情况下的吞吐率基本相同。当λ>0.05时，由于此时数据包到达速率已经高于网络的服务速率，故不同RD取值对应的曲线均区域平缓，进一步，由于RD＝1情况下，级别1中添加了冗余节点，故存在竞争信道的行为，导致该情况下的吞吐率略低于RD＝0的情况。
图7展示了本发明在网络最大级别数N＝12和λ变化的情况下，RD＝1和RD＝0之间的网络存活时间的对比结果。λ由0.01以0.02的步长递增至0.15，同时设置网络中的每个节点的电池容量均为1毫安时(mAh)。以网络开始运行的时刻为计时起点，网络中出现第一个电量耗尽的节点这一时刻为计时终点，记录相应的网络存活时间。可以发现，尽管RD＝0和1两种情况对应的曲线均呈现递减趋势，但是在RD＝1情况下，无论λ实际取值为何，其对应的网络存活时间均高于RD＝0时对应的数值。由该仿真结果可见，本发明添加冗余节点的方式以及相应的数据收集方法可以有效延长网络的整体寿命。
图8展示了本发明在网络最大级别数N＝12和λ固定为0.07个数据包/秒的情况下，不同RD取值之间平均能量消耗的对比结果。可以看到，通过本发明所提方案，在有冗余节点添加的情况下(RD∈{1,2,3,4,6})，网络中的各个级别节点的能量消耗更为均匀，且远低于没有添加冗余节点的情况(RD＝0)。这是由于在本发明中，原本既充当数据包产生源，又充当中继节点转发非自身产生的其他数据包的传感器节点，被重新划分为存在于每个级别中的两类任务单一的节点，即仅负责产生数据包的感知节点以及仅负责数据包转发的冗余节点。
图9展示了本发明在网络最大级别数N＝12、λ变化，以及每个节点的队列长度K不同的情况下，不同RD取值之间，数据包传输时延的对比结果。根据图6所示的仿真结果，当λ＝0.03时，网络并未达到饱和，而λ＝0.07则情况相反。针对这两种情况，分别设置K＝3以及K为无限大，由图9(a)以及图9(b)可以看出，当网络未达到饱和状态时，由于此时两种K取值情况均无法导致因队列溢出或数据包碰撞而导致的数据包丢失，故RD取值对PDL几乎没有影响。当λ＝0.07时，网络达到饱和状态。由图9(c)可知，若设置K＝3，对于RD＝0的网络而言，由于已接收的数据包等待时间过长，更可能被丢弃，从而导致相较于其他更大RD值的网络，其具备更低的PDL数值。当RD数值逐渐增加时，部署的冗余节点数量同样在增加，这也就意味着此时有更多的队列来对数据包进行存储，从而使数据包丢弃的情况减少。由图9(d)，当K设置为无限大时，RD＝0的情况下，前述的那些已长时间在队列里等待的数据包，并不会因为新数据包的到来而被丢弃，从而导致更高的PDL数值。
综上所述：相比于传统的基于占空比调度的流水线式数据转发协议，采用本发明提出的冗余节点添加方法以及相应的介质访问控制协议，可以有效地克服能量空洞问题，延长网络的正常运行时间。需要说明的是，流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本相同的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被专利的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包括于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种基于冗余节点的线性传感网多跳数据收集方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1.针对线性待监测环境，确定待监测点和网络冗余度，进行包括sink节点、感知节点以及冗余节点的部署工作，确定待监测点所在级别；
S2.sink节点生成INIT数据包并广播；
S3.尚未加入网络或已加入网络但是级别需要更新的节点根据所接收的INIT数据包，设置所在级别、建立睡眠-唤醒调度，随后由感知节点更新并广播INIT；
S4.节点通过一种竞争发送、竞争回复的握手机制，建立路由信息；
S5.节点根据路由信息，通过一种竞争发送、单独回复的握手机制转发数据，所述S1中，在一个待监测的线性环境中的每个待监测点，相应部署一个装配有各类传感器、能够感知环境的感知节点，以及若干个无传感器、仅作为中继节点的冗余节点，sink节点部署在线性环境两端中的某一端，用来收集感知数据，通过调节发射功率，sink节点或位于某个待监测点的节点只能和相邻的待监测点上的节点进行通信，以减少网络通信干扰并节省能量，每个待监测点部署的冗余节点的个数Ni由下式确定：
Figure FDA0003947051790000011
其中i表示该待监测点所在级别：距离sink节点最近的待监测点的级别为1，次最近的待监测点的级别为2，以此类推，距离sink节点最远的待监测点的级别为N；RD为网络冗余度Redundancy Degree，令RD＝0表示没有部署冗余节点的情况，所述S2中，INIT数据包包含以下五个域：
(1)grade：发送节点所在的级别；
(2)state：发送节点在发送该数据包的时刻，所处的状态，即state∈{R,T,S}，R表示接收状态，T表示发送状态，S表示休眠状态；
(3)stateDuration：发送节点在发送数据包时，其所在state状态的持续时间；
(4)source：发送节点的地址信息；
(5)timestamp：发送节点发送该数据包时的时间戳；
sink节点设置INIT.grade＝0，INIT.state设置为节点发送INIT包时所处的状态， 记为
Figure FDA0003947051790000012
，INIT.stateDuration＝0，INIT.timestamp设置为sink发出INIT时的时间，INIT.source设置为sink节点的地址，随后sink节点广播该数据包；
每个节点维护六个属性：
(1)
Figure FDA0003947051790000013
节点所在级别，初始化为-1；
(2)
Figure FDA0003947051790000014
节点状态，满足
Figure FDA0003947051790000015
初始化为Idle状态，即空闲状态；
(3)
Figure FDA0003947051790000016
节点在状态
Figure FDA0003947051790000017
中所持续的时间；
(4)FID：数据包传输链路中，当前节点的上一跳节点的ID信息；
(5)CID：当前节点的ID信息；
(6)NID：数据包传输链路中，下一跳节点的ID信息，
记级别i中的感知节点为SNi，若RD＝0或
Figure FDA0003947051790000027
则判定SNi是可中继节点；否则，SNi为不可中继节点，所述S3中，尚未加入网络或已加入网络但是级别需要更新的节点，包括感知节点和冗余节点，在收到INIT数据包后执行以下操作：
(1)
Figure FDA0003947051790000021
(2)计算t0＝INIT.timestamp-INIT.stateDuration，节点根据下式推断其自身在t0处时，
Figure FDA0003947051790000022
的取值：
Figure FDA0003947051790000023
上式中δ一个循环时长中S状态所占时隙数；
(3)根据
Figure FDA0003947051790000028
取值以及定长的时隙长度取值进行节点的睡眠-唤醒周期设置；
(4)若节点为感知节点，且RD＝0或INIT.grade％RD>0(RD≠0)，则设置NID＝INIT.source；
随后由感知节点更新并广播INIT，其具体步骤如下：
(1)
Figure FDA0003947051790000024
(2)
Figure FDA0003947051790000025
(3)
Figure FDA0003947051790000026
(4)INIT.source为该感知节点的地址；
(5)INIT.timestamp设置为该感知节点发出INIT时的时间，所述S4中，节点在加入网络以后，通过一种竞争发送、竞争回复的RTS/CTS握手机制，建立路由信息，RTS/CTS数据包包含以下域：
(1)type：消息类型的标识符，标明是RTS还是CTS包；
(2)grade：生成该数据包的节点所处的级别；
(3)destination：该消息发送的目标节点的地址信息，若设置为0，则所有接收到该数据包的节点均可竞争回复CTS；
(4)source：该数据包发送节点的CID信息；
握手机制的具体操作如下：
(1)若当前节点为感知节点，且已在S3中确定NID，则不需要执行此握手过程；否则，节点生成RTS数据包，设置RTS.destination＝0，以及其他域，然后竞争广播该RTS包；
(2)若收到此RTS数据包的节点为冗余节点且没有设置过FID，则设置其FID＝RTS.source，生成CTS数据包，设置CTS.destination＝FID，CTS.source＝CID，以及其他域，然后竞争发送该CTS包；否则节点将此收到的RTS包直接丢掉；
(3)节点收到第一个回复给自己的CTS包后，设置NID＝CTS.source，完成路由信息的建立，后续收到的其他CTS包将直接被丢弃，此时节点若有数据要发送，即可以设置数据包的下一跳地址为NID，并将其发送出去，所述S5中，根据所建立的路由信息，节点通过一种竞争发送、单独回复的RTS/CTS握手机制，转发所接收到的数据或自身感知到的数据，与S4中竞争发送、竞争回复的RTS/CTS握手机制不同，这里RTS的destination域被设置为NID，因而RTS包将被单播出去；另外，只有地址为NID的节点在收到该RTS包后才回复CTS，因此不需要竞争回复CTS，经过多跳转发后，数据将最终被sink节点接收。
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