CN1849784A - 自组织网络中的分级路由 - Google Patents

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CN1849784A CNA200480025766XA CN200480025766A CN1849784A CN 1849784 A CN1849784 A CN 1849784A CN A200480025766X A CNA200480025766X A CN A200480025766XA CN 200480025766 A CN200480025766 A CN 200480025766A CN 1849784 A CN1849784 A CN 1849784A
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大卫·彼得·鲁滨逊
简·伊丽莎白·塔特森
迈克尔·安东尼·佛洛伊德
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Abstract

多个数据收集设备(10、20、30、40、50、60、70、80)在其环境中相对于彼此自由地移动，从其环境收集数据。它们形成自组织无线网络(19、29、39、49等)，其中设备(20)收集的数据即其自身的传感器(23)收集的数据或其从另一设备(10)中继的数据直接或者通过一个或更多个其它设备(30)发送给目的地(90)。目的地(90)收集由移动终端(10、20、30等)收集的数据以用于后继处理。为提供优化的网络，必须重新设置它们之间的无线链路(19、29、39等)。各设备(20、30)定义由包括剩余电池寿命和缓冲存储器中数据量的因素确定的标量状态值。这些设备交换关于其状态值的信息。各设备仅将有效负载数据转发给状态值比其自身的状态值低的其它设备。

Description

自组织网络中的分级路由
技术领域
本发明涉及自组织(ad hoc)组网应用，其中大量的通信设备协作以形成通信网络。
背景技术
存在两种基本类型，即：其中多个设备主要在它们自身之间进行通信的多对多通信，以及其中多个设备通过接口或边缘设备连接到传统固定网络的自组织边缘组网。这些通信设备形成无线网络的设备，使得数据可以从始发通信设备经由其它通信设备中继到目的通信设备。这种设备在通信设备可能以不可预测的方式移动的情况下具有大量的应用。特定的应用场景是其中从多个移动传感器设备的网络收集数据的传感器网络，所述多个移动传感器设备中的每一个都能够进行测量并且对数据分组进行中继。科学家使用这种设备对大气、海洋、冰盖、熔岩流或野生生物的性状进行测量。其中需要这种设备进行工作的环境通常具有在空间和时间上都广泛分散的多个测量点。这种环境中的一部分对人类生命是有害的。在某些应用中，例如对动物行为的研究，人类干预可能破坏数据。为此，这些设备必须能够自主工作并使用诸如无线电或声纳(sonar)的无线介质将其收集到的数据发送到较为便利的点。此外，通常不能提供持续的供电，所以设备的使用寿命主要受限于电池的寿命。
本发明可以应用于的这种自组织网络的其它应用包括“标记”技术，用于监视社区中的病人或老年人的健康或者受到限制其迁移的法院命令管制的人的位置。更一般地，自组织网络可以由相互非常邻近的无线膝上型计算机或移动电话组成。军人、警察或者其它应急部门在参与信道不足以让所有用户都与设置在附近的固定基站直接通信的事件时也可以使用本发明。在这些情况下，利用短程传输和向识别出的基站或固定网络设备的设备中继，较为传统的通信设备可以成为自组织无线网络的一部分。
已经设计出许多自组织路由协议。最广为人知的一些协议是：
—由下文所述的DSDV：C Perkins and P Bhagwat，Highly DynamicDestination-Sequenced Distance-Device pair Routing(DSDV)formobile computers，Proceedings of the SIGCOMM’94 Conference onCommunications Architectures，Protocols and Applications，pages234-244，August 1994
—由下文所述的TORA：VD Park and MS Corson，A Highly AdaptiveDistributed routing Algorithm for Mobile Wireless Networks，Proceedings of INFOCOM’97，pages 1405-1413，April 1997
—由下文所述的DSR：DB Johnson，Routing in Ad hoc Networks ofMobile Hosts，Proceedings of the IEEE Workshop on Mobile ComputingSystems and Applications，pages 158-163，December 1994
—由下文所述的AODV：C Perkins，Ad hoc On Demand DistanceDevice pair(AODV)Routing，Internet-Draft，draft-ietf-manet-aodv-04.txt，October 1999
DSDV保持对各个可到达目的地列出下一“跳(hop)”的路由表。路由标记有序列号、最近确定的路由、最高序列号，这是最令人满意的。对路由和序列号进行周期性更新。TORA按需要发现路由并且给出到目的地的多个路由。针对各个目的地发送路由查询和更新分组。尽管相当快地建立了路由，但是经常存在路由环，导致丢失分组。DSR使用源路由而不是逐跳路由，因此各分组在其头部列出有完整的路由。该协议使用路由发现和路由维持，具有维持已学到或听到的源路由的缓存的设备。AODV将路由发现和路由维持与逐跳路由相组合。路由请求分组创建让其自身回到其源设备的反向路由。这些设备周期性地发送“Hello”消息，以使得相邻设备可以了解本地链路的状态。
J Broch、DA Maltz、DB Johnson、Y-C Hu对这些协议的性能进行的比较(“A Performance Comparison of Multi-Hop Wireless Ad HocNetwork Routing Protocols”，Proceedings of the Fourth AnnualACM/IEEE International Conference on Mobile Computing andNetworking，Mobicom’98，October 1998，Dallas，Texas)示出了在路由开销大小方面的大不相同的结果。TORA的总开销是最大的，对于三十个源设备的网络规模该开销大得不可接受。
此外，这些现有技术的协议全部需要大的处理器和存储器能力，并且它们的协议未考虑所需要的能量使用。能量使用以及存储器和处理器能力在传感器网络中尤其重要。它们通常包括非常小且非常廉价的微处理器(例如16位)及32K字节的RAM。它们还具有有限的电池电源，考虑到这些传感器要在其中使用的应用的性质，对电池电源进行更换是不实际的。因此，非常重要的是：任何通信协议有节能意识并且还在通信开销和存储器使用方面减到最小。在其它的应用中，电池和存储器使用也是重要的考虑因素：如果在用户自己的设备并没有主动参与呼叫时其它用户使得这些资源中的任一个被大量消耗，则该用户将不愿意让他的移动电话成为这种自组织网络的一部分。
已经提出了大量的轻量型自组织路由协议。Toh已经论述过的工作描述了一种无线通信网络、以及使该网络中的自组织设备的电池寿命最大的方案。S Singh、M Woo和C Raghavendra已经对MAC和网络层的自组织网络中的电力保存进行了详细研究(“Power-Aware Routing in MobileAd hoc Networks”.Proceedings of the Fourth Annual ACM/IEEEInternational Conference on Mobile Computing and Networking(MobiCom)，(Dallas，Tx，Oct.1998))。它们包括使设备在预期的发送之间断电的方案，并且它们将设备负载作为功耗的重要因素进行考虑。其主要关注点是防止由于设备耗尽电池电力而在网络中出现间隙时发生网络分割。WB Heinzelman、AP Chandrakasan和H Balakrishnan的工作特别地考虑了传感器网络。(“Energy-Efficient Routing Protocols forWireless Microsensor Networks”，Proceedings of the 33rdInternational Conference on System Sciences(HICSS’00)，January2000)。这项工作假定可变的设备广播范围。其焦点在于使用聚簇技术来减小例如对类似数据的数据聚合所使用的带宽，并且使用由簇头协调的可预测发送时间。与总是通电的方法相比，该方法节省了大量的能量，但是路由侧过分简单并且未被完全开发。具体地，其实验场景假定如果设备选择向基站进行广播则这些设备都可以这样做，这对于传感器网络应用通常是不实际的。A Cerpa、J elson、D Elstrin、L Girod、M Hamilton和J Zhao的工作涉及作为无线通信技术的驱动器的环境监视(habitatmonitoring)，并且聚焦于通过使设备根据其是否位于其它设备预期或者检测到所关注活动所在的区域的附近来对自身进行通电和断电从而节省电力。(“Habitat Monitoring：Application Driver for WirelessCommunications Technology”，ACM SIGCOMM Workshop on DataCommunications in Latin America and the Caribbean，Costa Rica，April 2001。)Y.Xu、J.Heidemann和D.Estrin的工作再一次聚焦于基于是否预测有有效负载数据以及另选路由路径可以使用的附近的等效设备的数量来对设备使用加电-断电模式以保存电力。(“Adaptiveenergy-conserving routing for multihop ad hoc networks”，Tech.Rep.527，USC/Information Sciences Institute，Oct.2000)。这里假定可能的路由基于传统的自组织路由协议，例如已经论述的AODV系统。然而，传感器网络通常将需要更轻量的方案来进行路由，其中仅基于来自直接相邻设备的信息来进行确定，并且需要将该知识简明地传送，理想地，作为要收集的实际数据的分组头部的一部分来传送。
加利福尼亚大学和英特尔伯克利研究实验室已经开发了用于小型自组织传感器设备的操作系统和网络，称为Smartdust项目，对此已经开发了称为TinyOS的操作系统(DE.Culler、J Hill、P Buonadonna、RSzewczyk和A Woo.“A Network-Centric Approach to Embedded Softwarefor Tiny Devices”.DARPA Workshop on Embedded Software)。然而，他们提出的路由方案没有功率意识，而是使用分级结构来寻找到汇聚点(sink)的最短路径。
因此，总的来说，为自组织网络建立了多个路由协议，它们对于传感器网络来说过分地强调资源并且没有功率意识；存在未被应用于自组织网络的有功率意识的度量；存在不能优化路由的用于自组织传感器网络的有功率意识的策略；并且存在不具备有功率意识路由的广泛的自组织传感器网络项目。注意：这些现有技术中没有一个涉及本发明所特别关注的这种高度移动自组织设备。
如上所述，现有技术路由机制要求比对轻量型环境传感器设备来说适当的存储器和处理能力大得多的存储器和处理能力，或者假设所有的设备都可以与汇聚点直接通信。此外，只有完备的自组织协议可以应付设备移动性，它们需要巨大的通信开销。
因为设备迅速移动，所以即使它们最近的相邻设备也会在数据发送之间变化。必须使用很新收集的信息来飞快地进行路由确定。
在本说明书中，使用术语“有效负载数据”来表示其希望发送的有用数据，这与用于对有效负载数据的路由进行控制的开销数据不同。注意，在这两类数据之间有一定程度的重叠，因为收集的数据中的一部分(例如与位置或紧急性相关的数据)可能对确定路由策略是有用的。
由申请人公司做出的两个新近的专利申请(GB0315758.3和GB0315969.6)公开了一种移动数据无线中继设备，该设备具有：
用于从数据源接收有效负载数据的接收装置，
用于存储用于后继发送的有效负载数据的缓冲存储器，
用于从类似设备接收状态数据的装置，
用于生成状态数据的状态数据生成装置，所述状态数据是根据缓冲存储器中的数据量和从其它设备接收到的状态数据而推导出的，并包括与以下内容有关的数据
该设备的位置，
缓冲存储器中的数据量
标量转发值(δ)和
转发方向，
用于将状态数据发送给其它设备的状态发送器装置，
用于根据状态数据来识别要将有效负载数据转发给其的接收设备的选择装置，所述接收设备位于转发方向表示的位置，
用于将有效负载数据发送给接收设备的有效负载发送装置。
因此，该无线中继设备限定了有效负载数据传播的优选方向。该发明提供了如下的无线中继设备：其不仅识别正确方向上的发送跳，而且将有效负载数据转发到给出其数据获得回到数据汇聚点的所有途径的最佳机会的相邻设备。其不需要对网络拓扑的明确了解，具体地，不需要除了其直接相连的跳段之外的任何跳段的细节。然而，为了建立优选的方向，其确实要求设备之间的一些协作。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种数据中继设备，该设备具有：
用于从数据源接收有效负载数据的接收装置，
用于存储用于后继发送的有效负载数据的缓冲存储器，
用于从类似设备接收状态数据的装置，
用于生成状态数据的状态数据生成装置，所述状态数据是根据缓冲存储器中的数据量和从其它设备接收到的状态数据而推导出的，并包括与以下内容有关的数据
该设备与其它设备的间隔，
缓冲存储器中的数据量
用于确定通过存储在缓冲存储器中的数据量和该设备与附近传感器的间隔而确定的标量状态值的装置，
用于将状态值发送给其它设备的状态发送器装置，
选择装置，用于根据从其它设备接收到的状态数据来识别如下的接收设备，该接收设备的状态值与该设备自身状态值不同、表示可以将有效负载数据向其转发，以及
用于将有效负载数据发送给所识别出的接收设备的有效负载发送装置。
优选地，所述设备包括用于接收其它类似设备发送的有效负载数据的装置，并且其自身包括数据源。
除了以上指定的特性之外，也可以参照其它特性来确定状态值，例如电池电平和预期寿命。可以将选择装置设置为只有在标量状态值满足一个或更多个阈值标准(例如剩余的电池电力足以发送当前处于缓冲存储器中的所有数据)时才识别出适当的接收设备。阈值标准还可以包括从预定开始点起所经过时间的函数。所述设备还可以包括用于监视该设备的预期寿命并相应地调整标量状态值的状态监控装置。
可以根据从其它设备接收到的信号的衰减或时间延迟来确定间隔数据。
所述设备可以包括用于确定将有效负载数据发送到识别出的接收设备所需要的电力的装置、以及用于生成与该电力需要相关的标量状态值的装置。优选地，电力确定所基于的识别出的接收设备是前一确定时为发送而选择的设备。
根据另一方面，提供了一种操作多个数据中继设备的方法，其包括以下步骤：
将数据收集在一个或更多个这种设备中的缓冲存储器中，
在设备之间交换状态数据，所述状态数据包括与以下内容相关的数据
设备的间隔，
设备的缓冲存储器中的数据量
各设备根据状态数据来定义由存储在缓冲存储器中的数据量以及该设备与其它传感器的间隔而确定的标量状态值，
将状态值发送给其它设备并且接收其它设备的状态值，
根据从其它设备接收到的状态数据识别如下的接收设备，该接收设备的状态值与该设备自身状态值不同、表示可以将有效负载数据向其转发，以及
向识别出的接收设备发送有效负载数据。
在所描述的实施例中，数据中继设备是使用无线电波或其它电磁辐射、或者通过诸如超声波的声信号来相互通信的移动设备。然而，本发明也可以应用于固定有线系统。在使用移动设备的系统中，确定状态的最关键因素通常是电池寿命。可以将间隔测量为简单的距离，或者一些相关函数，例如飞行时间(time of flight)或电力成本，这二者都可以通过确保所有的状态发送都在基准时间或功率电平进行来确定。(在衰减发生变化的环境中，这些值不必具有与距离的简单关系)。在有线网络中，可以将间隔确定为所涉及物理连接上的时间延迟、以及诸如在目的地节点的处理延迟的因素的状态。
在所述的实施例中，中心收集设备(汇聚点)将其状态值指定为0。任何其它设备接收数据的能力越强(由于接近其它这种设备，电池寿命长或者缓冲存储器内容少)，其授予自身的状态值就越低。类似地，满的缓冲存储器或者低的电池寿命将提高设备的状态值。通过要求各个设备只能选择状态值更低的其它设备，可以将数据快速转发到汇聚点(保持在状态值零)，同时，由于状态值确定的性质而使得网络中的各个传感器上的负载保持得尽可能均匀。例如，如果一设备例如由于其位置接近目的地设备而比网络中的其它设备做了更多工作，则其电池电平将降低得更快，导致相对状态值增大，从而抑制其它传感器继续向其转发数据。通过这种方式，网络特别善于在存在多个路由的情况下将负载分散在这多个路由上。
当然可以用其它方式来指配状态值，这些方式落入本发明的范围之内。具体地，可以选择这些值以使得数据传递到值较高(而不是较低)的设备——换言之，汇聚点具有最大而不是最小的允许值。然而，在以下说明中，假设所有的状态值都是正的，或者在汇聚点的情况下状态值为零，并且数据从状态值高的设备传递到状态值低的设备。
另选应用包括多跳蜂窝通信，其中设备可以按与将数据发送给几个数据汇聚点中的任一个的相同方式与任一蜂窝基站进行操作。
该处理还可以扩展到其中数据具有特定目标设备的自组织网络。如果各设备具有各自与特定目标相关的几个不同状态值，则使得这种系统可以工作。为了减少这种系统中的定标问题，可以将簇头限定为使得发送给簇中的单个设备的数据路由到该簇头、然后路由到所述单个设备。这种系统已经被示范为工作于对具有仅有三级簇的几百个设备的网络的计算机模拟。各设备仅需记忆其相对于大约30个目的地设备的状态值(即其相对于其自身簇内的其它设备的状态值)、以及其相对于各个其它簇的状态级。
附图说明
参照附图，现在对仅仅作为示例的本发明实施例进行描述，在附图中：
图1是根据本发明的设备的示意图；
图2是由图1所示的这种设备构成的自组织网络的一部分的图；
图3是示出单个设备执行的感测和发送循环的流程图；
图4是另一流程图，更加详细地示出了用于识别目的地设备并向其发送数据的处理。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的设备20。其包含无线发送器(Tx)21和无线接收器(Rx)22以及数据收集装置23，它们包括位置传感器以及用于确定该设备的环境的特性或该设备附于的某些对象的特性的环境或生理传感器。还有：数据缓冲存储器24，用于存储有效负载数据(即，要发送给目的地以进行处理的数据)；和数据存储器25，用于操作数据(即，设备的操作特别是控制对有效负载数据的发送所需要的数据)。还有：计算装置26，用于由处理数据收集装置23收集并存储在数据缓冲存储器24中的数据；以及控制装置27，用于响应于来自计算装置26的输出对设备的操作进行控制。该设备由电池28供电，对电池28的状态进行监视并且将结果与其它操作参数一起存储在数据存储器25中。在该示意图中没有示出电源连接自身。
图2示出了包括几个设备10、20、30、40、50、60、70、80的网络，这些设备各自为图1所示的类型。这些设备在其环境中相对于彼此自由地移动，从其环境收集数据，例如温度、大气压力、盐度等。这种传感器网络的成本低，由此可以随意地散布在先前难以监视的区域。它们可以由非生物力(例如洋流或气流、熔岩流或冰河流)携带，或者，可以将它们附着于动物或人类以监视其移动或生理情况，或者将它们附着于车辆以监视其在行程中的进度或如果报告该车辆被盗则对其定位。
图2所示的设备10、20、30、40等形成了自组织无线网络19、29、39、49等。该无线连接可以使用无线电、声纳或适于这些设备被预期在其中工作的环境的任何其它传送介质。设备20收集的数据(其自身的传感器23收集的数据或者从其它设备10中继的数据)直接地或者借助于一个或更多个其它设备30发送给目的地90。这些其它设备也可以收集数据。目的地90是固定的接收站，其被称为信息“汇聚点”，并且其收集移动终端10、20、30等收集的数据以用于后继处理。在网络中可以有多于一个的汇聚点。汇聚点设备90在处理能力和功耗这两方面都比传感器设备10、20、30等更有效，并且具有对数据的长期存储装置或者到数据处理中心99的长距离传输链路98。传感器设备10、20、30自身具有非常有限的电池电力(仅允许进行短距离无线传输)、小处理器和有限的存储器。
现在将参照图3和图4对该实施例的操作进行说明。
传感器在通电(32)之前在“低功耗”模式31积累一时间段的数据，以确定是否需要发送数据(33、34)，如果合适则发送数据(35)，然后断电(36)以进行另一时间段的数据收集(31)。因此，通电(发送)时间与断电(感测)时间相比可以较小。在优选设置中，所有的设备使参数确定阶段33、34同步，因为它们需要交换状态数据(步骤34)。然而，在已经交换了状态数据时，优选地，不是所有设备都同时发送有效负载数据(步骤35)以避免可能发生的干扰问题，特别是在两个设备(例如图2中的10、40)向同一设备30进行发送的情况下。由于循环的各阶段31、32、33、34、35、36远长于各阶段内的各个发送时间段，因此这可以容易地实现。三个阶段循环如下：
断电36，感测31；
通电32，确定自身的状态并且向相邻设备发送自身的状态33；
确定间隔和相邻设备的状态34。
(仍然通电)，根据需要将数据转发给相邻设备(并从相邻设备接收数据)35。
感测阶段可以大大长于其它阶段。这通过在尽可能多的时间内按低功耗模式工作而使传感器的电池寿命达到最大。这假定设备可以使其通电时间同步。另选地，设备在断电期间可以处于收听模式，在收听模式下设备可以从其它设备接收有效负载和状态数据但是不进行发送。
在该实施例中，进行以下假设：
1)所有设备可以与一定通信范围rmax内的所有其它设备进行通信，rmax对于所有设备都具有相同的值。
2)在参数确定阶段，所有设备都能够在不消耗电池电平的情况下将其“状态值”传送给rmax内的所有其它设备(如果这一小发送的成本比发送感测到的数据的成本小得多，则这种简化是有效的)。
3)在各个循环的感测阶段，各个传感器可以生成预定量的数据(将其称为一个数据“分组”)。然而，各个分组可以包含大量的单个读数。
4)由设备来聚合数据，并按多达10个“分组”的群来转发数据。应用该限制来对可以发送的数据量设置上限。这些分组可以是设备在当前或先前循环期间生成的、或者从其它设备接收的。如果在缓冲存储器中存在多于10个的分组，则所有剩下的分组保留在缓冲存储器中直到下一循环。类似地，如果设备未能识别出适当的接收机，则分组保留在缓冲存储器中直到下一循环。
5)当转发数据时，发送机使用到达其目的地所必需的最小电力。因此，发送的成本(电池电平的消耗)与发送设备和接收设备之间的距离的平方成比例。尽管接收设备使用一些电力，但是这与中继发送数据要使用的电力相比相对较小，可以将其忽略。
现在将参照图4更加详细地论述对参数的确定(步骤33)。
各个移动设备(20等)初始测量并存储与其自身相关的大量属性(步骤40)。这些属性是：
缓冲存储器大小N，表示等待发送的数据量的标量，将其示为缓冲存储器24的总容量的一部分
剩余电池电荷B，表示设备的期望寿命的标量
当设备10、20等到处移动时，为了提供优化的网络，必须重新设置它们之间的无线链路19、29、39等。除了物理位置之外，在确定是否应该在两个设备20、30之间建立无线链路29时还考虑诸如缓冲存储器24的空闲容量和电池28的因素。稍后将详细描述实现其的处理。
单位转发成本C，这是在前一循环结束时确定的(步骤400)，并且被取为上次找到分组的适当目的地时产生的每分组的电池电力成本。与是否实际发送了分组无关地使用该度量——例如，电池电力可能不足以将分组发送到该目的地。还应该注意，设备是移动的，所以转发的实际成本可能与该历史估计不同。
接下来，各个传感器计算其“状态值”h(步骤41)，“状态值”h被计算为：
h＝(N+k)C/B
其中N＝当前在缓冲存储器中的数据的分组的数量
B＝电池电平
C＝转发一个分组的成本
k＝小常数(稍后将描述其功能)
因此，假定各次发送使用与最新的计算相同的电量，值B/C是对该设备能够以其剩余的电池电力进行的发送次数的估计。
因此，如果设备恰好能够将其缓冲存储器中的所有数据发送给适当的相邻设备(B/C＝N)，则其具有状态值h＝1+k/N。将阈值设置为该值或者略低于该值以确保该设备不会被完全耗尽。以下将该阈值称为“M”。由于k的值小，因此方便地设置为M＝1。
在该实施例中，向数据汇聚点分配状态值h＝0。对于其它设备，由于常数k，所以h的值总是大于0——因此，即使在缓冲存储器中没有分组(N＝0)，其也将具有状态值h＝kC/B。由于k是小正数，因此这个最小的h值略高于分配给汇聚点的零状态值。这确保了如果可以使用汇聚点则数据优选地发送给汇聚点而不是中继设备。确保这一点的其它数学方法也是可行的：例如，对汇聚点给出负的“h”值，在这种情况下可以将常数“k”设置为零，空缓冲存储器(N＝0)具有状态值h＝0。
如果设备已经在其缓冲存储器中获得了过多的数据以至于不能在不耗尽其电源的情况下进行转发(NC＞B)，则其具有大于阈值M的状态值h。如果其估计除了其在缓冲存储器中已经保存的数据之外还能够转发一些数据(NC＜B)，则其具有小于阈值M的正的非零状态值h。如果状态值h等于阈值M，则其恰恰仅能够发送其已经保存的数据(NC＝B)。因此，如果设备的当前状态值等于或者大于阈值M，则其不应接受来自其它设备的数据。
接下来，各设备将其当前状态值h广播给无线电射程内的所有其它设备(步骤42)，并且从其可以检测到的所有相邻设备接收对应的值(步骤43)，从而各设备具有关于其自身状态值和所有其相邻设备状态值的信息。各设备还确定与其相邻设备中的每一个的间隔“r”(由此确定可能的发送成本)(步骤43)。这可以用多种方式来完成。如果使设备充分精确地同步，则可以使用时间延迟测量技术来确定距离。另选地，如果所有设备都按已知的基准功率电平进行发送，则可以使用接收功率来确定设备的间隔(所需要的功率与距离的平方成比例)。另选地，这些设备可能各自需要确定其自身位置来形成其有效负载数据的一部分，可以将该信息与状态值一起发送。另选地，如果至少一个设备可以确定其绝对位置，则可以推导出所有其它设备的绝对位置，如在国际专利申请PCT/GB2003/002608中所论述的，该专利申请提供了一种对多个设备的网络(所述多个设备中的每一个形成所述网络的一设备)内的设备的位置进行估计的方法，该方法包括以下步骤：
获得指定一个或更多个相邻设备的位置或估计位置的信息；
测量到所述一个或更多个相邻设备的距离；以及
反复地修正所述设备的估计位置以提高该设备的估计位置与所述一个或更多个相邻设备的位置或估计位置之间的一致性，所述设备的估计位置是一方面根据所获得的指定所述一个或更多个相邻设备的位置或估计位置的信息、另一方面根据测得的到所述一个或更多个相邻设备中的每一个的距离而确定的。
接下来，各个设备确定其应该将数据发送给哪个其它设备(如果存在这种其它设备的话)。首先，其识别排除在考虑范围之外的所有设备(步骤44)。设备不将数据转发给比其自身处于更高状态值(即h(相邻设备)＞h)的任何设备。其也不向状态值大于阈值M(回忆起该阈值M取接近1的值)的任何设备进行发送。也就是说，假设每个分组需要资源C，如果B＜(N+k)C，则剩余的电池寿命B小于发送已在其缓冲存储器中的N个分组所需要的电池寿命。因此，该设备已经具有比其预期能够转发的数据多的数据。因此，h＞M的设备不应该接收更多的数据，直到这些设备的相对位置发生变化以使得C的值落在小于B/(N+k)的值。
如果没有相邻设备满足这两个标准——换言之，相邻设备的状态值全都高于所考虑的设备的状态值和/或大于阈值M，则对象设备重新计算值C(参见以下的步骤400)并且返回断电状态35。
针对未被如此排除的所有设备，该设备确定在发送设备与可能的接收设备之间状态值下降的梯度“g”(步骤45)：
梯度＝(h[发送器]-h[接收器])/r2，
其中，r是先前确定的这两个设备之间的距离(步骤43)。使用该距离的平方来反应无线电传播的特性，因为发送需要的电力随着距离的平方而变化。
然后，该设备选择存在最大梯度的设备(步骤46)。
进行一个进一步计算。确定“紧急度”值U＝(t/T)n，其中
t＝从数据收集处理开始起经过的时间，
T＝数据收集处理的期望持续时间，
n是按稍后所述的方式选择的常数。
该值U是对发送处理中的数据的时间敏感度的度量，由此是对该数据要返回汇聚点的速度的度量。假定传感器是移动的。在实验开始时(当t/T的值低时)，优选地，等待离汇聚点很远的传感器到处移动，从而这些传感器收集的数据不会耗尽网络资源地通过网络长距离发送。然而，在实验将近结束时，未发送的所有数据有完全丢失的风险，并且节电不再重要。
通过改变指数“n”的值，可以使敏感度适于数据捕获处理的要求。如果数据对时间非常敏感，并且需要在收集之后很快发送回汇聚点，则需要小的n值(从而U在处理中很早就升到单位值，因此几乎总是超过状态值“h”)。类似地，如果各个传感器设备的缓冲存储器较小，则小的n值将降低过满的缓冲存储器“丢失”数据分组的数量。如果网络在实验早期收集其大部分数据，则小的n值效果较好。
较大的“n”值使得紧急度U保持为很低直到数据收集处理的后期，适合于(在网络拓扑或者所感测的数据的量和位置方面)可能快速改变的网络。这防止了在初期没有感测到大量数据但是在实验后期感测到大量数据的设备在后期可以有另选方案的情况下在实验早期就使用宝贵的电池资源来中继来自其它设备的数据。
如果目标设备的状态值h小于值U(步骤47)，则设备向所选择的相邻设备转发多至10个的数据分组(步骤48)。
现在如上所述地计算此发送的实际成本(步骤400)，以为下一循环提供值“C”。
当设备20识别出可以向其转发数据的设备30时，该设备从其缓冲存储器24取回数据并将该数据发送给目标30。然后，设备30重复识别适当的相邻设备等的处理，直到数据到达汇聚点90。如果不能识别出适当的设备，则将数据存储在缓冲存储器24中，直到该设备的移动使得适当的设备进入范围。如果切断了设备20到汇聚点90的所有路径，则设备20可以简单地将所有有效负载数据存储在缓冲存储器24中，直到设备的移动重新建立起可行的路由。如果网络稀疏分布从而设备间隔很大，则可以仅当设备20进入汇聚点90的直接范围之内时才进行大部分数据发送。在密集分布的网络中，具有大量跳程19、29、39的路径较为普遍。该处理灵活得不用需要特殊处理的这种变化就足以处理大范围(在网络拓扑和设备移动性的角度)的情况。
在几种不同的情况下对前述处理进行了模拟。在实验的整个持续时间里网络为静态并且所有传感器按相同速率进行感测的最简单情况下，性能接近于理论理想值，几乎收回与通过网络可能传送的数据一样多的数据。可以预期，向具有多个移动传感器的系统加入增大的复杂性和不均匀且快速变化的数据感测速率对网络收回最大量的数据的能力有影响，但是在模拟过程中，该处理比现有技术表现得更好，并且处于接近前述申请GB0315758.3和GB0315969.6中描述的处理所达到的水平。本发明较之较早和较复杂的系统具有以下优势：网络中的各个传感器仅需要确定其彼此的间隔而不是其相对位置(对其相对位置的确定可能不是在全部所构想情况下都是直接的)，并且，需要进行的计算较少，这对于电力资源有限的传感器设备是重要的。

Claims (19)

1、一种数据中继设备，该设备具有
用于从数据源接收有效负载数据的接收装置，
用于存储用于后继发送的有效负载数据的缓冲存储器，
用于从类似设备接收状态数据的装置，
用于生成状态数据的状态数据生成装置，所述状态数据是根据缓冲存储器中的数据量以及从其它设备接收到的状态数据而导出的，并包括与以下内容有关的数据
该设备与其它设备的间隔，
缓冲存储器中的数据量
用于确定由存储在缓冲存储器中的数据量以及该设备与附近传感器的间隔确定的标量状态值的装置，
用于将状态值发送给其它设备的状态发送器装置，
选择装置，用于根据从其它设备接收到的状态数据来识别如下的接收设备，该接收设备的状态值与该设备自身状态值不同、表示可以将有效负载数据向其转发，以及
用于将有效负载数据发送给所识别出的接收设备的有效负载发送装置。
2、根据权利要求1所述的数据中继设备，包括用于接收其它类似设备发送的有效负载数据的装置。
3、根据权利要求1或2所述的数据中继设备，进一步包括数据源。
4、根据前述权利要求中的任一项所述的数据中继设备，其中，选择装置被设置为只有在所述标量状态值满足一个或更多个阈值标准时才识别出适当的接收设备。
5、根据权利要求4所述的数据中继设备，其中，阈值标准是剩余的电池电力至少足以发送当前处于缓冲存储器中的所有数据。
6、根据权利要求4或5所述的数据中继设备，具有用于将阈值标准选择为从预定开始点起所经过时间的函数的装置。
7、根据前述权利要求中的任一项所述的数据中继设备，进一步包括用于监视该设备的预期寿命并相应地调整所述标量状态值的状态监控装置。
8、根据前述权利要求中的任一项所述的数据中继设备，其中，设备之间的间隔是根据在它们之间进行发送所需要的电力来确定的。
9、根据前述权利要求中的任一项所述的数据中继设备，包括用于确定将有效负载数据发送到识别出的接收设备所需要的电力的装置、以及用于生成与该电力需要相关的标量状态值的装置。
10、根据权利要求9所述的数据中继设备，其中，电力确定所基于的识别出的接收设备是前一确定时为发送而选择的设备。
11、根据权利要求9或10所述的数据中继设备，其中，标量状态值h是由值(N+k)C/B确定的，
在该式中，N＝当前在缓冲存储器中的数据的分组的数量，
B＝电池电平，
C＝转发给所述识别出的接收设备的电力需要，
k是常数。
12、一种操作多个数据中继设备的方法，包括以下步骤：
将数据收集在一个或更多个这种设备中的缓冲存储器中，
在设备之间交换状态数据，所述状态数据包括与以下内容相关的数据
设备之间的间隔，
设备的缓冲存储器中的数据量
各个设备根据所述状态数据来定义由存储在缓冲存储器中的数据量以及该设备与其它传感器的间隔确定的标量状态值，
将所述状态值发送给其它设备并且接收其它设备的状态值，
根据从其它设备接收到的状态数据识别如下的接收设备，该接收设备的状态值与该设备自身状态值不同、表示可以将有效负载数据向其转发，以及
将有效负载数据发送给所识别出的接收设备。
13、根据权利要求12所述的方法，其中，只有在从状态数据推导出的标量状态值满足一个或更多个预定的阈值标准时才将数据从第一设备发送到位于其转发方向的第二设备。
14、根据权利要求13所述的方法，其中，阈值标准是剩余的电池电力至少足以发送当前处于缓冲存储器中的所有数据。
15、根据权利要求12、13或14所述的方法，其中，状态数据包括对所述设备的预期寿命的测量。
16、根据权利要求12、13、14或15所述的方法，其中，有效负载数据通过一个或更多个无线中继设备发送到由预定的标量状态值限定的目标汇聚设备。
17、根据权利要求12、13、14、15或16所述的方法，其中，确定将有效负载数据发送到识别出的接收设备所需要的电力，并且与该电力需要相关地生成标量状态值。
18、根据权利要求17所述的方法，其中，电力确定所基于的识别出的接收设备是前一确定时为发送而选择的设备。
19、根据权利要求17或18所述的方法，其中，标量状态值h是由值(N+k)C/B确定的，
在该式中，N＝当前在缓冲存储器中的数据的分组的数量，
B＝电池电平，
C＝转发给所述识别出的接收设备的电力需要，
k是常数。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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