专利名称：一种灵活高效的适用于无线传感器网络的性能管理方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络(WSN)管理领域，提出了一种灵活高效的适用于无线传感 器网络的性能管理方法，包括WSN网络性能统计任务描述与维护以及网络性能统计数据灵 活高效上报两部分内容。
背景技术：
无线传感器网络(WSN)技术被认为是21世纪最有影响的网络技术之一，由于在在军 事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控 制等许多领域都具有广泛的应用前景，己经引起了人们越来越多的重视。网络技术应用的实践证明，管理好一个网络比建设一个网络更为重要，WSN网络要想真 正得到广泛应用， 一个高效灵活的的网络管理系统是至关重要的。国际标准化组织(ISO)提出的网络管理框架模型中把网络管理划分为了以下5部分内容1) 配置管理网络配置数据的管理，收集及修改等；2) 性能管理周期性地收集、并向网管中心报告被监控网络资源的性能测量数据，以便 分析网络运行情况，及时发现瓶颈，为优化系统性能提供依据；3) 故障管理对来自硬件设备或路径节点的故障信息进行监控，报告和存储，并对故障 进行诊断，定位与处理；4) 安全管理保护网络资源与设备不被非法访问，以及对加密机制中的密钥进行管理；5) 计费管理进行网络资源利用率的统计和网络的成本效益核算，管理用户业务使用情 况和费用等。WSN网络具有网络节点能量受限，动态网络拓扑等特点，这些特点决定了 WSN网络的 性能管理对整个网络的维护具有更重要的意义。网络性能管理主要包括网络性能统计任务的 创建和维护以及网络性能统计数据的周期性收集，网络性能统计数据分析及处理等几方面内 容。对WSN网络的性能管理来说，首先要解决的就是如何描述性能统计任务，即如何定义 适合WSN网络的性能统计任务，以及如何对其进行有效的维护。此外由于无线传感器网络 节点能量受限，周期性的网络性能统计数据上报会造成较大开销，因此必须采用灵活高效的 性能统计数据上报方式以在有效的网络性能管理及节点有限能量之间取得平衡。发明内容本发明的目的是针对上述技术问题，提出了一种灵活高效的适用于无线传感器网络的性 能管理方法，包括WSN网络的网络性能统计任务描述和维护，网络性能统计数据灵活高效 上报。本发明的技术方案包括1)性能统计上报任务的创建和维护；性能统计上报任务的创建 和维护通过WSN管理中心与被管理WSN网络节点间一问一答的消息交互完成，即WSN管 理中心向所有WSN网络节点或者某一区域(组)网络节点发送性能统计任务请求消息，WSN 网络节点返回性能统计任务响应消息。2)性能统计数据周期上报；尽量减少网络传送的性能 统计数据量。本发明完整定义了网络性能统计任务并在此基础上定义了一系列操作集，实现了对网络 性能统计任务的灵活维护。本发明采用了可选的本地性能统计数据压縮，本地性能统计数据 合并以及网络性能统计数据自适应随机合并，实现了灵活高效的节点性能统计数据周期上报， 大大降低了由网络性能管理带来的网络开销，均衡了网络节点能量消耗。
图l :网络性能统计任务创建以及维护流程示意图。 图2 :网络性能统计数据合并原理示意图。 图3 :网络性能统计数据自适应随机据合并示意图。 图4 :网络性能统计数据自适应随机据合并方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作迸一步的说明。本发明的技术方案主要为两个部分 一是性能统计上报任务的创建和维护，二是性能统 计数据的上报。1.性能统计上报任务的创建和维护性能统计上报任务的创建和维护通过WSN管理中心与被管理WSN网络节点间一问一答 的消息交互完成，即WSN管理中心向所有WSN网络节点或者某一区域(组)网络节点发送 性能统计任务请求消息，WSN网络节点返回性能统计任务响应消息，如图l所示。性能统计任务请求消息完整定义了网络性能统计任务及对其进行的操作集合，该消息包 含三方面内容性能统计任务请求类型，性能统计任务ID，以及性能统计任务描述。1) 性能统计任务请求类型该内容为必选项，用来实现对性能统计任务的创建和维护，包括以下类型(1) 创建根据性能统计任务描述创建新的性能统计上报任务。(2) 取消取消性能统计任务ID所指示的性能统计任务。(3) 停止停止性能统计任务ID所指示的性能统计任务。(4) 启动重新启动已被停止的性能统计任务(由性能统计任务ID指示)。(5) 更新按照性能统计任务描述更新性能统计任务ID所指示的性能统计任务。(6) 查询查询目前节点存在的性能统计任务，包括性能统计任务ID以及性能统计任 务描述。2) 性能统计任务ID由WSN管理中心生成的全网唯一的性能统计任务标识，当性能统计任务请求类型为査 询时不包含此内容，其余类型均包含。3) 性能统计任务描述当性能统计任务请求类型为创建/更新时该内容为必选项。性能统计任务描述通过以下信 息完整定义了一个性能统计上报任务(1) 性能统计数据上报准则该内容为必选项，定义了一系列性能统计数据上报条件，只有满足这些条件的节点才能 够进行性能统计数据上报。比如，节点物理/网络(组)地址，节点跳数，节点应用任务，节 点环境/配置条件等等。(2) 性能统计数据标识-该内容为必选项，定义了需要上报的性能统计数据项。(3) 性能统计数据上报周期 该内容为必选项，定义了性能统计数据的上报周期。(4) 性能统计数据上报算法选项该内容为可选项，定义了性能统计数据上报的算法选项，如是否进行数据压縮，是否进 行本地/网络数据合并等等(参考后续描述)。如果消息中没有该项内容，节点将采用默认的 算法选项进行上报。WSN网络节点接收到性能统计任务请求消息后，根据性能统计任务请求类型的指示，执行相应操作(1)如果是创建/更新性能统计任务，则根据性能统计任务描述创建/更新性能统计任务，并将任务创建/更新的结果通过性能统计任务响应消息通知WSN网络管理中心；(2) 如果是取消/停止/启动性能统计任务，则根据性能统计任务ID指示取消/停止/启动 相应性能统计任务，并将任务取消/停止/启动的结果通过性能统计任务响应消息通知WSN网 络管理中心；(3) 如果是査询性能统计任务，则将当前节点存在的性能统计任务的任务ID及其相应 任务描述通过性能统计任务响应消息通知WSN网络管理中心。性能统计任务一旦创建成功，节点将按照性能统计任务要求周期的上报网络性能统计数据。2.性能统计数据周期上报为了有效利用网络资源，降低节点性能统计数据周期上报的开销，应该尽量减少网络传 送的性能统计数据量，本发明采用如下方法达到减少网络数据传送量的目的-1) 性能统计数据本地压缩对性能统计数据进行压縮以减少数据传输量。是否压縮以及采用的压缩算法由性能统计 任务描述中的性能统计数据上报算法选项确定。2) 本地性能统计数据合并节点的性能统计数据先在本地缓存一段时间，如果节点要发送转发的下级节点的性能统计数据时，检查是否有待发送的本地性能统计数据， 如果有并且与待转发性能统计数据属于同一个性能统计任务，则与之合并然后发送； 或者节点要发送/转发时延不敏感的应用数据时，检查是否有待发送的性能统计数据，如果有 则与之合并然后发送；缓存定时器到时则直接将该性能统计数据发出。是否进行本地性能统计数据合并由性能统计任务描述中的性能统计数据上报算法选项确定。3) 网络性能统计数据自适应随机合并节点在转发下级节点的性能统计上报数据时，先缓存一定时间，其间如果收到下级节点 的同一任务的性能统计数据，同一任务的性能统计数据与应用数据的混合数据或者时延不敏 感应用数据，则与之合并，当缓存定时器到时时将该合并后的数据包转发出去。如图2所示。如果每一个节点在转发性能统计数据时都做这种合并那么无线资源的利用效率是最高 的，不过带来的问题是性能统计数据上报的时延被大大增加，在网络规模较小并且统计上报周期较长的情况下这种时延还是可以接受的，不过如果网络规模较大或者要求上报周期较短 的情况下这种时延就不可接受了，因此必须采用一种自适应的网络数据合并方法，能够根据 网络规模以及上报周期等参数在满足数据上报时延的前提下自适应的确定能进行网络数据合 并的节点，并且这些节点的分布要尽量随机化，已均衡网络节点的能量消耗。本发明提出的网络性能统计数据自适应合并方法涉及到如下参数定义Tr:统计数据上报周期，由用户设定；Dn由数据合并带来的统计数据时延容忍度，表明可以接受的在Tr基础上叠加的由数据 合并带来的最大时延百分比，例如10%表明Tr+10%*Tr的时延仍可接受。该参数由用户设定； Tl:本地性能统计数据合并缓存定时器长度，由用户指定，为0表明不需要本地数据合并；Tn:网络性能统计数据合并缓存定时器长度，由用户指定，为0表明不需要本地数据合并；Pc:网络性能统计数据合并概率门限值，取值[O， l]，值越大表明越容易触发网络数据合 并，这样可能会导致网络边缘节点更容易进行网络数据合并，值越小则反之。该参数用来随 机化进行网络数据合并的节点，均衡网络能量消耗，具体值可由用户设定；根据以上参数，可以计算出由数据合并带来的统计数据上报最大允许全网时延Dmax=Tr*Dr;网络中第n跳节点在转发同一性能统计任务的数据时，如果本节点及其后的每一跳节点 都进行网络数据合并，则带来的时延为Dn=n*Tn。网络中第n跳节点当前允许的统计数据上报最大时延为Dcurr=MAX(Dmax - m*Tn， 0), m代表在数据转发到该节点前曾经进行过网络数据合并缓存的节点个数m取值区间[O, CEIL(Dmax/Tn)]。 CEIL()表示向上取整。Dcurr由下级节点传送给当前节点。对数据源节点， Dcurr^Dmax。网络中第n跳节点在转发同一性能统计任务的数据时，在数据包中提取Dcurr，计算Dn, 如果(Dcurr==0)，则不做缓存，尝试本地数据合并然后转发；如果(Dcurr>0且DiKDcurr)，则作缓存准备网络数据合并，同时m-m+l并更新Dcurr; 如果 (DcurrX)且Dn〉-Dcurr)，则产生
之间随机数R，如果IK:Pc，则作缓存准备网络数据合并，同时m-m+l并更新Dcurr;否则，则不做缓存，尝试本地数据合并然后转发； 在做网络/本地数据合并过程中，由于不同数据包中有不同的Dcurr,则取其中最小的作为合并后数据包的Dcurr。通过以上算法，当网络规模较小或者性能统计数据上报对时延不敏感时，所有节点都可 能做网络数据合并；反之，该算法通过Pc的控制，将随机选择若干节点进行网络数据合并， 达到均衡网络能量消耗的目的。如附图3所示，两次上报数据的传送路径虽然相同，但进行 网络数据合并的节点却不相同。附图4给出了上述方法的完整流程图。
权利要求
1.一种灵活高效的适用于无线传感器网络的性能管理方法，其特征在于它包括1)性能统计上报任务的创建和维护；性能统计上报任务的创建和维护通过WSN管理中心与被管理WSN网络节点间一问一答的消息交互完成，即WSN管理中心向所有WSN网络节点或者某一区域(组)网络节点发送性能统计任务请求消息，WSN网络节点返回性能统计任务响应消息；2)性能统计数据周期上报；尽量减少网络传送的性能统计数据量。
2. 根据权利要求1所述的灵活高效的适用于无线传感器网络的性能管理方法，其特征在 于性能统计任务请求消息包含三方面内容性能统计任务请求类型，性能统计任务ID，以及 性能统计任务描述。
3. 根据权利要求2所述的灵活高效的适用于无线传感器网络的性能管理方法，其特征在 于所述的性能统计任务请求类型用来实现对性能统计任务的创建和维护，它为必选项，包括 以下内容(1) 创建根据性能统计任务描述创建新的性能统计上报任务，(2) 取消取消性能统计任务ID所指示的性能统计任务，(3) 停止停止性能统计任务ID所指示的性能统计任务，(4) 启动重新启动己被停止的性能统计任务(由性能统计任务ID指示)，(5) 更新按照性能统计任务描述更新性能统计任务ID所指示的性能统计任务，(6) 查询查询目前节点存在的性能统计任务，包括性能统计任务ID以及性能统计任 务描述；
4. 根据权利要求2所述的灵活高效的适用于无线传感器网络的性能管理方法，其特征在 于所述的性能统计任务ID，它是由WSN管理中心生成的全网唯一的性能统计任务标识，当 性能统计任务请求类型为查询时不包含此内容，其余类型均包含。
5. 根据权利要求2所述的灵活高效的适用于无线传感器网络的性能管理方法，其特征在 于所述的性能统计任务描述，在性能统计任务请求类型为创建/更新时该内容为必选项，它通 过以下信息完整定义了一个性能统计上报任务(1) 性能统计数据上报准则该内容为必选项，定义了一系列性能统计数据上报条件， 只有满足这些条件的节点才能够进行性能统计数据上报；(2) 性能统计数据标识该内容为必选项，定义了需要上报的性能统计数据项；(3) 性能统计数据上报周期该内容为必选项，定义了性能统计数据的上报周期；(4) 性能统计数据上报算法选项该内容为可选项，定义了性能统计数据上报的算法选 项，如是否进行数据压縮，是否进行本地/网络数据合并等等，如果消息中没有该项内容，节点将采用默认的算法选项进行上报。
6. 根据权利要求1和2所述的灵活高效的适用于无线传感器网络的性能管理方法，其特 征在于WSN网络节点接收到性能统计任务请求消息后，根据性能统计任务请求类型的指示， 执行相应操作(1) 如果是创建/更新性能统计任务，则根据性能统计任务描述创建/更新性能统计任务, 并将任务创建/更新的结果通过性能统计任务响应消息通知WSN网络管理中心；(2) 如果是取消/停止/启动性能统计任务，则根据性能统计任务ID指示取消/停止/启动 相应性能统计任务，并将任务取消/停止/启动的结果通过性能统计任务响应消息通知WSN网络管理中心；(3) 如果是査询性能统计任务，则将当前节点存在的性能统计任务的任务ID及其相应 任务描述通过性能统计任务响应消息通知WSN网络管理中心。
7. 根据权利要求1所述的灵活高效的适用于无线传感器网络的性能管理方法，其特征在 于所述的性能统计数据周期上报中减少网络数据传送量的方法包括 1) 性能统计数据本地压縮； 2) 本地性能统计数据合并； 3) 网络性能统计数据自适应随机合并。
全文摘要
本发明涉及无线传感器网络(WSN)网络管理领域，提出了一种灵活高效的适用于无线传感器网络的性能管理方法，包括WSN网络性能统计任务创建与维护以及网络性能统计数据灵活高效上报两部分内容。本发明利用性能统计数据上报准则，性能统计数据标识，性能统计上报周期以及性能统计数据上报算法选项等属性完整定义了网络性能统计任务并在此基础上定义了一系列操作集，实现了对网络性能统计任务的灵活维护。本发明采用了可选的本地性能统计数据压缩，本地性能统计数据合并以及网络性能统计数据自适应随机合并实现了灵活高效的节点性能统计数据周期上报，大大降低了由网络性能管理带来的网络开销，均衡了网络节点能量消耗。
文档编号H04L12/24GK101247264SQ20081006119
公开日2008年8月20日 申请日期2008年3月20日 优先权日2008年3月20日
发明者刘海涛, 郑 姚, 锋 张, 张宝贤, 葛洪涛, 壮 赵, 雪 高 申请人:中科院嘉兴中心微系统所分中心