专利名称：一种基于能耗均衡的无线传感器网络的数据融合树的建树方法
技术领域：
本发明涉及一种无线传感器网络的建树方法，更特别地说，是指一种适用于无线传感器网络的基于能耗均衡的融合树建树方法。
背景技术：
无线传感器网络的核心任务是数据收集，可靠的数据收集包括数据融合、数据传输等技术。数据融合与采用的路由协议密切相关，数据融合通常分为两类一类是基于树结构的，另一类是基于多路径的。目前多采用树形结构，树形结构首先在网络中构建一棵生成树，该树的数据查询节点(sink)为根节点,然后从叶节点(Leaf)开始沿树向根节点(sink)自下而上地进行数据融合以及逐层传递每个节点将采集到的传感器读数发送给父节点(Father)，其父节点将接收到的该传感器读数进行融合，然后再将融合后的传感器读数结果(简称为融合传感器读数)发送给它的父节点，如此重复直到融合传感器读数到达数据查询节点(sink),无线传感器网络中任意一节点的死亡都会造成该任意一节点的下游节点的信息无法发送到数据查询节点(sink)，造成监测盲区。延长无线传感器网络的生存时间，不仅仅要使网络的整体能耗达到最小化，同时还应该使网络中各个节点的能耗达到均衡。对于给定拓扑结构的无线传感器网络而言，节点的能量通常是以一定的比例消耗的，也就是说能耗快的节点将成为整个系统的“瓶颈节点”，因此使网络中节点的能耗速度均衡、消除“瓶颈节点”对延长无线传感器网络的生存时间至关重要。考虑到在树结构中孩子节点(Children)通信量将在父节点(Father)上造成的累积，《A node-centric load balancing algorithm for wireless sensor networks》中提出负载均衡树的概念把负载均衡树分三类fully balanced(完全平衡)、top-levelbalanced (顶层平衡)和 hierarchy balanced (分层平衡)，提出了建立 top-levelbalanced的负载均衡树的方法,即对靠近根节点sink的节点来说负载均衡的树,但是这种方法并没有考虑网络中其他中间节点的能耗均衡，这些节点能耗不均造成早死依然会使网络断链，造成监测盲区。在基于树的无线传感器网络中，沿生成树进行每一轮数据采集时，各个节点的能耗是不同的°〈〈Distributed hierarchical serach for balanced energy consumptionrouting spanning trees in wireless sensor networks》提出的动态均衡的生成树就是要在一轮数据收集过程中找到在所有节点中能耗最大的那个节点，并使这个节点的能耗最小化，该方法对经典的Kruskal最小生成树进行了修改。该方法需要输入表示网络的邻接矩阵，而邻接矩阵的边权重只考虑了节点发送的能耗。基于工作流的查询树构建算法(WQRT)，该方法构建一棵近似的k叉树，使节点间的工作流得到均衡。((Workload-based Query Routing Tree Algorithm in WirelessSensor Networks))中的图I所示,使节点的孩子个数分布均勻。
无线传感器网络中的中间节点在数据收集过程中有重要的作用，任何位置的中间节点出现能量耗尽，都会导致网络断链，影响数据收集的结果。根据多跳路由的流量特点，孩子多的节点需转发的数据包多；反之越少，特别是叶节点，由于无孩子节点，只需发送自身的感知数据。基于这种思想，让能量多的节点拥有较多的孩子节点，能量少的节点拥有较少的孩子节点，构建融合树既要考虑节点的孩子个数分布均匀又要兼顾节点能量，从而实现数据收集过程的节点能量均衡，最终提高无线传感器网络的生存时间。
发明内容
有鉴于此，本发明设计了一种用于无线传感器网络数据收集的能耗均衡的数据融合树建树方法。根据基于树结构的无线传感器网络数据融合过程节点通信的特点、以及网络中节点能量水平的特点，因此考虑大多数节点的能量水平可以建k叉树，让每个中间节点与相同个数的孩子节点通信，这样的中间节点每一轮数据收集过程能耗也就接近；此外为了兼顾能量偏离平均水平值的节点，就要考虑他们实际的能量以及能量的平均水平，使这样的节点有多于以及少于k个孩子节点，以此来保证通信开销与能量水平相当。本发明是一种基于能耗均衡的无线传感器网络的数据融合树的建树方法，所述数据融合树的建树采用了基本建树步骤(I)、基于树的网络信息采集步骤(2)和树的剪枝与嫁接步骤⑶；
所述基本建树步骤(I)用于建立无线传感器网络中各节点之间的连接，从而实现网络联通，即构建得到初始树T_in，所述初始树T_in中的各个节点预设有初始能量；所述基于树的网络信息采集步骤(2)第一方面依据所述的初始树T_in并从初始树T_in中提取出节点总数η、树的高度d、初始树T_in中节点平均能量Eavg从而得到初始树 T_in 中的网络信息 net_Info = {n, d,Eavg};所述网络信息 net_Info = {n, d,Eavg}将作为构建能耗均衡的融合树的基础数据。第二方面依据k叉树方法获得所述网络信息net_
Info = {n, d, Eavg}中的网络树度数A= i}n + \ β所述树的剪枝与嫁接步骤(3)采用能耗均衡策略EBS对所述的初始树T_in中的所有节点进行剪枝或者嫁接。所述的能耗均衡策略EBS第一方面对初始树T_in中的任意一节点Nm依据
能量均衡最佳度分配关系=[夺，得到任意一节点Nm的最佳度数(简称
为节点度数);爲^表示节点Nm的初始能量；第二方面依据节点度数与孩子个数WWW—的比较，进行剪枝或者嫁接处理—GhildfmN < Kn^，则进行嫁接；若mmi _ ChildrenN > KNm，则进行剪枝；若num _ Childrenff = KNm，任意一节点
Nm不进行剪枝与嫁接处理。本发明的一种基于能耗均衡无线传感器网络数据融合树的建立方法，该融合树的建立方法的优点在于(I)本发明充分考虑了无线传感器网络中节点能量的分布情况，以及基于树结构的无线传感器网络数据融合过程的通信特点。(2)本发明采用剪枝和嫁接的操作来对建立的融合树根据能量进行孩子节点个数调整，实现无线传感器网络中能量消耗与能量分布成正比关系。(3)本发明建立的融合树使能量多的节点拥有较多的孩子，而能量少的节点拥有较少的孩子，从而避免了能量消耗的不均造成的某些节点过早死亡，以此来提高无线传感器网络的数据融合的服务质量和延长网络的生存时间。
图I是本发明数据融合树的建树结构框图。图2是本发明建树得到的初始树的结构图。图3是经剪枝和嫁接后的本发明数据融合树的结构图。
图4是本发明由根节点发起的建树流程图。图5是本发明节点对自身身份的确认流程图。图6是本发明查询信息获取、剪枝与嫁接处理的流程图。
具体实施例方式参见图I所示，本发明的一种基于能耗均衡的无线传感器网络的数据融合树的建树方法，是建立一种基于k叉的能耗均衡融合树,该数据融合树的建树方法包括有基本建树步骤I、基于树的网络信息采集步骤2和树的剪枝与嫁接步骤3。在本发明中，所述网络中节点能量水平的特点是指网络中节点能量值集中在某一个平均水平，但同时也存在少量节点偏离平均水平，体现为能量远远高于以及远远低于平均水平。在本发明中，所述基于树结构的无线传感器网络数据融合过程节点通信的特点是指数据经父亲(Father)节点融合后逐层向根(sink)节点转发，中间节点要和其所有孩子(Children)节点通信。在本发明中，无线传感器网络所依赖的树结构中除根节点sink以外的节点标记
为N,则有第一个节点记为N1、第二个节点记为N2、......、第i个节点记为队、......、最后一
个节点记为N111，为了方便说明，Nni也称为树结构中的任意一节点，Ni也称为树结构中的除任意一节点Nm外的其他节点。无线传感器网络中包括有η个节点(也称为节点总数)，则η个节点中含有一个根节点sink、多个叶节点Leaf和多个中间节点。所述基本建树步骤I用于建立无线传感器网络中各节点之间的连接，从而实现网络联通，即构建得到初始树T_in，所述初始树T_in中的各个节点预设有初始能量，初始树T_in的树结构如图2所示。所述基于树的网络信息采集步骤2第一方面依据所述的初始树T_in并从初始树T_in中提取出节点总数η、树的高度d、初始树T_in中节点平均能量Eavg从而得到初始树T_in 中的网络信息 net_Info = {n, d, Eavg};所述网络信息 net_Info = {n,d,Eavg}将作为构建能耗均衡的融合树的基础数据。第二方面依据k叉树方法获得所述网络信息net_
Info = {n，d，Eavg}中树的度女=</ + 1 ,简称为网络树度数女=Hn + l。所述树的剪枝与嫁接步骤3采用能耗均衡策略EBS对所述的初始树T_in中的所有节点进行剪枝或者嫁接。所述的能耗均衡策略EBS第一方面对初始树T_in中的任意一节点Nm依据能量均衡最佳度分配关系
权利要求
1.一种基于能耗均衡的无线传感器网络的数据融合树的建树方法，其特征在于数据融合树的建树采用了基本建树步骤(1)、基于树的网络信息采集步骤(2)和树的剪枝与嫁接步骤⑶； 所述基本建树步骤(1)用于建立无线传感器网络中各节点之间的连接，从而实现网络联通，即构建得到初始树T_in，所述初始树T_in中的各个节点预设有初始能量； 所述基于树的网络信息采集步骤(2)第一方面依据所述的初始树T_in并从初始树T_in中提取出节点总数η、树的高度d、初始树T_in中节点平均能量Eavg从而得到初始树T_in中的网络信息net_Info = {n, d,Eavg};所述网络信息net_Info = {n, d,Eavg}将作为构建能耗均衡的融合树的基础数据；第二方面依据k叉树方法获得所述网络信息net_Info={n，d，Eavg}中网络树度数
2.根据权利要求I所述的基于能耗均衡的无线传感器网络的数据融合树的建树方法，其特征在于所述基本建树步骤(I)中建立初始树T_in步骤有 步骤101 :根节点sink广播建树消息msg_Buildsink ；所述建树消息 msg_Buildsink = (Sendersink, Ievelsink, FathersinJ 中 Sendersink 表示广播消息者是根节点sink, Ievelsink表示广播消息者在树结构中的层数,Fathersink表示广播消息者的父亲节点的标识； msg_BuiIdsink的字段赋值levelsink赋值为O ;Fathersink赋值为空； 步骤102 :更新节点的建树消息 步骤102-1 :任意一节点Nm第一次侦听到根节点sink广播的建树消息msg_Buildsink后，Nm将更新自身的建树消息，得到Nm的转发建树消息、——/ /.Υ ; 方面将_ —进行广播，另一方面将_ —/ew/^和Fathersink置入Nm的通信信息 ^中；转入步骤103 ；
3.根据权利要求I所述的基于能耗均衡的无线传感器网络的数据融合树的建树方法，其特征在于基于树的网络信息采集有下列步骤 步骤201 :根节点sink广播查询请求消息msg_Asksink ； 所述查询请求消息msg_Asksink = (Sendersink, Work}中Sendersink表示广播消息者是根节点sink. 步骤202 :查询消息的转发及查询结果消息的产生 步骤202-1 :任意一节点Nm第一次侦听到根节点sink广播的网络信息查询消息msg_Asksink = (Sendersink, Work}后，如果节点Nm的父节点不是sink，则丢弃网络信息查询消息msg_Asksink，继续侦听；否则，判断CMχ = \depihx ,num_('hi!drcn^ ,Iisl_(Iiildrenx ,paren!.^ I中的 Iil\711ftiIHTH Jmun _ ChildrenN 是否为零； 如果为零则广生并向sink回复查询结果消息^; 如果不为零则Nm是一个分支节点，并向节点Nm的下游节点转发/m< — Askx = -I Senderx , Work);转入步骤 203 ； —1 mV1 m} 步骤202-2任意一节点Nm第一次侦听到非sink节点Ni转发的查询消息msg AskN = {SenderN , Work]^，如果节点Nm的父亲不是SenderA,(即节点Ni)，继续 丄VlSiJ侦听；否则判断( /.、 = ^deplhw ,num_C'hildrenK ,Iisl_Children^ ,parents 中的m·是否为零； 如果为零则产生并向Ni回复查询结果消息又—Rew///V,； 如果不为零则Nm是一个分支节点，并向节点Nm的下游节点转发msg _ AsIcx = I Senderx ,ffor/cj·;转入步骤 203 ; 在新产生的查询结果消息msg _ Re suIi N = |/eve/ _ Branch、, energy _ Branch、，nodes — Bnwch.、. , Senderx | 字段初始赋值为—BranchNJJi始赋值为dePthNtn ^odes—BmnchNjn始赋值为！ ；e ergj；,初始赋值为Nm的能量； 步骤203 :查询结果消息更新 对接收并转发过查询消息的节点Nm侦听到节点Ni的查询结果消息 _ Re su! ν = I level — Branch v, energy — Branch , nodes — Branch v，Sender、|；若 msg Rq suitNj 中的 SenderN 存在于 CMNm 中 list—ChildrenNm 中，则节点 ν·将■g—保存在本地缓存中；否则丢弃皿’g —，并持续侦听； 节点Nm继续侦听节点Ni的查询结果消息，直至接收到www—个来自Ni的查询结果消息，即得到查询结果消息msg_KqsuitN =^level—Branch、; ,energy_Branchy ,nodes—Branch〉、,Senderv | 并转发出去； 接收到的查询结果消息来自于list—ChiMren\:队列中的节点； 所述查询结果消息msg — Re sill I v = | level — Branch v，energy _ Branch v nodes _ Branch, Sender、, |中的 level—BranchN 赋值为，Vi 咖—酬；:(廳g —Re //(v; 4/eve/_ 伽皿％;)，energy_BrancK 赋值为神—ξ—，nodes—B麵chN}織为Ν一I气(MSg―隱 、; msg RosuitH 4level_BranchN^ :取/似g_Re仰//汉中的ZeveZ-^SriOTCiAiv字段. msg RqsuIIn energy _ Branch:取/wsg —ReraZfv 中的e//ergy—5ra"c/ 』v字段； msg _ Re sultN nodes _ BranckN^ :取/mg _ ResaltN 中 ^nodes — BranchN字毁; 无线传感器网络中的任意一节点重复步骤202至步骤203，直至根节点sink收到来自其孩子队列liSt_Childrensink中所有节点的查询结果消息c謝re,w ;步骤204 :根节点sink计算网络相关信息 网络相关 目息是指网络 目息net_Info = {n, d, Eavg)和网络树度数k ；· 网络信息net_Info赋值网络节点总数η赋值为 Σ (msg—Result、sum_NodesN )，树的高度 d 赋值为Ni eiistChi Idren5iuk nui^(msg._ResultKi —level—Branch、)、网络中节点平均能量 Eavg 赋值为(msg—Result、sum_EnergyN )Ni eiist—Children 也 k·n网络树度数k赋值为|_^ 」;k的赋值计算过程为如果要建立一棵k叉树，k值的选定依据图论关于k叉树的知识确定对于一棵k叉树满足< η < kd-l，对不等式变形开d次方,近似得到灸=ifn + l ο
4.根据权利要求I所述的基于能耗均衡的无线传感器网络的数据融合树的建树方法，其特征在于树的剪枝与嫁接包括有下列步骤 步骤301 :根节点sink广播通知消息msg_Modify 步骤302 :剪枝嫁接操作判定任意一节点Nm第一次侦听到通知消息msg_Modify {Eavg, k}, 一方面根据树结构的通知消息中的网络节点平均能量Eavg、网络树度数k和Nm的初始能量Λ，按能量均衡最佳度分配关系il = kx^得到节点和能量相关的最佳度数τ, 另一方面依据最佳度τ,对建 _ 尽 *」κΝη;K、立初始树步骤I的初始树T_in进行剪枝或者是嫁接操作若节点Nni的(中num—Chlldren' < K、，则进行嫁接转入步骤305 ；若num ChildrenN >K^，则进行剪枝转入步骤 303 ，若_m ChildrenN = KNm ,任意一节点Nm不进行剪枝与嫁接处理； 步骤303 :剪枝操作 任意一节点Nm选择孩子队列Iisi — Chilciref、中的待剪技孩子个数man_ChildrenNm -的孩子节点，并以单播方式发送剪枝消息— ; 步骤304 :嫁接请求任意一节点Nm侦听到Ni单播给Nm的》Mg —C (v;，广播一个嫁接消息》wg —，该嫁接消肩仅在节点Nm —跳范围扩散； 歩骤305 :嫁接操作 任意一结点Nm侦听到Ni广播的嫁接消息《格—Gm/(v;;如果乂处于嫁接状态，则Nm同意节点Ni嫁接到Nm上成为Nm的孩子节点，一方面更新('Mjvw的字段ra w_赋值为 mmi _ ChildrenN +1 ;将孤落—Grafts {SenderN_}中的 SenderNi 加入到list — ChildrenNm中；另一方面，向Ni单播下达消息;如果Nm不处于嫁接状态，则丢弃/ 7^_(；/τ^ν继续侦听； 所述的单播下达消息msS — ackNiii {SenderNm，Re ceiver^，/喂}字段赋值Receiver、为Scndcrx ； fiag 赋值为 2 ； 步骤306 :嫁接确认 任意一节点Nm侦听到Ni单播给Nm的单播下达消息msg _ ACKn {SenderN , Re ceiverN , flag}，如果中的 f I a g 等于2时，一方面Nni更新msg _ACKNm并转发；另一方面更新CM、;msg_ ACKiim {SenderNm,Receiver^ , flag}字段更新是指 Receiver、赋值为CM x = [depth x ,num _ ('Iiildreny , Hsi _ ('Hildrenx , ptirenlj 的 parent v 节点；flag字段赋值为I ; CMx = <depth.^ ,num_('hildrenv Jisl — CiiHdmn、: , parent^ j字段更新为是指 武值为； 如果·g — jC^v; Cewtferjv^Recehw:v;，加g沖的 flag 等于 1，则 Nni 更新;(tM ν = {depth,· ,num Children Jisi Children^ , pa re n Ix } m Immmm )字段更新为mm_ChlIdrenx 赋值为num_Childrenκ -I ；并将msg _ ACKn [Sefiderv，ReCeiveriv_/7ag}中的Sewfervj从//幻_中删除. 网络中的任意一节点Nm持续步骤302-步骤306，直到节点Nm的num Children,时结束，或者Nm的等待时间7;，ΓΛ;ι = 4!，到达时结束，生成能 —Nm NmΛη/V耗均衡融合树T_EBS ;R表不传感器节点的通信半径，ν表不传感器的信号传输的速度。
全文摘要
本发明公开了一种基于能耗均衡的无线传感器网络的数据融合树的建树方法，采用了基本建树步骤(1)、基于树的网络信息采集步骤(2)和树的剪枝与嫁接步骤(3)。本发明的数据融合树建树方法考虑大多数节点的能量水平又兼顾能量偏离平均水平值的节点提出了能量均衡策略EBS。对初始树进行剪枝或者嫁接，实现了网络节点能耗均衡，保证通信开销与能量水平相当。
文档编号H04W52/34GK102892189SQ20121037067
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者蒲菊华, 陈尊, 唐晓岚, 陈佳, 马坤, 熊璋 申请人:北京航空航天大学深圳研究院