无线传感器网络语义敏感的任务扩散分配算法
【专利摘要】本发明提供了语义敏感的异质无线传感器网络多任务扩散分配算法。本发明将网络关注的语义信息作为对象实体，对网络多个不同的应用采用结构化数据表示构成不同的网络任务。Sink采用泛洪的方式向全网广播任务，网络节点基于任务的内容分为非数据区和数据区节点，非数据去区节点转发任务，数据区节点根据地理位置信息分解任务。泛洪中依据分组到达的先后建立节点上下级关系。数据区节点根据自身剩余能量的因素先后广播其所能完成的任务，上级节点基于接收到的任务之间的关系确定下级节点的任务，从而建立网络路由。在传输阶段，网络基于节点状态的变化采用路由建立过程中方法进行路由的调整，实现网络生存期的最大化。
【专利说明】无线传感器网络语义敏感的任务扩散分配算法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线传感器网络路由技术和普适计算的语义敏感【技术领域】，是两个【技术领域】的交叉融合。
【背景技术】
[0002]路由技术是无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)中的关键性网络技术，目前已有大量的路由算法，主要可分为平面式、分层式以及基于地理位置信息三大类型。平面路由协议主要代表的有SPIN、Directed diffusion和Rumor routing,这类路由中节点所处的地位都相同。他们互相协作，完成感知和传输的任务。其中，Directeddiffusion是平面路由中具有代表性的协议，该协议按照路由经过每个节点计算整个路由的梯度，从而可以在多条路径中选择一条传输数据率高的路由。层次路由协议以LEACH、PEGASIS, TEEN和APTEEN为主要代表。层次路由协议将整个网络划分若干层或者簇(cluster),每个簇中选举一个节点作为簇头与Sink进行通信,LEACH协议将节点划分为不同的簇后，簇头对簇内节点进行统一的时隙分配，使用TDMA策略，簇内节点数据先传给簇头，由簇头传递给Sink。依靠地理位置的路由协议主要有Geographic Adaptive Fidelity(GAF)和 Geographic and Energy Aware Routing (GEAR)等。在这类路由协议中，假设已知传感器节点的地理位置的信息，并且可以由相互之间接收到的信号强弱来判断节点间的距离，为节省能量，基于位置的路由协议将部分暂时不活动的节点休眠。
[0003]这些路由技术充分考虑了 WSN能耗敏感的要求，以及WSN节点密集分布从而节点数据具有较大相关性的特点，从数据处理和传输的角度寻找适合WSN要求和特点的路由。但这些路由技术没有充分考虑到WSN网络面向具体应用的特点，网路应用相对单一和明确，没有从应用本身入手，网络节点在传输和处理数据时并不了解数据所体现的应用含义和意义。本发明针对WSN的资源受限的特性，从普适计算领域中的语义敏感计算的角度出发，设计了异质WSN中综合应用层和路由层的语义敏感的多sink多任务扩散路由算法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供无线传感器网络多sink多任务语义敏感的任务扩散分配算法，建立相应的路由及其局部调整的方法，显著地节省节点的能量，延长网络生存期。
[0005]本发明算法的路由建立分为三大步骤:任务扩散，路径建立和稳定传输。
[0006]步骤I任务扩散
[0007]1:由sink节点发布任务。选取sink节点的位置为网络的(0，0)坐标，定期发布任务信息，该任务信息属于应用语义描述的一部分。
[0008]2:任务信息通过泛洪方式发送全网。在任务信息泛洪的过程中，任务区域外(也称非数据源区域)的节点转发该任务信息。所有节点不转发重复的任务信息。
[0009]3:任务区域内(也称数据源区域)的节点依据任务的语义描述拆分任务，更新任务信息的内容。节点以列表的方式记录所接收的任务信息，作为后续处理的依据(该信息也属于应用语义描述的一部分)。
[0010]4:当节点记录了一个新的任务信息后，对于数据源区域的节点，设立数据采集的开始时间和采集周期。
[0011]5:当任务拆分终止时，扩散结束。
[0012]步骤2路径建立
[0013]1:任务扩散结束后，网络中节点明确网络应用，建立了任务信息列表，网络进入路径建立阶段。数据源区域和非数据源区域的路径建立采取不同方式。
[0014]2:在任务区域内的节点，路径采用分级建立的方式:
[0015](I)节点获得满足当前任务要求的信息后，向发布此子任务的上级节点发送任务数据。
[0016](2)下级节点需要依能力(与节点的能量、任务信息的获取能力等相关)竞争成为子任务的承担者；
[0017](3)上级节点根据接收到任务数据的先后，为每个子任务指定唯一的任务承担者。同时节点记录该任务数据的信息，当收到由其它节点发送的同一任务数据的信息时，向其发送停止发送控制包，通知该节点取消任务。
[0018]3:在任务区域外的节点不进行任务拆分，依据任务列表记录中上级节点到达的先后，选取下一跳节点。节点向发送了重复任务数据信息的节点发出停止发送控制分组，通知该节点取消任务。
[0019]4:最后，任务区域内的节点形成一条满足应用要求的任务采集路径。sink所需的任务信息由任务区域内的节点采集并处理之后，通过任务区域外的节点逐跳传回给sink。
[0020]步骤3稳定传输
[0021]1:路径建立完成后，网络进入稳定传输阶段。任务信息定期地沿已确立的路径传送回sink节点。
[0022]2:随后，网络可以一直保持稳定传输状态，直到sink发布新任务重新开始路由建立的过程。本发明的有益效果:本发明采用语义敏感方法表示和处理网络应用，传感器节点具有语义敏感的处理能力。节点基于对应用语义的敏感应用的方法处理传输的数据，同时获得节点及网络状态的相关信息，具有自我控制和调节的能力，从而有效地提供了对数据处理和传输的有效性，极大地节省了节点能量，延长了网络生存期。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是语义信息的数据结构；
[0024]图2是基于地理位置的任务拆分；
[0025]图3是任务扩散时的拆分及控制流程图；
[0026]图4是节点发送任务数据信息的方法；
[0027]图5是节点接收到任务数据后的处理方法；
[0028]图6是节点接收到控制信息后的处理方法。
【具体实施方式】
[0029]步骤I任务扩散[0030]1:任务信息包括:
[0031](I)节点自身的语义信息:节点的ID，节点的位置，节点的当前能量，节点可以获取的数据类型及数据值，节点的状态(监听、工作或休眠)，节点的任务信息。
[0032](2)用户/sink指定的感知任务的信息:任务的范围，所需数据类型，采样周期，有效期，任务的编号，任务的等级，任务的状态。
[0033](3)网络语义信息:节点的通信半径，节点的有效感应半径，节点的最大任务负荷值。
[0034]表2给出了上述语义信息的内容与获取方式的关系。
[0035]表1语义信息的获取方式
[0036]
【权利要求】
1.无线传感器网络语义敏感多Sink多任务扩散分配算法，其特征是: 1)任务扩散 (1)由sink节点发布任务:令sink节点位于网络的(0,0)坐标处,定期发布任务信息，该任务信息属于应用语义描述的一部分； (2)任务信息通过泛洪方式发送全网；在任务信息泛洪的过程中，任务区域外(也称非数据源区域)的节点转发该任务信息，所有节点不转发重复的任务信息； (3)任务区域内(也称数据源区域)的节点依据任务的语义描述拆分任务，更新任务信息的内容；节点以列表的方式记录所接收的任务信息作为后续处理的依据(该信息也属于应用语义描述的一部分)； (4)当节点记录了一个新的任务信息后，对于数据源区域的节点，需要设立数据采集的开始时间和米集周期； (5)当任务拆分终止时，扩散阶段结束； 2)路径建立 (1)任务扩散结束后，网络中节点明确网络应用，建立了任务信息列表，网络进入路径建立阶段；数据源区域和非数据源区域的路径建立采取不同方式； (2)在任务区域内时，路径 采用分级建立的方式: (2-1)节点获得满足当前任务要求的信息后，向发布此子任务的上级节点发送任务数据； (2-2)下级节点需要依能力(与节点的能量、任务信息的获取能力等相关)竞争成为子任务的承担者； (2-3)上级节点根据接收到的任务数据的先后，为每个子任务指定唯一的任务承担者；同时节点记录该任务数据的信息，当收到由其它节点发送的同一任务数据的信息时，向其发送停止发送控制包来通知该节点取消任务； (3)在任务区域外时，节点不进行任务拆分，依据任务列表记录中的上级节点到达先后选取下一跳节点；节点向发送了重复任务数据信息的节点发出停止发送的控制包，通知该节点取消任务； (4)最终，任务区域内的节点形成一条满足应用要求的任务采集路径；sink所需的任务信息由任务区域内的节点采集并处理之后，通过任务区域外的节点逐跳传回给sink ； 3)稳定传输 (1)路径建立完成后，网络进入稳定传输阶段；任务信息定期地沿已确立的路径传送回sink节点； (2)随后，网络可以一直保持稳定传输状态，直到sink发布新任务重新开始路由建立的过程。
2.结合权利要求1的任务扩散算法，其特征是: 1)sink广播任务扩散数分组cT_D ； 2)接收到cT_D的节点: 2-1)若是sink节点，丢弃分组； 2-2)若是一般节点，则获取当前任务范围，判断自己是否在此范围内，进入3)； 3)上级节点判断出自己是否在任务范围之内；；4-1)若是，判断节点位置与任务范围的关系以决定是否接受任务，以及是否拆分任务和如何拆分； 4-2)若否，若当前节点在任务范围之内，判断是否需要拆分任务，若需要拆分，则获取拆分坐标。 4)获得当前任务描述current_task； 5)判断是否接收过该任务: 5-1)若是，将该上级节点信息加入到该任务表项的上级节点列表中； 5-2)若否，进入6)； 6)添加该任务表项,并将该节点添加到上级节点列表中； 7)判断当前任务列表是否已满: 7-1)若超过了节点可以存储的任务个数，丢包； 7-2)若否，进入8)； 8)若需要拆分任务，判定所需的子任务编号。考虑上级节点的位置，来调整所需子任务的编号及拆分的标志，然后将任务加入任务列表中； 9)判断是否在任务区域内，在任务区域内的节点启动感应定时器采集数据； 10)判断任务是否拆分完毕: 10-1)若否，继续扩散任务，进入2)； 10-2)若是，任务扩散结束。
3.结合权利要求1的节点发送任务数据信息的方法，其特征是: 1)节点设置的感应定时器到期，开始数据采集； 2)察看当前任务列表中任务是否都被禁用: 2-1)若是，直接跳出； 2-2)若否，重新启动感应定时器； 3)获取当前数据； 4)遍历任务列表，获取任务表项； 5)查询该任务是否被禁止: 5-1)若是，回到4)； 5-2)若否，进入6)； 6)判断该任务是否需要此节点的数据: 6-1)若否，回到4)； 6-2)若是，进入7)； 7)对该节点的数据依据事件模型进行封装，并入栈缓存； 8)查询当前任务是否被拆分； 8-1)若否，进入9)； 8_2)若是，进入11)； 9)查询上级节点列表，为可用的上级节点启动发送数据定时器，表中位置靠前的上级节点等待发送的时间较短。 10)节点接收到DATA类型的数据包； 11)查询节点缓存中的任务数据列表；12)是否已经获得全部所需的数据: 12-1)若否，根据剩余数据的多少，修改此任务的超时定时器的调度时间； 12-2)若是，将这些数据处理，按照事件模型封装为上级节点所需要的子任务，进入
9)。
4.结合权利要求1的节点接收到任务数据后的处理方法，其特征是: 1)节点接收到DATA数据包； 2)获取到任务信息对象； 3)查询节点扩展信息对象中的任务表: 4)判断是否需要添加该节点到自己的下级节点列表中； 4_1)若是，进入5)； 4-2)若否，进入7)； 5)遍历任务列表，获取任务表项； 6)除sink节点外,其余节点查询当前任务是否被禁止: 6-1)若是，进入7)； 6-2)若否，进入8)；7)修改下级节点状态为禁用，并向此下级节点发送抑制发送重复数据的信息cS_S； 8)查询节点扩展信息中的历史/当前数据对象，判断否接收过该子任务的信息； 8-1)若是，进入7)； 8-2)若否，进入9)； 9)将该任务数据对象入栈；10)若处于路径建立阶段，则为当前的任务广播抑制发送重复数据的信息cS_S； 11)若为sink节点，则不需要转发数据包，丢包跳出； 12)查询当前任务是否被拆分: 12-1)若否，进入13)； 12-2)若是，进入14)。 13)查询上级节点列表，为可用的上级节点启动发送数据包的定时器，时间与节点顺序相关，然后进入I);14)查询节点扩展信息中的当前数据对象，判断是否已经获得全部所需的数据: 14-1)若是，将数据信息处理后按任务数据对象要求封装为上级节点所需要的子任务；然后进入13)； 14-2)若否，根据剩余数据的多少，修改此任务的超时定时器的调度时间。
5.结合权利要求1的节点接收到STOP后的处理方法，其特征是: 1)接收到STOP数据包； 2)由任务ID定位该任务表项，当如任务状态是否可用: 2-1)若是，进入3)； 2-2)若否，结束处理 ； 3)遍历当前任务表项的上级节点列表，判断是否全部的上级节点状态都为禁用: 3-1)若否，结束处理； 3-2)若是，进入4)；4)设置该任务表项中的状态为禁用，查询该任务表项的下级节点列表； 5)是否存在活跃的下级节点: 5-1)若否，结束处理； 5-2)若是，进入6)； 6)向活跃的下级节点发送抑制发送重复数据的信息cS_S； 7)节点接收到cS_S； 8)获得任务ID，上级节点ID和子任务编号； 9)判断是否为广播: 9-1)若否，接入10)； 9-2)若是，进入12)； 10)遍历任务列表,及任务表项中的上级节点列表，由节点ID,任务ID,定位到该上级节点，禁用它； 11)若该上级节点为任务区域之外的节点(即任务编号为-1)，则需要向其活跃的下级节点列表发送cS_S。否则，再对该任务中的其他相关节点做处理，丢弃该接收到的数据包； 12)判断是否为被上级节点选中的下级节点: 12-1)若是，丢弃该接收到的数据包； 12-2)若否，遍历任务列表，及任务表项中的上级节点列表，由节点ID，任务ID，任务编号，定位到该上级节点，禁用它，并取消数据发送定时器，再对该任务中的其他相关节点做处理,并丢弃该接收到的数据包。
【文档编号】H04W40/02GK103702385SQ201410016403
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2014年1月14日 优先权日:2014年1月14日
【发明者】熊庆旭, 仲盈 申请人:北京航空航天大学