一种基于骨干节点构建传感网络的信息势域的方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于骨干节点构建传感器网络中信息势域的方法和系统。其中所述方法包括以下步骤：为传感器网络中的所有传感器节点设置信息强度值；从多个传感器节点中选择多个传感器节点以作为骨干节点，由骨干节点组成骨干网络，并且在骨干网络上执行雅克比迭代直到骨干网络收敛为止，从而确定每个骨干节点的信息强度值；根据骨干节点的信息强度值，采用拉格朗日插值法和双线性插值法，分布式地计算传感器网络中的普通传感器节点的信息强度值；在传感器网络内执行多次雅克比迭代，直到传感器网络收敛，以实现对传感器网络进行信息势域光滑处理，从而获得光滑的信息势域。
【专利说明】一种基于骨干节点构建传感网络的信息势域的方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线传感器网络的路由和导航【技术领域】，涉及分布式迭代技术，并且 具体涉及是一种基于骨干节点构建传感器网络的信息势域的方法和系统，可应用于小规模 及大规模的无线传感器网络中的信息势域的构建。
【背景技术】
[0002] 目前，无线传感器网络的一个重要应用是协助动态环境中的信息识别和导航，包 括将查询或数据包导航到源点。源点是指检测到感兴趣事件的传感器节点。随着传感器感 测能力的成熟，越来越多的无线传感器网络部署在自然环境中用于生态监控。在这种传感 器节点数量众多的大规模无线传感器网络中，基于本地节点的信息通过贪心决策来实现全 局目标的分布式算法受到越来越多的青睐。
[0003] -种满足上述要求的分布式策略是基于信息梯度的信息驱动的路由协议。 Mabrouki 等人在 ValueTools'07 会议上发表的 "Random walk based routing protocol for wireless sensor networks"提出了一种模仿自然界中的光和热的传播过程的信息梯 度，然而这种遵照自然规则构建的信息梯度不能提供理想的导航，由于该信息梯度存在局 部极值点和平坦区域会导致随机游走。局部极值点是指信息强度值高于所有邻居节点的信 息强度值的非源节点。
[0004] Han 等人在 2004 年的 Vehicular Technology 会议上发表的 "A novel gradient approach for efficient data dissemination in wireless sensor networks，'中提出根 据节点间的跳数距离构建信息梯度，然而，在这种模式下当网络拓扑改变时需要频繁地洪 范消息来保证信息梯度的精确性。
[0005] 为解决上述问题，Lin等人在IPSN'08会议上发表的"Composable information gradients in wireless sensor networks"中引入了一种无局部极值的人工信息梯度。 他们提出的信息梯度模式是通过求解调和函数得到信息势域。优选地，首先初始化边界点 (网络边缘节点）以及源点的信息强度值，然后通过执行雅克比迭代得到网络中其它节点 (非边界点及非源点）的信息强度值。当网络收敛时每个节点持有一个稳定的信息强度值 从而形成一个信息势域，该信息势域代表了用户感兴趣的事件从源点向四周扩散的强度。 基于该人工信息势域，用户只需沿着信息势的上升方向即可到达源点位置。然而他们提出 的构建信息势域的方法存在收敛速度慢、能耗大的问题。而且在传感器节点数量众多的大 范围网络中，很难兼顾迭代能耗及信息势域的质量，如果选择松弛的收敛条件网络可能出 现不收敛的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于骨干节点构建传感器网络 的信息势域的方法和系统，有效地降低迭代次数以及能量消耗，并且在大规模的和动态网 络中保持信息势域的支持本地贪心路由的特性。优选地，动态网络是指在传感器网络中源 点的出现和消失是一种动态的随机过程。
[0007] 本发明中的网络是一个长为1宽为h的2维矩形区域，传感器节点均匀地分布在 整个网络中，形成一个规则的网格型网络拓扑，网络包括边界节点和内部节点。该网络可建 模为一个无向图，每个内部节点都有4个邻居节点，边界节点有2或3个邻居节点。
[0008] 为了达到上述目的，根据本发明的一个方面，提出一种基于骨干节点构建传感器 网络的信息势域的方法，其中所述传感器网络包括多个传感器节点，所述多个传感器节点 之间采用分层的网格状连接方式进行连接，所述方法包括以下步骤：
[0009] (1)为传感器网络中的每个传感器节点设置信息强度值；
[0010] (2)从所述多个传感器节点中选择传感器节点以作为骨干节点，由骨干节点组成 骨干网络，并且在骨干网络上执行雅克比迭代直到骨干网络收敛为止，从而确定每个骨干 节点的信息强度值；
[0011] (3)根据骨干节点的信息强度值，采用拉格朗日插值法和双线性插值法，分布式地 计算传感器网络中的普通传感器节点的信息强度值；
[0012] 其中普通传感器节点是传感器网络中除了骨干节点、源传感器节点以及边界传感 器节点以外的其它传感器节点，其中源传感器节点是感测到感兴趣事件的传感器节点，边 界传感器节点是指位于传感器网络边缘的传感器节点；
[0013] (4)在传感器网络内执行雅克比迭代，直到传感器网络收敛为止，以实现对传感器 网络的信息势域进行光滑处理，从而获得光滑的信息势域。
[0014] 根据本发明的另一方面，提出一种基于骨干节点构建传感器网络的信息势域的系 统，其中所述传感器网络包括多个传感器节点，所述多个传感器节点之间采用分层的网格 状连接方式进行连接，所述系统包括：
[0015] 强度值设置单元，为传感器网络中的所有传感器节点设置信息强度值；
[0016] 骨干节点选择单元，从多个传感器节点中选择传感器节点以作为骨干节点，由骨 干节点组成骨干网络；
[0017] 信息强度值计算单元，在骨干网络上执行雅克比迭代直到骨干网络收敛为止，从 而确定每个骨干节点的信息强度值；并且根据骨干节点的信息强度值，采用拉格朗日插值 法和双线性插值法，分布式地计算传感器网络中的普通传感器节点的信息强度值；其中普 通传感器节点是传感器网络中除了骨干节点、源传感器节点以及边界传感器节点以外的其 它传感器节点，其中源传感器节点是感测到感兴趣事件的传感器节点，边界传感器节点是 指位于传感器网络边缘的传感器节点；
[0018] 信息势域生成单元，在传感器网络内执行雅克比迭代，直到传感器网络收敛为止， 以实现对传感器网络的信息势域进行光滑处理，从而获得光滑的信息势域。
[0019] 优选地，可以由信息强度值计算单元在在传感器网络内执行雅克比迭代，直到传 感器网络收敛为止，并且由信息势域生成单元生成光滑的信息势域并输出给用户。
[0020] 优选地，本发明的基于骨干节点的轻量级构建信息势域的方法包括：
[0021] (1)初始化设置所有节点的信息强度值。源点的信息强度值固定为最大值强度 值φ_ = 100,边界节点的信息强度值固定为0,其他内部节点的初始化信息强度值设为 Φ°(ιι) =0.1。源点是指感测到感兴趣事件的传感器节点，边界节点是指位于网络边缘的 传感器节点。
[0022] (2)在骨干网络上执行雅克比迭代直到骨干网络收敛，具体包括：
[0023] 2a)在整个网络范围内逐层选取节点作为骨干节点。首先将源点选为骨干节点，然 后将源点四周的相隔2跳的4个节点选择为骨干节点，再分别由该4个骨干节点在四周相 隔2跳的位置选取一个节点作为骨干节点，直到最后一层骨干节点到达网络边界，所有的 骨干节点形成一个骨干网络。
[0024] 2b)从源点的四个邻居骨干节点开始，逐层向外执行雅克比迭代。每个 骨干节点根据其邻居骨干节点的信息强度值〇 k(u)，分布式地执行雅克比迭代
【权利要求】
1. 一种基于骨干节点构建传感器网络的信息势域的方法，其中所述传感器网络包括多 个传感器节点，所述多个传感器节点之间采用分层的网格状连接方式进行连接，所述方法 包括以下步骤： (1) 为传感器网络中的每个传感器节点设置信息强度值； (2) 从所述多个传感器节点中选择传感器节点以作为骨干节点，由骨干节点组成骨干 网络，并且在骨干网络上执行雅克比迭代直到骨干网络收敛为止，从而确定每个骨干节点 的信息强度值； (3) 根据骨干节点的信息强度值，采用拉格朗日插值法和双线性插值法，分布式地计算 传感器网络中的普通传感器节点的信息强度值； 其中普通传感器节点是传感器网络中除了骨干节点、源传感器节点以及边界传感器节 点以外的其它传感器节点，其中源传感器节点是感测到感兴趣事件的传感器节点，边界传 感器节点是指位于传感器网络边缘的传感器节点； (4) 在传感器网络内执行雅克比迭代，直到传感器网络收敛为止，以实现对传感器网络 的信息势域进行光滑处理，从而获得光滑的信息势域。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述为传感器网络中的每个传感器节点设置信息 强度值包括： 将源传感器节点的信息强度值设置为信息强度值的最大值φ_ = 100,将边界传感器 节点的信息强度值设置为0,并且将除源传感器节点和边界传感器节点之外的其他传感器 节点的信息强度值初始化设置为Φ°(11) = 0. 1 ; 其中从所述多个传感器节点中选择传感器节点以作为骨干节点：在传感器网络中的多 个传感器节点中均匀地选择多个传感器节点以作为骨干节点。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中 从所述多个传感器节点中选择传感器节点以作为骨干节点，由骨干节点组成骨干网络 包括： 在传感器网络内逐层选取传感器节点作为骨干节点，具体包括： 首先，将源传感器节点选择为骨干节点， 然后将与源传感器节点相隔2跳的4个传感器节点选择为骨干节点， 再分别由所选的4个骨干节点分别将与其各自相隔2跳的4个传感器节点选择为骨干 节点，直到最后一层骨干节点到达传感器网络的边界， 最后将边界传感器节点选择为骨干节点；以及 将所有骨干节点形成骨干网络。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中 所述在骨干网络上执行雅克比迭代直到骨干网络收敛为止，从而确定每个骨干节点的 信息强度值包括： 在骨干网络中，从源传感器节点的四个邻居骨干节点开始，逐层向外执行雅克比迭代， 其中执行雅克比迭代包括：每个骨干节点根据其邻居骨干节点的信息强度值，分布式 地执行雅克比迭代 从而计算新的信息强度值Ck+1 (U)，其N(u)是骨干节点u的所有邻居骨干节点的集合， d(u)是骨干节点u的度数，其中d(u) = 4 ;如果新的信息强度值〇k+1(u)与上一次计算的 信息强度值〇k(u)的差值小于阈值，则不执行本次雅克比迭代； 其中，源传感器节点和边界传感器节点不进行雅克比迭代； 其中每个骨干节点在执行雅克比迭代的过程中，对信息强度值进行保存或删除，将骨 干节点的每m个历史信息强度值作为一组进行保存，其中每个组形成一个数据序列以= {Φη，Φ?2 L Φ?π}，其中m=10，i是大于等于1的自然数，其中每个骨干节点基于数据序 列Di采用三次样条插值法计算序列的极限值〇 m+1，并使用〇m+1替代骨干节点的当前信息 强度值，清空骨干节点的内存；并且继续执行雅克比迭代，直到骨干网络收敛为止； 其中骨干网络收敛的条件是骨干网络中没有需要执行雅克比迭代的骨干节点，包括： 每个骨干节点u基于邻居骨干节点上一次的信息强度值〇k(u)，与采用雅克比迭代计算得 到新的信息强度值〇 k+1(u)的差值小于阈值时，该骨干节点不执行迭代，即当满足 (Vw) | ΦΑ+Ι (?/)-Φ" (u) \< {ΦΑ+, (?/),ΦΑ，(u)} 时，则雅克比迭代终止；其中ε =0.01%并且k为自然数； 其中在整个迭代过程中源传感器点和边界传感器节点的信息强度值固定不变，不执行 雅克比迭代； 其中如果在执行一组雅克比迭代时，骨干网络已经收敛，则不用执行其余组雅克比迭 代； 其中每个骨干节点利用本地历史信息强度值，分析数据集D= {ΦρΦ2 L Φπ}中信息 强度值的变化规律； 对于数据集Di = {Φη，Φ12?Φ1π}，用（m-1)段三次多项式在m个数据点之间构建三次 样条，采用三次样条插值法计算序列Di的极限值〇m+1，并使用〇m+1替代该骨干节点的当前 信息强度值，清空该骨干节点的内存； 其中m为大于1的自然数。
5.根据权利要求1所述的方法，其中 传感器网络收敛的条件是传感器网络内任意传感器节点不需要执行雅克比迭代，其 中传感器节点不执行迭代的条件是该传感器节点采用雅克比迭代式计算的新信息强度值 〇k+1(u)与旧值Φ?的差值小于阈值，贝1J继续使用旧值，不执行本次迭代；其中整个网络 收敛的条件为 (Vw) | Φ々+1 (Μ)-Φλ (W) |< {Φ々 + 1 (Μ),Φ々⑷} 其中 ε = 〇· 01% ; 其中，光滑的信息势域是不存在局部极值点且不存在平坦区域的信息势域，局部极值 点是指传感器网络中存在所具有的信息强度值大于所有邻居节点的信息强度值的非源传 感器节点；平坦区域是指传感器网络中两个或两个以上传感器节点具有相等的信息强度 值。
6. -种基于骨干节点构建传感器网络的信息势域的系统，其中所述传感器网络包括多 个传感器节点，所述多个传感器节点之间采用分层的网格状连接方式进行连接，所述系统 包括： 强度值设置单元，为传感器网络中的所有传感器节点设置信息强度值； 骨干节点选择单元，从多个传感器节点中选择传感器节点以作为骨干节点，由骨干节 点组成骨干网络； 信息强度值计算单元，在骨干网络上执行雅克比迭代直到骨干网络收敛为止，从而确 定每个骨干节点的信息强度值；并且根据骨干节点的信息强度值，采用拉格朗日插值法和 双线性插值法，分布式地计算传感器网络中的普通传感器节点的信息强度值；其中普通传 感器节点是传感器网络中除了骨干节点、源传感器节点以及边界传感器节点以外的其它传 感器节点，其中源传感器节点是感测到感兴趣事件的传感器节点，边界传感器节点是指位 于传感器网络边缘的传感器节点； 信息势域生成单元，在传感器网络内执行雅克比迭代，直到传感器网络收敛为止，以实 现对传感器网络的信息势域进行光滑处理，从而获得光滑的信息势域。
7. 根据权利要求6所述的系统，其中所述强度值设置单元还进行： 将源传感器节点的信息强度值设置为信息强度值的最大值Φ_ = 100,将边界传感器 节点的信息强度值设置为〇,并且将除源传感器节点和边界传感器节点以外的其他传感器 节点的信息强度值初始化设置为Φ°(ιι) = 0. 1 ;其中在传感器网络中的多个传感器节点中 均匀地选择多个传感器节点以作为骨干节点。
8. 根据权利要求6所述的系统，其中所述骨干节点选择单元还进行： 在传感器网络内逐层选取传感器节点作为骨干节点，具体包括： 将源传感器节点选择为骨干节点， 将与源传感器节点相隔2跳的4个传感器节点选择为骨干节点， 分别由所选的4个骨干节点分别将与其各自相隔2跳的4个传感器节点选择为骨干节 点，直到最后一层骨干节点到达传感器网络的边界， 将边界传感器节点选择为骨干节点；以及 将所有骨干节点形成骨干网络。
9. 根据权利要求8所述的系统，其中所述信息强度值计算单元还进行： 在骨干网络中，从源传感器节点的四个邻居骨干节点开始，逐层向外执行雅克比迭代， 其中执行雅克比迭代包括：每个骨干节点根据其邻居骨干节点的信息强度值，分布式 地执行雅克比迭代 Φ" + 1(^)^^-V Φ'(ν) 从而计算新的信息强度值Ck+1 (U)，其N(u)是骨干节点u的所有邻居骨干节点的集合， d(u)是骨干节点u的度数，其中d(u) = 4 ;如果新的信息强度值〇k+1(u)与上一次计算的 信息强度值〇k(u)的差值小于阈值，则不执行本次雅克比迭代； 其中，源传感器节点和边界传感器节点不进行雅克比迭代； 其中每个骨干节点在执行雅克比迭代的过程中，对信息强度值进行保存或删除，将骨 干节点的每m个历史信息强度值作为一组进行保存，其中每个组形成一个数据序列Di = {Φη，Φ?2 L Φ?π}，其中m=10，i是大于等于1的自然数，其中每个骨干节点基于数据序 列Di采用三次样条插值法计算序列的极限值〇 m+1，并使用〇m+1替代骨干节点的当前信息 强度值，清空骨干节点的内存；并且继续执行雅克比迭代，直到骨干网络收敛为止； 其中骨干网络收敛的条件是骨干网络中没有需要执行雅克比迭代的骨干节点，包括： 每个骨干节点u基于邻居骨干节点上一次的信息强度值〇k(u)，与采用雅克比迭代计算得 到新的信息强度值〇 k+1(u)的差值小于阈值时，该骨干节点不执行迭代，即当满足 (Vw) | Φ々十 1 (w)-Φ/ι：⑷ |< {Φ"ι ?Φλ (w)} 时，则雅克比迭代终止；其中ε =0.01 %并且k为自然数； 其中在整个迭代过程中源传感器点和边界传感器节点的信息强度值固定不变，不执行 雅克比迭代； 其中如果在执行一组雅克比迭代时，骨干网络已经收敛，则不用执行其余组雅克比迭 代； 其中每个骨干节点利用本地历史信息强度值，分析数据集D= {ΦρΦ2 L Φπ}中信息 强度值的变化规律； 对于数据集Di = {Φη，Φ12 L Φ1π}，用（m-1)段三次多项式在m个数据点之间构建三 次样条，采用三次样条插值法计算序列Di的极限值〇m+1，并使用〇m+1替代该骨干节点的当 前信息强度值，清空该骨干节点的内存； 其中m为大于1的自然数。
10.根据权利要求6所述的系统，其中所述信息势域生成单元还进行 传感器网络收敛的条件是传感器网络内任意传感器节点不需要执行雅克比迭代，其 中传感器节点不执行迭代的条件是该传感器节点采用雅克比迭代式计算的新信息强度值 〇k+1(u)与旧值Φ?的差值小于阈值，贝1J继续使用旧值，不执行本次迭代；其中整个网络 收敛的条件为 (Vw) | Φ/,+1 (^)-ΦΑ' [u) |< {Φ/<+] (^),Φ;'' (w)} 其中 ε = 〇· 01% ; 其中，光滑的信息势域是不存在局部极值点且不存在平坦区域的信息势域，局部极值 点是指传感器网络中存在所具有的信息强度值大于所有邻居节点的信息强度值的非源传 感器节点；平坦区域是指传感器网络中两个或两个以上传感器节点具有相等的信息强度 值。
【文档编号】H04W84/18GK104270795SQ201410471730
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2014年9月16日
【发明者】杜军朝, 刘惠, 刘思聪, 徐驰, 田世变, 王凯, 李曙聪, 王增祥, 王探云, 韩路, 许仓, 李晨, 顾亚文 申请人:西安电子科技大学