一种基于数据聚合的传输调度时隙分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线传感网络领域的数据传输调度方法，尤其是一种基于数据聚合的 传输调度时隙分配方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感网络是物联网的重要基础技术之一，是物联网中信息的获取渠道，为物 联网提供了主动感知物理世界的手段。
[0003] 在无线传感网络中，数据传输调度策略直接影响到网络系统的运行效率和服务质 量。目前，大部分基于数据聚合技术的数据传输调度都是采用如下过程：叶子节点在其调度 时隙将其感知数据聚合成一个数据包进行发送；汇聚节点将其感知和接收的其它节点的数 据聚合成一个数据包，在其调度时隙发送给其父节点；Sink节点将会接收其一跳子节点发 送的数据包。大多数文章研究的都是W降低传输能耗与延迟为目标的数据传输调度问题。 对于面向传输能量最优的数据传输调度算法，其目的为使收集全网数据所消耗的节点的数 据传输能量最小；对于面向传输延迟最优的数据传输调度算法，其目标为使汇聚节点收集 全网数据的延迟最小。
[0004] 近年来，在无线传感网研究领域中，传统的数据获取方式主要有两种：一、面向原 始数据收集的数据获取方式。如果数据完全不相关，则它们不能被汇聚。传感网中的中继 节点只是对传输路径中的上一跳邻居节点传输过来的数据包进行中继转发，并不对数据包 的感知数据部分进行处理。因此该种方式我们也常常叫做数据收集。二、面向数据聚合技 术的数据获取方式。如果多个数据完全相关，则它们可W被汇聚为一个数据。在无线传感 网数据聚合过程中，网络中继节点在收到传输路径中的上一跳邻居节点传输过来的数据包 后，并不是立即对数据包进行中继转发，而是对收集到的上游节点的感知数据与自己感知 到的数据进行聚合计算操作，然后把聚合计算得到结果封装到一个数据包中，再进行数据 包的转发。被汇聚的数据数量越多，节点需要通信的数据量越少，反之亦然。由于通信是节 点最重要的能耗因素，因此数据聚合能够有效地减少网络中所需传输的数据量，降低数据 传输能耗。数据聚合技术由于其在数据传输能量效率方面具有显著优势，因而得到了广泛 的关注。
[0005] 综上所述，在数据传输调度中无论是采用数据聚合（N个节点聚合成1个数据包） 还是采用数据收集（N个节点聚合成N个数据包），该两种方式都是理想的一种状态，在实际 应用中，大多数情况是做不到的。聚合后的数据包都只考虑了边界值1或N，而没有考虑N 个节点聚合成m个数据包，即1-N之间的情况。
[0006] 因此急需提出一种能解决N个节点可W聚合成[l，n]之间个数的数据包的数据传 输调度方法，也是更合乎实际情况的方法。
【发明内容】
[0007] 本发明提供一种基于数据聚合的传输调度时隙分配方法，能保持了较好的性能， 且更适合无线传感器网络的实际，适合于依据不同聚合率的数据聚合传输。
[000引为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0009] 一种基于数据聚合的传输调度时隙分配方法，包括如下步骤：
[0010] 步骤一、为网络中的节点构建聚合集合；根据聚合率r，r，rGR&rG(0, 1)，根据 公式eA/',,,li用TX"z= 1计算出节点聚合数m的值，取m个节点尽量凑成整数个数据包 进行聚合；
[0011] 步骤二、调度时隙分配；从最后一层到第一层，依次考虑每一层的每一个节点，若 该节点尚未分配时隙，则找到该节点所在的聚合集合，并为该聚合集合内所有的节点分配 尽早开始的时隙。接着再考虑本层的每一个节点，如果节点有孩子节点，根据该节点和其 孩子节点是否在同一个聚合集合中来给该节点分配时隙转发其孩子节点最终的聚合结果。
[0012] 优选地，步骤一中，聚合方式具体为；按照拓扑树结构从下往上的顺序，依次考 虑每一层的每一个节点，如果当前节点不在任何聚合集合中，则把它加入一个聚合集合 中.计算该个聚合集合包含的节点的个数L如果L小于m，且父亲节点不为sink,则把该 个节点的父亲节点加进该个聚合集合；又计算该个聚合集合包含的节点的个数L如果L小 于m，把该个节点的兄弟节点加进该个聚合集合；再次计算该个聚合集合包含的节点的个 数以如果L仍然小于m，设置该个节点的父亲节点为当前节点；重复上述过程直到L和m相 等，或者节点的父亲节点为sink,或者节点的父亲节点已经存在于某个聚合集合中。
[0013] 优选地，步骤二中，非汇聚节点分配其子节点个数+1个时隙，汇聚节点分配一个 时隙用来聚合所有的子节点的数据，集合内的中继节点不聚合，而是转发同一集合内子节 点的数据。所W充分利用了远sink区域的能量，增加了网络的能量利用率。然而近sink 区域的第一层节点因为都是聚合节点，所W在该个区域的数据因为聚合而需转发的数据量 大大减少，增加了网络寿命。
[0014] 本发明的有益效果是：本发明解决了传统无线传感网络中数据聚合形式单一的情 况，并且时隙有效利用率更大，网络寿命更长，sink的数据接收量更大，网络的能量利用率 更高，在很多工业、农业等实际问题上具有一定的指导意义。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明所述方法的流程图；
[0016] 图2为给节点构造聚合集合的流程图；
[0017] 图3为给节点分配调度时隙的流程图；
[0018] 图4为一个传感器网络各节点组成的拓扑结构图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图及实例，对本发明做进一步说明。
[0020] 如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种数据聚合传输调度时隙分配方法，其 目的在于，克服现有技术中聚合后的数据包为1或N的两种单一的理想情况，该方法包括W 下步骤。
[0021] 步骤1 ;构建聚合树101 ;
[0022] 在一个无线传感器网络结构中，随机部署n个传感器节点，利用BFS算法生成n个 节点到基站的聚合树。再利用最小跳数路由算法使每个节点获得到达基站的跳数，基站的 层次为0,距离基站跳数为k的所有节点都组成第k层。
[002引步骤2 ;建立数据聚合模型102 ;
[0024] Sink节点汇聚的数据来自于其一跳子节点，而一跳子节点聚合自身节点信息和其 它节点发来的信息后发送给Sink节点。数据的聚合是由叶子节点到中继节点，然后逐跳汇 聚到Sink节点。
[0025] 网络应该有针对网络中数据汇聚的情况适当调整节点的协作方式W保存能量的 能力。由于并不是所有数据均能够被汇聚或多次汇聚，因此本发明针对该种情况给出数据 聚合模型，如式（1) (2) (3)所示。
[0026] 数据聚合只在原始数据包中进行，而聚合后的数据则不再重复聚合，该样通过一 定的聚合既减少了通信的数据信息量，保证了网络能量，又不至于过多重复的聚合导致数 据的失真。同时增加了非hotspots区域的非聚合节点，其数据传输所需的数量不仅不比近 Sink少，反而比近Sink区域的数据传输所需的数量大，充分利用了远Sink区域节点的剩余 能量，使整个网络的能量利用率提高。在我们给出的聚合模型中，0i表示节点i的原始数 据包，口表示节点i从节点j接收到的数据包，4康示节点i聚合自身的节点与接收到的 子节点的信息的最终的聚合结果。我们假设一个传感器节点在一个调度周期只感应一个数 据包，每个数据包都有相同大小的尺寸，每个节点都要发送自身感应的数据。
[0027] 当节点i从节点j接收数据口,，，如果节点i的数据是〇1，来自于节点j的数据 是口W= ?也就是说节点i接收的数据是原始数据，则聚合公式如下式：
[002引 和=口，xY+(p,.产Y (1)
[0029] 如果节点i的数据是0 1，来自于节点j的数据是口,，=武，也就是说节点i接收的 数据不是原始数据，则聚合公式如下式：
[0030] A=Xr口）
[0031] W上讨论的节点i都不是叶子节点.如果节点i是叶子节点，则聚合公式如下 式：
[003引（J)i= 0i 0)
[003引步骤3 ;构建各节点的数据聚合集合103 ;
[0034] 传统的数据获取方式主要有两种：
[0035] 一、面向原始数据收集的数据获取方式。即n个节点聚合成1个数据包。
[0036]
【主权项】
1. 一种基于数据聚合的传输调度时隙分配方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤一、为网络中的节点构建聚合集合：根据聚合率r，r，reR&re(0, 1)，根据公式
计算出节点聚合数m的值，取m个节点尽量凑成整数个数据包进行 聚合； 步骤二、调度时隙分配：从最后一层到第一层，依次考虑每一层的每一个节点，若该节 点尚未分配时隙，则找到该节点所在的聚合集合，并为该聚合集合内所有的节点分配尽早 开始的时隙，接着再考虑本层的每一个节点，如果节点有孩子节点，根据该节点和其孩子 节点是否在同一个聚合集合中来给该节点分配时隙转发其孩子节点最终的聚合结果。
2. 根据权利要求1所述的基于数据聚合的传输调度时隙分配方法，其特征在于，步骤 一中，聚合方式具体为：按照拓扑树结构从下往上的顺序，依次考虑每一层的每一个节点， 如果当前节点不在任何聚合集合中，则把它加入一个聚合集合中，计算这个聚合集合包含 的节点的个数L,如果L小于m，且父亲节点不为sink，则把这个节点的父亲节点加进这个 聚合集合；又计算这个聚合集合包含的节点的个数L，如果L小于m，把这个节点的兄弟节 点加进这个聚合集合；再次计算这个聚合集合包含的节点的个数L，如果L仍然小于m，设 置这个节点的父亲节点为当前节点；重复上述过程直到L和m相等，或者节点的父亲节点 为sink,或者节点的父亲节点已经存在于某个聚合集合中。
3. 根据权利要求1所述的基于数据聚合的传输调度时隙分配方法，其特征在于，步骤 二中，非汇聚节点分配其分配孩子节点个数+1个时隙用以转发自身和孩子节点的原始数 据，汇聚节点分配一个时隙用来聚合所有的子节点的数据，集合内的中继节点不聚合，而是 转发同一集合内子节点的数据，所以充分利用了远sink区域的能量，增加了网络的能量利 用率，然而近sink区域的第一层节点因为都是聚合节点，所以在这个区域的数据因为聚合 而需转发的数据量大大减少，增加了网络寿命。
【专利摘要】本发明公开了一种基于数据聚合的传输调度时隙分配方法，包括如下步骤：步骤一、为网络中的节点构建聚合集合：根据聚合率r，r,r∈R&r∈(0,1)，根据公式计算出节点聚合数m的值，取m个节点尽量凑成整数个数据包进行聚合；步骤二、调度时隙分配：从最后一层到第一层，依次考虑每一层的每一个节点，若该节点尚未分配时隙，则找到该节点所在的聚合集合，并为该聚合集合内所有的节点分配尽早开始的时隙。本发明解决了传统无线传感网络中数据聚合形式单一的情况，并且时隙有效利用率更大，网络寿命更长，sink的数据接收量更大，网络的能量利用率更高，在很多工业、农业等实际问题上具有一定的指导意义。
【IPC分类】H04W84-18, H04W72-04
【公开号】CN104717752
【申请号】CN201510097869
【发明人】龙军, 张金焕, 何岸, 张昊
【申请人】中南大学
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年3月5日