单播与广播混合的数据融合调度方法

单播与广播混合的数据融合调度方法
【专利摘要】本发明公开了一种单播与广播混合的数据融合调度方法：将无线传感器网络中的节点层依据其距离基站的跳数分为近基站层和远基站层，对远基站层的节点采用广播路由方式进行数据收集，从而在相同的时隙内收集更多的感知信息并减少延迟。对近基站层中的节点采用单播路由方式进行数据收集可节省节点能量，保持高寿命。本发明还给出了单播与广播混合调度的时隙分配方法。本发明方法相对于以往的方法在不降低网络寿命的前提下减少数据收集延迟，增大收集的信息量。在即使不改变以往单播路由调度方法给节点分配的时隙前提下，仅在远基站采用广播方式就可有效减少数据收集延迟，增大收集的信息量。在采用本发明的时隙分配方法下，网络性能提高更显著。
【专利说明】
单播与广播混合的数据融合调度方法
技术领域
[0001] 本发明设及无线传感器网络数据收集调度领域，尤其设及一种在无线传感器网络 中实时数据收集的单播与广播混合的数据融合调度方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络(WSNs，Wireless Sensor Networks)是由大量的彼此之间通过多 跳无线链路和通信的传感器节点W自组织和多跳的方式构成的无线网络，可W广泛的运用 到工业监测、农业、民用、环境监测、战场、海洋和火灾等各种特殊环境与应用中，被认为是 未来的重要物联网络的关键基础技术之一。实时无线传感器网络研究中存在的一个至关重 要的问题是如何在固定的数据收集周期内收集尽可能多的感知信息，而又能够提高网络的 寿命，并使感知信息到达基站的延迟最小化是实时无线传感器网络研究的重要问题。网络 收集的感知信息是指如下：网络中有n个节点，每个节点在一个调度周期内产生一个数据 包，基站在一个调度周期内收集到的数据包中包含有来自m(m< = n)个节点来的数据包的信 息，则基站收到的感知信息量为m。数据收集的延迟是指:节点的数据包产生，到数据包的信 息被基站接收到所经历的时隙数。网络寿命是网络第一个节点死亡时的寿命。
[0003] 数据融合收集是无线传感器网络中一种重要的数据收集方法。当传感器节点收到 其子节点的数据后，能够将所有收集到的数据包融合成一个数据包后向前传送。因而，数据 融合方法是提高无线传感器网络寿命的一种重要的方法。在非实时性无线传感器网络中， 数据融合采用的方法与实时性数据融合收集完全不同的方法。在非实时无线传感器网络 中，数据融合调度采用的方法是逐层调度的方法，首先将网络分层形成W基站为根的树形 网络。相邻层的节点，外层节点是与里层节点能够通信的节点是里层节点的子节点。首先从 最远离基站的叶子节点（不具有子节点)开始调度，当节点的所有叶子节点的数据都发到父 节点后，父节点将所有节点的数据融合成一个数据包。例如，在想查询网络中所有节点的最 高溫度是多少运样的应用中，所有子节点的数据中将最高溫度向前路由就可W，因而可W 融合成一个数据包。当基站收集到其所有子节点的数据后，整个网络的数据融合收集就完 成了。
[0004] 在实时数据收集无线传感器网络中存在着完全不同的情况。在实时性网络，对时 间有严格的要求，因而，不能等到所有节点都收集到所有子节点的数据后再向前（向前为朝 向基站的方向）传送，为了保证数据的实时性，往往是收集到部分节点的数据后，就向前传 送，W使数据到达基站的延迟时间最小。因而，如何给每个节点分配合适的发送数据时隙， 而使基站收集到的节点数据的个数也就是感知信息最多，数据到达基站的延迟最小是一个 重要的研究课题。
[0005] 目前，已经有实时性数据融合收集网络的调度方法。但是，运些研究存在如下问 题：（1)基站收集的感知信息还不够多；（2)数据收集的延迟较大；（3)网络寿命不够高。因此 需要一种即具有实时数据收集，又能提高数据收集信息量的数据融合调度方法。

【发明内容】

[0006] 本发明目的在于提供一种单播与广播混合的数据融合调度方法，W解决现有实时 性数据融合收集网络收集信息不够多、延迟较大且网络寿命不够高的技术问题。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供了一种单播与广播混合的数据融合调度方法，至少 包括W下步骤：
[0008] 将无线传感器网络中的节点层按照距离基站的跳数分为近基站层和远基站层，近 基站层中的节点距离基站的跳数小于远基站层中的节点距离基站的跳数，远基站层中的节 点收集数据后采用广播路由向前传递数据，近基站层中的节点收集数据后采用单播路由向 前传递数据。
[0009] 作为本发明的方法的进一步改进：
[0010] 优选地，近基站层中的节点距离基站的跳数小于等于3跳，远基站层中的节点距离 基站的跳数大于3跳。
[0011] 优选地，在节点传递数据之前，先为节点分配数据发送的时隙，每个节点均在本节 点分配的发送时隙到达时进行数据发送，而在其它时隙不发送数据，仅接收发往自己的数 据包。
[0012] 优选地，节点在进行数据发送时，每个节点将收到的数据包W及自己本身的数据 包融合成一个数据包后再向前发送;融合后的数据包与融合前的数据包的长度相等，融合 后的数据包包含的信息量包括来自不同节点产生的源数据包的个数。
[0013] 优选地，除基站节点外每个节点向前传递数据的时隙按照从根节点基站节点开 始，从上往下逐层给节点分配时隙，包括如下步骤：
[0014] (1)对W基站节点为父节点的节点进行时隙分配，包括W下两种情况：
[0015] (a)如果该节点i是叶子节点，则从A[]中分配调度周期C中最早的可用时隙给节点 i;其中，A[访数组，标记节点i在第j时隙时是否可发送数据，可发送数据时标记为TR肥;不 可时标记为FALSE;
[0016] (b)如果节点i是非叶子节点，则从A[]中分配调度周期C中最迟的可用时隙给基站 节点的子节点中没有分配时隙且度最大的节点i;
[0017] (2化任何一次时隙分配后，节点i将时隙分配信息（巧，AT)发送给CV，并更新A □，其中，Fi%节点i的首次传输时隙；为节点i的传输周期;C/为iV； U qi，A7为节点i 的除父节点外的一跳邻居节点；C,"为节点i的一跳邻居节点的子节点。
[0018] 优选地，对于距离基站大于1跳的节点，时隙分配原则如下：
[0019] 当节点i需要给巧中的节点分配时隙时，则节点i选取A[]中离Fit最近的可用时隙 分配给子节点中度最大且没有分配时隙的节点j，其中，巧为节点i的子节点集;依据此原 贝IJ，直到把网络中所有节点的时隙都分配好。
[0020] 优选地，当无线传感器网络的调度周期C的长度分别为4、5和6,节点数量为2別寸， 时隙分配结果如下表1:
[0021] 表1
[0n?9l
[0023] 表1中，ID为节点的序号。
[0024] 本发明具有W下有益效果：
[0025] 1、本发明的单播与广播混合的数据融合调度方法，让远基站层(远离基站的节点） 采用广播的方式传递数据，虽然多消耗了能量，但是提高了数据收集的性能，而其增加的能 量消耗还是小于近基站附近节点的能量消耗，运样既充分利用了能量，又不影响网络寿命。 可减少数据收集延迟，增大了基站收集的感知信息量。
[0026] 2、本发明的单播与广播混合的数据融合调度方法，系统收集的信息量和节能可W 同时提高，而延迟可降低14.25%，同时保证了网络寿命不低于W往的方法，因此本发明尤 其适合于大规模的、实时性强的网络。
[0027] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。 下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
【附图说明】
[0028] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实 施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0029] 图1是本发明优选实施例的节点数为28的无线传感器网络的结构示意图；
[0030] 图2是本发明优选实施例的单播与广播混合的数据融合调度方法的流程示意图；
[0031] 图3是本发明优选实施例的节点数为50的无线传感器网络的结构示意图；
[0032] 图4是本发明优选实施例的图3所示的无线传感器网络的总延迟示意图；
[0033] 图5是本发明优选实施例的图3所示的无线传感器网络的平均延迟示意图；
[0034] 图6是本发明优选实施例的图1所示的无线传感器网络的节点发送的感知信息量 示意图；
[0035] 图7是本发明优选实施例的图1所示的无线传感器网络的节点接收的感知信息量 示意图；
[0036] 图8是本发明优选实施例的图1所示的无线传感器网络的基站收集的感知信息个 数与传统的单播方法的收集的感知信息个数的对比示意图；
[0037] 图9是本发明优选实施例的图1所示的无线传感器网络的网络总的延迟与传统的 单播方法的网络总的延迟的对比示意图。
【具体实施方式】
[0038] W下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可W由权利要求限定 和覆盖的多种不同方式实施。
[0039] 图1是本发明优选实施例的节点数为28的无线传感器网络的结构示意图；而本实 施例中所称的无线传感器网络，是指网络分层形成W基站为根的树形网络，传感器节点具 有唯一的编号。传感器节点一旦部署，所有节点均不移动并具有相同的初始能量和通信范 围。在每一个采样周期内，每个节点均产生一个数据包。由于调度的实时性，如果节点产生 的数据包在一个采样周期内没有被发送出去，则在下一个周期内又会有新的数据产生，而 新的数据拥有更新的信息而比上一周期的数据更有价值。因而，如果节点的数据在一个周 期内没有发送，则此数据被丢弃。因而，在数据收集时要尽量使得基站收集到的信息量最 多。延迟最小，网络寿命最大。
[0040] 参见图2,本发明的单播与广播混合的数据融合调度方法，至少包括W下步骤：
[0041] 将无线传感器网络中的节点层按照距离基站的跳数分为近基站层和远基站层，近 基站层中的节点距离基站的跳数小于远基站层中的节点距离基站的跳数，远基站层中的节 点收集数据后采用广播路由向前传递数据，近基站层中的节点收集数据后采用单播路由向 前传递数据。
[0042] 在实时性数据融合收集中，近基站附近的节点发送次数多于远基站区域的节点。 因为，近基站的节点接收了远基站区域节点的数据，因而只要能够安排时隙，运些节点就可 W多次发送，W便让基站尽可能早的收集更多的数据。运样造成的后果是近基站节点的能 量消耗高，而远基站节点的能量消耗低。而采用上述步骤，对于近基站区域的节点只采用传 统的单播路由方式，从而减少节点的能量消耗;而对于距离基站(本实施例中，近基站层中 的节点距离基站的跳数小于等于3跳，远基站层中的节点距离基站的跳数大于3跳。）的节点 采用广播路由的方法，采用单播与广播混合的数据收集方法具有W下优点：
[0043] (a)增多了系统收集的感知信息。采用广播方法时，节点的数据被广播给一跳邻居 节点，因而只要任意一个一跳邻居节点的数据被发送到基站，则此节点的感知信息都会被 基站收集到，因而此节点的感知信息被收集到的概率大大增加，因而增多了系统收集的感 知信息。
[0044] (b)减少了延迟。采用广播方法时，节点的感知信息是W多路路由方式被传送到基 站，因而多路路由中最快的路由就是此节点的延迟，相对于纯单播方法减少了延迟。
[0045] (C)在达到上述两点的同时，并没有减少网络寿命。广播方法的主要不足是消耗的 能量较大，因而很少应用到能量非常宝贵的无线传感器网络中。而在实际中，由于近基站的 节点数据转发的次数远高于远基站区域，因而其能量消耗高于远基站区域。而上述步骤针 对不同的区域采用不同的数据传送方式，对近基站区域采用单播方式W节省能量，而对远 基站区域采用广播方式，运样即充分利用了能量，又没有降低网络寿命。
[0046] 本实施例中，在节点传递数据之前，先为节点分配数据发送的时隙，每个节点均在 本节点分配的发送时隙到达时进行数据发送，而在其它时隙不发送数据，仅接收发往自己 的数据包。节点在进行数据发送时，每个节点将收到的数据包W及自己本身的数据包融合 成一个数据包后再向前发送;融合后的数据包与融合前的数据包的长度相等，融合后的数 据包包含的信息量包括来自不同节点产生的源数据包的个数。叶子节点由于没有子节点， 因此只向前传递自身的数据包(感知信息）。除基站节点外每个节点向前传递数据的时隙按 照从根节点基站节点开始，从上往下逐层给节点分配时隙，包括如下步骤：
[0047] (1)对W基站节点为父节点的节点进行时隙分配，包括W下两种情况：
[0048] (a)如果该节点i是叶子节点，则从A[]中分配调度周期C中最早的可用时隙给节点 i;其中，A[访数组，标记节点i在第j时隙时是否可发送数据，可发送数据时标记为TR肥;不 可时标记为FALSE;
[0049] (b)如果节点i是非叶子节点，则从A[]中分配调度周期C中最迟的可用时隙给基站 节点的子节点中没有分配时隙且度最大的节点i;
[0050] (2)在任何一次时隙分配后，节点i将时隙分配信息（巧，解)发送给C/，并更新A []，其中，Fit为节点i的首次传输时隙；W/'为节点i的传输周期；C7为U C，W,i为节点i 的除父节点外的一跳邻居节点；C,"为节点i的一跳邻居节点的子节点。
[0051 ]其中，对于节点到基站的跳数大于1的节点，时隙分配原则如下：
[0化2]当节点i需要给巧中的节点分配时隙时，则节点i选取A[]中离Fit最近的可用时隙 分配给子节点中度最大且没有分配时隙的节点j，其中，巧为节点i的子节点集;依据此原 贝IJ，直到把网络中所有节点的时隙都分配好。
[0053] 按照上述的时隙分配方式为图1所示的无线传感器网络分配时隙，当无线传感器 网络的调度周期C的长度分别为4、5和6,节点数量为28时，时隙分配结果如下表1所示，表1 中，ID为节点的序号。
[0054] 表 1 [0化51
[0056]将本发明的单播与广播混合的数据融合调度方法应用到图3所示的WSNs,在不同 的调度周期C下在不同层进行广播情况下，网络的总延迟和平均延迟的实验结果如图4和图 5所示，在图4中，当调度周期C一定时，对远基站层的节点采用广播，近基站层的节点采用单 播，由图可见，采用本发明可W减少延迟。尤其是在当调度周期较小时，也就是实时性要求 高的网络中，减小延迟的效率更高。从图4的实验结果可W看出，当调度周期C = 4时，网络延 迟能够减少14%到18% W上，运充分说明了本发明的有效性。
[0057] 从图5可W看出，对于图1所示的网络，如果采用W往所有节点都采用单播的方法， 则网络的平均延迟是大于本发明提出的方法的。在本发明的方法中，如果对节点到达基站 的跳数大于等于3的节点采用广播方式进行数据发送，而对其它节点采用单播方式路由时， 本发明方法中的网络平均延迟显著低于W往方法。但本发明方法也可W适当的调整参数， 例如，也可W让节点到达基站的跳数大于等于4的节点采用广播方式进行数据发送，而对其 它节点采用单播方式路由，运种方式下的网络平均延迟仍然小于W往方法。运说明本发明 方法具有很好的适用性和有效性。
[0058] 对于图1所示的网络，调度周期C = 5时，图6给出了在调度的时长为30个时隙时，每 个节点发送的数据信息量。相应的，对于图1所示的网络，采用同样的参数，图7给出了其每 个节点接收到的数据信息量。从图6与图7的实验结果可知，采用本发明，绝大多数节点接收 的信息量显著增加，进一步说明了本发明的有效性。图8和图9给出了即使采用W往的单播 的时隙分配方法，而在图1所示的网络中第3层及W上开始进行广播传输的方法时，网络性 能仍然会有提高。如图8所示，单播与广播混合方法基站收集到的感知信息大于W往方法。 而图9的结果显示，采用单播与广播混合方法下，网络的延迟也小于W往的仅采用单播方 法。
[0059] W上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可W有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种单播与广播混合的数据融合调度方法，其特征在于，至少包括以下步骤： 将无线传感器网络中的节点层按照距离基站的跳数分为近基站层和远基站层，所述近 基站层中的节点距离基站的跳数小于所述远基站层中的节点距离基站的跳数，所述远基站 层中的节点收集数据后采用广播路由向前传递数据，所述近基站层中的节点收集数据后采 用单播路由向前传递数据。2. 根据权利要求1所述的数据融合调度方法，其特征在于，所述近基站层中的节点距离 基站的跳数小于等于3跳，所述远基站层中的节点距离基站的跳数大于3跳。3. 根据权利要求1所述的数据融合调度方法，其特征在于，在所述节点传递数据之前， 先为所述节点分配数据发送的时隙，每个节点均在本节点分配的发送时隙到达时进行数据 发送，而在其它时隙不发送数据，仅接收发往自己的数据包。4. 根据权利要求3所述的数据融合调度方法，其特征在于，所述节点在进行数据发送 时，每个节点将收到的数据包以及自己本身的数据包融合成一个数据包后再向前发送;融 合后的数据包与融合前的数据包的长度相等，融合后的数据包包含的信息量包括来自不同 节点产生的源数据包的个数。5. 根据权利要求3所述的数据融合调度方法，其特征在于，除基站节点外的每个节点向 前传递数据的时隙按照从根节点基站节点开始，从上往下逐层给节点分配时隙，包括如下 步骤： (1) 对以基站节点为父节点的节点进行时隙分配，包括以下两种情况： (a) 如果该节点i是叶子节点，则从A[]中分配调度周期C中最早的可用时隙给所述节点 i;其中，A[]为数组，标记节点i在第j时隙时是否可发送数据，可发送数据时标记为TRUE;不 可时标记为FALSE; (b) 如果节点i是非叶子节点，则从A[]中分配调度周期C中最迟的可用时隙给基站节点 的子节点中没有分配时隙且度最大的节点i; (2) 在任何一次时隙分配后，节点i将时隙分配信息(€,Α〇发送给C,',并更新A□，其 中，f，为节点i的首次传输时隙；为节点i的传输周期；cv为< υ ?"，#/为节点i的除 父节点外的一跳邻居节点；C,"为节点i的一跳邻居节点的子节点。6. 根据权利要求5所述的数据融合调度方法，其特征在于，对于距离基站大于1跳的节 点，时隙分配原则如下： 当节点i需要给C?中的节点分配时隙时，则节点i选取A□中离打最近的可用时隙分配 给子节点中度最大且没有分配时隙的节点j，其中，C?为节点i的子节点集;依据此原则，直 到把网络中所有节点的时隙都分配好。7. 根据权利要求3至6中任一项所述的数据融合调度方法，其特征在于，当所述无线传 感器网络的调度周期C的长度分别为4、5和6,节点数量为28时，所述时隙分配结果如下表：
【文档编号】H04W4/00GK105828276SQ201610160834
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月21日
【发明人】刘安丰, 刘睛, 贺晟
【申请人】中南大学