基于分流优化选择的无线传感网数据传输方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种数据传输方法及系统，尤其是涉及一种基于分流优化选择的无线传感网数据传输方法及系统。包括：分簇优化步骤，用于将无线传感网络划分为包括簇头节点和簇成员节点的簇；数据分割步骤，簇头节点将簇成员节点发送的数据分割成Num条独立的数据流进行传输；路由选择步骤，簇头节点依次计算将数据传输至相邻其它簇头节点所消耗的能量，选择能量消耗最小的其它簇头节点作为传输数据的下一跳节点。总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够保障CH节点的性能最优，实现传感数据在簇区域内的稳定传输；采取流分割的方式实现区域间传输路径的最优匹配，改善了路径波动性对数据传输的影响。
【专利说明】
基于分流优化选择的无线传感网数据传输方法及系统
技术领域
[0001] 本发明设及一种数据传输方法及系统，尤其是设及一种基于分流优化选择的无线 传感网数据传输方法及系统。
【背景技术】
[0002] 无线传感网络通过数量巨大的廉价传感器节点进行组网，能够有效的提高工业生 产等过程中的智能化程度。然而，由于传感器节点具有能量受限的特性，一旦发生电池耗尽 的现象，则将出现因汇聚通道抖动严重而导致控制及汇聚受阻的现象。
[0003] 为解决当前无线传感网络技术中客观存在的数据难W稳定传输汇聚的问题，现有 技术提出了相应的数据传输方法：
[0004] 例如，Akyildiz等基于改进的能量感知稳定策略，提出了自适应平衡方法(HDA方 法），有效减缓了数据随机分布状态下的稳定传输问题，并优化了数据传输路径。但是，该方 法对节点密度非均衡分布状态下的网络节点及传输状态考虑的不够，导致当节点密度较低 且分布不均衡情况下网络数据传输抖动严重，降低了传感网络性能。
[0005] 例如，SicMtiu等提出了基于粒子映射稳定机制的节点流平衡选择方法(GCPS方 法），实现了网络拥塞状态下对网络数据的高效稳定传输。然而，该机制对网络传输受限状 态下的考虑较少，难W在带宽受限状态下进行数据的高效稳定传输。
[0006] 例如，Seema等提出了基于传输抖动控制的数据稳定传输方法，实现了数据传输能 量的稳定。但是该方法仅仅针对部分出现波动的分簇区域进行稳定控制，对全网数据传输 波动方面考虑的不够，削弱了方法的适用性。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的W上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于分流优化选择的无 线传感网数据传输方法及系统，其目的在于：（1)解决当节点密度较低且分布不均衡时，传 感器网络数据传输抖动严重，性能下降的技术问题；（2)提高无线传感网络在带宽受限状态 下进行数据的效率和稳定性；（3)对全网区域进行稳定控制，提高数据传输方法适用范围。 [000引为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种基于分流优化选择的无 线传感网数据传输方法，包括：
[0009] 分簇优化步骤，用于将无线传感网络划分为包括簇头节点和簇成员节点的簇；
[0010] 数据分割步骤，簇头节点将簇成员节点发送的数据分割成Num条独立的数据流进 行传输；
[0011] 路由选择步骤，簇头节点依次计算将数据传输至相邻其它簇头节点所消耗的能 量，选择能量消耗最小的其它簇头节点作为传输数据的下一跳节点。
[0012] 优选的，上述的一种基于分流优化选择的无线传感网数据传输方法，所述数据分 割步骤中，簇头节点将簇成员节点发送的数据分割成Num条独立的数据流进行传输;其中， 基于下式计算Num:
[0013]
[0014] 其中，n为调节参数;B为簇头节点的带宽，i，k为簇头节点。
[0015] 优选的，上述的一种基于分流优化选择的无线传感网数据传输方法，所述路由选 择步骤由-其平下才佛巧能吾'谐投爲/I、的且巧簇头节点作为传输数据的下一跳节点：
[0016]
[0017]式中，i为当前簇头节点，k为i的下一跳簇头节点为比例系数，取值为0.5-1 ;化 为簇成员节点被选取成为簇头节点的选取系数，Time(i)为在周期T内簇成员节点i成为簇 头节点所消耗的轮询时间；
[001引 甘由-赏平下管IiJ.
[0019]
[0020] 式中，CH为簇头节点；
[0021 ] 其中，基于下式计算Time(i):
[0022]
[0023] 式中，AG [0，1]为路径调整因子，TG [0，1]为簇头节点的更新周期，COG [0，1]为 路径递归因子。
[0024] 优选的，上述的一种基于分流优化选择的无线传感网数据传输方法，所述分簇优 化步骤中，所述簇头节点基于簇成员节点的能量自感阔值调整簇成员节点被选为簇头节点 的概率；
[0025] 其中，所述能量自感阔值基于W下公式：
[0026]
[0027] 式中，H(i)表示节点i已经消耗的能量，i J为属于相同簇的簇成员节点，PCH为簇 成员节点。
[0028] 优选的，上述的一种基于分流优化选择的无线传感网数据传输方法，所述分簇优 化步骤中，基于W下公式计算簇成员节点被选取成为簇头节点的选取系数Wi,并且，当且仅 当m的数值大于簇头节点的能量自感应阔值H Dwr(CH)时，才进行更换：
[0029]
[0030] 巧中，CH为緩头节点。
[0031] 优选的，上述的一种基于分流优化选择的无线传感网数据传输方法，所述分簇优 化步骤中，簇头节点基于W下公式判断是否进行簇头节点的更换：
[0032]
[0033] 式中，Time(i)为周期T内簇成员节点i成为簇头节点所消耗的轮询时间，AG [0，1] 为路径调整因子，TG[0，1]为簇头节点的更新周期，《G[0，1]为路径递归因子；
[0034] 并且，当且仅当Time(i)小于T时，才进行簇头节点的更新。
[0035] 为了解决上述问题，根据本发明的另一个方面，提供了一种基于分流优化选择的 无线传感网数据传输系统，包括：
[0036] 分簇优化模块，用于将无线传感网络划分为包括簇头节点和簇成员节点的簇；
[0037] 数据分割模块，将簇成员节点发送至簇头节点的数据分割成Num条独立的数据流 进行传输；
[0038] 路由选择模块，依次计算当前簇头节点将数据传输至相邻其它簇头节点所消耗的 能量，选择能量消耗最小的其它簇头节点作为传输数据的下一跳节点。
[0039] 优选的，上述的一种基于分流优化选择的无线传感网数据传输系统，所述数据分 割模块中，将簇成员节点发送到簇头节点的数据分割成Num条独立的数据流进行传输;其 中，基于下式计算Num:
[0040]
[0041] 其中，n为调节参数;B为簇头节点的带宽，i，k为簇头节点。
[0042] 优选的，上述的一种基于分流优化选择的无线传感网数据传输系统，所述路由选
择模块rfi 枕色b甚'泌甘它簇头节点作为传输数据的下一跳节点：
[0043]
[0044] 式中，i为当前簇头节点，k为i的下一跳簇头节点，4为比例系数，取值为0.5-1 为簇成员节点被选取成为簇头节点的选取系数，Time(i)为在周期T内簇成员节点i成为簇 头节点所消耗的轮询时间；
[0047] 式中，CH为簇头节点；[004引其中，基于下式计算Time(i):
[004日] 甘rh丑:辛了非咎11.-
[0046]
[0049]
[0050] 式中，AG [0，1]为路径调整因子，TG [0，1]为簇头节点的更新周期，COG [0，1]为 路径递归因子。
[0051] 优选的，上述的一种基于分流优化选择的无线传感网数据传输系统，所述分簇优 化模块中，基于簇成员节点的能量自感阔值调整簇成员节点被选为簇头节点的概率；
[0052]其中，所述能量自感阔值基于W下公式：
[0化3]
[0054] 式中，H(i)表示节点i已经消耗的能量，i J为属于相同簇的簇成员节点，PCH为簇 成员节点。
[0055] 总体而言，本发明所构思的W上技术方案与现有技术相比，具有W下优点：（1)通 过区域内能量消耗自适应递归的方式对自感阔值的计算，采取综合考虑优选系数及轮询时 间的方式完成区域结构的更新，保障CH节点的性能最优，实现传感数据在簇区域内的稳定 传输；（2)通过计算最优流传输函数的方式对簇间传输链路进行筛选，采取流分割的方式实 现区域间传输路径的最优匹配，改善了路径波动性对数据传输的影响，提高了数据传输的 稳定性能；（3)对全网区域进行了稳定控制，提高数据传输方法适用范围。
【附图说明】
[0056] 附图1是本发明的区域阔值成型流程图；
[0057] 附图2本发明的簇间分流优化流程图。
【具体实施方式】
[005引下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0059] 实施例：
[0060] 本实施例通过对网络流资源进行分割优化，实现簇内优化传输，同时针对簇间区 域路径抖动问题，采取簇间路由优化机制，最终达到路径稳定的目的。整个算法由基于自感 阔值的区域成型和簇间分流优化两个过程。
[0061] 1、基于自感阔值的区域成型
[0062] 在传感网开始运作时候，承担数据上传任务的节点(UH节点）将自身精确时钟信息 (Timer) W广播形式发送，节点i在接收到Timer分组报文之后，根据自身位置坐标与UH节点 间进行距离计算，得到距离最近的节点作为簇头节点（CH节点）。在确定自身隶属的簇区域 后，节点i将自身标记为簇成员节点(PCH节点），并将自身信息WHel Io分组的形式广播到CH 节点中。
[0063] 考虑到化Ilo分组携带了发射节点全部的能量消耗信息，可反映能量消耗速度，而 CH节点首先需要综合考虑区域内的其他节点能量消耗情况，然后根据能量情况的排序实现 对区域内的CH节点更新，因此可W根据区域内其他节点能量加权评估的方式对当前CH节点 状况进行估计。
[0064] CH节点在接收到He 1 Io分组之后，计算节点i的能量自感阔值叫。。,(i):
'I)
[0065]
[0066] 其中，H(i)表示节点i已经消耗的能量，j为隶属于与节点i同区域内的其他PCH节 点。
[0067]若节点i希望通过选举的方式成为CH节点，则需要通过模型（I)计算路径自感阔 值，由于区域内的任意一个节点都有机会被选取为CH节点，不妨设当前节点为i，其自感阔 值为H_DDDr(i)，显然该阔值越大，表明该节点的性能越好，一旦当前CH节点出现故障，则节点 i被选举为CH节点的可能性也就越大。为便于计算，通过综合考虑区域内节点的阔值加权E H_D〇〇r(i)并考虑当前CH节点对下一时刻的阔值具有正向的反馈，因此计算选取系数m来进 行CH节点竞争判断：
[006J
I (2)
[0069] 当且仅当iii的数值大于H_dddt(CH)时，才进行簇头节点更换。由于模型(2)的数值大 小对节点巧換讨巧影响很大，在一吿周期T节点i成为CH节点所消耗的轮询时间Time( i)为：
[0070]
(3)
[0071] 其甲，AGLO, 1」刃路?全调整巧于，TG [0，1]为簇头节点的更新周期，O G [0，1]为 路径递归因子。当仅当Time(i)小于T时，才进行CH节点的更新。
[0072] 整个区域阔值成型流程如图1所示。从图1可知，当前CH节点一方面不断接受当前 PCH节点罚没款的信息，同时将Timer分组进行广播，且PCH节点不断进行自感阔值的计算， 一旦当前PCH节点的自感阔值达到模型（2)的触发条件，即进行CH节点更换，并建立新的簇 区域结构，直到再次触发更换条件为止。
[0073] 2、簇间分流优化
[0074] 在完成区域阔值成型过程之后，将启动簇间数据流资源的分割，CH节点在接收到 PCH节点发送的数据资源之后，将分割成多个并发传输的数据分组，随后将运些数据分组W 最小成本代价发送至其他CH节点。
[0075] 设某个CH节点在接收其他PCH节点发送的数据之后，W带宽B将数据分割为Num个 独立的数据流进行发送，对于该CH节点而言，下一跳的全部其他区域的CH节点均可W作为 传输路径的下一跳节点，且通过合理选取下一跳的CH节点将能够有效的降低发送能量开 支，因此对于当前CH节点i而言，计算其能力消耗H(i)及与其他节点k能量消耗H化)的比例， 能够将传输带宽进行再分配，同时降低能量消耗。此外数据发送过程中的最大带宽不能超 过当前网络的最大传输带宽B，因此可将当前数据分割为Num条子路径的方式进行数据传 输。
[0076] Num的计算公式如下所示：
[0077]
(4)
[0078] 其中，n为调节参数，一般取区域内节点个数的倒数;B为簇头节点的带宽，i，k为簇 头节点。
[0079] 当前CH节点完成对即将上传的数据进行分割之后，设CH节点Q节点）将Num个独立 的数据流传输至下一个CH节点，若为k节点，当Jii、Time (i)能够同时与节点k实现比例最大 化，即化和Time(i)与化及Time化)的比值同时取最大时，说明传输中节点i消耗的能量最小，
消耗的时间罵'化^ ?麵罵'林^^斋^去輪^尿I游巾。。品足：
[0080] (5)
[0081] 共^|*^狐'口1]乐女义，一月又化。.〇~丄。
[0082] 当前CH节点通过不断计算与其他节点之间的最优函数，选取数值最大的最优函数 对应的节点k作为下一跳节点，则完成整个数据路径选取优化过程。
[0083] 整个流程如图2所示。从流程图可W看到，当前CH节点在选取传输路径时，会首先 对可能的下一跳CH节点进行捜寻，并根据模型(4)、（5)计算结果得到最优传输函数，然后将 前Num个最大的最优传输函数对应的下一跳CH节点作为传输节点，从而实现了数据传输。该 过程不断递归，直到数据被传输到sink节点中为止。
[0084] 本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域 的技术人员可W对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代， 但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【主权项】
1. 一种基于分流优化选择的无线传感网数据传输方法，其特征在于:包括： 分簇优化步骤，用于将无线传感网络划分为包括簇头节点和簇成员节点的簇； 数据分割步骤，簇头节点将簇成员节点发送的数据分割成Num条独立的数据流进行传 输； 路由选择步骤，簇头节点依次计算将数据传输至相邻其它簇头节点所消耗的能量，选 择能量消耗最小的其它簇头节点作为传输数据的下一跳节点。2. 根据权利要求1所述的一种基于分流优化选择的无线传感网数据传输方法，其特征 在于:所述数据分割步骤中，簇头节点将簇成员节点发送的数据分割成Num条独立的数据流 进行传输;其中，基于下式计算Num:其中，η为调节参数;B为簇头节点的带宽，i，k为簇头节点。3. 根据权利要求1所述的一种基于分流优化选择的无线传感网数据传输方法，其特征 在于： 所述路由选择步骤中，基于下式选择能量消耗最小的其它簇头节点作为传输数据的下 一跳节点：式中，i为当前簇头节点，k为i的下一跳簇头节点，Φ为比例系数，取值为0.5-1 ;μι为簇成 员节点被选取成为簇头节点的选取系数，Time(i)为在周期Τ内簇成员节点i成为簇头节点 所消耗的轮询时间； 其中，基于下式计算Wi:式中，CH为簇头节点； 其中，基于下式计算Time(i):式中，λε[〇，ι]为路径调整因子，Te[〇，i]为簇头节点的更新周期，ωε[〇，ι]为路径 递归因子。4. 根据权利要求1所述的一种基于分流优化选择的无线传感网数据传输方法，其特征 在于:所述分簇优化步骤中，所述簇头节点基于簇成员节点的能量自感阔值调整簇成员节 点被选为簇头节点的概率； 其中，所述能量自感阔值基于W下公式：式中，H(i)表示节点i已经消耗的能量，i，j为属于相同簇的簇成员节点，PCH为簇成员 节点。5. 根据权利要求4所述的一种基于分流优化选择的无线传感网数据传输方法，其特征 在于:所述分簇优化步骤中，基于W下公式计算簇成员节点被选取成为簇头节点的选取系 数μ。并且，当且仅当μι的数值大于簇头节点的能量自感应阔值H_DDDr(CH)时，才进行更换：式中，CH为簇头节点。6. 根据权利要求4所述的一种基于分流优化选择的无线传感网数据传输方法，其特征 在于:所述分簇优化步骤中，簇头节点基于W下公式判断是否进行簇头节点的更换：式中，Time(i)为周期T内簇成员节点i成为簇头节点所消耗的轮询时间，λε[〇，1]为路 径调整因子，Te[〇，i]为簇头节点的更新周期，ωε[〇，ι]为路径递归因子； 并且，当且仅当Time(i)小于Τ时，才进行簇头节点的更新。7. -种基于分流优化选择的无线传感网数据传输系统，其特征在于:包括： 分簇优化模块，用于将无线传感网络划分为包括簇头节点和簇成员节点的簇； 数据分割模块，将簇成员节点发送至簇头节点的数据分割成Num条独立的数据流进行 传输； 路由选择模块，依次计算当前簇头节点将数据传输至相邻其它簇头节点所消耗的能 量，选择能量消耗最小的其它簇头节点作为传输数据的下一跳节点。8. 根据权利要求7所述的一种基于分流优化选择的无线传感网数据传输系统，其特征 在于:所述数据分割模块中，将簇成员节点发送到簇头节点的数据分割成Num条独立的数据 流进行传输;其中，基于下式计算Num:其中，η为调节参数;B为簇头节点的带宽，i，k为簇头节点。9. 根据权利要求7所述的一种基于分流优化选择的无线传感网数据传输系统，其特征 在于： 所述路由选择模块中，基于下式选择能量消耗最小的其它簇头节点作为传输数据的下 一跳节点：式中，i为当前簇头节点，k为i的下一跳簇头节点，Φ为比例系数，取值为ο . 5-1 ;μι为簇成 员节点被选取成为簇头节点的选取系数，Time(i)为在周期Τ内簇成员节点i成为簇头节点 所消耗的轮询时间； 其中，基于下式计算μι:式中，CH为簇头节点； 其中，基于下式计算Time(i):式中，λε[〇，ι]为路径调整因子，Te[〇，i]为簇头节点的更新周期，ωε[〇，ι]为路径 递归因子。10.根据权利要求7所述的一种基于分流优化选择的无线传感网数据传输系统，其特征 在于:所述分簇优化模块中，基于簇成员节点的能量自感阔值调整簇成员节点被选为簇头 节点的概率； 其中，所述能量自感阔值基于W下公式：式中，H(i)表示节点i已经消耗的能量，i J为属于相同簇的簇成员节点，PCH为簇成员 节点。
【文档编号】H04W40/14GK105979560SQ201610536773
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】胡艳华, 崔亚楠, 张恒
【申请人】广西科技大学鹿山学院