专利名称：无线传感器网络数据汇聚方法、系统及相关设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信领域，特别涉及一种无线传感器网络数据汇聚方法、系 统及相关设备。
背景技术：
无线传感器网络用来监视一定的地理区域，通过网络互联与外界进行信 息沟通。它的应用非常广泛，可以用于环境检测、军事探测、医疗保健等各 个部门。
由于无线传感器网络的特殊运行环境以及网络节点本身的特点，这种网 络与传统的无线网络以及移动自组织网络有很大不同，主要在于传感器节点 能量有限、能源无法替换，造成网络生命期有限，制约了网络的处理能力和 通信能力。为了尽可能延长网络生命期，在研究与设计网络时，能量效率是 最重要的性能指标。目前，从物理层到网络层，已经提出了许多高效节能的 算法，如成链算法，但多数算法是针对于单个节点或节点集来提高能量效率， 对网络整体能量效率考虑较少，这些算法在网络建立初期性能比较好， 一旦 网络中出现失效节点后，其自适应能力有限，网络生命期难以保证。网络能 量均衡要求全网节点尽可能的平均耗能。能量均衡与网络生命期密切相关， 整个无线传感器网络是一个整体，网络运行到后半生命期时可能会出现网络 分裂，形成孤岛网络，有效覆盖面积剧减等问题。
现有技术中，PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems)协议是一个节能平面路由协议，该协议采用动态选举链头的思想， 为避免频繁选举链头的通信开销，采用无通信量的链头选举方法，且网络中 所有节点只形成一个链。该协议要求每个节点都知道网络中其他节点的位置， 通过贪心算法选择最近的邻居节点形成链。其中动态选举链头的方法为设网
络中N个节点都用1-N的自然数编号，第j轮选取的链头是第i个节点，i=j modN(i为0时，取N)。 链头与节点(基站) 一跳通信，利用令牌控制链两 端数据沿链传送到链头本身，在传送过程中可聚合数据。当链两端数据都传送完成时，开始新一轮选举与传输。
但是发明人在实践中发现在现有技术中，如果链过长，数据传输时延
将会增大这些链路的节点能量消耗相对较多，会过早死亡，降低网络生命期。
发明内容
本发明实施例提供一种无线传感器网络数据汇聚方法、系统及相关设备， 以解决数据传输时能量损耗较大的问题。
本发明实施例所提供的一种无线传感器网络数据汇聚方法、系统及相关
设备是通过以下技术方案实现的
一种无线传感器网络数据汇聚方法，包括 根节点汇聚邻居节点的数据； 根节点将所述的数据向基站发送；
其中所述的根节点与所述的邻居节点和基站构成树形拓朴连接关系。 本发明实施例又提供一种网络节点，所述的网络节点与所述的邻居节点
构成树形拓朴连接关系，所述的网络节点包括 数据汇聚单元，用于汇聚邻居节点的数据； 数据发送单元，将所述数据汇聚单元的数据向基站发送。 本发明实施例还才是供一种无线传感器网络tt据汇聚系统， 至少包括第一节点、至少两个网络节点，和基站，所述第一节点和所述
至少两个网络节点构成树形拓朴连接关系
第一节点，用于汇聚所述至少两个网络节点的的数据，将所述的数据向
基站发送；
基站，用于接收所述第一节点发送的数据。
本发明实施例的技术效果是通过建立树形拓朴连接关系，然后确定根 节点，通过根节点向基站发送数据，使得基站可以较快速的获取数据。而且 树形拓朴随着时间变化，使得各节点能量消耗趋于均衡，这样充分利用了网 络能量，延长了网络生命时间。
图2为本发明实施例提供的一种树形拓朴调整中两种标记方式的示意图； 图3为本发明实施例提供的另一种树形拓朴； 图4为本发明实施例提供的经过树形拓朴调整得到的树形拓朴； 图5为本发明实施例提供的变化前后的两轮树形拓朴； 图6为本发明实施例提供的网络节点的结构图； 图7为本发明实施提供的无线传感器网络数据汇聚系统的结构图。
具体实施例方式
本发明实施例提供一种无线传感器网络数据汇聚方法，根节点汇聚邻居 节点的数据；根节点将所述的数据向基站发送；其中所述的根节点与所述的 邻居节点构成树形拓朴连接关系，所述的根节点的高度值最低，离根节点的 跳数越大的邻居节点的高度值越大。无线传感器网络数据汇聚方法简单，可 以使拓朴连接随着时间变化，使得各个节点能量消耗趋于平衡，充分利用了 网络的能量，延长了网络生命时间，而且延迟较小，使得基站可以较快的获 取数据。
在本发明实施例中，时间被离散化为"轮"， 一轮时间是指组织所有节点 完成一次数据汇聚到基站的时间。在没有节点死亡时的总轮数就是网络生命期。
其中无线传感器网络节点能耗与网络生命期关系为 节点A发射k-bits (k表的数据，bits为数据的单位，即比特)数据到间 距为d的另一节点B耗能为
￡ a d)二J —. ， rt <"。
，""。
, "T/V —"，" ，
节点B接收这k-bits数据耗能
五《#」=欣e/ec (2) 其中眠,汉.为模块电路耗能，"。为一阈值，《々、f，为能耗参数。
另外，数据融合还要消耗能量Eda (nJ/bit/signal)。 对任意节点z', 其生命期丄T7满足下式i77
(、 )+仏+ Z五；， 4》
r=o "《 w (3)
其中五o为节点初始化能量，是r时刻(或r轮里)要发送kji-bit
数据给节点z'的所有节点组成的集合。巧"是r时刻(或^轮里)要接收节点
发送k-bits数据的所有节点组成的集合。整个网络的生命期为
Zr=min/L77.'z'eA7 (4)
也可用 一定比例节点死亡时间作为网络生命期。 无线传感器网络节点间测距方法为
根据福里斯公式，当发射功率为《，发射天线增益为G,，接收天线增益 为G,,收发天线相距d,则位于远场区的接收天线的最大接收功率为
r、 7 (4;r)2^丄 (5)
其中，义为波长，丄是衰减因子。当/l、 G。《、《已知时，节点可 根据接收功率大小估测间距d ,接收功率《的大小检测可由节点硬件 实现。义、G,、 G,通常是固定的，《可通过提前约定或在接收消息中携带的 方式获知。
本发明实施例提供一种动态树模型拓朴连接关系，动态拓朴连接有利于 所有节点能量消耗均衡，延长网络生命时间。该无线传感器网络数据汇聚方 法是完全分布的，节点只需获知一跳的邻居节点的相关信息。
通信仅在邻居节点间进行，是局部化的。因此本说明书中涉及的广播是 指节点发送报文到其所有邻居节点，邻居节点收到广播信息后不再转发。
其中用于动态寻路的链路权重的公式如下
节点根据邻居列表中邻居节点当前时刻T时的剩余能量A(r)和距离^计 算链路权重，选取高度值低于自身的邻居中对应权重最小的链路发送报文。
其中节点选路基于邻居列表信息，包括邻居的标识ID，高度值，距离， 剩余能量信息。邻居列表信息通过邻居间信息交互获得。节点高度值H用于 指示到根节点的相对远近(基于跳数)，根节点的高度值最低，其他节点高度
8值越低，离根节点越近，采用高度值辅助拓朴连接关系还能避免环路出现。
在本发明实施例提供的动态树形拓朴中，根节点也是不断变化的，当前 根节点(高度值为HO选取邻居节点中剩余能量最大者担当下一轮的根节点，并
通知该节点调整其高度值为H,-1。动态通信链路选择和动态根传递一起促使了
树拓朴动态变化，使得各节点能量消耗趋于均衡。
下面结合附图详细描述本发明实施例提供的技术方案，图1为本发明实
施例提供的无线传感器网络数据汇聚方法的流程图，参见图1,包括步骤
100、 根节点发现邻居节点和基站，即根节点建立与邻居节点和基站的路由。
所有节点用一个默认大小的功率(覆盖半径)广播信息到其邻居，使邻居节 点获得该节点的ID和到该节点间距(由公式(l)),并存入邻居列表，基站用一 个能覆盖全网的已知功率发送"Hello"(握手)报文，节点就可以估算出到基 站的距离，便于节点担当根节点时直接与基站通信。
101、 与所述的邻居节点建立树形拓朴连接关系，确定所述树形拓朴的根 节点。
从ID为1的节点开始向周围节点发起一种类似的受控泛洪(控制节点广播 次数)。每个节点都有一高度值H,初始时H均为一很大的整数(如X-3000)。 基站H值为0, ID为1的节点的H值设为1。 ID为1的节点广播的初始树 建立报文中含有其H值为1。邻居节点收到后将自己的H值设为1+3=4，并 修改建立报文的H值为4向它的邻居广播，依此类推。每个节点只在第一次 收到时将报文中的H值加3 (增加3的目的是为了进一步的拓朴调整，生成 近似最小距离生成树形拓朴以节约能量)，设为自身的H值，并发送一次建立 报文，同时节点会监听邻居节点的H值改变并改变自己的邻居列表。由于信 道是双向的，这样按发送和接收建立报文的顺序和H值的高低就以ID为1的 节点为根节点建立起树形拓朴连接关系。
102、 树形拓朴连接关系的优化。对于上述建立的树(即树形拓朴连接关 系)，可以通过调整和优化，以减少节点发射能量的消耗。调整和优化的方式 有两种(l)被动标记由初始化的ID为1的根节点发起。该根节点从邻居列 表中找距离最近的邻居节点k，并向节点k发送标记信息，节点k收到该标记信息后将自己的H值改为ID为1的节点的H值加1 ， 并确立该链^各。节
点k被标记后又可以发送标记信息到其最近的节点，依此类推。(2)主动标记 当节点收到或旁听到邻居节点的H值变化时，重新比较邻居节点的距离和H 值，选H值低的且离自己最近的邻居为父节点，更改自己的H值。 一定时间 以后，标记过程完成，除个别链路外，每个节点均选择了最近的发送链路，这 样一个树形拓朴网络建立好了 。
图2为树形拓朴调整中两种标记方式的示意图。黑色的圓圏为节点，节 点旁边的数字为初始化的高度值H,节点旁边标注"根"表示该节点为根节 点，根节点的高度为0。图2(1)为初始状态的树形拓朴，图2(2)为被动标记的 树形拓朴，在图2(2)中节点b由根节点a^皮动标记后，H值更新为0+1 = 1, 然后继续标记自己的最近子节点c,子节点c调整H值为1 + 1=2;对b、 c 均为被动标记。图2(3)为主动标记的树形拓朴，在图2(3)中节点d得知节点 c的H值变化，改选节点c为父节点，/人而完成主动标记。
图4为经过树形拓朴调整得到的树形拓朴，黑色的圓圏为节点，节点旁 边的数字为初始化的高度值H，节点旁边标注"根"表示该节点为根节点， 根节点的高度为0。每个节点均选择最短的几条链路与邻居节点通信，这样减 少了发射能量消耗。
103、向所述的根节点发送数据，所述的根节点将所述的数据发送给所述 的基站。
数据收集阶段占据了网络生命期的绝大部分时间。数据周期性地发向根 节点，再到基站。每轮树拓朴都要进行调整。
根节点的邻居节点可以包括与根节点直接或者间接相连的节点，比如可 以包括与^f艮节点直接相连子节点，或者比如可以包括与根节点直接相连的父 节点以及与根节点直接间接的子节点。数据汇聚由子节点开始，子节点将采 集到的数据处理打包后发送到其父节点，同时4艮据父节点H值改变自己的H 值。该父节点选择利用到了(6)式定义的选路权重，它在链路距离最近的基础 上，考虑到节点剩余能量，防止某些节点因通信量繁重而提早死亡。父节点 收到所有子节点的数据后，进行数据融合压缩，然后选择自己的父节点并发 送，依此类推，直到根节点收到自己所有子节点的数据，同样融合后发送给基站。如图2 ( 1 )所示的树形拓朴，根节点a的邻居节点包括父节点b,所述 父节点b与三个的子节点c、 d、 e相连，所述根节点a汇聚邻居节点b、 c、 d、 e的数据，具体包括根节点a汇聚父节点b的数据，所述父节点b的数据为 父节点b汇聚各个与父节点相连的子节点c、 d、 e的数据。又如图3所示的树形拓朴，根节点f的邻居节点包括与根节点f直接相连 的三个子节点g、 h、 i,所述根节点f汇聚邻居节点的数据，具体包括根节 点f汇聚与根节点直接相连的三个子节点g、 h、 i的数据。根节点向基站发送完数据后，选择邻居节点中能量最大的为下一轮的树 形拓朴的根节点，并通知该节点，新根节点将自己的H值改为原根节点的减 1。这样根节点的高度值始终是全网最低的，保证路由有效性且避免了环路。104、更新邻居列表，在本发明实施例提供的无线传感器网络数据汇聚方 法中，节点之间的信息交互是很重要的，而节点的计算均根据自己的邻居列 表的信息，所以邻居列表实时更新是很关键的，包括根节点和邻居节点的邻 居列表都要实时更新。本发明实施例采用两种方式进行邻居节点之间的信息 交互(l)信息捎带与旁听节点在发送数据时捎带自己的H值和剩余能量信 息，邻居节点可以接收或旁听到；(2)周期信息广播可以在每轮数据发送完 毕后广播，由于相邻两轮节点信息变化较小，也可以每个几轮广播一次。周 期信息广播还起到向邻居列表示自己的存在的作用。节点通过广播收到更新 的才艮文后，首先更新自己的邻居列表，如果父节点的H值变化，要将自己的 H值调整为比父节点的多1。由于根节点的H值不断减小，随着轮数(时间) 增加带动全网节点的H值不断减小。图4为前后两轮拓朴变化情况。上述实施例101至104的处理仫J义是一个完整的举例，101至104的处理 并不都是每一次实施本发明实施例所必须的。比如101或102或104的处理 就不是每一次实施本发明实施例所必须的。(或短时间失效的节点自我恢复，成为准新节点)时，该新节点会向周围节 点广播自身信息，表明自身存在，同时不断接收邻居节点的信息，以构成邻 居列表，这样就按照公式(5)中的选父算法加入到本发明实施例提供的树形拓11朴之中了 。各个节点还可以设置定时器，较长时间(有定时器控制)没有收到邻居 节点的信息就认为该邻居节点失效(死亡)，将该邻居节点从邻居列表中删去 即可。在网络生命期末期，若有节点的所有父节点均失效，该节点将增大发 射功率寻找新的邻居节点并选择父节点，否则将数据直接发送到基站。本发明实施例通过建立树形拓朴连接关系，然后确定根节点，通过根节 点向基站发送数据，树形拓朴随着时间变化，使得各节点能量消耗趋于均衡， 这样充分利用了网络能量，延长了网络生命时间。而且由于本发明实施例提 供的是树形拓朴，比链式拓朴在数据汇聚时延上明显减小，使得基站可以较 快速的获取数据。本发明实施例提供的无线传感器网络数据汇聚方法能够快 速且有效的组织全网节点传送数据，节点只记录基站和邻居节点信息就可进 行路由。另外本发明提供的无线传感器网络数据汇聚方法实现简单，复杂度 低，对数据链路层和物理层的要求也低，适合于无线传感器网络使用。本发明实施例还提供一种网络节点，所述的网络节点与所述的邻居节点 构成树形拓朴连接关系，所述的网络节点的高度值最低，离该网络节点的跳 数越大的邻居节点的高度值越大，参照图6，所述的网络节点包括数据汇聚单元61，用于汇聚邻居节点的数据；数据发送单元62，将所述数据汇聚单元的数据向基站发送。进一步的，该网络节点还包括;洛由建立单元63,用于建立与所述的邻居节点和基站之间的路由，以便于与所述的邻居节点和基站建立树形拓朴连接关系。进一步的，该网络节点还包括关系优化单元64,用于向距离最近的邻居 节点发送标记信息，以便于距离最近邻居节点根据标记信息通过改变自身的 高度值确定节点之间的链路；以及便于其他节点获知根节点距离最近的邻居 节点的高度值发生变化，选择高度值低且离自己最近的邻居节点为父节点， 更改自己的高度值。进一步的，所述的列表更新单元65,还用于在设定的时间内未收到邻居 节点的信息，则确认所述的邻居节点失效，并从邻居列表中删除所述的邻居 节点的信息。该节点与邻居节点建立树形拓朴连接关系，把邻居节点的数据汇聚到基站，比链式拓朴在数据汇聚时延上明显减小，使得基站可以较快速 的获取数据。而且该树形拓朴随着时间变化，各节点能量消耗趋于均衡，这 样充分利用了网络能量，延长了网络生命时间。本发明实施例还提供一种无线传感器网络数据汇聚系统，如图7所示，至少包括第一节点71、至少两个网络节点，和基站72,所述第一节点71和 所述至少两个网络节点构成树形拓朴连接关系第一节点71，用于汇聚所述至少两个网络节点的的数据，将所述的数据 向基站72发送。基站72，用于接收所述第一节点71发送的数据。进一步的，所述的第一节点71,用于向距离最近的网络节点发送标记信 息，以便于距离最近网络节点根据标记信息通过改变自身的高度值确定节点 之间的链路；以及便于其他节点获知根节点距离最近的网络节点的高度值发 生变化，选择高度值低且离自己最近的网络节点为父节点，更改自己的高度值。进一步的，所述的第一节点71，用于选择网络节点中能量最大的节点为 下一轮数据收集的新的根节点，并通知所述新的根节点以便于所述新的根节 点将自己的高度值改为根节点的高度值减1。该系统通过建立树形拓朴连接关系，然后确定根节点，通过根节点向基 站发送数据，使得基站可以较快速的获取数据。而且树形拓朴随着时间变化， 使得各节点能量消耗趋于均衡，这样充分利用了网络能量，延长了网络生命 时间。以上对本发明实施例所提供的一种无线传感器网络数据汇聚方法、系统 及相关设备进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施 例的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说 明书实施例的内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1、一种无线传感器网络数据汇聚方法，其特征在于，包括根节点汇聚邻居节点的数据；根节点将所述的数据向基站发送；其中所述的根节点与所述的邻居节点构成树形拓扑连接关系。
2、 如权利要求1所述的无线传感器网络数据汇聚方法，其特征在于，所 述根节点汇聚邻居节点的数据之前，进一步包括根节点建立与邻居节点和 基站的路由，以便于与所述的邻居节点建立树形拓朴连接关系。
3、 如权利要求2所述的无线传感器网络数据汇聚方法，其特征在于，进 一步包括根节点向距离最近的邻居节点发送标记信息，以便于距离最近邻居节点 根据标记信息通过改变自身的高度值确定节点之间的链路；以及便于其他节 点获知根节点距离最近的邻居节点的高度值发生变化，选择高度值低且离自 己最近的邻居节点为父节点，更改自己的高度值。
4、 如权利要求2或3所述的无线传感器网络数据汇聚方法，其特征在于， 进一步包括根节点在设定的时间内未收到邻居节点的信息，则确认所述的 邻居节点失效，并从邻居列表中删除所述的邻居节点的信息。
5、 如权利要求1所述的无线传感器网络的数据汇聚方法，其特征在于， 所述的邻居节点包括父节点，所述父节点与至少两个的子节点相连，所述才艮 节点汇聚邻居节点的数据，包括根节点汇聚父节点的数据，所述父节点的数据为父节点汇聚各个与父节 点相连的子节点的数据。
6、 如权利要求1所述的无线传感器网络的数据汇聚方法，其特征在于， 所述的邻居节点包括与根节点直接相连的至少两个子节点，所述根节点汇聚 邻居节点的数据，包括根节点汇聚与根节点直接相连的至少两个子节点的数据。
7、 如权利要求1所述的无线传感器网络数据汇聚方法，其特征在于，所 述的根节点将所述的数据发送给所述的基站之后，进一步包括该根节点选择邻居节点中能量最大的邻居节点为下一轮数据收集的新的 根节点，并通知所述新的根节点以便于所述新的根节点将自己的高度值改为根节点的高度值减1。
8、 一种网络节点，其特征在于，所述的网络节点与邻居节点构成树形拓朴连接关系，所述的网络节点包括数据汇聚单元，用于汇聚邻居节点的数据；数据发送单元，将所述数据汇聚单元汇聚的数据向基站发送。
9、 如权利要求8所述的网络节点，其特征在于，还包括路由建立单元， 用于建立与所述的邻居节点和基站之间的路由，以便于与所述的邻居节点和 基站建立树形拓朴连接关系。
10、 如权利要求9所述的网络节点，其特征在于，还包括关系优化单 元，用于向距离最近的邻居节点发送标记信息，以便于距离最近邻居节点根 据标记信息通过改变自身的高度值确定节点之间的链路；以及便于其他节点 获知根节点距离最近的邻居节点的高度值发生变化，选择高度值低且离自己 最近的邻居节点为父节点，更改自己的高度值。
11、 如权利要求10所述的网络节点，其特征在于，所述的列表更新单元， 如果在设定的时间内未收到邻居节点的信息，则确认所述的邻居节点失效， 并从邻居列表中删除所述的邻居节点的信息。
12、 一种无线传感器网络数据汇聚系统，其特征在于，至少包括第一节 点、至少两个网络节点，和基站，所述第一节点和所述至少两个网络节点构 成树形拓朴连接关系第一节点，用于汇聚所述至少两个网络节点的的数据，将所述的数据向 基站发送；基站，用于接收所述第一节点发送的数据。
13、 如权利要求12所述的无线传感器网络数据汇聚系统，其特征在于， 所述的第一节点，用于向距离最近的网络节点发送标记信息，以便于距离最 近网络节点根据标记信息通过改变自身的高度值确定节点之间的链路；以及 便于其他节点获知根节点距离最近网络节点的高度值发生变化，选择高度值 低且离自己最近的网络节点为父节点，更改自己的高度值。
14、 如权利要求12所述的无线传感器网络数据汇聚系统，其特征在于， 所述的第 一节点，用于选择网络节点中能量最大的节点为下一轮数据收集的新的根节点，并通知所述新的根节点以便于所述新的根节点将自己的高度值 改为根节点的高度值减1。
全文摘要
本发明实施例涉及通信领域，提供了一种无线传感器网络数据汇聚方法、系统和相关设备。根节点汇聚邻居节点的数据；根节点将所述的数据向基站发送；其中所述的根节点与所述的邻居节点构成树形拓扑连接关系。可以使树形拓扑随着时间变化，使得各个节点能量消耗趋于平衡，充分利用了网络的能量，延长了网络生命时间，而且延迟较小，使得基站可以较快的获取数据。
文档编号H04L12/56GK101594281SQ20081009776
公开日2009年12月2日 申请日期2008年5月27日 优先权日2008年5月27日
发明者刘桂英, 屈玉贵, 张建伟, 张英堂, 赵宝华, 杰 郑, 郭淑杰 申请人:华为技术有限公司;中国科学技术大学