专利名称：基于随机行走备份及节点合作的数据转发方法
技术领域：
本发明属于网络通信技术领域，涉及数据转发方法，具体是一种基于随机行走备份及节点合作的数据转发方法，可用于提高无线传感器网络的容错性。
背景技术：
无线传感器网络是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统， 是当前信息领域研究和开发的一个热点，可实现数据的采集量化、处理融合和传输，在军事侦察、环境监测、医疗监护、空间探索、城市交通管理、仓储管理等军事和民用领域具有广泛的应用。在无线传感器网络的实际应用中，一般都需要部署大量的无线传感器节点，由于节点往往工作在恶劣的环境中，并且通常采用能量有限的电池提供能量，所以无线传感器网络很容易出现因为能源耗尽或者受到自然界破坏而出现部分节点失效的情况；此外，对无线传感器网络有目的性的破坏也会直接或间接地导致整个网络的瓦解。因此，面对无线传感器网络的实际应用，如何节省节点能量、保证网络数据传输可靠性，提高整个网络的抗毁性成为无线传感器网络研究的重要问题。目前针对无线传感器网络抗毁性的研究一般是基于冗余机制和复杂网络理论开展的。冗余机制一般是通过构造k重覆盖网络或增加中继节点来提高网络的抗毁性，但是冗余节点的增加会在网络中形成许多不必要的通信链路从而增加了网络的开销，因而降低了系统的性能、影响了网络的寿命。复杂网络理论一般是通过构建具有小世界特征和无标度网络特征的拓扑结构来提高网络抗毁性。目前具有小世界特征的无线传感器网络网络拓扑主要是依靠在网络中添加有线通信线路或者在节点之间采用移动节点，如data mule，来实现节点之间长程通信，减少网络的平均路径。但是这些方法存在以下缺陷(1)无线传感器网络一般出在恶劣的工作环境中，因此有线通信线路的铺设及其维护困难；(2)有线线路一旦铺设很难对其部署做出调整，因此有线通信线路的方案很难应对拓扑结构快速变化的无线传感器网络；(3)网络的时间延迟及拓扑的有效性极大的依赖于移动节点的速度，但是节点的移动速度远远小于无线通信信号的传播速度，因此采用移动节点的方案网络性能不佳；(4)移动节点造价一般远远高于无线传感器节点，且还需有专门的软件控制移动节点的运动轨迹，因此移动节点方法的代价成本过高。具有无标度网络特性的无线传感器网络拓扑主要是通过增加新节点和新链路的成长方式形成节点度具有幂律分布特点的拓扑结构，但是在增加新链路阶段没有考虑无线传感器网络节点通信半径有限这一限制，因此该方法在无线传感器网络的应用中亟需改进。
发明内容
本发明的目的是针对上述已有技术的不足，提出一种基于随机行走备份及节点合作的数据转发方法，以避免有线链路的铺设及维护困难，及移动节点的造价高和网络延迟大，无线传感器节点的通信半径有限问题，通过构建适于实际应用需求的无线传感器网络， 提高其普适性和抗毁性能。实现本发明的技术思路是在数据的感知阶段，数据依照随机行走策略实现在网络节点间的备份；在数据的传输阶段，节点之间采取合作转发的方式将数据发送到sink， 同时充分利用无线通信广播的特点减少由在数据感知阶段备份产生的冗余数据的通信量。 其实现步骤包括如下(1)在SXS的平面范围内，随机抛撒N个同构的无线传感器节点，构建随机无线传感器网络，其中s = 200m，400彡N彡700，并将网关节点sink布置在网络中心的位置；(2)在构建的无线传感器网络中，无线传感器网络中的全部节点将感知的数据收集并存储到节点的存储器中，同时，在无线传感器网络节点中找出所有需要执行数据备份策略的节点，并将这些节点感知到的数据分别以随机行走的方式，存储到数据随机行走所经过节点的存储器中备份；(3)无线传感器网络中的各节点将步骤O)中收集和备份的数据采取合作转发的方式，汇聚至网关节点sink:(3a)在无线传感器网络各节点存储器中选出需要向网关节点sink发送的数据包 MSG_ID，即数据标志位MSG_ID_CHECK = 1的数据包；(3b)无线传感器网络中向网关节点sink发送数据的当前节点source只广播该节点存储器中需要发送的数据包MSG_ID ；(3c)当前节点source邻居集合Neighbour中的节点，接收到数据包MSG_ID后，重新计算各自存储器中各数据包的数据标志位MSG_ID_CHECK_N ；(3d)重复步骤(3a)、(3b)和(3c)直到网络中的节点全部向网关节点sink发送了各自存储器中需要发送的数据；(4)网关节点sink接收由步骤(3)中各节点发送的数据，并针对无线传感器网络的应用背景，对接收到的数据做出相应的处理。本发明具有如下的优点(1)本发明由于将无线传感器网络中节点感知的数据，存储到数据随机行走所经过的节点存储器中，因此使得数据随机行走所经过节点只需要获取其通信范围内其他无线传感器节点的信息，所以本发明更加适合节点通信范围有限的无线传感器网络；(2)本发明通过数据的随机行走备份策略，使得备份数据的节点与感知该数据的节点在无线传感器网络中的分布比较分散，所以备份数据的节点与感知该数据的节点同时故障的概率远远低于感知该数据的节点故障的概率，因此可以大大提高网络的抗毁性；(3)本发明在无线传感器网路中节点将各自存储器中的数据汇聚到网关节点 sink时，利用无线通信广播的特点重新计算各自存储器中数据包的数据标志位MSG_ID_ CHECK，同时无线传感器网络中各节点只广播其存储器中数据标志位MSG_ID_CHECK = 1的数据包MSG_ID，因此可以在不增加的通信开销的前提下减少由数据备份所引起的冗余数据的传输量；
(4)由于无线传感器网络节点感知的数据依照数据的随机行走的备份策略在其他节点存储器中有备份，因此在采用本发明的数据合作转发策略时，网络的平均路径长度会有一定的降低；(5)本发明数据备份及合作转发的方法在完全符合无线传感器通信特征的前提下，没有涉及有线链路、移动节点等条件，因此使得本发明的方法可以在不提高网络构建、 维护、通信成本的前提下提高网络的抗毁性。
图1是本发明的总流程图；图2是本发明中基于数据随机行走备份策略子流程图；图3是本发明中基于合作转发的数据传输子流程图；图4是本发明的网络规模对网络平均路径长度影响示意图；图5是本发明的随机行走概率ρ对网络平均路径长度影响示意图；图6是本发明在不同转发策略下，网络发送的数据包数量比较图；图7是本发明在网络规模为400个节点时，网络抗毁性的性能曲线图；图8是本发明在网络规模为500个节点时，网络抗毁性的性能曲线图；图9是本发明在网络规模为600个节点时，网络抗毁性的性能曲线图；图10是本发明在网络中失效节点比例为0. 2时，网络抗毁性的性能曲线图；图11是本发明在网络中失效节点比例为0. 4时，网络抗毁性的性能曲线图；图12是本发明在网络中失效节点比例为0. 6时，网络抗毁性的性能曲线图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明做进一步的描述。参照附图1，本发明的实现步骤如下步骤1.在S X S的平面范围内，随机抛撒N个同构的无线传感器节点，构建随机无线传感器网络，其中S = 200m, 400彡N彡700，并将网关节点sink布置在网络中心的位置。步骤2.在构建的无线传感器网络中，无线传感器网络中的全部节点将感知的数据存储到各自的存储器中，网络中需要执行数据备份策略节点将感知数据以随机行走的方式进行备份，具体步骤如下(2a)无线传感器网络中的全部节点将感知的数据收集并存储到节点的存储器中；(2b)在无线传感器网络节点中找出所有需要执行数据备份策略的节点，并将这些节点感知到的数据分别以随机行走的方式，存储到数据随机行走所经过节点的存储器中备份；参照附图2，本步骤的具体实施如下(2bl)计算各个节点的效率函数值F(Vi)，并确定随机行走的起点walker F(Vi) = hoPi/hopmax+E
current ⑴/Einitial ⑴，其中，E。UMt⑴和Einitial⑴分别为节点Vi的剩余能量与初始能量，hoPi为节点 Vi距离网关节点sink节点的跳数，hopmax为网络中所有节点距离网关节点sink的最大跳
在数据随机行走到的当前节点的邻居集合Neighbour中，将效率函数值F(Vi)最大的节点作为数据下一步随机行走的起点walker ；(2b2)确定需要执行数据备份策略的节点集合以节点Vi的剩余能量与初始能量的比值作为节点Vi的决策函数值C(Vi),将无线传感器网络中决策函数值C(Vi)小于随机行走概率P的节点Vi作为执行随机行走备份策略的节点source，并将这些节点构成的集合记为BACK_N0DE，BACK_N0DE集合中的节点即为需要执行数据备份策略的节点，如果BACK_ NODE不存在任何节点，即BACK_N0DE为空集合，则无线传感器网络中不存在需要执行数据备份策略节点；(2b3)判断BACK_N0DE集合中是否为空集合，如果BACK_N0DE不是空集合，则对 BACK_N0DE中的节点执行数据备份策略，即初始化中间变量temp = d, walker = source，其中temp表示数据行走的剩余步数，d为预先设定的数据随机行走步数的上限，walker表示数据随机行走过程中每一步的起点，source表示BACK_N0DE中执行数据备份策略的当前节点，并转步骤0b4)，否则，结束数据的备份过程；(2b4)如果中间变量temp > 0，则将source感知到的数据存储到walker的储器中作为备份，temp = temp-1，然后在walker的邻居集合Neighbour中选出效率函数F(Vi) 值最大的节点作为数据随机行走的下一步起点walker，转步骤，如果中间变量temp =0，则在集合BACK_N0DE中删除节点source，转步骤(沘3)。步骤3.无线传感器网络中的各节点将步骤O)中收集和备份的数据采取合作转发的方式，汇聚至网关节点sink。参照附图3，本步骤的具体实施如下(3a)通过判断数据包MSG_ID的数据标志位MSG_ID_CHECK是否为1，在无线传感器网络各节点存储器中选出需要向网关节点sink发送的数据包MSG_ID，如果数据包MSG_ ID的数据标志位MSG_ID_CHECK = 1，则表示向网关节点sink发送数据的当前节点source 通信范围内没有节点发送过数据包MSG_ID，数据包MSG_ID即为当前节点source存储器中需要向网关节点sink发送的数据包；如果数据包MSG_ID的数据标志位MSG_ID_CHECK = 0 则表示当前节点source通信范围内已经有节点发送过数据包MSG_ID，则当前节点source 不再需要向网关节点sink发送该数据包；(3b)判断网络中是否存在未向sink发送数据的节点source，是则转步骤(3c)，否则结束网络中各节点将步骤2中收集和备份的数据汇聚至网关节点sink的过程；(3c)判断当前节点source存储器中是否存在需要转发的数据包MSG_ID，即MSG_ ID_CHECK = i的数据包，如果存在，则转步骤(3d)，如果不存在，标记source为已向sink 发送数据，并转步骤(3b)；(3d)当前节点source将数据包MSG_ID进行广播，并令数据包MSG_ID的数据标志位 MSG_ID_CHECK = 0 ；(3e)当前节点source的邻居节点在接收到source广播的数据包MSG_ID后，依照MSG_ID_CHECK_N = MSG_ID XOR MSG_ID_N重新计算其存储器中各个数据包的数据标志位 MSG_ID CHECK_N,转步骤(3c)。步骤4.网关节点sink接收由步骤(3)中各节点发送的数据，并针对无线传感器
7网络的应用背景，对接收到的数据做出相应的处理。本发明的效果可以通过一下仿真实验结果进行进一步的说明。1.仿真条件仿真实验的条件如表1所示表1仿真参数
参数名称参数设置值目标区域200mX200m节点数目N400，500，600节点通信半径20m缺省网络规模400节点初始能量2J仿真次数100缺省的随机行走概率P0. 3缺省的随机行走步数d0网关节点Sink坐标(100m, 100m)网络中失效节点的比例I^fail0. 2,0. 4,0. 62.仿真内容及仿真实验结果由于无线传感器网络节点感知的数据依照数据的随机行走的备份策略在其他节点存储器中有备份，因此在采用本发明的数据合作转发策略时，网络的平均路径长度会有一定的降低。仿真1，对采用本发明的网络平均路径长度做出仿真，仿真结果如图4和图5。从图4可以看出，利用本发明构建的无线传感器网络的网络平均路径长度有所降低，并且网络的平均路径长度随着网络规模的增加没有明显的增加，这说明本发明适用于大规模的无线传感器，因此本发明对无线传感器网络具有较高的普适性。从图5可以看出，节点随机备份的概率ρ越大，网络的平均路径长度降低的越大， 这也符合实际情况，图5可以说明本发明的合理性。仿真2，对利用本发明中的利用无线通信广播特点进行合作转发降低网络的通信量的有效性进行仿真，仿真结果如图6。从图6可以看出，比较d = 3的情况可以得到，采用无线通信广播特点进行合作转发的情况下较未采用合作转发的情况可以大大降低网络的通信量，d =1的情况较d = 0的情况网络的通信量比并没有显著的增加。
仿真3，对利用本发明构建的无线传感器网络对节点随机失效的情况下网络的抗毁性做出仿真，用sink接收到的数据包数量与网络中传感器节点数量的比值来衡量网络的抗毁性，比值越大网络的抗毁性越高，仿真结果如图7-图13。从图7、图8和图9可以看出，采用本发明构建的无线传感器网络在不同的网络节点失效比例下抗毁性均显著的高于不采用本发明的无线传感器网络。从图10，图11和图12可以看出，采用本发明构建的无线传感器网络在不同的网络规模下抗毁性均显著的高于不采用本发明的无线传感器网络。综合图7-图12知，采用本发明构建的无线传感器网络在不同的网络规模和不同的失效节点比例下，网络的抗毁性均优于不采用本发明的网络，并且d= 1的情况下，网络的抗毁性便有了显著的提高，这充分说明了本发明的有效性。以上所述仅为本发明的验证实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明技术思想下所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于随机行走备份及节点合作的数据转发方法，包括如下步骤(1)在SXS的平面范围内，随机抛撒N个同构的无线传感器节点，构建随机无线传感器网络，其中S = 200m，400彡N彡700，并将网关节点sink布置在网络中心的位置；(2)在构建的无线传感器网络中，无线传感器网络中的全部节点将感知的数据收集并存储到节点的存储器中，同时，在无线传感器网络节点中找出所有需要执行数据备份策略的节点，并将这些节点感知到的数据分别以随机行走的方式，存储到数据随机行走所经过节点的存储器中备份；(3)无线传感器网络中的各节点将步骤O)中收集和备份的数据采取合作转发的方式，汇聚至网关节点sink:(3a)在无线传感器网络各节点存储器中选出需要向网关节点sink发送的数据包MSG_ ID,即数据标志位MSG_ID_CHECK = 1的数据包；(3b)无线传感器网络中向网关节点sink发送数据的当前节点source只广播该节点存储器中需要发送的数据包MSG_ID ；(3c)当前节点source邻居集合Neighbour中的节点，接收到数据包MSG_ID后，重新计算各自存储器中各数据包的数据标志位MSG_ID_CHECK_N ；(3d)重复步骤(3a)、(3b)和(3c)直到网络中的节点全部向网关节点sink发送了各自存储器中需要发送的数据；(4)网关节点sink接收由步骤(3)中各节点发送的数据，并针对无线传感器网络的应用背景，对接收到的数据做出相应的处理。
2.如权利要求1所述的数据转发方法，其中步骤(2)所述的在无线传感器网络节点中找出所有需要执行数据备份策略的节点，并将这些节点感知到的数据分别以随机行走的方式，存储到数据随机行走所经过节点的存储器中备份，按如下步骤进行(2a)计算各个节点的效率函数值F(Vi)，并确定随机行走的起点walker F(Vi) = hoPi/hoP max+ECurrent ( ) /Einitial (土)，其中，EcmraJi)和Einitial⑴分别为节点Vi的剩余能量与初始能量，hoPi为节点Vi距离网关节点sink节点的跳数，hopmax为网络中所有节点距离网关节点sink的最大跳数；在数据随机行走到的当前节点的邻居集合Neighbour中，将效率函数值F(Vi)最大的节点作为数据下一步随机行走的起点walker ；(2b)确定需要执行数据备份策略的节点集合以节点Vi的剩余能量与初始能量的比值作为节点Vi的决策函数值C(Vi),将无线传感器网络中决策函数值C(Vi)小于随机行走概率P的节点Vi作为执行随机行走备份策略的节点source，并将这些节点构成的集合记为 BACK_N0DE, BACK_N0DE集合中的节点即为需要执行数据备份策略的节点，如果BACK_N0DE 不存在任何节点，即BACK_N0DE为空集合，则无线传感器网络中不存在需要执行数据备份策略节点；(2c)判断BACK_N0DE集合中是否为空集合，如果BACK_N0DE不是空集合，则对BACK_ NODE中的节点执行数据备份策略，即初始化中间变量temp = d，walker = source，其中 temp表示数据行走的剩余步数，d为预先设定的数据随机行走步数的上限，walker表示数据随机行走过程中每一步的起点，source表示BACK_N0DE中执行数据备份策略的当前节点，并转步骤(2d)，否则，结束数据的备份过程；(2d)如果中间变量temp > 0，则将source感知到的数据存储到walker的储器中作为备份，temp = temp-1，然后在walker的邻居集合Neighbour中选出效率函数F(Vi)值最大的节点作为数据随机行走的下一步起点walker，如果中间变量temp = 0，则在集合BACK_ NODE中删除节点source，转步骤(2c)，否则转步骤Qd)。
3.如权利要求1所述的数据转发方法，其中步骤(3a)所涉及的在无线传感器网络各节点存储器中选出需要向网关节点sink发送的数据包MSG_ID，是通过判断数据包MSG_ID 的数据标志位MSG_ID_CHECK是否为1实现的如果数据包MSG_ID的数据标志位MSG_ID_ CHECK = 1，则表示向网关节点sink发送数据的当前节点source通信范围内没有节点发送过数据包MSG_ID，数据包MSG_ID即为当前节点source存储器中需要向网关节点sink发送的数据包；如果数据包MSG_ID的数据标志位MSG_ID_CHECK = 0则表示当前节点source通信范围内已经有节点发送过数据包MSG_ID，则当前节点source不再需要向网关节点sink 发送该数据包。
4.如权利要求1所述的数据转发方法，其中步骤(3c)所述的重新计算各自存储器中各数据包的数据标志位MSG_ID_CHECK_N，是在当前节点source邻居集合Neighbour中的节点在接收到 source 广播的数据包 MSG_ID 后，依照 MSG_ID_CHECK_N = MSG_ID XOR MSG_ID_N 公式，计算出各自存储器中各数据包的数据标志位MSG_ID_CHECK_N。
全文摘要
本发明公开了一种基于随机行走备份及节点合作的数据转发方法，主要解决现有抗毁技术成本高、普适性低和实际应用困难的问题。该方法充分考虑无线传感器网络通信的特点，在数据的感知阶段，选出需要执行数据备份策略的节点，将这些节点感知的数据，通过数据在节点间的随机行走实现数据的备份，以提高网络的抗毁性；在数据的传输阶段，传感器节点只广播存储器中数据标志位为1的数据包，实时的计算存储器中数据包的数据标志位，以实现数据的合作转发，减少数据备份引起的额外数据传输量，降低网络的平均路径长度。本发明具有抗毁性高、普适性好、实现简单和成本低的特点，可用于实现大规模无线传感器网络的数据收集与传输。
文档编号H04W24/04GK102158888SQ20111012942
公开日2011年8月17日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者冯海林, 刘立芳, 郑耿忠, 马士强, 齐小刚 申请人:西安电子科技大学