专利名称：低占空比无线传感器网络中最小时延的数据收集方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种低占空比无线传感器网络中最小时延的数据收集方法。
背景技术：
近年来，通信技术、嵌入式技术和传感器技术的飞速发展使无线传感器网络的大规模应用成为可能。无线传感器网络能够拓展人们的信息获取能力，极大地方便人们的信息交流，因此具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾等诸多领域。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量能量有限的微型传感器节点(简称节点)组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给处理中心(sink节点)即汇聚节点。由于传感器节点携带的电池能量有限，再加上节点个数多，分布区域广，有些甚至部署在危险区域，因此传感器节点通过更换电池的方式来补充能量是不现实的。如何设计出节能高效的网络协议来最大化网络寿命是无线传感器网络面临的首要挑战。睡眠唤醒机制是一种提高网络寿命的有效方法。传感器节点通常有两种低占空比的状态唤醒状态和睡眠状态。在唤醒状态下，传感器节点能够感知周围物理世界信息，并发送和接收相关信息，而在睡眠状态下，传感器节点将关闭所有通信和感知模块，只开启时钟功能。低占空比睡眠唤醒机制主要是采用周期性的唤醒节点的方式，以减少不必要的数据转发和接收，让传感器节点尽可能多的时间处于睡眠状态，而不至于影响网络的正常通信和功能。由于只有通信双方都处于唤醒状态的时候才能进行正常通信，一旦有一方处于睡眠状态，则另一方需要等待到下一个周期对方唤醒时才能进行数据传输，这就带来了“睡眠时延”。在低占空比网络中，即节点的唤醒时间与睡眠时间之比很小的时候，端到端数据传输时延将极度恶化，导致网络数据时效性大大降低。在突发事件监测的无线传感器网络中，对数据收集的实时性要求很高，一旦传感器节点监测到异常的状况，要保证能以最快的速度将信息发送到处理中心。因此如何在提高能效的低占空比无线传感器网络中设计出时延最优的数据收集方法是一个很值得研究的问题。由于传感器节点被周期性唤醒，因此网络的逻辑拓扑随时间处于动态变化中，如何在动态拓扑中设计一种能够达到时延最小的数据收集方法具有很大的挑战。普林斯顿和南加州大学的学者共同提出了一种时延最优的数据收集方法，并结合了信道分配和功率控制机制，该方法给出了在单信道和多信道两种情况下时延最小的链路调度方法，但是该方法没有考虑传感器节点的“睡眠时延”，所使用的网络模型中假设节点一直处于唤醒状态，并且只能在树状拓扑下才能实现该时延最优调度方法。斯坦福大学的学者提出了一种基于时分多址接入(Time Division Multiple Access, TDMA)的无线传感网络中权衡能耗和 时延的数据收集方法。该方法是在给定时隙长度的前提下，能够找到一种时延最小的链路调度策略，但是该方法也没有考虑传感器节点的周期性睡眠机制，即也没有考虑到“睡眠时延”对数据收集时延带来的影响。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种低占空比无线传感器网络中最小时延的数据收集方法，其解决了由于睡眠唤醒机制带来的“睡眠时延”过长和数据收集时效性下降的问题，能在保证网络能效性的前提下，找到一种数据收集的路由和链路调度联合策略，并能够有效避免由于数据碰撞重传带来的时延问题。为达此目的，本发明采用以下技术方案—种低占空比无线传感器网络中最小时延的数据收集方法，包括如下步骤
A、根据实际网络的物理拓扑G和各节点的唤醒周期π，将动态变化的逻辑拓扑转化成静态的、在时间上延拓的虚拟网格网络；B、基于虚拟网格网络，将初始虚拟网格网络拓展时间Λ设为节点Ili产生的数据包到达sink节点所需的最小时间中的最大值max丨LfKJ，其中，η为网络中的总节点数；C、在虚拟网格网络中寻找从超级源节点s到超级sink节点d之间满足无冲突要求的最大流；D、判断所述最大流是否等于源节点个数；若判断结果为否，则将虚拟网格网络在时间上继续延拓，直到在找出的满足无冲突要求的最大流等于源节点个数为止。特别地，所述步骤A还包括根据节点所承担任务的不同，将节点分为三种叶子节点、中间节点和sink节点，其中，所述叶子节点只作为源节点发送数据包，所述中间节点既作为源节点发送数据包，又接收和转发来自邻居节点的数据包，所述Sink节点只作为目的节点接收数据包。特别地，所述步骤A具体包括Al、对于实际网络的物理拓扑G中的每个节点Iii,在T时间内的任意时刻t，处于唤醒状态的节点映射到虚拟网格网络中在时间上延拓的虚拟唤醒节点Ni;t ；A2、在虚拟网格网络中增加一个超级源节点s和超级sink节点d ；A3、当实际网络的物理拓扑G中节点Iii是叶子节点，并且到节点η」存在有向边时，如果节点Iii第一次t时刻唤醒，节点η」在时间t之后的P时刻唤醒，则在虚拟网格网络中增加从\t到Ν」，ρ的有向边；A4、当实际网络的物理拓扑G中节点Iii是中间节点，并且到节点η」存在有向边时，如果节点Iii和η」的唤醒时间分别是t和P，并且t和P都在T时间内，p>t，则在虚拟网格网络中增加从\t到Ν」，ρ的有向边；A5、当实际网络的物理拓扑G中节点Iii是sink节点时，则在虚拟网格网络中建立其对应的所有虚拟唤醒节点到超级sink节点d之间的有向边；A6、在虚拟网格网络中建立从超级源节点s到所有源节点对应的第一个虚拟唤醒节点的有向边。特别地，所述步骤B中节点Iii产生的数据包到达sink节点所需的最小时间!^。通过Dijkstra算法获得。特别地,所述步骤C包括通过Ford-Fulkerson最大流算法找到使数据收集时延最小的数据包传输路径。本发明将将动态变化的逻辑拓扑转化成静态的、在时间上延拓的虚拟网格网络，大大降低了数据收集算法的复杂度，而且采用无竞争的TDMA媒体接入机制，找到时延最小的数据收集路径，并保证在数据收集过程不会发生数据冲突。在低占空比无线传感器网络中，本发明提高了数据收集的时效性，并保证了整个网络的能效性，并且节点只在唤醒状态进行数据接收，其它时间都进入睡眠状态，使网络寿命最大化。
图1为本发明实施例提供的低占空比无线传感器网络中最小时延的数据收集方法流程图；图2a为本发明实施例提供的无线传感器网络无冲突的限制条件一示意图；图2b为本发明实施例提供的无线传感器网络无冲突的限制条件二示意图； 图3为本发明实施例提供的实际网络的物理拓扑G和节点唤醒周期示意图；图4为本发明实施例提供的虚拟网格网络示意图；图5为本发明实施例提供的虚拟网格网络的最大流示意图；图6为本发明实施例提供的MDCD算法流程图。
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，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。请参照图1所示，图1为本发明实施例提供的低占空比无线传感器网络中最小时延的数据收集方法流程图。针对低占空比无线传感器网络的应用特点，本发明建立了如下的网络模型在低占空比无线传感器网络中，节点具有两种状态唤醒状态和睡眠状态。节点在唤醒状态下可以感知周围物理世界，并接收从邻居节点发来的数据包。为了让数据包能够更加快速地传输，节点可以在任何状态下进行数据包的发送，只要下一跳节点处于唤醒状态。在每个时隙中，每个节点只能发送一个数据包，并且网络中除了 sink节点，其它节点都会在初始时刻产生一个数据包。数据收集时延是指所有源节点产生的数据包都到达sink节点所用的时间。在TDMA媒体接入协议中，将时间分为很多相同的时隙，如果该时隙节点处于唤醒状态，则用“I”表示，如果处于睡眠状态，则用“O”表示。节点唤醒周期用表示。如果节点给定的工作机制是“ η =0100”，表明在第一个工作周期π内，节点在第二个时隙被唤醒，其它时隙都处于睡眠状态。本实施例中低占空比无线传感器网络中最小时延的数据收集方法包括如下步骤步骤S101、根据实际网络的物理拓扑G和各节点的唤醒周期π，将动态变化的逻辑拓扑转化成静态的、在时间上延拓的虚拟网格网络。根据节点所承担任务的不同，将节点分为三种叶子节点、中间节点和sink节点，其中，所述叶子节点只作为源节点发送数据包，所述中间节点既作为源节点发送数据包，又接收和转发来自邻居节点的数据包，所述sink节点只作为目的节点接收数据包。本实施例中将实际网络的物理拓扑G映射到虚拟网格网络(Virtual GridNetwork, VGN)的具体过程如下步骤S1011、对于实际网络的物理拓扑G中的每个节点ni;在T时间内的任意时刻t，处于唤醒状态的节点映射到虚拟网格网络中在时间上延拓的虚拟唤醒节点Ni, t。步骤S1012、在虚拟网格网络中增加一个超级源节点s和超级sink节点d。步骤S1013、当实际网络的物理拓扑G中节点Iii是叶子节点，并且到节点η」存在有向边时，如果节点Ili第一次t时刻唤醒，节点Ilj在时间t之后的P时刻唤醒，则在虚拟网格网络中增加从Ni t到Nj p的有向边。由于叶子节点之可能在第一次唤醒时刻有数据包需要发送，所以不需要考虑其它 唤醒时候到其它节点的边。步骤S1014、当实际网络的物理拓扑G中节点Iii是中间节点，并且到节点η」存在有向边时，如果节点Ili和Ilj的唤醒时间分别是t和P，并且t和P都在T时间内，p>t，则在虚拟网格网络中增加从Ni, t到Nj，p的有向边。步骤S1015、当实际网络的物理拓扑G中节点Iii是sink节点时，则在虚拟网格网络中建立其对应的所有虚拟唤醒节点到超级sink节点d之间的有向边。步骤S1016、在虚拟网格网络中建立从超级源节点s到所有源节点对应的第一个虚拟唤醒节点的有向边。步骤S102、基于虚拟网格网络，将初始虚拟网格网络拓展时间Λ设为节点Iii产生的数据包到达sink节点所需的最小时间2^中的最大值max=1 ，其中，η为网络中的总节点数。本实施例中节点Iii产生的数据包到达sink节点所需的最小时间/ 通过Dijkstra算法获得。Dijkstra算是一种已知的最短路径算法，其根据整个网络拓和各链路的长度，可以求得最短路径，在此不再详细说明。步骤S103、在虚拟网格网络中寻找从超级源节点s到超级sink节点d之间满足无冲突要求的最大流。通过最小时延的数据收集路径算法(Minimum Data CollectionDelayalgorithm,MDCD)在虚拟网格网络中寻找从超级源节点s到超级sink节点d之间满足无冲突要求的最大流。MD⑶算法通过Ford-Fulkerson最大流算法找到使数据收集时延最小的数据包传输路径，并保证在整个数据收集过程中通过该算法找出的收集路径不会发生数据冲突。Ford-Fulkerson最大流算法一种比较容易实现的网络最大流算法,应用较为广泛，在此不再详细说明。下面针对所述数据冲突问题进行说明。为了保证数据传输过程中不发生冲突，需要考虑节点的半双工特性，即节点不能同时进行接收和发送数据包。如图2a和图2b所示，这两种情况在链路调度过程中是不允许出现的，一旦出现将会发生数据冲突。如图2a所示，节点j在接收节点i发送的数据时，节点j不能发送数据给节点m。如图2b所示，节点2和节点3不能同时给节点I发送数据。因此在考虑寻找虚拟网格网络中的最大流时应该将以上两种冲突情况排除在外。步骤S104、判断所述最大流是否等于源节点个数；若判断结果为否，则将虚拟网格网络在时间上继续延拓，直到在找出的满足无冲突要求的最大流等于源节点个数为止。如图3所示，图3为本发明实施例提供的实际网络的物理拓扑G和节点唤醒周期示意图。以图3所示的实际网络的物理拓扑G为例对本发明的实现过程进行具体的说明。本实施例中实际网络的物理拓扑G映射到虚拟网格网络的具体过程如下1、如图3所示，节点I的唤醒周期是“1000”，假定数据收集的持续时间是11个时隙，那么节点I会在第1、5、9三个时隙被唤醒，因此节点I对应虚拟网格网络中的虚拟唤醒节点为N1,1; \5和N1,9。节点2、节点3和节点4转换成虚拟网格网络中的虚拟唤醒节点同理可得。2、如图3所示，叶子节点I在其邻居节点3唤醒的时候可以将数据包发送给节点3，因此可以在虚拟网格网络中添加有向边Ν1Λ — N3j2, N1j1 — N3j6和Nm — Ν3,1(ι，如图4所示。同理可得对于叶子节点2，同样也是在其邻居节点3处于唤醒状态时可以将数据包发送给节点3，因此可以在虚拟网格网络中添加有向边Ν2，4 — N3j6和Ν2，4 — N3aoo 3、如图3所示，中间节点3作为源节点，其可在邻居节点4处于唤醒状态时发送数据包给节点4，因此可以在虚拟网格网络中添加有向边Ν3，2 — N4j3, N3j2 — N4j7和Ν3，2 — N4,no节点3作为中继节点，可以在其处于唤醒状态时接收数据包，并转发给邻居节点4。因此可以在虚拟网格网络中添加有向边N3，6 — N4j7, N3j6 — N4jll和N3atl — N4jllo4、如图4所示,节点4作为sink节点，可以在虚拟网格网络中添加超级sink节点d对应的虚拟唤醒节点到超级sink节点d之间的有向边，因此可以添加有向边N43 — d，N4,7 — d和N4ai — d,如图3所不。5、如图4所示，建立超级源节点s到各源节点第一个唤醒周期内对应的虚拟唤醒节点的有向边，因此可以在VGN中添加有向边s — Nia, s — N2j4和s — N3j20在执行完上述步骤I至5之后，如图3所示的实际网络的物理拓扑G和节点唤醒周期就转换成静态的虚拟网格网络，具体情况，如图4所示。基于虚拟网格网络采用MDCD算法来找到符合无线传感器网络中无冲突限制的最小时延数据收集路径。在如图4所示的虚拟网格网络中，寻找从超级源节点s到超级sink节点d的最大流，求得在虚拟网格网络中使最大流等于源节点个数的最小时间拓展。所得到的结果如图5所示，最小时延拓展为11个时隙时，从超级源节点s到超级sink节点d的最大流刚好等于源节点个数3。最大流的流向即为数据收集的路径节点3在第3个时隙将自身的数据包发给节点4，节点2在第6个时隙将自身产生的数据包发给节点3，节点3在第7个时隙将由节点2产生的数据包转发给节点4，节点I在第10个时隙将自身产生的数据包发给节点3，节点3在第11个时隙将由节点I产生的数据包转发给节点4。如图6所示，图6为本发明实施例提供的MDCD算法流程图。具体过程如下步骤S601、网络初始化。网络初始化各个节点通过发送hello报文让sink节点知道自己的唤醒周期n，将初始虚拟网格网络拓展时间Λ设为节点Iii产生的数据包到达sink节点所需的最小时间中的最大值max=1 {!=}，其中，η为网络中的总节点数。虚拟网格网络拓展时间(VGN拓展时间)△即为数据收集持续时间。初始最大流fm设为O。其
中，& = — O[π步骤S602、将VGN拓展时间更新为k Ji。
步骤S603、判断在残留网络Gf(A)中是否存在超级源节点s到超级sink节点d的增广路径P;若判断结果为是(Yes)，则执行步骤S604，若判断结果为是(No)，则执行步骤 S608。步骤S604、在增广路径P上增加流值f'。步骤S605、判断流值f'是否满足数据无冲突的限制条件。数据无冲突的限制条件可参照图2a和图2b。若判断结果为是，则执行步骤S607，若判断结果为否，则执行步骤S608。步骤S607、将流更新为f'，将残留网络更新为Gf' (Λ)，然后继续执行步骤S603。步骤S608、fm更新为(G，s, d, c, Δ )的最大流，最优流路径为P。 步骤S609、判断fm是否小于η-1。若判断结果为是，则执行步骤S6010，若判断结果为否，则执行步骤S6011。步骤S6010、对k执行k=k+l运算。然后返回执行步骤S602。步骤S6011、在第k个节点唤醒周期内找到对应时间t最大的虚拟唤醒节点。步骤S6012、获得最小数据收集时延Tmin等于所述最大的t。本发明的技术方案将由于节点唤醒周期造成的动态逻辑拓扑转化成静态的虚拟网格网络，并基于虚拟网格网络寻找最小时延无冲突的数据收集路径，其采用无竞争的TDMA媒体接入机制，提高了数据收集的时效性，并保证了整个网络的能效性，使网络寿命最大化。上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种低占空比无线传感器网络中最小时延的数据收集方法，其特征在于，包括如下步骤 A、根据实际网络的物理拓扑G和各节点的唤醒周期π，将动态变化的逻辑拓扑转化成静态的、在时间上延拓的虚拟网格网络； B、基于虚拟网格网络，将初始虚拟网格网络拓展时间△设为节点Iii产生的数据包到达Sink节点所需的最小时间中的最大值max丨/{!=}，其中，η为网络中的总节点数； C、在虚拟网格网络中寻找从超级源节点S到超级sink节点d之间满足无冲突要求的最大流； D、判断所述最大流是否等于源节点个数；若判断结果为否，则将虚拟网格网络在时间上继续延拓，直到在找出的满足无冲突要求的最大流等于源节点个数为止。
2.根据权利要求1所述的低占空比无线传感器网络中最小时延的数据收集方法，其特征在于，所述步骤A还包括 根据节点所承担任务的不同，将节点分为三种叶子节点、中间节点和sink节点，其中，所述叶子节点只作为源节点发送数据包，所述中间节点既作为源节点发送数据包，又接收和转发来自邻居节点的数据包，所述Sink节点只作为目的节点接收数据包。
3.根据权利要求2所述的低占空比无线传感器网络中最小时延的数据收集方法，其特征在于，所述步骤A具体包括 Al、对于实际网络的物理拓扑G中的每个节点IV在T时间内的任意时刻t，处于唤醒状态的节点映射到虚拟网格网络中在时间上延拓的虚拟唤醒节点Ni;t ； A2、在虚拟网格网络中增加一个超级源节点s和超级sink节点d ； A3、当实际网络的物理拓扑G中节点Iii是叶子节点，并且到节点η」存在有向边时，如果节点Iii第一次t时刻唤醒，节点η」在时间t之后的P时刻唤醒，则在虚拟网格网络中增加从Ni;t到Ν」，ρ的有向边； A4、当实际网络的物理拓扑G中节点Iii是中间节点，并且到节点η」存在有向边时，如果节点Iii和η」的唤醒时间分别是t和p，并且t和P都在T时间内，p>t，则在虚拟网格网络中增加从\t到的有向边； A5、当实际网络的物理拓扑G中节点Iii是sink节点时，则在虚拟网格网络中建立其对应的所有虚拟唤醒节点到超级sink节点d之间的有向边； A6、在虚拟网格网络中建立从超级源节点s到所有源节点对应的第一个虚拟唤醒节点的有向边。
4.根据权利要求3所述的低占空比无线传感器网络中最小时延的数据收集方法，其特征在于，所述步骤B中节点Iii产生的数据包到达sink节点所需的最小时间通过Dijkstra算法获得。
5.根据权利要求4所述的低占空比无线传感器网络中最小时延的数据收集方法，其特征在于，所述步骤C包括通过Ford-Fulkerson最大流算法找到使数据收集时延最小的数据包传输路径。
全文摘要
本发明公开一种低占空比无线传感器网络中最小时延的数据收集方法，其包括如下步骤A、根据实际网络的物理拓扑G和各节点的唤醒周期π，将动态变化的逻辑拓扑转化成虚拟网格网络。B、基于虚拟网格网络，将初始虚拟网格网络拓展时间Δ设为节点ni产生的数据包到达sink节点所需的最小时间中的最大值C、在虚拟网格网络中寻找从超级源节点s到超级sink节点d之间满足无冲突要求的最大流。D、判断所述最大流是否等于源节点个数；若判断结果为否，则将虚拟网格网络在时间上继续延拓，直到在找出的满足无冲突要求的最大流等于源节点个数为止。本发明提高了数据收集的时效性，并且节点只在唤醒状态进行数据接收，使网络寿命最大化。
文档编号H04W84/18GK103024859SQ201210505168
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者孙咏梅, 骆淑云, 毛续飞, 纪越峰 申请人:无锡清华信息科学与技术国家实验室物联网技术中心, 北京邮电大学