一种传感器网络中的数据收集的方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种传感器网络中的数据收集的方法及装置。所述方法包括：随机选取树形拓扑上的一个节点，将所述树形拓扑转化为以所述节点为根节点的有向树；对所述树形拓扑不断进行破分，直到子树大小为1为止，分别找到所述树形拓扑及每次破分后的子树中经过对应的根节点的最优数据收集路径，并将每次得到的最优数据收集路径存入备选集中；在备选集中查找全局感知数据通信能耗最小的路径，所述全局感知数据通信能耗最小的路径即为全局最优数据收集路径，组成所述全局最优数据收集路径的节点为最优汇聚点。本发明降低了数据收集的能量消耗，提高了数据传输效率。
【专利说明】一种传感器网络中的数据收集的方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明实施例涉及无线网络技术，尤其涉及一种传感器网络中的数据收集的方法及装置。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)是一种由多个传感器节点构成的自组织网络。该网络中的传感器节点将探测得到的信息通过无线多跳传输的方式发送给基站，然后由基站对这些信息进行分析处理。无线传感器网络的功能是对环境监控信息进行收集和管理。因此，数据收集是传感器网络的基本任务。数据收集是指将网络中的传感器节点所采集到的感知信息传送给基站，然后由基站对信息进行处理。数据收集的一般方式为无线多跳传输，即每个节点将自身的感知信息封装成数据包，该数据包经过网络中的其他节点路由到基站。
[0003]在传统的数据收集方式中，将基站固定在传感器布控区域中的某处，网络中的其它节点通过无线多跳传输的方式将自身的感知信息传送给基站，然后由基站对感知信息进行分析处理。图1是现有技术中固定基站的数据收集的示意图，如图1所示，这种信息收集方式的优势在于简单易行，网络设计者只需要在保证网络全联通的前提下，可将基站坐落在网络中的任意位置。由于基站被固定在了网络中的某处，距离基站一跳之内的传感器节点需要承担更多的数据转发任务，从而率先消耗完能量而”死亡”，最终造成网络瘫痪，极大的缩短了网络的生命周期。现有技术中，在基站固定下的信息收集方案中，避免网络过早瘫痪的做法通常分为三类:第一，设计低功耗路由协议；第二:合理的使用多级信道进行数据传输；第三:在基站周围部署更多的、或能力更强的节点轮流工作。
[0004]前两种方法由于位于基站周围的节点仍然承担着过多的转发任务，因此不能从根本上解决负载不均问题。第三种方法由于减少了网络的覆盖面，增加了部署成本，因此实用性不强。现有技术中，通过给基站增加移动装置，使基站移动起来，然后不断调整基站的位置，可以将网络负载分摊在不同的节点上，减缓负载不均现象的出现。在这种移动式的数据收集方式中，由于传感器节点只需承担自身和少量其他节点的数据转发任务，因此节点在每一轮的信息收集过程中，能量消耗相同。依靠移动基站来进行数据收集的方式可分为两类:第一类是移动基站对节点进行直接访问来收集数据。即基站轮流移动到每个节点的通信范围之内，节点通过单跳的方式直接与基站通信。这种方式的优点在于节点只需在移动基站到来时将自身的感知数据传送给对方，而无需承担其它节点的数据转发任务，因此能耗较低。然而由于基站的运动速度较慢，造成较大的数据延迟，实用性较低。第二类是基站只停留在特定的节点处，称为汇聚点(Rendezvous Point)。其他节点则通过多跳传输的方式将感知数据发送到距离自身最近的汇聚点，再由移动基站移动到汇聚点处对信息进行统一收集。
[0005]在这种利用汇聚点的数据收集方案中，可以在网络时延和能量消耗的不同要求下做出折中。例如，在火灾监控、入侵检测这类对数据时延要求较高的场景中，可以选择较少的汇聚点，移动基站只需花费较短时间便可以在汇聚点处收集到全局感知数据。而在湿度检测，空气质量监控这类对数据时延要求较低的场景中，可以选择较多的汇聚点，减少传感器由于数据转发所消耗的能量，延长传感网的生命周期。但是现有技术中通过汇聚点进行数据收集的方式仍存在着能耗大，数据传输效率低的问题。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明实施例提供一种传感器网络中的数据收集的方法及装置，以降低现有技术中数据收集的能量消耗，提高数据传输效率。
[0007]一方面，本发明实施例提供了一种传感器网络中的数据收集的方法，所述方法包括:
[0008]随机选取树形拓扑上的一个节点，将所述树形拓扑转化为以所述节点为根节点的有向树；
[0009]对所述树形拓扑不断进行破分，直到子树大小为I为止，分别找到所述树形拓扑及每次破分后的子树中经过对应的根节点的最优数据收集路径，并将每次得到的最优数据收集路径存入备选集中；
[0010]在备选集中查找全局感知数据通信能耗最小的路径，所述全局感知数据通信能耗最小的路径即为全局最优数据收集路径，组成所述全局最优数据收集路径的节点为最优汇聚点。
[0011]进一步地，所述分别找到所述树形拓扑及每次破分后的子树中经过对应的根节点的最优数据收集路径，并将每次得到的最优数据收集路径存入备选集中，包括:
[0012]根据每次找的树形拓扑或者子树的最优数据收集路径，将所述树形拓扑转化为以所述树形拓扑的根节点或者以所述子树的根节点为根节点的有向树；
[0013]采用自下而上的方式对所述树形拓扑进行遍历，计算每个节点对应的以该节点为根的子树上所有节点的数据产生率之和，并计算所述根节点的全局信息所需的传输能耗消耗值；
[0014]采用自上而下的方式对所述树形拓扑进行遍历，计算每个节点对应的全局信息所需的传输能耗消耗值，并计算经过根节点的长度在预设长度内的路径对应的节省的总能耗；
[0015]对所述经过根节点的长度在预设长度内的路径进行组合，计算组合后的路径对应的节省的总能耗，并保存在备选集中；
[0016]从所述备选集中选取最优数据收集路径，并计算该路径对应的全局信息所需的传输能耗消耗值，并将所述最优数据收集路径及对应的全局信息所需的传输能耗消耗值存入备选集中，其中，所述最优数据收集路径是节省的总能耗最多的路径。
[0017]进一步地，所述分别找到所述树形拓扑及每次破分后的子树中经过对应的根节点的最优数据收集路径的每一次的执行时间复杂度为O(NlgN)，其中，N表示所述传输器网络中的总的节点数。
[0018]进一步地，所述方法的执行时间复杂度为O(Nlg2N)，其中，N表示所述传感器网络中的总的节点数。
[0019]进一步地，在所述随机选取树形拓扑上的一个节点，将所述树形拓扑转化为以所述节点为根的有向树，还包括:
[0020]采用最小生成树算法将图形拓扑转化为树形拓扑。
[0021]另一方面，本发明实施例还提供了一种传感器网络中的数据收集的装置，所述装置包括:
[0022]根节点选取模块，用于随机选取树形拓扑上的一个节点，将所述树形拓扑转化为以所述节点为根节点的有向树；
[0023]第一查找模块，用于对所述树形拓扑不断进行破分，直到子树大小为I为止，分别找到所述树形拓扑及每次破分后的子树中经过对应的根节点的最优数据收集路径,并将每次得到的最优数据收集路径存入备选集中；
[0024]第二查找模块，用于在备选集中查找全局感知数据通信能耗最小的路径，所述全局感知数据通信能耗最小的路径即为全局最优数据收集路径，组成所述全局最优数据收集路径的节点为最优汇聚点。
[0025]进一步地，所述第一查找模块包括:
[0026]转化子模块，用于根据每次找的树形拓扑或者子树的最优数据收集路径，将所述树形拓扑转化为以所述树形拓扑的根节点或者以所述子树的根节点为根节点的有向树；
[0027]第一计算子模块，用于采用自下而上的方式对所述树形拓扑进行遍历，计算每个节点对应的以该节点为根的子树上所有节点的数据产生率之和，并计算所述根节点的全局信息所需的传输能耗消耗值；
[0028]第二计算子模块，用于采用自上而下的方式对所述树形拓扑进行遍历，计算每个节点对应的全局信息所需的传输能耗消耗值，并计算经过根节点的长度在预设长度内的路径对应的节省的总能耗；
[0029]第三计算子模块，用于对所述经过根节点的长度在预设长度内的路径进行组合，计算组合后的路径对应的节省的总能耗，并保存在备选集中；
[0030]选取子模块，用于从所述备选集中选取最优数据收集路径，并计算该路径对应的全局信息所需的传输能耗消耗值，并将所述最优数据收集路径及对应的全局信息所需的传输能耗消耗值存入备选集中，其中，所述最优数据收集路径是节省的总能耗最多的路径。
[0031]进一步地，所述第一查找模块中所述分别找到所述树形拓扑及每次破分后的子树中经过对应的根节点的最优数据收集路径的每一次的执行时间复杂度为O(NlgN)，其中，N表示所述传输器网络中的总的节点数。
[0032]进一步地，所述装置实现的方法的执行时间复杂度为O(Nlg2N),其中，N表示所述传感器网络中的总的节点数。
[0033]进一步地，所述装置还包括:
[0034]拓扑转换模块，用于采用最小生成树算法将图形拓扑转化为树形拓扑。
[0035]本发明实施例提供的传感器网络中的数据收集的方法、装置及系统通过根据树形拓扑的根节点对所述树形拓扑不断进行破分，并计算所述树形拓扑及每次破分后的子树的最优数据收集路径，组合所述树形拓扑及每次破分后的子树的最优数据收集路径，在组合后的路径中查找全局最优数据收集路径，组成所述全局最优数据收集路径的节点为最优汇聚点，在最优汇聚点进行数据收集，降低了数据收集的能量消耗，提高了数据传输效率，且负载均衡。【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1是现有技术中固定基站的数据收集的示意图；
[0037]图2是本发明第一实施例提供的传感器网络中的数据收集的方法的流程图；
[0038]图3a是本发明第一实施例提供的传感器网络中的数据收集的方法中的树形拓扑的不意图；
[0039]图3b是本发明第一实施例提供的传感器网络中的数据收集的方法中的选定树形拓扑的根节点m将树形拓扑转化为有向树的示意图；
[0040]图3c是本发明第一实施例提供的传感器网络中的数据收集的方法中的从根节点m出发的长度在预设长度内的路径的示意图；
[0041]图3d是本发明第一实施例提供的传感器网络中的数据收集的方法中的经过树形拓扑的根节点m的最优收集数据路径的示意图
[0042]图3e是本发明第一实施例提供的传感器网络中的数据收集的方法中的经过树形拓扑的根节点m的孩子节点的最优收集数据路径的示意图；
[0043]图3f是本发明第一实施例提供的传感器网络中的数据收集的方法中全局最优收集数据路径及最优汇聚点的示意图；
[0044]图4是本发明第二实施例提供的传感器网络中的数据收集的装置的示意图。【具体实施方式】
[0045]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
[0046]图2示出了本发明的第一实施例。
[0047]图2是本发明第一实施例提供的传感器网络中的数据收集的方法的实现流程图，该方法详述如下:
[0048]在步骤201中，随机选取树形拓扑上的一个节点，将所述树形拓扑转化为以所述节点为根节点的有向树。
[0049]随机选取树形拓扑上的一个节点，将该节点作为所述树形拓扑的根节点，则所述树形拓扑转化为以该节点为根节点的有向树。作为一种优选的实施方式，可以选取位于所述树形拓扑的中间位置的节点，以该节点作为所述树形拓扑的根节点，则所述树形拓扑转化为以该节点为根节点的有向树。图3a是本发明第一实施例提供的传感器网络中的数据收集的方法中的树形拓扑的示意图，图3b是本发明第一实施例提供的传感器网络中的数据收集的方法中的选定树形拓扑的根节点m将树形拓扑转化为有向树的示意图。如图3a和图3b所示，图3b选定图3a的节点d为根节点m，将所述树形拓扑转化为以根节点m为根节点的有向树。
[0050]示例性的，在所述随机选取树形拓扑上的一个节点，将所述树形拓扑转化为以所述节点为根的有向树，还包括:
[0051]采用最小生成树算法将图形拓扑转化为树形拓扑。
[0052]即在步骤201之前还包括:采用最小生成树算法将图形拓扑转化为树形拓扑。如果给出的拓扑为图形拓扑则将所述图形拓扑转化为树形拓扑。转化为树形拓扑后具有优势:因为在图形拓扑中，任意一对节点之间通常存在多条路径，往往会造成环形回路，使得数据包无法成功传送到目的地，而在树形拓扑中不存在这样的问题；树形拓扑以ETX值作为链路能耗衡量标准，采用最小生成树算法对图形拓扑进行预处理是对网络链路做初步的优化；在许多传感器网络的应用中，都采用树形拓扑，因此，采用最小生成树算法对图形拓扑进行预处理可以保证算法的拓展性。
[0053]在步骤202中，对所述树形拓扑不断进行破分，直到子树大小为I为止，分别找到所述树形拓扑及每次破分后的子树中经过对应的根节点的最优数据收集路径，并将每次得到的最优数据收集路径存入备选集中。
[0054]根据所述树形拓扑的根节点对所述树形拓扑进行破分，得到以所述根节点的孩子节点为根的子树，再依据同样的方法根据所述孩子节点对所述树形拓扑不断进行破分，直到子树大小为I为止。
[0055]为了寻找给定树形拓扑上最优的数据收集路径，需要找到经过所述树形拓扑上每一个节点的最优数据收集路径。因此，寻找最优数据收集路径依赖于寻找经过给定节点的最优数据收集路径。因此首先需要设计寻找经过给定节点的数据收集路径算法。
[0056]首先给出寻找经过给定节点的数据收集路径算法中需要用到的计算表达式。
[0057]定理1.对于以节点r为根的给定树形拓扑，设节点V为节点r的任意孩子节点，则有:
[0058]
【权利要求】
1.一种传感器网络中的数据收集的方法，其特征在于，所述方法包括: 随机选取树形拓扑上的一个节点，将所述树形拓扑转化为以所述节点为根节点的有向树； 对所述树形拓扑不断进行破分，直到子树大小为I为止，分别找到所述树形拓扑及每次破分后的子树中经过对应的根节点的最优数据收集路径，并将每次得到的最优数据收集路径存入备选集中； 在备选集中查找全局感知数据通信能耗最小的路径，所述全局感知数据通信能耗最小的路径即为全局最优数据收集路径，组成所述全局最优数据收集路径的节点为最优汇聚点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分别找到所述树形拓扑及每次破分后的子树中经过对应的根节点的最优数据收集路径，并将每次得到的最优数据收集路径存入备选集中，包括: 根据每次找的树形拓扑或者子树的最优数据收集路径，将所述树形拓扑转化为以所述树形拓扑的根节点或者以所述子树的根节点为根节点的有向树； 采用自下而上的方式对所述树形拓扑进行遍历，计算每个节点对应的以该节点为根的子树上所有节点的数据产生率之和，并计算所述根节点的全局信息所需的传输能耗消耗值； 采用自上而下的方式对所述树形拓扑进行遍历，计算每个节点对应的全局信息所需的传输能耗消耗值，并计算经过根节点的长度在预设长度内的路径对应的节省的总能耗； 对所述经过根节点的长度在预设长度内的路径进行组合，计算组合后的路径对应的节省的总能耗，并保存在备选集中； 从所述备选集中选取最优数据收集路径，并计算该路径对应的全局信息所需的传输能耗消耗值，并将所述最优数据收集路径及对应的全局信息所需的传输能耗消耗值存入备选集中，其中，所述最优数据收集路径是节省的总能耗最多的路径。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述分别找到所述树形拓扑及每次破分后的子树中经过对应的根节点的最优数据收集路径的每一次的执行时间复杂度为O (NIgN)，其中，N表示所述传输器网络中的总的节点数。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法的执行时间复杂度为O(Nlg2N)，其中，N表示所述传感器网络中的总的节点数。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述随机选取树形拓扑上的一个节点，将所述树形拓扑转化为以所述节点为根的有向树，还包括: 采用最小生成树算法将图形拓扑转化为树形拓扑。
6.一种传感器网络中的数据收集的装置，其特征在于，所述装置包括: 根节点选取模块，用于随机选取树形拓扑上的一个节点，将所述树形拓扑转化为以所述节点为根节点的有向树； 第一查找模块，用于对所述树形拓扑不断进行破分，直到子树大小为I为止，分别找到所述树形拓扑及每次破分后的子树中经过对应的根节点的最优数据收集路径，并将每次得到的最优数据收集路径存入备选集中； 第二查找模块，用于在备选集中查找全局感知数据通信能耗最小的路径，所述全局感知数据通信能耗最小的路径即为全局最优数据收集路径，组成所述全局最优数据收集路径的节点为最优汇聚点。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一查找模块包括: 转化子模块，用于根据每次找的树形拓扑或者子树的最优数据收集路径，将所述树形拓扑转化为以所述树形拓扑的根节点或者以所述子树的根节点为根节点的有向树； 第一计算子模块，用于采用自下而上的方式对所述树形拓扑进行遍历，计算每个节点对应的以该节点为根的子树上所有节点的数据产生率之和，并计算所述根节点的全局信息所需的传输能耗消耗值； 第二计算子模块，用于采用自上而下的方式对所述树形拓扑进行遍历，计算每个节点对应的全局信息所需的传输能耗消耗值，并计算经过根节点的长度在预设长度内的路径对应的节省的总能耗； 第三计算子模块，用于对所述经过根节点的长度在预设长度内的路径进行组合，计算组合后的路径对应的节省的总能耗，并保存在备选集中； 选取子模块，用于从所述备选集中选取最优数据收集路径，并计算该路径对应的全局信息所需的传输能耗消耗值，并将所述最优数据收集路径及对应的全局信息所需的传输能耗消耗值存入备选集中，其中，所述最优数据收集路径是节省的总能耗最多的路径。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一查找模块中所述分别找到所述树形拓扑及每次破分后的 子树中经过对应的根节点的最优数据收集路径的每一次的执行时间复杂度为O(NlgN)，其中，N表示所述传输器网络中的总的节点数。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置实现的方法的执行时间复杂度为O(Nlg2N)，其中，N表示所述传感器网络中的总的节点数。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括: 拓扑转换模块，用于采用最小生成树算法将图形拓扑转化为树形拓扑。
【文档编号】H04W40/02GK103561444SQ201310556943
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】杨铮, 刘云浩, 其他发明人请求不公开姓名 申请人:无锡赛睿科技有限公司