基于任务分解的无线传感器网络语义通信路由协议的制作方法
【专利摘要】本发明提供了WSN中面向应用的路由协议。通过对应用、节点及QoS的参数进行标记得到基本概念，建立包含应用、节点及QoS本体的任务本体。将路由分为任务扩散、簇头选择，任务初始化，任务协调四个阶段。任务扩散过程中节点广播所要完成的任务，节点记录邻居节点相关信息；簇头选择中，节点根据应用要求选择最优上级节点作为自身数据的接收节点；任务初始化设置每个节点所要完成的任务；任务协调调整节点间的任务分配，达到最优效果。
【专利说明】基于任务分解的无线传感器网络语义通信路由协议
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线传感器网络路由技术和数据语义分析技术。
【背景技术】
[0002]路由技术是无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)研究重点和热点，是影响网络性能的一个关键因素。现有路由协议可分为分层式和平面式两大类，LEACH和Direct Diffusion分别是这两类方式的典型代表，许多新提出的路由协议都是在它们的基础上的改进。平面式的路由协议的基本思想是，将网络中的大量节点平等看待，依据某种指标建立源节点到目的节点的多跳路径。根据所依据的指标又可以分为基于网络测度(metric-based)、基于地理位置(geographical-based)和基于数据中心(data-centric)的。分层路由方式的基本思想是，首先依据某种规则对传感器节点分簇，簇内节点与本簇簇头节点通信，簇头直接与sink通信。根据簇的划分层次，可分为单层的分簇机制和多层分簇机制，后者是在前者的基础上发展而来的。根据簇的生成方式，又可分为静态和动态两类。
[0003]不同于传统网络，WSN的突出特点是面向应用。汇聚节点Sink关注的是任务的完成，而并不是完成任务的具体数据来自哪个特定的节点。从应用任务的角度来看，传感器节点就是协作地完成不同的子任务，最后合起来完成网络的任务。因此WSN中网络的传输、控制实际为任务的分配、合成以及协调。目前已有研究基于任务分布式计算，结合WSN节点资源受限、大规模密集部署等特点提出了相关的任务分配与调度算法。其中有研究提出了能源有效的任务分配框架，将任务分配问题看成是一个集能量消耗、网络时延和给定约束为一体的代价函数的最优化问题。另有研究提出了带能量限制的任务映射和任务调度算法，以及基于任务的计算代价模型和通信代价模型。还有研究采用有向无环图对WSN的任务进行描述和调度。
[0004]上述研究采用的是传统网络端到端数据传输的技术思路，绝大多数算法没有考虑网络的应用内容，而是局限于数据层面的传输和处理。基于任务计算的方法考虑到了任务的应用，但在具体实施上依然是基于数据层面的传输和处理。WSN是面向应用的网络，而节点的传输和处理面向的是数据，虽然应用和数据存在必然的关系，但节点并不了解数据的应用含义，导致了不必要的数据传输和处理开销，降低了网络性能。
[0005]本发明对数据进行标记，随后建立应用的本体，从网络所需应用的角度设计了新的路由协议。对比结果显示，本发明可以极大地减少传输的数据，有效地提高网络的能耗和时延性能。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供WSN中将网络应用直接作为传输和处理单元的路由协议，显著提高能耗和时延性能。
[0007]为实现上述目的，本发明采用的技术路线为:[0008]步骤I数据标记。从三个方面对网络应用及完成网络应用相关的数据采用SensorML语言进行标记。这些数据所体现分别是网络应用、QoS指标和节点状态，具体为:
[0009]1.网络应用:应用的空间信息、时间信息、物理量、应用类型；
[0010]2.QoS指标:QoS参数、参数度量、服务类型、参数间的关系、参数对QoS的影响、参数的聚合特性；
[0011]3.节点状态:节点测量的物理量、物理量的空间属性、物理量的时间属性、物理量的特性、节点能力属性。
[0012]步骤2构建本体。通过步骤I进行数据标记得到概念，采用RDF语言来描述概念之间的关系构建网络任务的本体，以此作为网络节点传输和处理的基本单元。在具体编程实施时采用类的方法来实现。
[0013]步骤3任务扩散。任务扩散由Sink节点发起，节点向周围节点广播Sink所要完成的网络应用、QoS指标和节点状态，即任务本体，具体为:
[0014]1.节点向周围节点广播任务信息和节点信息；
[0015]2.收到广播信息的节点记录发送节点状态，并判断是否已经收到过该广播，
[0016]a)若是，则丢弃该数据包，不再广播；
[0017]b)若不是，则设置节点级别，继续广播。
[0018]设置Sink节点的级别为0，Sink节点发起任务扩散后，第一次收到广播信息的节点设置自身级别为发送该广播信息的节点的级别加I。在节点的邻居节点中，定义比节点级别高的节点为节点的上级节点，和节点级别相同的节点为同级节点，比节点级别低的节点为下级节点。
[0019]步骤4簇头选择。任务扩散结束后，节点利用已知的上级节点信息选择优先级最高的节点作为簇头节点，考虑如下:
[0020]1.能量高的节点优先级高；
[0021]2.级别高的节点优先级高。
[0022]对于不同的应用要求，可以选择不同的簇头节点选择方式，如对生存期要求较高的应用可以优先选择能量高的节点，对于时延敏感的应用可以优先选择级别高的节点。
[0023]步骤5任务初始化。如果节点能够完成或部分完成Sink任务，则认为节点在任务区域内。对于在任务区域内的节点，节点初始化自身所要完成的任务和邻居节点所要完成的任务，具体如下:
[0024]1.节点利用邻居节点信息，判断自身所要完成任务和邻居节点所能完成任务是否有交集，若有，进入步骤2，否则，进入步骤3 ;
[0025]2.节点将只有自身能够完成的任务加入到节点所要完成的任务中，利用自身信息和邻居节点信息判断交集部分任务是否需要由自身完成(判断方法与簇头选择相同)，
[0026]I)若需要，则将该交集部分任务加入到节点所要完成的任务中，
[0027]2)若不需要，将该交集部分任务和完成该部分任务的节点加入到邻居节点所要完成的任务中，准备向周围节点广播邻居节点所要完成的任务；
[0028]3.节点将只有自身能够完成的任务加入到节点所要完成的任务中。
[0029]步骤6任务协调。初始化完成后，任务区域内的节点广播邻居节点所要完成的任务，非邻居节点间的任务协调通过多个邻居节点间的协调实现，具体如下:[0030]1.节点收到广播；
[0031]2.节点判断自身所要完成的任务和指定其它节点完成的任务是否有交集，
[0032]I)若有，则节点不再完成交集部分任务，
[0033]2)否则，节点不采取动作；
[0034]3.节点判断是否有指定自身所要完成的任务，
[0035]I)若有，利用邻居节点信息，判断该部分任务是否可以由邻居节点完成(判断方法与簇头选择相同)，若可以，将该部分任务和相对应的节点加入到邻居节点所要完成的任务中，否则，节点设置自身完成该部分任务，
[0036]2)若无，节点不采取动作；
[0037]4.如果有任务需要邻居节点完成，则节点继续广播，否则不再广播。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1是应用本体中的概念及结构；
[0039]图2是QoS本体中的概念及结构；
[0040]图3是节点本体中的概念及结构；
[0041]图4是任务本体的构成实现方式；
[0042]图5是任务扩散流程图；
[0043]图6是任务初始化流程图；
[0044]图7是任务协调流程图。
【具体实施方式】
[0045]步骤1:对应用及其相关数据采用OGC SffE描述框架和SensorML语言进行标注，得到基本概念。
[0046]进行标记的数据包括三个部分:
[0047](I)网络应用的内容:应用的空间信息、时间信息、物理量数据、应用类型，另外可以基于应用内容的组成和特点相应地增加内容，例如数据的精确度、可靠性和取值值域等。
[0048](2) QoS参数:QoS参数、参数度量、服务类型、参数间的关系、参数对QoS的影响、参数的聚合特性。
[0049](3)节点状态:节点测量的物理量、物理量的空间属性、物理量的时间属性、物理量的特性、节点能力属性。
[0050]下面的例子给出了对温度传感器节点的测量属性、参量的测量精度与值域描述。
[0051]
【权利要求】
1.基于任务分解的无线传感器网络语义通信路由算法，其特征是: (1)节点向周围节点广播任务信息； (2)收到广播信息的节点记录发送节点，判断是否已经收到过该广播，若是，则丢弃该信息，不再广播，否则，进入步骤(3)； (3)节点设置级别为收到的任务信息的发送节点的级别加1，进入步骤(I)。
2.结合权利要求1中的簇头选择方法，其特征是: (1)优先选择能量高的节点作为簇头； (2)优先选择级别高的节点作为簇头。
3.结合权利要求1中的任务初始化算法，其特征是: (1)节点判断自身所要完成任务和邻居节点所能完成任务是否有交集，若有，进入步骤(2)，否则，进入步骤(7)； (2)节点将只有自身能够完成的任务加入到节点所要完成的任务中，进入步骤(3)； (3)节点利用自身信息和邻居节点信息判断交集部分任务是否需要由自身完成，若需要进入步骤(4)，否则，进入步骤(5)； (4)将该交集部分任务加入到节点所要完成的任务中，进入步骤(7)； (5)将该交集部分任务和完成该部分任务的节点加入到邻居节点所要完成的任务中，进入步骤(6)； (6)节点准备向周围节点广播邻居节点所要完成的任务； (7 )节点将自身能够完成的任务加入到节点所要完成的任务中。
4.结合权利要求1中的任务协调算法，其特征是: (1)节点收到广播，判断自身所要完成的任务和指定其它节点完成的任务是否有交集，若有，进入步骤(2)，否则，进入步骤(3)； (2)设置节点不再完成交集部分任务，进入步骤(3)； (3)节点判断是否有指定自身所要完成的任务，若有，进入步骤(4)，否则，进入步骤(8)； (4)利用邻居节点信息，判断该部分任务是否可以由邻居节点完成，若是，进入步骤(5)，否则，进入步骤(6)； (5)将该部分任务和相对应的节点加入到邻居节点所要完成的任务中，进入步骤(7)； (6)节点设置自身完成该部分任务，进入步骤(8)； (7)节点广播邻居节点所要完成的任务； (8)节点停止广播。
【文档编号】H04W40/02GK103686918SQ201410016401
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2014年1月14日 优先权日:2014年1月14日
【发明者】熊庆旭, 陈成昊 申请人:北京航空航天大学