延迟容忍移动传感器网络中传输质量可伸缩数据收集方法
【专利摘要】本发明公开了一种延迟容忍移动传感器网络中传输质量可伸缩数据收集方法，主要解决现有技术方法只根据节点之前状态决定转发策略和无差别对待所有数据等问题，属于无线传感器网络领域。其步骤为：首先布置传感器节点，划分网络区域，给节点和网络区域编号，其次利用节点运动过程具有马尔可夫性，对节点位置进行预测，并实时更新节点的转发概率，再结合数据的重要性进行数据的收集和转发，直至sink节点接收。本发明能根据节点运动轨迹和待传输数据的重要性，动态改变数据的传输质量，保证了重要数据传输的时效性、可靠性，降低了网络开销。
【专利说明】延迟容忍移动传感器网络中传输质量可伸缩数据收集方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种传输质量可伸缩数据收集方法，适用于延迟容忍移动传感器网络 中收集不同重要性的数据，属于无线传感器网络领域。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network)是由部署在监测区域内大量的 廉价微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络，近年来无线传感器 网络发展迅速，已经被广泛用于环境监测、医疗护理、军事领域、目标跟踪等其他领域。数据 收集是无线传感器网络的一个重要功能，通过所部署的传感器节点采集所需数据，并将数 据传送到sink节点，供用户进行处理分析，数据传输的时效性、可靠性成为传输质量的重 要指标。通常传感器节点的能量都是有限的，但是数据的传输过程会消耗大量的能量，因此 找出一种能耗小、网络寿命长、传输质量高的数据收集方法成了近年来无线传感器网络领 域中的研究热点。
[0003] 在sink节点与传感器节点都固定的无线传感器网络中，由于网络拓扑固定，人们 提出了各种基于网络拓扑的数据收集方法。而在sink节点固定，传感器节点移动的无线 传感器网络中，节点移动的随机性会使得节点之间具有间歇连通性，而且网络拓扑也会时 刻发生变化，这种网络被称作延迟容忍移动传感器网络DTMSN (Delay Tolerant Mobile Sensor Networks)。由于DTMSN的间歇连通性，导致传统传感器网络的数据收集技术在 DTMSN中并不适用。人们针对DTMSN提出了几类数据收集方法，如最基本的直接传递协议， 只有当传感器节点运动到sink节点通信范围内时才将自身所采集数据传递给sink节点。 此种协议网络开销小，但是数据传递的可靠性低、时效性差。还有就是携带转发传递，节点 依据不同的策略将数据转发给周围的节点，数据通过一步一步的转发最终传送给sink节 点。转发传递相比直接传递有更高的可靠性，但如果采用洪泛法，则大大增加网络开销，且 节点缓存的溢出降低了数据传输质量。因此如何确定转发策略、降低网络开销、保证数据的 及时可靠传递是重点研究问题。现存的算法中，大多是根据节点之前状态决定转发策略，多 副本转发中不能有效控制冗余副本数，且大多算法都是无差别对待所有数据，没有考虑到 不同数据具有不同的重要性。
[0004] 通过马尔可夫链对节点位置进行预测，可以更好地估计节点下一时刻的状态，计 算节点可以和sink节点通信的概率，进行数据转发。为了保证重要数据传输的时效性、可 靠性，可以结合数据的重要性动态调整数据的转发过程，给重要数据更多的机会和资源来 进行转发传递，给予不同数据不同的传输质量条件，降低网络开销，对数据进行传输质量可 伸缩的收集。
【发明内容】
[0005] 本发明公开了一种延迟容忍移动传感器网络中传输质量可伸缩数据收集方法，目 的在于在延迟容忍移动传感器网中，使数据根据其重要性进行传输质量可伸缩的数据收 集，保证重要数据的及时可靠传输。实现本发明的技术方案是通过马尔可夫链对节点位置 进行预测，实时更新节点的转发概率，依据数据的重要性和节点的转发概率进行数据的收 集和转发，直至sink节点接收。其具体步骤包括如下： 步骤一、将X个移动节点编号后随机布置在边长为n的正方形区域内，将该正方形区 域均分成S行3列共个相等的小正方形区域，按行列数将个小正方形区域的中心坐标 步骤二、根据延迟容忍移动传感器网络中节点的历史运动轨迹，利用节点运动过程具 有马尔可夫性，计算每个节点的转移概率矩阵T, T表示节点i?的转移概率矩阵； 步骤三、根据节点的转移概率矩阵/计算节点I?下次移动后的坐标期望，并结合节点能 量计算节点将自身数据成功发送给sink节点的转发概率TP，每次节点移动后更新其ZP， #表示节点f的转发概率； 步骤四、设定传感器所采集数据的生存时间JTI.,初始重要指数和转发重要指数 ，ITilii为数据M从产生到当前时刻的生存时间，/；：表示数据w的初始重要指数，它反映 该数据的重要性，/:+;-表示节点f关于数据W的转发重要指数，/ :+"v的初始值等于; 步骤五、当节点f、/相遇时，两节点交换各自TP并比较，再结合所携带数据的A ,判断 是否转发数据，若转发，更新所转发数据在节点中的/:，否则不更新； 步骤六、结合数据的JXI和其进行数据^的删除过程。
[0006] 与现有方法相比，本发明具有如下优点： 1、 通过马尔可夫链对节点位置进行预测，得到节点的转发概率这一量化指标，为数据 的转发提供了理论依据，有效避免节点因当前时刻状态而失去转发数据的机会，导致数据 错过成功传递至sink节点的可能，从而减少网络开销，降低传输延时，提高了数据传输成 功率； 2、 将数据的重要指数分为和用^来控制转发次数，给予重要数据更多的转发机 会，依据来进行数据缓存排队，保证了缓存溢出时重要数据的优先传递； 3、 本发明的数据删除机制有效避免了冗余副本的存在，能更及时可靠地删除所有冗余 副本。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 图1是本发明的流程图； 图2是本发明的网络区域划分图； 图3是本发明的某节点历史运动轨迹图。
【具体实施方式】
[0008] 本发明涉及在延迟容忍移动传感器网络中，进行传输质量可伸缩的数据收集方 法。如图1所示，本发明技术方案的具体步骤为： 步骤一、布置传感器节点，划分网络区域，给节点和网络区域编号： 将X个移动节点编号后随机布置在边长为=的正方形区域内，把正方形区域均分成 S行5T列共个相等的小正方形区域，按其行列数将S2个小正方形区域的中心坐标设为 =1上3…《)，如图2所示，第1行第1列区域中心坐标为CU)，第：7行3列区域的 中心坐标为f>=s)。
[0009] 步骤二、根据延迟容忍移动传感器网络中节点的历史运动轨迹，计算每个节点的 转移概率矩阵r: 1) 监控已布置好节点且划分好区域的无线传感器网络，记录节点f的历史运动轨迹，如 图3所示； 2) 利用节点运动过程具有马尔可夫性，通过图3所示某节点的历史运动轨迹，计算出 节点f?的转移概率矩阵T :
【权利要求】
1. 延迟容忍移动传感器网络中传输质量可伸缩数据收集方法，其特征在于，在延迟容 忍移动传感器网络中，节点根据所携带数据的重要性和节点自身的转移概率对数据进行转 发，保证重要数据及时可靠地传送，所述方法至少包括以下步骤： 步骤一、将X个移动节点编号后随机布置在边长为的正方形区域内，将该正方形区 域均分成5行S列共个相等的小正方形区域，按行列数将S2个小正方形区域的中心坐标 设为=1=2:3…fl); 步骤二、根据延迟容忍移动传感器网络中节点的历史运动轨迹，利用节点运动过程具 有马尔可夫性，计算每个节点的转移概率矩阵:Γ, Ι表示节点/的转移概率矩阵； 步骤三、依据节点的转移概率矩阵和节点能量计算节点将自身数据成功发送给Sink 节点的转发概率TP，每次节点移动后更新其TP，:巧表示节点i的转发概率； 步骤四、设定传感器所采集数据的生存时间JTi ,初始重要指数k和转发重要指数尽 ，ITZbi为数据w从产生到当前时刻的生存时间，表示数据^的初始重要指数，它反映该 数据的重要性，表示节点i关于数据"的转发重要指数，的初始值等于/:; 步骤五、当节点f、j相遇时，两节点交换各自jp并比较，再结合所携带数据的A,判断 是否转发数据，若转发，更新所转发数据在节点中的，否则不更新； 步骤六、结合数据的IT1和其/f进行数据的删除过程。
2. 根据权利要求1所述的延迟容忍移动传感器网络中传输质量可伸缩数据收集方法， 其特征在于转移概率矩阵Γ的计算过程，具体步骤至少还包括： 1) 监控已布置好节点且划分好区域的无线传感器网络，记录节点的f历史运动轨迹； 2) 利用节点运动过程具有马尔可夫性，根据节点的历史运动轨迹，计算出节点?的转移 概率矩阵:
表示节点f当前时刻在小正方形区域，下一时刻移动到任意区域〇? 的转移概率，&)。
3. 根据权利要求1所述的延迟容忍移动传感器网络中传输质量可伸缩数据收集方法， 其特征在于转发概率ΓΡ的计算过程，具体步骤至少还包括： 1) 计算节点f每次移动之后的剩余能量与总能量之比，其中为节点 当前剩余能量，￡:?.为节点初始总能量； 2) 根据节点的转移概率矩阵I；计算节点i从当前区域移动后的坐标期望 0--)，公式如下：
其中为节点从当前区域移动到任意区域CP?的转移概率； 3)计算节点f的转发概率Π 〗，节点；每移动一次均需更新其Γ/丨，设节点f现处于区域 〇4)，其转发概率计算如下：
其中D为(i?=f)到sink节点的距离，为(￡^=?)到sink节点距离与D相比的减少 量，α为预设的权值，既[CU]。
4. 根据权利要求1所述的延迟容忍移动传感器网络中传输质量可伸缩数据收集方法， 其特征在于节点数据的转发过程，具体步骤至少还包括： 1) 任意两移动节点?与节点相遇，交换各自IT ; 2) 若ΙΡ; +JT^1为一给定阈值，执行步骤4)至7)，否则执行步骤3); 3) 若rf 2 ΓΡ: ,则交换步骤4)至7)中节点f与节点/的操作并执行，否则退出本 次数据转发过程； 4) 节点J将其所缓存数据ID的汇总发送给节点? ; 5) 节点?检查自己的缓存队列，查找ID不在节点/所发送ID中的数据，若不存在符合 条件的数据，则退出本次转发过程； 6) 判断步骤5)中查找到的符合条件数据的是否大于给定阈值，若大于，将其发 送给节点/，所发送数据与原数据具有相同的ΓΠ :,否则不转发； 7) 节点/不删除所发送数据，只在发送后更新数据的，公式如下：
5. 根据权利要求1所述的延迟容忍移动传感器网络中传输质量可伸缩数据收集方法， 其特征在于数据在节点队列中的缓存机制，具体步骤至少还包括： 1) 数据依初始重要指数I.,按由大至小列入节点缓存队列； 2) 数据转发采用先入先出处理方式，从队头的数据开始转发； 3) 当数据接收过程中队列满时，若新接收到的数据的比队尾数据的大，则抛弃队尾 数据，新数据按照A..大小依次插入队列，并初始化其转发重要指数令其等于，若新接收 数据的.比队尾数据的小，则抛弃新数据。
6. 根据权利要求1所述的延迟容忍移动传感器网络中传输质量可伸缩数据收集方法， 其特征在于数据的删除过程，具体步骤至少还包括： 1) 若数据ΓΠ .的超过网络最大可容忍延迟，则删除该数据； 2) 若数据的A小于阈值心，则删除该数据。
【文档编号】H04W16/18GK104394536SQ201410735509
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】罗光明, 常宝明, 朱江, 李哲涛, 朱更明 申请人:湘潭大学