基于正交溯源的WSN加权传输拓扑发现方法及系统与流程

本发明涉及无线传感器网络应用技术领域，特别涉及一种基于正交溯源的无线传感器网络加权传输拓扑发现方法及系统。

背景技术：

无线传感器网络(wirelesssensornetworks，wsn)是由部署在监测区域内，具有数据采集、通信、存储和处理能力的传感器节点构成的自组织通信系统，其中，每一个传感器为网络的一个节点，用于环境感知，并将感知的数据以多跳方式传输到基站。在无线传感器网络中，由于工作位置和性能配置等因素的不同，各传感器节点的活跃(繁忙)程度差异较大，这种差异是传感器节点产生能耗差异的主要原因，而能耗的差异又直接影响到整个无线传感器网络的稳定性和可用性。因此，wsn各节点活跃程度的准确评估对整个wsn的运行与管控都具有非常重要的意义。

无线传感器网络的传输拓扑是由各传感器节点及数据通信链路形成的逻辑拓扑。传输拓扑提供了一种对wsn各节点通信情况的直观刻画。根据传输拓扑，不仅能获悉整个wsn的实际通信路径，而且可区分活跃节点和闲置节点，同时，还可以对wsn各节点和通信链路的活跃程度进行定量分析，因此，传输拓扑对wsn各节点能耗和布局优化，以及整个wsn的稳定性和可用性都具有极高的应用价值。

由于无线传感器网络是通过无线通信协议传递数据，因而从网络的物理布局中无法得知其实际传输拓扑。目前已有的wsn拓扑发现技术主要通过探寻节点之间的关系信息来推测wsn的传输拓扑，这些方法存在的不足是：(1)拓扑发现不准确。首先，现有方法基于节点之间关系信息来推测传输拓扑，而这种推测是不精确的，因而所得到的传输拓扑只是一种可能结果；其次，wsn中节点的属性具有动态性，因而传输拓扑也具有动态演化特征，而现有方法难以反映这种动态特征。(2)不能准确反映节点和通信链路的活跃程度。现有方法所给出的wsn传输拓扑难以对各节点和通信链路的活跃程度进行定量描述。

针对上述问题，本发明从数据溯源角度提出一种拟合wsn传输拓扑的有效方法。无线传感器网络的数据溯源是指对基站接收的数据进行追溯，还原出该数据在传输过程中的传输路径。为实现wsn的数据溯源，需对wsn数据传输过程的相关信息进行标记，以便在基站根据这些信息还原出数据的传输路径，这些信息被称为wsn的数据溯源信息。由于根据溯源信息可追溯数据在传感器网络中的实际传输路径，因而，数据溯源提供了一种通过对大量数据传输路径的收集和拟合，来发现wsn的真实传输拓扑的重要途径，本发明正是基于该设计思想，来发现无线传感器网络的传输拓扑。

目前，wsn数据溯源技术存在溯源信息量无上限的问题，即：溯源信息量正比于转发节点的数量。由于传感器节点的计算能力和存储能力均有限，如何控制溯源信息量便成为wsn数据溯源技术的关键问题。为解决这一问题，发明人在基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法.中国发明专利，申请号：201510646810.9中提出一种基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法，此方法为每个节点分配一个唯一且互为正交的标识序列，利用向量的正交特性实现路由节点标识序列的叠加复用，即：各路由节点在转发数据之前，将自己的标识序列与数据包中的溯源数据进行叠加，而基站则利用标识序列的正交性，从数据包的叠加编码中分离出参与数据包转发的各路由节点的标识信息。此方法可有效解决溯源信息无上限问题，但该方法的溯源数据中不含转发顺序信息，因而从溯源数据中仅能得知哪些节点参与了转发，无法得知这些节点的实际转发顺序，为此，基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法.中国发明专利，申请号：201510646810.9采用icmp协议来重构传输路径，但icmp协议给出的是一种近似溯源结果，其所重构的传输路径与实际传输路径之间存在一定概率的误差。

技术实现要素：

本发明提供一种基于正交溯源的无线传感器网络加权传输拓扑发现方法及系统。本发明所述无线传感器网络传输拓扑，是指由基站所辖区域内各传感器节点及其通信链路形成的反映数据实际通信过程的逻辑拓扑；所述正交溯源，指基站采用基于正交标识的wsn数据溯源方法对所接收的数据包进行追溯，还原出该数据包的实际传输路径；所述加权是指所得到的传输拓扑中含各节点和链路的活跃性度量。

本发明所述方法包含数据溯源和拓扑发现两个关键步骤：首先，对基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法.中国发明专利，申请号：201510646810.9提出的数据溯源方法进行改进和延伸：将节点转发顺序信息添加到溯源信息中，使溯源信息内含路由节点的转发顺序信息；在基站端，不再使用icmp协议，而是继续利用节点标识序列的正交特性，通过计算溯源数据与各节点标识序列的规格化内积，来分离当前数据包传输过程中各路由节点的标识信息和转发顺序，从而还原出数据包的精确传输路径。然后，利用正交溯源所得到的数据传输路径，来拟合wsn的传输拓扑。

本发明所述方法不仅能提供wsn的精确传输拓扑，而且能够对节点和通信链路的活跃程度进行准确评估，同时还能对wsn传输拓扑的动态演变进行刻画。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于正交溯源的wsn加权传输拓扑发现方法，包括：正交数据溯源和传输拓扑发现两个阶段；

所述正交数据溯源阶段：对基站收到的数据包进行追溯，还原出该数据包的实际传输路径，此阶段包含三部分内容：(1.1)：正交溯源配置：给无线传感器网络中所有传感器节点分配正交标识，以及确定溯源信息的载体协议；(1.2)：溯源信息标记：各传感器节点对数据包中的溯源数据字段内容进行叠加复用；(1.3)传输路径重构：基站通过将数据包的溯源数据字段内容与所辖区域内各个传感器节点的正交标识分别进行规格化内积计算，得到参与当前数据包传输的传感器节点标识及其转发顺序，据此还原出数据包的实际传输路径；

所述传输拓扑发现阶段：按照(1.3)所述方法对接收的数据包进行溯源，获得数据包的实际传输路径，根据所得到的传输路径来拟合无线传感器网络的传输拓扑，并累计传输路径中节点和通信链路出现的频次，所述频次即为wsn传输拓扑中节点和链路的活跃性度量。

所述(1.1)：正交溯源配置，包括以下两个子步骤：

步骤(1.1.1)：分配正交标识；

无线传感器网络中的每一个传感器节点noder均分配有一个唯一且与其他传感器节点互为正交的正交标识vr＝(vr,1,vr,2,…,vr,n)，vr,k＝1或-1,k＝1,2,…,n,n表示正交标识的维数；r＝1,2,…,r,r表示传感器节点的个数；noder表示第r个传感器节点；vr表示第r个传感器节点的正交标识；vr,n表示第r个传感器节点的正交标识的第n项；

步骤(1.1.2)：确定载体协议；

选取溯源信息的载体协议，根据载体协议的语法规则，在数据包的首部或数据包间隔等位置设置溯源数据字段，用于携带溯源信息。

所述步骤(1.1.1)：

所述互为正交是指任意两个传感器节点nodep和nodeq的正交标识vp＝(vp,1,vp,2,…,vp,n)与vq＝(vq,1,vq,2,…,vq,n)相互正交，即：

所述传感器节点正交标识的生成，可采用现有的正交向量生成方法。

无线传感器网络中每个基站都记录其所辖区域内各传感器节点的正交标识。

由于通常无线传感器网络含大量传感器节点，为减少正交标识的长度，可根据无线传感器网络的规模设定仅在同一个基站的所辖区域内各传感器节点的正交标识具有唯一性，或对无线传感器网络进行分区，设定在一个区域内各传感器节点的正交标识具有唯一性。

所述步骤(1.1.2)中：

所述载体协议是指作用于传感器节点与基站之间，可携带溯源信息的wsn数据通信协议。

所述(1.2)：标记溯源信息；

发送数据包的传感器节点，在发送数据之前，将自己的正交标识写入当前溯源数据字段；数据包在传输过程中，每经过一个路由节点，在转发数据之前，该路由节点执行以下步骤：

(1.2.1)读取数据包的当前跳数k和数据包的溯源数据字段值wk＝(wk,1,wk,2,…,wk,n)；

(1.2.2)将溯源数据字段值wk与自己的正交标识v＝(v1,v2,…,vn)按公式1进行叠加运算；

wk+1＝wk+k·v(公式1)

其中：wk+1＝(wk+1,1,wk+1,2,…,wk+1,n)；wk+1,i＝wk,i+k·vi,i＝1,2,…,n

(1.2.3)运算后的叠加编码wk+1写入数据包的溯源数据字段；

所述(1.3)：传输路径重构：

设w＝(w1,w2,…,wn)为基站所读取的溯源数据字段内容，vt＝(vt,1,vt,2,…,vt,n)为基站所辖区域内任意节点nodet的正交标识，则所述规格化内积计算公式如公式2；

其中，若内积值τ≠0，则τ即为节点nodet在当前数据包传输中的转发次序；若τ＝0，则节点nodet未参与当前数据包的转发。

所述传输拓扑发现阶段，分为以下步骤：

步骤(2.1)：对基站的传输拓扑进行初始化；

设tp(b)为当前基站b所辖区域的传输拓扑，记tp(b)＝(n^b,e^b)，

其中，n^b＝{n1,n2,…,nm}为基站b所辖区域传感器节点的集合，m为节点数量；

e^b＝{<ni,nj>|ni,nj∈n^b}为通信链路的集合，<ni,nj>为链路边，表示自节点ni到nj是一条数据传输链路，

对任意nj∈n^b，记x(nj)为节点nj的活跃度权值；

对任意<ni,nj>∈e^b，记y(ni,nj)为链路边<ni,nj>的活跃度权值。

将基站b的传输拓扑tp(b)中链路集合e^b初始化为空集，所辖区域各节点的活跃度权值初始化为零，即：对任意nj∈n^b，x(nj)←0；其中，“←”表示赋值；例如：x(nj)←0表示将x(nj)赋值为零。

步骤(2.2)：基站每收到一个数据包，均执行以下子步骤：

步骤(2.2.1)：对接收的数据包进行溯源；

设d为基站接收的当前数据包，通过数据溯源，得到该数据包在传输过程中所经过的实际传输路径p(d)＝{<nd,1,nd,2,…,nd,t>}，其中，nd,k∈n^b，k＝1,2,…,t，t为路径长度，nd,1为d的源发送节点，nd,k表示数据包d的传输路径上的第k个节点。

步骤(2.2.2)：根据溯源结果对传输拓扑进行拟合；

将传输路径p(d)中所有链路边均加入链路集合e^b，并累计各节点和链路边的活跃度权值。即：

e^b←(e^b∪{<nd,1,nd,2>,<nd,2,nd,3>,…,<nd,t-1,nd,t>})；

并且，节点的活跃度权值：x(nd,k)←(x(nd,k)+1)，k＝1,2,…,t；

链路边的活跃度权值：y(nd,j-1,nd,j)←(y(nd,j-1,nd,j)+1)，j＝2,3,…,t；

其中，x(nd,k)表示节点nd,k的活跃度权值，y(nd,j-1,nd,j)表示链路边<nd,j-1,nd,j>的活跃度权值；

步骤(2.3)：输出传输拓扑；

设置拓扑发现时间点，重复执行步骤(2.2)直到拓扑发现时间点，输出得到的传输拓扑(n^b,e^b)，并且，

对任意nk∈n^b，输出节点nk的活跃度权值x(nk)；

对任意<ni,nj>∈e^b，输出链路边<ni,nj>的活跃度权值y(ni,nj)；

步骤(2.4)：对于含多个基站的无线传感器网络，其传输拓扑由各基站的传输拓扑按照基站之间的通信关系合并生成。

基于正交溯源的wsn加权传输拓扑发现系统，包括数据溯源模块和拓扑发现模块；

所述数据溯源模块：用于实现对数据包传输路径的溯源，还原数据包的实际传输路径，此模块由三部分组成：

正交标识分配单元：此单元在基站或其他wsn管控站点中运行，其作用是：生成正交标识集，给wsn中各传感器节点分配正交标识；

溯源信息标记单元：此单元在各传感器节点中运行，其作用是：当需要发送数据包时(当前节点为源发送节点)，将当前节点的正交标识写入数据包的溯源数据字段；当需要转发数据包时(当前节点为路由节点)，读取该数据包的溯源数据字段和跳数字段，将所读取的字段内容与当前节点的正交标识进行叠加运算，并将运算结果写入数据包的溯源数据字段中。

传输路径重构单元：此单元在基站中运行，其作用是：当收到数据包时，读取该数据包的溯源数据字段内容，通过将溯源数据与基站所辖区域内各个传感器节点的正交标识分别进行规格化内积计算，获得参与当前数据包转发的各路由节点标识及其转发次序，并依此还原数据包的传输路径；

所述传输拓扑拟合模块：此模块在基站中运行，其作用是：根据所述数据溯源模块得到的数据包传输路径来拟合无线传感器网络的传输拓扑，并累计传输路径中各节点和通信链路的活跃度权值，在设定的时间点输出传输拓扑以及各节点和通信链路的活跃度权值。

根据上述叙述可知：

(1)本发明所述wsn传输拓扑是对数据包的实际传输路径进行拟合生成的，因而准确地反映了wsn的实际数据通信情况；

(2)本发明所述方法在拟合传输拓扑过程中，记录了各节点参与不同数据传输的频次和通信链路的出现频次，这些频次数据真实地反映了各节点和通信链路的活跃程度；

(3)本发明所述方法所提供的传输拓扑，具有随时间而持续变化的动态性，在每一个时间点所得到的传输拓扑是整个wsn演变过程的一个快照，因此，从连续时间点所得到的传输拓扑中，可反映出无线传感器网络拓扑的演变特征。

本发明的创新性

1本发明给出一种根据数据溯源结果发现wsn传输拓扑的新方法，该方法基于对数据包实际传输路径的真实拟合，因而可提供wsn的精确传输拓扑，且能对wsn传输拓扑的动态演变特征进行刻画。

2本发明将无线传感器网络中数据包的路由顺序信息融入基于正交叠加的溯源信息中，使wsn的溯源信息同时具有可正交复用和内含路由顺序两种关键特征，其中，可正交复用特性解决了溯源信息量规模问题，内含路由顺序则实现了数据传输路径的精确溯源，即：以有限的空间成本实现了wsn数据传输路径的精确溯源。

3本发明提供的wsn传输拓扑具有加权属性，其节点和链路权值准确地体现了wsn中节点和通信链路的活跃程度。

本发明的有益效果

1本发明提供了一种获得wsn精确传输拓扑的新方法，解决了现有无线传感器网络传输拓扑不精确、不能反映节点和通信链路的活跃度，以及不能刻画wsn的动态演变特征等问题。

2本发明提供了一种以有限的空间成本实现无线传感器网络数据传输路径精确溯源的新方法，解决了现有无线传感器网络数据溯源技术中存在的溯源数据量不可控与传输路径不能精确还原的问题。

3本发明所述方法充分利用基于正交标识的无线传感器网络数据溯源技术，设计巧妙，方法简单，具有良好的可实现性。

4本发明为无线传感器网络的拓扑演变和稳定性分析技术提供了重要的研究途径。

附图说明

图1是本发明溯源数据标记流程图；

图2是本发明传输路径重构流程图；

图3是本发明传输拓扑拟合流程图；

图4(a)-4(d)是本发明所述传输拓扑发现示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，路由节点在转发数据包之前，读取数据包的溯源数据字段值，将该溯源数据字段值与自己的正交标识及转发顺序进行叠加运算，将所得叠加编码写入中数据包的溯源数据字段中。

如图2所示，数据包携带溯源数据传至基站时，基站读取该数据包的溯源数据字段，通过规格化内积运算，提取参与该数据包传输的所有节点标识及其路由次序信息，并以此还原出数据包的传输路径。

如图3所示，基站收到数据包d后，首先对数据包d进行溯源，获得d的实际传输路径<nd,1,nd,2,…,nd,t>，然后将该路径中各链路边均加入链路集合e^b中，并对传输路径中节点和链路边出现的频次进行累计，该累计频次即为wsn传输拓扑中节点和链路的活跃性度量。

表1和图4(a)-4(d)为本发明所述方法的示例：某基站设置拓扑发现时间点为：t1、t2、t3和t4，在各时间点数据溯源统计结果如表1所示。

表1某基站在不同时间点数据溯源统计结果示例表

在每个时间点，基站对所得到的数据包的溯源结果按照图3所示的拟合步骤，生成传输拓扑，图4(a)为t1时刻的传输拓扑图；图4(b)为t2时刻的传输拓扑图；图4(c)为t3时刻的传输拓扑图；图4(d)为t4时刻的传输拓扑图。图4(a)-4(d)中节点旁边的圆括号内数字表示节点的活跃度权值，链路旁边的方括号数字表示链路活跃度权值。从图4(a)-4(d)中可以看出：本发明所述方法准确地拟合了wsn的实际数据通信状态，所得到的传输拓扑能够反映出每个节点和链路段的活跃程度，而且，从不同时间点所得到的传输拓扑中可显示出wsn传输拓扑的动态演变过程。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。