本发明实施例涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种农田复杂环境机会传输候选转发集构建与中继协调方法。
背景技术
无线传感器网络(wirelesssensornetwork,wsn)方便、精确地获取农业生产的实时环境信息，已经成为指导农业生产，提高作物产量的关键技术。无线传感器网络监测数据的高效汇集是无线传感器网络研究中的一个基本问题，无线传感器网络路由协议作为无线传感器网络数据采集应用的重要环节对无线传感器网络的性能影响巨大。对于农田复杂环境而言，存在无线信道的时变、链路不稳定等特性，以及概率连通模型下固定路径路由可靠性不高、重传次数多等问题，对高效可靠的无线传感器网络监测传输形成挑战。机会传输路由策略是近年来研究的热点之一，机会路由利用信道广播特性通过多个潜在中继节点竞争，从链路可靠性、节点开销、路径开销等角度进行下一跳节点选择，有效地提高了无线传感器网络吞吐量和传输可靠性。
现有技术中，机会路由主要考虑的是路径的传输可靠性与网络吞吐量，而对于农田复杂环境中能量受限的无线传感器网络而言，能耗优化是需要解决的重要问题。部分研究人员从能耗分析角度提出了一些改进机会路由方法，如mao等人于2011年提出了eeor(energyefficientopportunisticrouting)算法采用路径的期望开销选择中继节点，而zhao等人于2017年提出的reor(reliableandenergy-efficientopportunisticrouting)算法则针对噪声网络条件结合链路连通概率计算路径期望能耗进而选择中继节点。eeor算法和reor算法中均主要考虑了能耗开销，有效地减少了节点或无线传感器网络整体的能耗开销。但根据eeor算法和reor算法进行机会路由时，对于关键位置节点，其所在路径拥有较低的传输能耗优势，会被频繁选为候选传输路径节点，从而过快消耗能量，影响无线传感器网络生命周期。因此，如何进一步有效地延长无线传感器网络的生命周期是目前业界亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种农田复杂环境机会传输候选转发集构建与中继协调方法，用以解决现有技术中无线传感器网络的生命周期较短的缺陷，有效地延长了无线传感器网络的生命周期。
本发明实施例提供一种农田复杂环境机会传输候选转发集构建方法，包括：
对于无线传感器网络中的任一节点，获取该节点的邻居节点集；
获取该节点到邻居节点集中每一邻居节点的连通概率；
根据连通概率的高低，依次将满足第二预设条件的邻居节点加入至该节点的候选转发集中，以构建该节点的候选转发集。
本发明实施例提供一种农田复杂环境机会传输中继协调方法，包括：
对于无线传感器网络中待传输的目标数据，获取该目标数据的源节点到目标节点的多条候选传输路径；
若多条候选传输路径均为第二类路径，则为第二类路径中每一节点构建候选转发集，以在第二类路径中确定若干条机会传输路径；
计算每一条机会传输路径对应的最低期望剩余能量值，将满足第一预设条件的最低期望剩余能量值对应的机会传输路径，作为该目标数据的传输路径。
本发明实施例提供的一种农田复杂环境机会传输候选转发集构建与中继协调方法，通过获取每一候选传输路径的最低期望剩余能量值，并将满足第一预设条件的最低期望剩余能量值对应的候选传输路径作为目标数据的传输路径，避免了低能量节点的过快能量消耗，从而有效地延长了无线传感器网络的生命周期。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种农田复杂环境机会传输候选转发集构建方法的流程图；
图2为本发明另一实施例提供的一种农田复杂环境机会传输候选转发集构建方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种农田复杂环境机会传输中继协调方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的一种机会传输路径示意图；
图5为本发明实施例提供的一种确定性感知区域与概率感知区域示意图；
图6为本发明实施例提供的一种农田无线传感器网络信道模型的混合路由流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种农田复杂环境机会传输候选转发集构建方法的流程图，如图1所示，该方法包括：
对于无线传感器网络中的任一节点，获取该节点的邻居节点集；获取该节点到邻居节点集中每一邻居节点的连通概率；根据连通概率的高低，依次将满足第二预设条件的邻居节点加入至该节点的候选转发集中，以构建该节点的候选转发集。
具体地，对于任一节点，其候选转发集均为其邻居节点集的子集。为了方便描述，将任一节点称为y节点。本发明实施例通过获取y节点到邻居节点集中每一邻居节点的连通概率的高低顺序，依次判定对应的邻居节点是否应该加入至候选转发集中。一旦判定结果为加入，则将对应的邻居节点加入至候选转发集中，一旦判定结果为不加入，则不将对应的邻居节点加入至候选转发集中，并终止对该邻居节点集中其他未进行判定的邻居节点的判定，即，终止对y节点的候选转发集的构建。
本发明实施例提供的方法，在基于跳数的机会路由方法基础上，根据单跳转发能耗逐一增加节点至候选转发集，在保证网络传输可靠性的同时实现能耗最优。在进行传输路径的选择时，同时考虑路径能耗开销与路径最低节点剩余能量，在尽可能降低传输能耗的同时避免低能量节点的过快能量消耗，最终实现农田复杂环境非可靠信道的高效可靠传输。
基于上述实施例，将满足第二预设条件的邻居节点加入至所该节点的候选转发集中，进一步包括：
分别计算该节点在第一状态的第一转发总期望能耗值和在第二状态的第二转发总期望能耗值；若第二转发总期望能耗值小于第一转发总期望能耗值，则判定该节点对应的邻居节点满足第二预设条件，并将对应的邻居节点加入至该节点的候选转发集中；其中，第一状态为将对应的邻居节点加入至候选转发集之前的状态，第二状态为将对应的邻居节点加入至候选转发集之后的状态。
需要说明的是，本发明实施例为任一次的判定过程。
图2为本发明另一实施例提供的一种农田复杂环境机会传输候选转发集构建方法的流程图，结合图2对构建过程进行进一步说明。
设任意节点i的邻居节点集和候选转发集分别为nb(i)和fl(i)。则节点i的单次转发总期望能耗开销
其中，
因为节点i广播发送其数据，单次广播能耗固定，因此
其中，pij为节点i到节点j的连通概率，etx为节点完成一次数据发送所消耗的能量。
同理可得：
其中，|fl(i)|为候选转发集中节点的个数，
由上三式易知当pij值越大时，相应的fl(i)中节点数量越少，总期望能耗越小。因此，在构建节点的候选转发集时，根据节点到其邻居节点集中每一节点的连通概率，从高到低选择节点加入，每加入一个节点后重新计算总期望能耗开销，若新加入的节点可使期望能耗开销降低，则将新节点添加至候选转发集，当新加入节点使期望能耗增加时中断循环。
进一步地，为提高候选转发集构建效率，fl(i)中节点可从etx(i)中按上述方法进行选择判断，其中，etx(i)为采用传统exor算法得出的节点i的候选转发集，其中，节点j满足
图3为本发明实施例提供的一种农田复杂环境机会传输中继协调方法的流程图，如图3所示，该方法包括：
对于无线传感器网络中待传输的目标数据，获取该目标数据的源节点到目标节点的多条候选传输路径；若多条候选传输路径均为第二类路径，则为第二类路径中每一节点构建候选转发集，以在第二类路径中确定若干条机会传输路径；计算每一条机会传输路径对应的最低期望剩余能量值，将满足第一预设条件的最低期望剩余能量值对应的机会传输路径，作为该目标数据的传输路径。
无线传感器网络实现了数据的采集、处理和传输三种功能，对于无线传感器网络中待传输的目标数据，首先确定其源节点和目标节点，其中，源节点为目标数据的发送端，目标节点为目标数据的接收端。然后获取该目标数据的源节点到目标节点的多条候选传输路径，若多条候选传输路径均为第二类路径，则为第二类路径中每一节点构建候选转发集，其中，候选转发集的构建已在上述实施例中详细说明，因此，此处不再赘述。
需要说明的是，对于一条机会传输路径来说，最低期望剩余能量值定义为该条机会传输路径中最低的的剩余能量值所对应的中继节点的剩余能量值。其中，一条机会传输路径的中继节点为在该机会传输路径中剔除源节点和目标节点后的剩余节点。
第一预设条件可以为最大、次大等。作为优选，第一预设条件为最大。即，对于一条机会传输路径来说，获取每一中继节点的剩余能量值，将最小的剩余能量值所对应的中继节点的剩余能量值作为该机会传输路径的最低期望剩余能量值。多条机会传输路径对应了多个最低期望剩余能量值，从多个最低期望剩余能量值获取最大的最低期望剩余能量值，将最大的最低期望剩余能量值对应的机会传输路径，作为目标数据的传输路径。图4为本发明实施例提供的一种机会传输路径示意图，如图4所示，源节点到目标节点间有三条机会传输路径，需要计算每一条机会传输路径对应的最低期望剩余能量值，将三条机会传输路径对应的三个最低期望剩余能量值中的最大者对应的机会传输路径作为目标数据的传输路径。
本发明实施例提供的方法，通过获取每一机会传输路径的最低期望剩余能量值，并将满足第一预设条件的最低期望剩余能量值对应的机会传输路径作为目标数据的传输路径，避免了低能量节点的过快能量消耗，从而有效地延长了无线传感器网络的生命周期。
基于上述实施例，若多条候选传输路径中存在一条第一类路径，则选择该路径作为目标数据的传输路径，若存在多条第一类路径，则选取跳数最少的一条作为目标数据的传输路径。
基于上述实施例，获取该目标数据的源节点到目标节点的多条候选传输路径，进一步包括：
根据无线传感器网络的概率信道模型，计算无线传感器网络中每两个节点间的连通概率；根据每两个节点间的连通概率，构建无线传感器网络的有向连通图；根据有向连通图，获取该目标数据的源节点到目标节点的多条候选传输路径。
通过无线传感器网络的有向连通图，可以获知无线传感器中任两个节点间的连通概率，因此，可以根据有向连通图，获取从源节点到目标节点的多条候选传输路径。
基于上述实施例，若多条候选传输路径均为第二类路径，则为第二类路径中每一节点构建候选转发集，以在第二类路径中确定若干条机会传输路径，之前还包括：
若任一候选传输路径中存在第二类链路，则判定该候选传输路径为第二类路径；若任一候选传输路径中链路均为第一类链路，则判定该候选传输路径为第一类路径；其中，第二类链路为连通概率小于1且大于0的链路，第一类链路为连通概率等于1的链路。
基于上述实施例，计算每一条机会传输路径对应的最低期望剩余能量值，进一步包括：
对于每一条机会传输路径，计算该机会传输路径中每一中继节点的剩余能量值；将最低的剩余能量值作为该机会传输路径对应的最低期望剩余能量值；其中，中继节点为在该机会传输路径中剔除源节点和目标节点后的剩余节点。
基于上述实施例，计算该机会传输路径中l中每一中继节点i的剩余能量值ei的公式为：
ei＝rei-eci；
其中，rei为上次传输后的节点剩余能量，eci为本次传输期望能耗；
其中，n为机会传输路径l上的中继节点的数量，aeci为目标数据从源节点经机会传输路径l转发至中继节点i的能耗，reci,fl(i)为从中继节点i经对应的候选转发集转发至目标节点的能耗期望，|fl(i)|为中继节点i的候选转发集中节点的个数，erx为节点完成一次数据接收所消耗的能量。
具体地，在机会路由中，某节点i广播发送的数据被其候选转发集节点接收后，若不加区分进行转发，则将产生类似于洪泛传输的数据风暴问题，大量数据副本的无效传播会严重影响网络带宽、能耗等性能。因此，传统方法中的机会路由算法提出转发协调机制，按一定优先级对中继节点进行排序，当低优先级节点收到高优先级节点转发的数据，则退出该次机会路由传输。针对上述传统方法中能耗优化研究在节点间能耗均衡性方面的不足，本发明实施例提出一种机会传输路径最低剩余能量最大化的中继节点转发协调方法，具体如下：
定义机会传输路径对应的最低期望剩余能量值为该机会传输路径中期望剩余能量值最低的节点的剩余能量值。即，如果机会传输路径l中除源节点和目标节点之外，具有m个中继节点，则
eminl＝min(e1,e2,…,ei,…,em)
其中，eminl是指机会传输路径l的最低期望剩余能量值；ei表示机会传输路径中中继节点i的剩余能量值。
对于机会传输路径l中的中继节点i，其期望剩余能量定义为上次传输后的节点剩余能量rei与本次传输期望能耗eci之差。
ei＝rei-eci
因为在一次机会路由中继协调过程中，中继节点i可能涉及多次数据接收或转发可能，直接计算其传输能耗期望较为困难，所以本发明实施例通过计算机会传输路径l的整体能量开销进而确定中继节点i的传输能耗期望。
对于中继节点i及其候选转发节点集fl(i)，其成为机会传输路径l后，无线传感器网络的整体能耗期望ecl为：
ecl＝aeci+reci,fl(i)
其中，aeci表示数据从源节点经机会传输路径转发至中继节点i的能耗，reci,fl(i)表示从中继节点i经其候选转发节点集转发至目标节点的能耗期望。假设所有节点的一跳传输距离为r，相邻节点间数据正常传输的概率为pij，则有：
则对于机会传输路径l，设|fl(i)|为机会传输路径l上某中继节点i的候选转发集中的节点数量。则对于某次机会路由传输，其能耗可表示为
其中，ecmonitor为机会传输路径l上各节点的候选转发集监听接收能耗，因为机会传输路径l上所有中继节点均采用一跳距离转发数据包，则认为其能耗均等，则可得
其中，n为机会传输路径l上的中继节点数量，|fl(i)|为节点i的候选转发集中的节点数量，erx为节点完成一次数据接收所消耗的能量。
基于上述实施例，所根据有向连通图，获取该目标数据的源节点到目标节点的多条候选传输路径，之前还包括：
根据无线传感器网络的概率信道模型，计算无线传感器网络中每两个节点间的连通概率；根据每两个节点间的连通概率，构建无线传感器网络的有向连通图。
作为一个例子，将本发明实施例应用在农业领域中，由于农田复杂多径信道环境使得信号强度与通信质量呈现较大的不确定性，其网络链路呈现为概率连通特性。因此，本发明实施例在农田的无线传感器网络的概率信道模型的基础上，对接收端信号强度、信噪比等进行估计，进而确定无线传感器网络节点间的连通概率。
本发明实施例根据农田环境信道模型确定不同作物、不同生长阶段、收发节点不同相对位置时的接收端信号强度与接收端信噪比。进一步地，本发明实施例中的概率信道模型对接收端信号特征参数进行估计。
接收端信噪比可表示为：
接收天线接收到的无线信号的包络总功率p，所述包络总功率p包括大尺度分量功率pb及小尺度多径噪声功率pm，awgn为加性高斯白噪声。
hb＞0时的大尺度衰落模型为：
pl＝(a·ln(hb)+b·ln(psad)+c)lgd+a
其中，pl为发射天线发出的无线信号的衰落，a、b和c为拟合系数，psad为作物的表面积密度指数，所述拟合系数根据作物生长阶段对应的psad确定，hb为遮挡高度；
hb<0时的多尺度衰落模型为：
其中，pl为发射天线发出的无线信号的衰落，a'、b'、c'、i、j、k为拟合系数；psad为作物的表面积密度指数；
在确定了接收端信号特征参数后，本发明实施例根据接收端信号特征参数确定无线传感器网络节点间链路的连通概率，进而构建无线传感器网络的连通概率模型。作为优选，本发明实施例中采用数据分组接收率prr定义网络链路的有向连通图。
其中，rssirx为接收端信号强度，dthl与dthh为确定感知的上下界半径，d为收发节点间距离，γ为接收端信噪比，k为数据帧的大小，sensitivity为接收端的接收敏感度阈值。
图5为本发明实施例提供的一种确定性感知区域与概率感知区域示意图，概率感知区域即过渡区域是指prr在0～1之间的区域，如图5所示，概率感知区域分布在过渡区域两端的分别是确定感知区域和确定感知外区域，概率感知区域的宽度受信号频率、周边环境等影响，尤其在农田环境中，农田信道环境会随着作物生长而发生变化，因此概率感知区域边界也会随之变化。
在求解得出所有邻居节点间的连通概率prr后，构建无线传感器网络的有向连通图
在得出有向连通图后，根据其中的链路连通概率确定连通子图
其中，对于gd有
图6为本发明实施例提供的一种农田无线传感器网络信道模型的混合路由流程图，如图6所示，首先根据农田网络信道模型计算节点间的链路连通概率，然后构建网络有向连通图，接着根据判端到端路径中是否存在链路属于机会连通子图，确定进行机会路由传输还是确定性路由传输。
本发明实施例提供的一种农田复杂环境机会传输候选转发集构建与中继协调方法，关键点在于：
基于农田信道模型的网络连通有向图构建与机会与确定混合路由策略。本发明针对农田场景复杂多变环境形成的无线信号多尺度传输特性，采用农田信道模型构建网络连通有向图，为混合路由策略提供基础。通过划分确定性连通子图与概率性连通子图，区分不同子图路径中的路由选择，在路径完全含于确定性连通子图中采用确定性路由策略，在涉及概率连通子图时采用机会路由方法。
路径最低剩余能量最大化策略。针对传统机会路由方法在能耗优化过程中节点间能耗均衡性不高等问题，在进行候选转发节点中继协调时，综合考虑路径能耗开销与路径最低节点剩余能量，在尽可能降低传输能耗的同时避免低能量节点的过快能量消耗，保证农田复杂环境非可靠信道的高效可靠传输。
本发明实施例提供的一种农田复杂环境机会传输候选转发集构建与中继协调方法的效果：
农田无线传感器网络应用面临的两大问题在于能量的有限性与环境复杂时变导致的概率连通信道，机会路由的引入可在很大程度上提高概率信道的传输可靠性问题，但随之也会带来较多的额外能耗。本发明将农田概率信道模型、能耗均衡优化方法与机会路由策略相结合，提出一种农田复杂环境机会传输候选转发集构建方法。
本发明实施例利用无线信道传输的广播特性，利用多节点转发提高传输可靠性，同时通过构建候选转发集并进行有效地中继协调，避免洪泛传播方法中出现的数据、报文风暴等问题，保证了网络传输效率。在候选转发集构建时，在传统基于跳数的机会路由方法基础上，根据单跳转发能耗逐一增加节点至候选转发集，在保证网络传输可靠性的同时实现能耗最优。而在进行传输路径选择时，同时考虑路径能耗开销与路径最低节点剩余能量，在尽可能降低传输能耗的同时避免低能量节点的过快能量消耗，最终实现农田复杂环境非可靠信道的高效可靠传输。
综上，本发明实施例提供的一种农田复杂环境机会传输候选转发集构建与中继协调方法，针对农田复杂环境无线传感器网络多尺度衰落信道、链路概率连通、能量受限、多级能量异构等特点，引入机会传输路由方法，提出一种农田复杂环境机会传输候选转发集构建方法。该方法在农田概率信道模型的基础上，构建网络链路机会有向连通图，为机会路由判定提供基础；并且综合单跳/端到端传输可靠性、单跳/路径能耗开销、路径节点剩余能量的指标对候选转发集进行构建与中继协调，降低机会路由传输的额外能耗开销，并通过减少低能耗节点的监听、转发参与实现网络节点间的能耗最优均衡。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。