一种基于移动Sink数据收集的低能耗路由树枝剪方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于移动Sink数据收集的低能耗路由树枝剪方法，属于无线传 感器网络领域。
【背景技术】
[0002] 随着数字电子技术、无线通信和物联网技术的不断进步与发展，使得无线传感器 网络（wirelesssensornetworks,简称WSNs)的应用日趋广泛，数据收集是一种基本功 能。人们可以通过在实际的应用场景中部署大量传感器节点，对各种兴趣数据进行收集， 如温度、湿度、声音、图像、视频等。在无线传感器网络中，如何能够有效降低传感器节点传 输数据的能耗，一直以来都是亟待解决的热点问题。在无线传感器网络中大部分节点之间 需要多跳才能到达，如何降低传感器节点之间的路由跳数成为延长全网生存周期的关键问 题。在传统的静态网络拓扑中，Sink节点固定，所有传感器节点的数据都集中到Sink节点 中，因而Sink节点及其周围节点需要承担较大的数据转发量，容易因能量耗尽死亡，形成 WSN的能耗瓶颈。近年来，人们提出了各种基于移动Sink的数据收集方案，在网络中选取 若干汇聚节点，汇聚节点负责区域性传感数据的收集，使用一个或多个移动Sink节点在特 定的路径上移动，从汇聚节点中收集数据。该方案由于存在多个汇聚节点，从而使得能量消 耗在全网更加均衡，能有效减少网络能耗、延长网络生存周期。通过移动Sink节点轮询每 个传感器节点的平面数据收集方法，虽然使每个节点与移动Sink节点之间只有一跳的距 离，传感器节点的能耗损耗最小，但是数据收集的时延却达到最大。若大规模部署传感器节 点，数据收集的工作效率较低，所以此方法不适用于部署大规模传感器节点的场景。因此， 如何使全网的时延和能耗达到一定的平衡，延长全网的生存周期成为一个极具挑战的数据 收集设计问题。
[0003]近年来越来越多的国内外学者针对分层拓扑的移动Sink数据收集方法进行了如 下研究。GXing等人提出了一种基于汇集点RP(RendezvousPoints)的Sink移动收集 机制以解决Sink点移动速度限制与精确数据延迟之间的矛盾。在该机制中，传感器节点将 收集的信息通过多跳方式发送给距离最近的RP点，并由后者缓存信息，移动Sink依次访问 各RP点以收集数据。但是全网的通信能力并没有得到充分利用，因为在无线通信模型中， 移动Sink可以远程收集来自汇集点的信息，即移动Sink只需要移动到汇集点附近收集数 据即可，没有必要移动到精确的汇集点位置。此外，计算得到的RP点位置可能没有实际的 物理节点存在，此时需要在周围随机选择节点代替汇集点，从而影响算法性能。LindseyS 等人提出的PEGASIS是对LEACH的改进算法。LEACH是层簇数据收集协议的先驱，它从逻 辑上将传感器网络划分为多个簇，并采用循环随机轮流的方式选举簇首，每个簇的成员节 点将其数据发送到簇首节点。LEACH的核心思想是通过随机选择簇首，从而将整个网络的 能量负载平均地分配到每个传感器节点上，达到降低网络能源消耗的目的。为了减少网络 的能量消耗，节点仅和最近的邻居之间进行通信。与LEACH不同的是，PEGASIS算法采用链 式结构，收集到的数据以点对点的方式传递并最终传递到汇聚节点，由汇聚节点发送至移 动Sink节点。但是由于链式的传输路径较长，使得数据传输开销较大。GuoLongjiang等 人改进了传统移动Sink数据收集中节点需要周期性广播自身信息（包括地理位置、能量 水平等）的缺点，提出了基于随机压缩的移动Sink数据收集方案。网络中的一部分节点 通过概率成为收集者（Collector),网络中其他节点将通过随机定向传输（Stochastic directtransmission)将自己的数据发送给通信范围内的收集者，当收集者接收到一定 数量的数据后，将这些数据利用Bloomfilter技术进行压缩，再采用角度传输（Angle transmission)以多跳形式传送数据给移动Sink。
[0004] 因此，目前无线传感器网络中基于移动Sink进行数据收集时普遍存在的问题是： 1)大多数基于移动Sink的数据收集方法并不考虑数据收集的时延，事实上，移动Sink 的移动速度有限，过长的移动路径将会影响到数据收集的实时性。
[0005] 2)假设某计算设备知道所有网络信息，采用集中式算法选择汇聚点，不考虑选择 汇聚点时的通信开销和全网的能量最优，这往往不符合实际。
[0006] -种可行的解决方法是容忍一定的移动Sink收集数据的时延，降低传感器节点 能量上的消耗，从而使得全网数据收集的能量消耗和时延达到一定的平衡。由此引出了一 种新的数据收集方法，该方法将整个网络划分成若干个路由树，虚拟化树根为汇聚节点，其 余节点将数据转发至其汇聚节点。在移动轨迹长度受限的情况下，移动Sink节点轮询每个 汇聚节点最终获取整个网络的数据。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种基于移动Sink数据收集的低能耗路由树枝剪方法，解 决在移动Sink移动路径长度受限的情况下，传感器网络能耗过高和生命周期较短的问题。 本发明相对于传统的基于移动Sink数据收集协议，在移动Sink数据收集移动路径长度受 限的情况下，能够有效降低传感器网络能量消耗和延长全网生命周期。
[0008] 本发明所采用的能耗模型如下所述： 在实际的收集过程中，子节点将消息转发给相对应的汇聚节点，当移动Sink节点接近 此汇聚节点时将此消息转发给移动Sink节点。本发明所采用的能耗模型：
【主权项】
1. 一种基于移动Sink数据收集的低能耗路由树枝剪方法，其特征在于，在建立和优 化网络拓扑路由树时的步骤如下： 步骤一：移动Sink根据消息格式MSG广播消息，通信半径范围内的传感器节点收到消 息后，反馈确认消息ACK，成为初始汇聚节点，初始汇聚节点继续广播消息； 步骤二：汇聚节点通信半径范围内的传感器节点收到汇聚节点的广播消息后，反馈确 认消息ACK，成为该汇聚节点的子节点，子节点继续广播消息； 步骤三：子节点附近的传感器节点收到消息后，反馈确认消息ACK，成为广播消息的子 节点的后继，子节点的后继继续广播消息； 步骤四：重复步骤三，直到某个传感器节点广播消息之后，在T时间后没有收到确 认消息ACK，则此传感器节点成为叶子节点；当全网没有落单的传感器节点之后，Sink节点 开始收集全网传感器节点信息，通过叶子节点逐层反馈的形式，将每个节点的信息MSG_ACK 转发到Sink节点，以顺序存储的方式存储在Sink节点中； 步骤五：将Sink节点中存储的每个节点信息依次读取出来，按照构造二叉平衡树的步 骤构建二叉平衡树链表存储结构，将顺序存储改为链式存储； 步骤六：根据构建的二叉平衡树查找Q值最大的节点，记录其节点信息，并且根据节点 信息中记录的上一跳节点，逐个查找，寻找一条枝剪链路； 步骤七：根据枝剪链路，通过移动Sink广播数据链路