专利名称：一种wsn中的时延受限能耗均衡数据采集树构建方法
技术领域：
本发明涉及无线传感网络技术领域，特别是涉及一种WSN中的时延受限能耗均衡数据采集树构建方法。
背景技术：
无线传感器网络是由大量能量受限的、具备数据采集处理能力和无线通信能力的智能节点构成的自组织通信网。无线传感器网络适用于在火灾监视、灾害预警等应用场景中使用，而这些应用目标往往对数据收集的时延有一定得需求，数据须在一个规定的时间内传送到数据汇聚节点，才能保持数据的新鲜度，使得数据汇聚节点能对网络中的信息做出及时可靠的处理。又因无线传感器网络节点能量受限，故如何减少网络能耗，延长网络工作时间，同时有效完成数据采集任务，一直是无线传感器网络中重要的议题。数据采集是无线传感网布设的主要目标，根据算法对应拓扑结构的不同，可以分成三类一是基于簇结构的拓扑构建；二是基于链式结构的拓扑构建；三是基于树结构的拓扑构建。在树状拓扑结构中，所有节点以数据汇聚节点为树的根节点构建，各个节点被分配成叶子节点，中继节点等角色。每个节点有且仅有一个固定的路径通往数据汇聚节点。由于路径的唯一性，所以一旦拓扑确立，路径就确立。实际上，从网络的结构特点角度，网络拓扑可更笼统的分成网状拓扑和树状拓扑两种形式。网状结构的拓扑中，对于网络中的源节点，可以有多种到达数据汇聚节点的路径选择，其传输路径具备不唯一性，此种情况，易导致网络中出现路由环路，路由空洞等。而且网络中的节点需要根据当前网络的状况，发送寻路的控制信息，虽然网络看似更加灵活，但其引来的MAC层拥塞，碰撞等问题解决起来也相对棘手。而树状结构网络构建以后，即可确定网络中任意节点到数据汇聚节点的路由，网络拓扑稳定易控制。因此树状结构网络在传感网数据采集中具有极大的应用价值，占据着独立且重要的位置。但是现有的树状结构网络并不是一个时延受限、能耗均衡的树状拓扑，因此各节点间存在通信干扰，甚至不能准确把信息传送到数据汇聚节点，而且网络生命周期较短。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种WSN中的时延受限能耗均衡数据采集树构建方法，实现在最小化网络总能量代价的同时，满足数据实效性要求，均衡网络中节点能
^^ ο本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种WSN中的时延受限能耗均衡数据采集树构建方法，包括以下步骤(1)数据汇聚节点根据已经获得的网络拓扑信息，计算能进行对称网络通信的节点对的权值；(2)数据汇聚节点使用最短路径求解算法，计算网络中所有节点到数据汇聚节点的最短加权路径，所有最短加权路径的集合即构成最小加权能耗生成树；(3)找出最小加权能耗生成树中不满足网络时延限制的节点，并对每个此类节点计算出一个相应的拓扑调整方案，作为候选拓扑调整方案；(4)找出所有的候选拓扑调整方案中对节点发射功率调整最小的方案，对生成树进行重构；(5)判断网络中是否仍存在不满足跳数限制的节点，若存在则返回步骤(3)，若不存在，则算法终止，此时对应的生成树即是最终的网络拓扑结果。所述步骤⑴中在计算对称网络通信节点对的权值时，使用节点剩余能量、节点间距离信息作为边权值的构造参数，以最小化节点对总能耗和最大化节点寿命为目标进行构建。所述步骤⑵中数据汇聚节点使用Dijkstra算法计算网络中所有节点到数据汇聚节点的最短加权路径。所述步骤(3)中在计算拓扑调整方案时只在不满足网络时延限制的节点到数据汇聚节点之间的最短路径上进行调整。所述步骤(3)中计算出一个相应的拓扑调整方案时，以节点调整后的边权值增幅和节点的当前负载量两个因素作为指标。有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果本发明适用于面向单数据汇聚(简称Sink)节点的所有节点周期上报数据应用，使用跳数的方式简化表征数据传输时延，同时对节点对的剩余能量特征进行考虑，这为算法的实际实施提供了简单可靠的评估标准。同时本方法是在最小加权能耗生成树的基础上，以最小能耗增量的方式进行拓扑重构，能始终尽力维持全局拓扑的低能耗特性。本发明为集中式的拓扑构建方法，尤其对于节点布设密度较大的网络场景，该方法更能发挥其均衡网络能耗的特点。
图1是本发明的流程图；图2是网络部署情况示意图；图3是候选拓扑调整方案示意图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本发明的实施方式涉及一种WSN中的时延受限能耗均衡数据采集树构建方法，该方法适应于无线传感器网络中的非融合数据汇聚应用，能用于小区域尺度的低功耗传感器网络，也可扩展用于大区域尺度的中高速与低功耗混合的传感器网络，同时也适用与这两种尺度下的M2M应用。该方法通过构建以汇聚节点为根的树状网络拓扑，规划网络中的数据包传输路径，从而最大限度节省传感器节点的能量，均衡网络能量消耗，减少节点间的通信干扰，在及时准确把信息传送到汇聚节点的同时，达到延长网络生命周期的目的。其具体步骤如图1所示。以单Sink数据汇聚型网络为例，Sink节点位置可处于网络的边缘或中心，当Sink 节点处于网络边缘时，如图2所示，网络中各节点周期性产生数据，数据以非融合的方式传送。网络中的传感器节点功率可调，有最大发射功率的限定。网络拓扑建立之前，网络中各节点拥有一个预先设置好的ID号，假设网络中数据汇聚节点，简称Sink节点，事先已经获知网络中其他节点的位置信息，网络中各节点初始能量相同，并且节点在上传数据的过程中，帧载荷中附带自身的当前剩余能量信息。网络每运行一段时间由Sink节点根据搜集到的全网能量信息，对网络拓扑进行重构，并下发全网。本实施例中对拓扑初始化构建时段和拓扑重构时段的Sink节点实施行为进行描述，此时Sink节点以集中式控制节点形式存在，整个实施行为包括四部分1)构建初始拓扑Sink节点创建数组集合集，包括集合S，空集合Hm用于存储网络中距离Sink节点跳数为T+1的节点，空集合A用于存储候选调整节点；空集合P = (Pi Ii e S}，其中Pi表示第i个传感器节点传送单位数据到Sink所需经过的节点集合；集合L= ILiIi e S}，其中Li表示第i个传感器节点的负载，邻居节点集F= {f, | i e S}，其中fi是第i个传感器节点的邻居集合。若Sink节点内存中已经包含了上述集合信息，说明当前时段为拓扑重构阶段， Sink节点在数据采集的过程中获取了网络中节点的位置及能量信息，此时可利用当前已经存在的数组集合集，无须重新创建；若Sink节点内存中无上述集合信息，则说明当前时段为拓扑初始化构建时段，需创建上述数组集合集，并以主动泛洪广播的方式获知网络中各节点位置坐标。获得位置及能量信息后，须更新邻居节点集F，同时对于V/,_/+ e ^，定义其对应边权值为
权利要求
1.一种WSN中的时延受限能耗均衡数据采集树构建方法，其特征在于，包括以下步骤(1)数据汇聚节点根据已经获得的网络拓扑信息，计算能进行对称网络通信的节点对的权值；(2)数据汇聚节点使用最短路径求解算法，计算网络中所有节点到数据汇聚节点的最短加权路径，所有最短加权路径的集合即构成最小加权能耗生成树；(3)找出最小加权能耗生成树中不满足网络时延限制的节点，并对每个此类节点计算出一个相应的拓扑调整方案，作为候选拓扑调整方案；(4)找出所有的候选拓扑调整方案中对节点发射功率调整最小的方案，对生成树进行重构；(5)判断网络中是否仍存在不满足跳数限制的节点，若存在则返回步骤(3)，若不存在，则算法终止，此时对应的生成树即是最终的网络拓扑结果。
2.根据权利要求1所述的WSN中的时延受限能耗均衡数据采集树构建方法，其特征在于，所述步骤(1)中在计算对称网络通信节点对的权值时，使用节点剩余能量、节点间距离信息作为边权值的构造参数，以最小化节点对总能耗和最大化节点寿命为目标进行构建。
3.根据权利要求1所述的WSN中的时延受限能耗均衡数据采集树构建方法，其特征在于，所述步骤(2)中数据汇聚节点使用Dijkstra算法计算网络中所有节点到数据汇聚节点的最短加权路径。
4.根据权利要求1所述的WSN中的时延受限能耗均衡数据采集树构建方法，其特征在于，所述步骤(3)中在计算拓扑调整方案时只在不满足网络时延限制的节点到数据汇聚节点之间的最短路径上进行调整。
5.根据权利要求1所述的WSN中的时延受限能耗均衡数据采集树构建方法，其特征在于，所述步骤(3)中计算出一个相应的拓扑调整方案时，以节点调整后的边权值增幅和节点的当前负载量两个因素作为指标。
全文摘要
本发明涉及WSN中的时延受限能耗均衡数据采集树构建方法，包括以下步骤数据汇聚节点根据网络拓扑信息计算进行对称网络通信的节点对的权值；数据汇聚节点计算网络中所有节点到数据汇聚节点的最短加权路径，所有最短加权路径的集合即构成最小加权能耗生成树；找出最小加权能耗生成树中不满足网络时延限制的节点，并对每个此类节点计算出一个相应的拓扑调整方案，作为候选拓扑调整方案；找出所有的候选拓扑调整方案中对节点发射功率调整最小的方案，对生成树进行重构；判断网络中是否仍存在不满足跳数限制的节点，若存在则继续调整，若不存在，则算法终止，对应的生成树即是最终的网络拓扑结果。本发明满足数据实效性要求，均衡网络中节点能耗。
文档编号H04W84/18GK102413509SQ20111035314
公开日2012年4月11日 申请日期2011年11月9日 优先权日2011年11月9日
发明者于峰, 尹达, 张帅, 王临琳, 王晓东, 王营冠, 高丹 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所