一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由方法及裝置的製作方法
2023-06-27 21:49:06 4
專利名稱：一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及信息控制技術領域，特別涉及一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由方法及裝置。
背景技術：
隨著科學技術的不斷發展，最大化節省能量，提高能量效率一直以來就是無線傳感器網絡(WSN)致力解決的關鍵問題。目前，在與WSN有關的研究領域，已經產生了一些與提高能量效率為目標的路由協議，它們主要是通過極小化節點用於路徑搜索的時間來降低能量消耗，而這也是節點能量使用效率低下的主要原因所在。這些協議通常可劃分為兩類基於地址的路由協議(Address-Centric,簡稱AC)和基於數據的路由協議(Data Centric
Protocol,簡稱 DC)。在事件驅動模型下，DC算法的路由過程如下所示首先，事件發生，確定事件驅動半徑L，在驅動半徑L範圍內的節點將作為源節點產生此事件的相關數據包；接著，根據CNS策略，在源節點中選擇一節點作為聚合節點，其它源節點將數據發送給此聚合節點；然後，聚合節點根據最短路徑路由算法，將匯聚後的信息發送給sink節點。傳統的基於路由角的地址中心路由AAC(Angle_based AC)的提出主要是為了達到網絡負載的均衡，且提供一定的容錯性、可靠性。由於源節點獨立的把採集到的數據發給sink節點，每一個中轉節點都有一個路由角和相應的路由集。一旦收到發過來的感知數據，中轉節點將在自己的路由集中選擇一個節點作為下一跳，直到數據最終到達目的節點
sinko整體而言，DC算法沒有考慮負載和能耗的均衡，AAC算法沒有考慮數據聚合以消除冗餘數據，降低數據轉發次數。針對現有技術中存在的問題，如何在數據聚合中消除冗餘數據，降低數據轉發次數構成為了無線傳感器數據聚合設計的重點，本方案提出一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由方法及裝置是信息控制技術領域目前急待解決的問題之一。
發明內容
有鑑於此，本發明實施例提出了一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由方法及裝置，通過先確定傳感器網絡中事件範圍內的源節點，接著選擇合適的源節點作為數據聚合節點並進行數據聚合，然後當數據聚合完畢後，開始構建多徑路由，並通過數據聚合節點沿構建的路徑發送聚合後的數據，最終，數據發送後，將依據路由恢復策略進行修復及分析，本方案在源節點發送數據包之前進行數據聚合操作，為事件觸髮型傳感器網絡模型提供了節能、健壯的路由策略，一定程度上延長了無線傳感網器的壽命。為解決上述技術問題，本發明實施例的目的是通過以下技術方案實現的一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由方法，包括一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由方法，包括
步驟一、確定傳感器網絡中事件範圍內的源節點；步驟二、選擇合適的源節點作為數據聚合節點並進行數據聚合；步驟三、當數據聚合完畢後，開始構建多徑路由；步驟四、數據聚合節點沿構建的路徑發送聚合後的數據；步驟五、數據發送後，將依據路由恢復策略進行修復及分析。優選的，上述步驟一中，進一步的包括在事件範圍內確定源節點，並將定義感應數據傳輸的時間間隔。優選的，上述步驟二中，進一步包括，所有源節點都將數據信息直接發送給數據聚 合點，由聚合節點將匯聚後的數據包傳送至sink，如公式(I)所示B (aggr) = B (vk) +B (V1) X [1-BD (V1, vk) ] +B (v2) (I)X [I-RD (v2, vk)]+. . . +B(Vh) x [I-RDO1, vk)]其中，B (Vi)是源節點Vi產生的數據包大小，BD (VijVj)是節點Vi和Vj間的數據冗餘度，V1, ，Vi, ，V」， ，Vk G S，Vk是數據聚合節點，B (aggr)是匯集後的數據包大小。優選的，上述步驟二中，是選擇離sink最近的源節點作為數據聚合節點。優選的，上述步驟三中，數據聚合完成後，數據聚合節點根據給定的路由角e vi從路由集Wvi中選擇作為下一跳節點，為了平衡負載，選擇多個下一跳節點形成多徑路由，此後，在每條路徑上只能從Wvi中選擇一個節點作為中轉節點，最後形成到sink節點的多條路徑。優選的，上述路由角為傳感網某一節點根據自己和sink的位置信息，確定一個以自己和sink的連線為角平分線的銳角。優選的，上述路由集為對於任意非sink節點，一旦它的路由角確定，則在該節點傳輸半徑內位於路由角中的所有節點構成該節點的路由集。優選的，上述步驟三中，進一步包括選定了聚合節點，當其它源節點的數據在聚合節點聚合完畢後，就開始構建多徑路由，路徑的個數取決於聚合點初始選擇的下一跳節點的個數。優選的，上述步驟三中，進一步包括，當路徑選定後，在路徑上的中轉節點則依據節點負載和能量情況進行下一跳的選擇，依據負載和能量為依據進行選取。優選的，上述步驟四中，進一步包括聚合節點沿多條路徑發送聚合後的數據，最終此數據包沿多條路徑被傳送至sink。優選的，上述步驟五中，當所有事件驅動範圍內的數據包都被傳送給sink後，將計算網絡中節點的生存時間和剩餘能量，並分析其能耗、數據吞吐量和網絡生命周期。一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由裝置，包括確定單元、選擇單元、構建單元、發送單元及分析單元，通過先確定傳感器網絡中事件範圍內的源節點，接著選擇合適的源節點作為數據聚合節點並進行數據聚合，然後當數據聚合完畢後，開始構建多徑路由，並通過數據聚合節點沿構建的路徑發送聚合後的數據，最終，數據發送後，將依據路由恢復策略進行修復及分析。優選的，上述確定單元用於確定傳感器網絡中事件範圍內的源節點。優選的，上述選擇單元用於選擇合適的源節點作為數據聚合節點並進行數據聚
入
口 o
優選的，上述構建單元用於當數據聚合完畢後，開始構建多徑路由。優選的，上述發送單元用於數據聚合節點沿構建的路徑發送聚合後的數據。優選的，上述分析單元用於數據發送後，將依據路由恢復策略進行修復及分析。綜上所述，本發明提供了一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由方法及裝置，通過先確定傳感器網絡中事件範圍內的源節點，接著選擇合適的源節點作為數據聚合節點並進行數據聚合，然後當數據聚合完畢後，開始構建多徑路由，並通過數據聚合節點沿構建的路徑發送聚合後的數據，最終，數據發送後，將依據路由恢復策略進行修復及分析，本方案在源節點發送數據包之前進行數據聚合操作，為事件觸髮型傳感器網絡模型提供了節能、健壯的路由策略，一定程度上延長了無線傳感網器的壽命。
圖I為本發明一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由方法示意圖；圖2為本方案DFMR算法的網絡模型示意圖；圖3為本方案路由角和路由集不意不意圖；圖4本發明一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由裝置示意圖。
具體實施例方式本發明實施例提供的一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由方法及裝置，通過先確定傳感器網絡中事件範圍內的源節點，接著選擇合適的源節點作為數據聚合節點並進行數據聚合，然後當數據聚合完畢後，開始構建多徑路由，並通過數據聚合節點沿構建的路徑發送聚合後的數據，最終，數據發送後，將依據路由恢復策略進行修復及分析，本方案在源節點發送數據包之前進行數據聚合操作，為事件觸髮型傳感器網絡模型提供了節能、健壯的路由策略，一定程度上延長了無線傳感網器的壽命。為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面參照附圖並舉實施例，對本發明進一步詳細說明。「數據融合」技術被廣泛的運用於傳感器網絡中。由於傳感器採集的數據通常是小報文段數據，每個傳感節點採集的數據不進行合併而直接發給sink節點將需要過多的數據轉發次數。而在路由操作中，耗能最大的就是數據的轉發。所以，為了有效地減少數據轉發次數，達到節能的目的，通常採用數據聚合的方法，將小數據包合併成較大的數據包後再一起發送。例如中心近源法CNS，最短路徑樹SPT和貪婪遞增樹GIT。它們給出了在傳感器網絡中如何構造近似最優的數據聚合樹的方法。基於AC的算法中，各傳感節點獨立地計算到Sink的最短路徑，然後沿最短路徑傳輸數據給Sink。若匹配興趣的源節點假設分別為Sourcel和Source2,用Dijkstra算法計算到Sink的最短路徑，然後沿這些路徑傳輸數據到Sink。而基於DD模型，傳感網絡中的節點不採用地址作為標識ID，而是以結點可以提供的數據作為尋址依據。其代表算法DC，其中Sourcel和Source2傳輸的數據首先在節點V3聚合，然後傳輸給Sink,顯然這種方法可以減少數據的傳輸次數(因此節約節點的能耗)。本發明的主要思路為提出了一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由方法及裝置來提高網絡性能。該方法綜合了數據聚合的數據中心路由和基於角度的多徑路由的優點，為事件觸髮型傳感器玩了過模型提供了節能、健壯的路由策略，很多程度上延長了網絡壽命，該協議可應用於ad hoc網絡、無線傳感器網絡、無線通信等領域。此外，本方案有效克服傳統無線傳感器網絡路由算法設計上的不足，通過增加匯聚節點數據聚合能力來使節點間的數據傳送量進一步降低，節省了能量；在選取路由下一跳節點的過程中，考慮節點負載量、距離SINK的距離和節點能量水平等因素，來平衡負載和節點能量均衡，從而在沒有明顯增加資源負荷的基礎上極大的延長整個網絡的生命周期。本發明實施例提供一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由方法，如圖I所示，具體步驟包括
步驟一、確定傳感器網絡中事件範圍內的源節點；具體而言，在本發明實施例中，在無線傳感器網絡中事件發生，將在事件範圍內確定源節點，sink節點預先定義感應數據傳輸的時間間隔。其中，本方案中，假設節點傳輸半徑為R，在網絡拓撲結構G中，一組節點集S的直徑Z定義max..D(Vi-Vi )，足任意兩節點間最短距離中的最大值，其中D(H)是從Vi到Vj的最小跳數。假設感應區域內有k個源節點，節點Vi和 ' 均屬於S，它們之間的距離定義為(!((Vi, V」)，數據冗餘度用 RD (Vi, Vj)表示，且 RD (Vi, N ) =Vj)/2L] *100%，L 是感應半徑。步驟二、選擇合適的源節點作為數據聚合節點並進行數據聚合；具體而言，在本發明實施例中，假設節點傳輸半徑為R，其一，如果事件驅動半徑L ^ R，從源節點到數據聚合點至少需要一跳，傳送數據採用最短路徑路由且數據在到達指定的聚合點前可進行聚集；其二，如果L < R，則從源節點到數據聚合點僅需一跳，數據將直接被傳送到聚合點消除冗餘；此外，在數據聚合過程中，負載過重會導致聚合點的當前能量Ecot ( Ewar，算法將會從剩下的源節點中選擇離sink最近且能量值大於門限值的節點作為新的聚合點。S卩，在事件產生區，DFMR算法在源節點向sink發送數據包之前，必須進行數據聚合操作。進一步的，在本方案中，通過DFMR協議，所有的源節點都將數據信息直接發送給數據聚合點，由聚合節點將匯聚後的數據包傳送至sink，根據如下公式(I)可知，該過程可在很大程度上消除數據冗餘。B (aggr) = B (vk) +B (V1) X [I-RD (V1, vk) ] +B (V2) (I)X [I-RD (v2, vk) ] +. . . +B (Vk^1) X [I-RD (V1, vk)]其中，B(Vi)是源節點Vi產生的數據包大小，RD(Vi, Vj)是節點Vi和Vj間的數據冗餘度，V1,..., Vi,..., Vj, ...,VkG S, Vk是數據聚合節點，B (aggr)是匯集後的數據包大小。當聚合點的能量低於警告門限時，即被多個源節點中能量較高的、且離sink較近的節點代替。由於DC路由協議中採用理想的數據聚合算法是個NP問題，決定採用在理想機制CNS解決，即選擇離sink最近的源節點作為數據聚合節點。步驟三、當數據聚合完畢後，開始構建多徑路由；具體而言，在本發明實施例中，數據聚合完成後，數據聚合節點根據給定的路由角
中選擇作為下一跳節點，為了平衡負載，選擇多個下一跳節點形成多徑路由，此後，在每條路徑上只能從Wvi中選擇一個節點作為中轉節點，最後形成到sink節點的多條路徑。其中，在本方案中，路由角為傳感網某一節點根據自己和sink的位置信息,確定一個以自己和sink的連線為角平分線的銳角。路由集為對於任意非sink節點，一旦它的路由角確定，則在該節點傳輸半徑內位於路由角中的所有節點構成該節點的路由集。圖2為本方案DFMR算法的網絡模型示意圖；圖3為本方案路由角和路由集示意示意圖，其中Vi對應的路由角即為SITA(Vi),路由集即為路由角內部的幾個鄰居節點Wvi = {3，4，5}。DFMR算法一旦選定了聚合節點，當其它源節點的數據在聚合節點聚合完畢後，就開始構建多徑路由，路徑的個數取決於聚合點初始選擇的下一跳節點的個數。路徑選定後， 在路徑上的中轉節點則依據節點負載和能量情況進行下一跳的選擇，選取負載最輕，能量最大的節點。即，在本方案中，DFMR採用了基於角度的多路徑路由算法。傳統的基於角度的多徑路由提出主要是為了達到網絡負載的均衡，且提供一定的容錯性、可靠性。而DFMR算法在傳統基於角度的多徑路由算法基礎上，進一步引入了數據聚合能力，即節點在進行數據傳送前，必須進行數據聚合。DFMR算法一旦選定了聚合節點，當其他源節點的數據在聚合節點聚合完畢後，就開始構建多徑路由，路徑的個數取決於聚合點初始選擇的下一跳節點的個數。路徑選定後，在路徑上的中轉節點則依據節點負載和能量情況進行下一跳的選擇，選取負載最輕，能量最大的節點，即依據負載和能量為依據進行選取。因此，本方案可通過傳輸足夠數量的原始數據包給sink節點，傳輸完畢後，比較存活的節點數目來驗證。由於DFMR算法無論是在聚合階段還是在數據傳輸階段，都很注重網內每個節點能耗的均衡。故使得網內分割現象推遲，從而整個網絡的壽命得以延長。實驗也能證明採用DFMR算法時，網絡的壽命比採用AAC或DC算法更長。步驟四、數據聚合節點沿構建的路徑發送聚合後的數據；具體而言，在本發明實施例中，聚合節點沿多條路徑發送聚合後的數據，最終此數據包沿多條路徑被傳送至sink。其中，如果聚合節點Ecm ( Era，將被其它源節點代替，同時算法會依據路由角重構路由，另外，可根據路由表中的歷史信息加速路由的形成；如果中間的轉發節點Ecm ( Ewar,將選擇另一個下一跳節點，更換的頻率主要取決於能量因子的大小。此外，在本方案中，網絡中每個節點都有相同的能量初值Eini (節點可支持的數據次數)，定義能量警告門限Era= nEini(0< n < I)為節點執行一定量數據轉發後的剩餘轉發次數。當節點當前能量值E■低於這個門限值時，將停止轉發數據並提醒鄰居節點尋找其它有效節點代替自己進行數據轉發。參數n作為能量因子在數據匯集和路由選擇中起一定的作用。進一步的，在本方案中，如果有多個數據包需要匯集且所有的源節點都至少暫停聚合過一次，那麼在選擇新的聚合點時還需考慮節點的Q(Vi)值。這種聚合思想可以顯著提高網絡的生命周期。考慮到在半徑Z足夠大的情況下，數據信可以在到達匯聚點前進行匯集。因此，本方案可通過傳輸足夠數量的原始數據包給sink節點，傳輸完畢後，比較存活的節點數目來驗證。由於DFMR算法無論是在聚合階段還是在數據傳輸階段，都很注重網內每個節點能耗的均衡。故使得網內分割現象推遲，從而整個網絡的壽命得以延長。實驗也能證明採用DFMR算法時，網絡的壽命比採用AAC或DC算法更長。由於傳輸一定量的原始數據包所需的總的能量。通過傳輸數據包所需要的總的轉發次數來衡量，是評價傳感網路由算法性能的重要指標。通過有效的數據聚合算法，DFMR算法的數據包轉發次數相比AAC，有極大的減少。現有之DC算法所需的轉發次數值接近DFMR算法的值，但是當冗餘數據被匯聚成一個大的數據包後，數據包的大小很可能超過單條路徑所能承受的負載。步驟五、數據發送後，將依據路由恢復策略進行修復及分析。具體而言，在本發明實施例中，當所有事件驅動範圍內的數據包都被傳送給sink後，計算網絡中節點的生存時間和剩餘能量，並分析其能耗、數據吞吐量和網絡生命周期等。 進一步的，在本方案中，如果在數據傳輸過程中有節點耗能過多而失效，可以採用如下路由恢復策略來進行路徑局部更改和修復。當源節點在其路由集中選擇3個節點作為下一跳，從而初始化三條不相交路徑。每條路徑上各節點選擇下一跳是根據其路由集中節點的負載決定的。一旦某路徑上有節點(假設為S2)失效，則它的上一跳節點(假設為SI)會根據路由恢復策略選擇節點X作為新的下一跳，通過局部路徑修復保證數據傳輸的連續性。從而，網絡內節點密度越大，每個節點的路由角越大，在節點失效時可以提供越高的可靠性。如選取替換節點的方法除了考慮路由集中節點的負載之外，還要考慮其剩餘能量和暫停次數。通常選取路由集中負載最輕、剩餘能量最多且暫停次數最小的節點作為路由替代節點。其中，在本方案中，定義Q(Vi)為Vi的暫停次數，Vi可以網絡中的任意節點。一旦Vi的當前能量值低於能量警告門限，Q(Vi)的值加1，此值會影響聚合節點的重選和路由重建。由於路由如果在數據傳輸過程中有節點耗能過多而失效，有專門的路由恢復策略來進行路徑局部更改和修復，故可以使算法具有足夠的健壯性。因此，本方案針對無線通信任務的很大一部分能量浪費在數據傳送過程之情況，目前的路由協議多數採用了數據聚合策略，常見的聚合算法有對多個輸入取最大值、最小值或平均值等等。因為理想的數據聚合算法時隔NP問題，為了獲取比較實用的結果，本方案採用了次理想機制的中心近源法(CNS)，即選擇離sink最近的源節點作為數據聚合節點。從而使得算法比較簡單，可行。並且具有較好的穩定性和可行性，實驗證明，其數據聚 合效率較高。並且在進行數據傳送時，現有路由協議多採用基於地址或數據的路由算法。另外，本發明實施例還提供了一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由裝置。如圖4所示，為本發明實施例提供的一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由裝置示意圖。—種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由裝置，包括確定單元11、選擇單元22、構建單元33、發送單元44及分析單元55。確定單元11，用於確定傳感器網絡中事件範圍內的源節點；具體而言，在本發明實施例中，在無線傳感器網絡中事件發生，將在事件範圍內確定源節點，sink節點預先定義好感應數據傳輸的時間間隔。
其中，本方案中，假設節點傳輸半徑為R，在網絡拓撲結構G中，一組節點集S的直徑Z定義:maxws D(H)，是任意兩節點間最短距離中的最大值，其中D (Vi, Vp是從Vi到Vj的最小跳數。假設感應區域內有k個源節點，節點Vi和 ' 均屬於S，它們之間的距離定義為(!((Vi, V」)，數據冗餘度用 RD (Vi, Vj)表示，且 RD (Vi, N ) =Vj)/2L] *100%，L 是感應半徑。選擇單元22，用於選擇合適的源節點作為數據聚合節點並進行數據聚合；具體而言，在本發明實施例中，假設節點傳輸半徑為R，其一，如果事件驅動半徑L ^ R，從源節點到數據聚合點至少需要一跳，傳送數據採用最短路徑路由且數據在到達指定的聚合點前可進行聚集；其二，如果L < R，則從源節點到數據聚合點僅需一跳，數據將直接被傳送到聚合點消除冗餘；
此外，在數據聚合過程中，負載過重會導致聚合點的當前能量Ecot ( Ewar，算法將會從剩下的源節點中選擇離sink最近且能量值大於門限值的節點作為新的聚合點。S卩，在事件產生區，DFMR算法在源節點向sink發送數據包之前，必須進行數據聚合操作。進一步的，在本方案中，通過DFMR協議，所有的源節點都將數據信息直接發送給數據聚合點，由聚合節點將匯聚後的數據包傳送至sink，根據如下公式(I)可知，該過程可在很大程度上消除數據冗餘。B (aggr) = B (vk) +B (V1) X [I-RD (V1, vk) ] +B (V2) (I)X [I-RD (v2, vk) ] +. . . +B (Vk^1) X [I-RD (V1, vk)]其中，B(Vi)是源節點Vi產生的數據包大小，RD(Vi, Vj)是節點Vi和Vj間的數據冗餘度，V1,..., Vi,..., Vj, ...,VkG S, Vk是數據聚合節點，B (aggr)是匯集後的數據包大小。當聚合點的能量低於警告門限時，即被多個源節點中能量較高的、且離sink較近的節點代替。由於DC路由協議中採用理想的數據聚合算法是個NP問題，決定採用在理想機制CNS解決，即選擇離sink最近的源節點作為數據聚合節點。構建單元33，用於當數據聚合完畢後，開始構建多徑路由；具體而言，在本發明實施例中，數據聚合完成後，數據聚合節點根據給定的路由角
中選擇作為下一跳節點，為了平衡負載，選擇多個下一跳節點形成多徑路由，此後，在每條路徑上只能從Wvi中選擇一個節點作為中轉節點，最後形成到sink節點的多條路徑。其中，在本方案中，路由角為傳感網某一節點根據自己和sink的位置信息,確定一個以自己和sink的連線為角平分線的銳角。路由集為對於任意非sink節點，一旦它的路由角確定，則在該節點傳輸半徑內位於路由角中的所有節點構成該節點的路由集。圖2為本方案DFMR算法的網絡模型示意圖；圖3為本方案路由角和路由集示意示意圖，其中Vi對應的路由角即為SITA(Vi),路由集即為路由角內部的幾個鄰居節點Wvi = {3，4，5}。DFMR算法一旦選定了聚合節點，當其它源節點的數據在聚合節點聚合完畢後，就開始構建多徑路由，路徑的個數取決於聚合點初始選擇的下一跳節點的個數。路徑選定後，在路徑上的中轉節點則依據節點負載和能量情況進行下一跳的選擇，選取負載最輕，能量最大的節點。即，在本方案中，DFMR採用了基於角度的多路徑路由算法。傳統的基於角度的多徑路由提出主要是為了達到網絡負載的均衡，且提供一定的容錯性、可靠性。而DFMR算法在傳統基於角度的多徑路由算法基礎上，進一步引入了數據聚合能力，即節點在進行數據傳送前，必須進行數據聚合。DFMR算法一旦選定了聚合節點，當其他源節點的數據在聚合節點聚合完畢後，就開始構建多徑路由，路徑的個數取決於聚合點初始選擇的下一跳節點的個數。路徑選定後，在路徑上的中轉節點則依據節點負載和能量情況進行下一跳的選擇，選取負載最輕，能量最大的節點。因此，本方案可通過傳輸足夠數量的原始數據包給sink節點，傳輸完畢後，比較存活的節點數目來驗證。由於DFMR算法無論是在聚合階段還是在數據傳輸階段，都很注重網內每個節點能耗的均衡。故使得網內分割現象推遲，從而整個網絡的壽命得以延長。實驗也能證明採用DFMR算法時，網絡的壽命比採用AAC或DC算法更長。發送單元44，用於數據聚合節點沿構建的路徑發送聚合後的數據；
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具體而言，在本發明實施例中，聚合節點沿多條路徑發送聚合後的數據，最終此數據包沿多條路徑被傳送至sink。其中，如果聚合節點Ecm ( Era，將被其它源節點代替，同時算法會依據路由角重構路由，另外，可根據路由表中的歷史信息加速路由的形成；如果中間的轉發節點Ecm ( Ewar,將選擇另一個下一跳節點，更換的頻率主要取決於能量因子的大小。此外，在本方案中，網絡中每個節點都有相同的能量初值Eini (節點可支持的數據次數)，定義能量警告門限Era= nEini(0< n < I)為節點執行一定量數據轉發後的剩餘轉發次數。當節點當前能量值E■低於這個門限值時，將停止轉發數據並提醒鄰居節點尋找其它有效節點代替自己進行數據轉發。參數n作為能量因子在數據匯集和路由選擇中起一定的作用。進一步的，在本方案中，如果有多個數據包需要匯集且所有的源節點都至少暫停聚合過一次，那麼在選擇新的聚合點時還需考慮節點的Q(Vi)值。這種聚合思想可以顯著提高網絡的生命周期。考慮到在半徑Z足夠大的情況下，數據信可以在到達匯聚點前進行匯集。因此，本方案可通過傳輸足夠數量的原始數據包給sink節點，傳輸完畢後，比較存活的節點數目來驗證。由於DFMR算法無論是在聚合階段還是在數據傳輸階段，都很注重網內每個節點能耗的均衡。故使得網內分割現象推遲，從而整個網絡的壽命得以延長。實驗也能證明採用DFMR算法時，網絡的壽命比採用AAC或DC算法更長。由於傳輸一定量的原始數據包所需的總的能量。通過傳輸數據包所需要的總的轉發次數來衡量，是評價傳感網路由算法性能的重要指標。通過有效的數據聚合算法，DFMR算法的數據包轉發次數相比AAC，有極大的減少。現有之DC算法所需的轉發次數值接近DFMR算法的值，但是當冗餘數據被匯聚成一個大的數據包後，數據包的大小很可能超過單條路徑所能承受的負載。分析單元55，用於數據發送後，將依據路由恢復策略進行修復及分析。具體而言，在本發明實施例中，當所有事件驅動範圍內的數據包都被傳送給sink後，將計算網絡中節點的生存時間和剩餘能量，並分析其能耗、數據吞吐量和網絡生命周期
坐坐寸寸o
進一步的，在本方案中，如果在數據傳輸過程中有節點耗能過多而失效，可以採用如下路由恢復策略來進行路徑局部更改和修復。當源節點在其路由集中選擇3個節點作為下一跳，從而初始化三條不相交路徑。每條路徑上各節點選擇下一跳是根據其路由集中節點的負載決定的。一旦某路徑上有節點(假設為S2)失效，則它的上一跳節點(假設為SI)會根據路由恢復策略選擇節點X作為新的下一跳，通過局部路徑修復保證數據傳輸的連續性。從而，網絡內節點密度越大，每個節點的路由角越大，在節點失效時可以提供越高的可靠性。如選取替換節點的方法除了考慮路由集中節點的負載之外，還要考慮其剩餘能量和暫停次數。通常選取路由集中負載最輕、剩餘能量最多且暫停次數最小的節點作為路由替代節點。其中，在本方案中，定義Q(Vi)為Vi的暫停次數，Vi可以網絡中的任意節點。一旦Vi的當前能量值低於能量警告門限，Q(Vi)的值加1，此值會影響聚合節點的重選和路由重建。由於路由如果在數據傳輸過程中有節點耗能過多而失效，有專門的路由恢復策略來進行路徑局部更改和修復，故可以使算法具有足夠的健壯性。本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例方法攜帶的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關的硬體完成，所述的程序可以存儲於一種計算機可讀存儲介質中，該程序在執行時，包括方法實施例的步驟之一或其組合。另外，在本發明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理模塊中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個模塊中。上述集成的模塊既可以採用硬體的形式實現，也可以採用軟體功能模塊的形式實現。所述集成的模塊如果以軟體功能模塊的形式實現並作為獨立的產品銷售或使用時，也可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。綜上所述，本文提供了一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由方法及裝置，通過先確定傳感器網絡中事件範圍內的源節點，接著選擇合適的源節點作為數據聚合節點並進行數據聚合，然後當數據聚合完畢後，開始構建多徑路由，並通過數據聚合節點沿構建的路徑發送聚合後的數據，最終，數據發送後，將依據路由恢復策略進行修復及分析，本方案在源節點發送數據包之前進行數據聚合操作，為事件觸髮型傳感器網絡模型提供了節能、健壯的路由策略，一定程度上延長了無線傳感網器的壽命。以上對本發明所提供的一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由方法及裝置進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方案；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本 發明的思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
權利要求
1.一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由方法，其特徵在於，所述方法包括 步驟一、確定傳感器網絡中事件範圍內的源節點； 步驟二、選擇合適的源節點作為數據聚合節點並進行數據聚合； 步驟三、當數據聚合完畢後，開始構建多徑路由； 步驟四、數據聚合節點沿構建的路徑發送聚合後的數據； 步驟五、數據發送後，將依據路由恢復策略進行修復及分析。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述步驟一中，進一步的包括在事件範圍內確定源節點，並將定義感應數據傳輸的時間間隔。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述步驟二中，進一步包括，所有源節點都將數據信息直接發送給數據聚合點，由聚合節點將匯聚後的數據包傳送至sink，如公式(I)所示B(aggr) = B(vk)+B(V1) X [I-RDG1, vk)]+B(V2) (I) X [I-RD (v2, vk)]+. . . +B(Vlrf) X [I-RD (V1, Vk)] 其中，B(Vi)是源節點Vi產生的數據包大小，RD(Vi, Vj)是節點Vi和Vj間的數據冗餘 V1,..., Vi,..., Vj, ...,VkG S，Vk是數據聚合節點，B (aggr)是匯集後的數據包大小。
4.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述步驟二中，是選擇離sink最近的源節點作為數據聚合節點。
5.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述步驟三中，數據聚合完成後，數據聚合節點根據給定的路由角0viW路由集Wvi中選擇作為下一跳節點，為了平衡負載，選擇多個下一跳節點形成多徑路由，此後，在每條路徑上只能從Wvi中選擇一個節點作為中轉節點，最後形成到sink節點的多條路徑。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述路由角為傳感網某一節點根據自己和sink的位置信息，確定一個以自己和sink的連線為角平分線的銳角。
7.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述路由集為對於任意非sink節點，一旦它的路由角確定，則在該節點傳輸半徑內位於路由角中的所有節點構成該節點的路由集。
8.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述步驟三中，進一步包括選定了聚合節點，當其它源節點的數據在聚合節點聚合完畢後，就開始構建多徑路由，路徑的個數取決於聚合點初始選擇的下一跳節點的個數。
9.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述步驟三中，進一步包括，當路徑選定後，在路徑上的中轉節點則依據節點負載和能量情況進行下一跳的選擇，依據負載和能量為依據進行選取。
10.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述步驟四中，進一步包括聚合節點沿多條路徑發送聚合後的數據，最終此數據包沿多條路徑被傳送至sink。
11.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述步驟五中，當所有事件驅動範圍內的數據包都被傳送給sink後，將計算網絡中節點的生存時間和剩餘能量，並分析其能耗、數據吞吐量和網絡生命周期。
12.一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由裝置，其特徵在於，所述裝置包括確定單元、選擇單元、構建單元、發送單元及分析單元,通過先確定傳感器網絡中事件範圍內的源節點，接著選擇合適的源節點作為數據聚合節點並進行數據聚合，然後當數據聚合完畢後，開始構建多徑路由，並通過數據聚合節點沿構建的路徑發送聚合後的數據，最終，數據發送後，將依據路由恢復策略進行修復及分析。
13.根據權利要求12所述的裝置，其特徵在於，所述確定單元用於確定傳感器網絡中事件範圍內的源節點。
14.根據權利要求12所述的裝置，其特徵在於，所述選擇單元用於選擇合適的源節點作為數據聚合節點並進行數據聚合。
15.根據權利要求12所述的裝置，其特徵在於，所述構建單元用於當數據聚合完畢後，開始構建多徑路由。
16.根據權利要求12所述的裝置，其特徵在於，所述發送單元用於數據聚合節點沿構建的路徑發送聚合後的數據。
17.根據權利要求12所述的裝置，其特徵在於，所述分析單元用於數據發送後，將依據路由恢復策略進行修復及分析。
全文摘要
本發明提供了一種無線傳感器網絡基於數據融合的多徑路由方法及裝置，通過先確定傳感器網絡中事件範圍內的源節點，接著選擇合適的源節點作為數據聚合節點並進行數據聚合，然後當數據聚合完畢後，開始構建多徑路由，並通過數據聚合節點沿構建的路徑發送聚合後的數據，最終，數據發送後，將依據路由恢復策略進行修復及分析，本方案在源節點發送數據包之前進行數據聚合操作，為事件觸髮型傳感器網絡模型提供了節能、健壯的路由策略，一定程度上延長了無線傳感網器的壽命。
文檔編號H04W40/02GK102724730SQ20121023693
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月9日 優先權日2012年7月9日
發明者熊鵬 申請人:上海電機學院