自適應無線傳感器網絡及無線傳感器網絡中路由數據的方法

2023-09-20 18:01:15 7

專利名稱：自適應無線傳感器網絡及無線傳感器網絡中路由數據的方法
技術領域：
本發明涉及無線傳感器網絡領域，尤其涉及無線傳感器網絡以及在無線傳感器網絡中路由數據的方法。
背景技術：
無線傳感器網絡利用傳感器節點之間的躍程(hop)傳輸數據。傳送數據與接收數據會消耗功率，而功率在無線傳感器網絡中一般都受到限制。多次躍程增加數據傳輸時間的時間延遲。目前的無線傳感器網絡與方法無法同時解決這些問題。
美國專利申請公開US2006/0178156A1 (Hyung-Seok Kim 「ROUTING METHOD IN AWIRELESS SENSOR NETWORK」)，2006年8月10日公開了在無線傳感器網絡中的路由方法，其中傳感器節點被分組到小區中。當接收到要傳送到目的地的檢測到的信息時，傳感器節點確定目的地所屬的小區是否是在一個躍程之外。因此，現有技術中存在對於解決上述問題的需求。

發明內容
本發明的第一方面為一種方法，包括(a)由包括多個傳感器節點的無線傳感器網絡的源傳感器節點來檢測時間事件；(b)識別從所述源傳感器節點至所述無線傳感器網絡的信宿(sink)的多重路徑，所述多重路徑由傳感器節點至傳感器節點躍程所構成；以及在步驟(b)後，(c)使用所述源傳感器節點的處理器，通過同時降低(i)所述多重路徑的每一路徑內傳感器節點所消耗的功率，以及(ii)從所述源傳感器節點傳輸所述數據分組至所述信宿的時間，將數據分組優化分配至所述多重路徑的每一路徑。本發明的第二方面為電腦程式產品，包括其中具有計算機可讀程序的計算機可用存儲介質，其中所述計算機可讀程序在計算機上執行時會導致所述計算機(a)收集與由包括多個傳感器節點的無線傳感器網絡的源傳感器節點所檢測的時間事件相關的信息；(b)識別從所述源傳感器節點至所述無線傳感器網絡的信宿的多重路徑，所述多重路徑由傳感器節點至傳感器節點躍程所構成；以及於(b)之後，(c)通過同時降低(i)所述多重路徑的每一路徑中傳感器節點所消耗的功率，以及(ii)從所述源傳感器節點傳輸所述數據分組至所述信宿的時間，將數據分組優化分配至所述多重路徑的每一路徑。本發明的第三方面為無線傳感器網絡，包括一組傳感器節點，該組傳感器節點的每一傳感器節點都包括傳感器、處理器、存儲器單元、電池以及收發器；該組傳感器節點的每一傳感器節點都被配置成識別從其本身至所述無線傳感器網絡的信宿的多重路徑，所述多重路徑的每一路徑包括傳感器節點至傳感器節點躍程；以及該組傳感器節點的每一傳感器節點都被配置成通過同時降低(i)所述多重路徑的每一路徑中傳感器節點所消耗的功率，以及(ii)從其本身傳輸所述數據分組至所述信宿的時間，將數據分組優化分配至所述多重路徑的每一路徑。
本發明的這些及其它方面說明如下。


僅通過示例，參考如在下圖中說明的優選實施例，說明本發明，其中圖I例示說明根據本發明優選實施例的第一示例無線傳感器網絡架構；圖2例示說明根據本發明優選實施例的第二示例無線傳感器網絡架構；圖3例示說明根據本發明優選實施例的示例無線傳感器節點；圖4例示說明根據本發明優選實施例的示例無線傳感器網關節點；圖5為根據本發明優選實施例的在無線傳感器網絡中路由數據的方法的一般流程圖； 圖6為根據本發明優選實施例的在無線傳感器網絡中路由數據的方法的詳細流程圖；圖7為圖6的流程圖中的路徑確定步驟的流程圖；圖8為圖6的流程圖中的優化步驟的流程圖；圖9為根據本發明優選實施例的多重路徑和數據分組數量優化方案(3)與單一路徑方案(I)以及多重路徑相等數據分組大小方案(2)的功率消耗比較圖表；以及圖10為根據本發明優選實施例的多重路徑和數據分組數量優化方案(3)與單一路徑方案(I)以及多重路徑相等數據分組大小方案(2)的數據傳輸延遲比較圖表。
具體實施例方式在本發明的創新無線傳感器網絡中，無線傳感器網絡中路由的數據分組為事件驅動時間活動(event driven temporal activity)。當傳感器節點檢測到其附近的事件時，其變成源節點(或源)，並且啟動至信宿(例如網關節點或基站)的路由發現算法。若所述數據量大於預定的數據量限制，則選擇從源至信宿的多重傳感器節點路徑，以便縮短從源傳輸所有信息至信宿的時間量。來自傳感器的信息在源節點中轉換成數據分組。使用優化算法計算各種路徑上的數據分組的分配，所述優化算法通過將功率消耗與傳輸延遲之間的平衡優化，來自適應解決數據傳輸延遲與功率消耗問題。無線傳感器網絡中的任何傳感器節點都可當成源，但是只能有一個信宿。只有該信宿將接收一個或多個源節點所傳送的所有數據分組。可以有多個源節點同時在不同組的多重數據路徑上傳輸數據至信宿。每一傳感器節點(n e N)都具有唯一標識符。每一節點所感測的數據(D)都在多重路徑(ΛΡ之間細分，使得所有路徑中所有傳感器節點所消耗的功率降至不會顯著提高延遲時間的最低程度。圖I例示說明根據本發明實施例的第一示例無線傳感器網絡架構。在圖I中，無線傳感器網絡100包括基站105以及一組傳感器節點110。每一傳感器節點都標示字母「S」。該傳感器節點都為無線通信，不過每一傳感器節點都具有受限的範圍，如此任何已知的傳感器節點都只能與通信範圍內的其它傳感器節點通信。在圖I中，基站105為信宿，以及源為字母「SS」所標示的傳感器節點。在一個範例中，基站105為通用計算機，其具有收發器以及可移除式數據和/或程序儲存裝置(諸如磁碟驅動器與磁帶機的磁性介質，以及諸如壓縮盤只讀存儲器CD-ROM驅動器的光學介質)。無線傳感器網絡100構成無線點對點傳輸網絡(ad-hoc network),這表示每一傳感器節點都支持多躍程路由算法,其中由源SS收集的數據(響應感測到時間事件)沿著許多傳感器節點「S」間的線條所指示的路徑傳輸至信宿。傳感器節點之間的每一線條都是「躍程」。圖I中例示說明三條路徑115、120和125。路徑定義為從傳感器節點至傳感器節點的一組連接躍程。躍程定義為從傳感器節點至另一傳感器節點、或至基站或網關節點的無線數據傳輸(請參閱圖2)。圖2例示說明根據本發明優選實施例的第二示例無線傳感器網絡架構。圖2類似於圖1，除了在無線傳感器網絡130中，基站105不是信宿，而是通過鏈路135連接至由字母「GS」所標示的網關傳感器節點。網關傳感器節點GS可以在通信範圍和/或可用功率量方面優於其它傳感器節點S。鏈路135可為無線或有線。圖3例示說明根據本發明優選實施例的示例無線傳感器節點。在圖3中，傳感器節點200包括利用總線215連接至存儲器(例如快閃記憶體)210的處理器(例如微處理器或微控制器)205、利用總線225連接至處理器205的傳感器220、利用總線235連接至處理器205的收發器230，以及利用功率分配系統245連接至處理器205、存儲器210、傳感器220和收發 器230的電池240。天線250連接至收發器230。傳感器節點220也可包括對電池240充電的選配充電器(例如太陽能電池)255。處理器205監視電池240的功率電平。處理器205也可包括內嵌的存儲器。傳感器220可包括模數轉換器(analog to digital converter,ADC)。還有其它傳感器220，傳感器220可為(但不限於)無源傳感器、全向傳感器(例如熱、光、震動)、無源窄波束傳感器(例如相機或雷射)或有源傳感器(例如聲納或雷達)。收發器230可為射頻、光學或紅外線收發器。圖4例示說明根據本發明優選實施例的示例無線傳感器網關節點。在圖4中，網關傳感器節點300包括利用總線315連接至存儲器(例如快閃記憶體)310的處理器(例如微處理器或微控制器)305、利用總線325連接至處理器305的傳感器320、利用總線335連接至處理器305的第一收發器330，以及利用功率分配系統345連接至處理器305、存儲器310、傳感器320和收發器330的電池340。天線350連接至第一收發器330。傳感器節點320也可包括對電池340充電的選配充電器(例如太陽能電池)355。處理器305監視電池340的功率電平。處理器305也可包括內嵌的存儲器。傳感器320可包括模數轉換器(ADC)。還有其它傳感器320，傳感器320可為(但不限於)無源傳感器、全向傳感器(例如熱、光、震動)、無源窄波束傳感器(例如相機或雷射)或有源傳感器(例如聲納或雷達)。第一收發器330可為射頻、光學或紅外線收發器。網關傳感器節點300可包括利用總線335連接至處理器305的選配第二收發器365以及天線370。第一收發器330可為射頻、光學或紅外線收發器。選配第二收發器365可為用來與其它傳感器節點通信的近程收發器，並且第二收發器365可為用來與基站通信的遠程收發器。網關傳感器節點300可包括利用總線380連接至處理器305的選配網絡接口 375。選配網絡接口 375提供至基站的選配有線連接。根據本發明優選實施例的傳感器節點的傳感器包括但不受限於環境傳感器(例如溫度、壓力、風速、風向、光強度、化學物檢測以及輻射檢測)以及監控和監視傳感器(例如車輛出現和/或移動和/或人類出現和/或移動)。根據本發明優選實施例的無線傳感器網絡中的功率消耗分成兩部分。第一部分為(由處理器與存儲器)處理和(由傳感器)感測所消耗的功率。第二部分為傳輸與接收數據分組所消耗的功率(即通信延遲)。給出j個路徑，第j路徑的壽命為Pinin並且被定義為第j路徑中具有最少剩餘功率量的傳感器節點所剩餘的功率。因此P>in定義第j路徑的最長壽命。對於穩定的路徑而言，Pioin必須等於或小於傳輸指派給第j路徑的所有數據分組所需時間內將消耗的功率。第j路徑中每一傳感器節點由於處理與感測所消耗的功率為Kr=nj*tj (I)其中Kr為節點在處理與感測時功率耗損的實際比率(effective rate)(焦耳/秒)；Iij為第j路徑中傳感器節點的數量；以及tj為路徑用來傳輸數據分組的時間。
每一躍程中每一數據分組的時間延遲為τ ^qj+1/Bj (2)其中τ j為第j路徑中每躍程的每分組的平均延遲(秒/分組/躍程)；Qj為第j路徑中的平均排隊延遲；以及Bj為第j路徑的位率(單位分組/秒)。數據分組在第j路徑上的傳輸與接收所消耗的功率為P. = 2* Δ(3)其中Pj為第j路徑中消耗的功率；tPj為第j路徑中每躍程的每分組的傳輸功率(焦耳/分組/躍程)；Δ j為第j路徑上傳輸的數據分組數量；以及Hj為第j路徑中的躍程數。「2」是因為節點必須接收然後傳輸數據分組。比較等式⑴和(3)，可見&與數據分組傳輸/接收相關能量消耗無關，所以在數據分組分配至許多路徑時並不需要考慮當數據分組同時在第j路徑上路由時，通信延遲並非個別路徑延遲的總和。而是，通信延遲可被評估為個別延遲路徑中的最大值。路徑延遲由兩個分量構成。第一為排隊與處理延遲(第j路徑中每一躍程的每一分組的平均排隊延遲)。第二為傳輸/接收延遲。第j路徑的源至信宿傳輸延遲(所假設的消息切換)為TDj= Δτ(4)其中TDj為第j路徑的源至信宿延遲；Δ j為第j路徑上傳輸的數據分組數量；τ J=Qj.+1/Bj (等式 2)；Hj為第j路徑中的躍程數；以及若選擇P」=O以外的路徑,則ρ」=1。因此，從源至信宿傳輸延遲(假設消息切換)的總延遲為TD=max [ ( Δ 產 τ j*Hj*Pj) ] (5)當傳感器節點檢測到其附近有事件時，就會變成源節點，產生一組描述該事件的數據分組，並且若數據分組數量大於預定數量，則執行至信宿節點的多重路徑路由發現算法。多重路徑路由算法的範例在2007年4月由Banner和Orda發表於IEEE/ACMTransactions on Networking, Vol. 15, No. 2 的「Multipath Routing Algorithms forCongestion Minimization」中進行了描述，其以引用方式併入本文。因此，總數據量D分成數據集Λ P其分配在多重路徑上。數據分組分配使用下列優化算法來計算 Z= Σ」(2* Δ j*tPj*Hj*Pj) (6)其中Z為目標函數；以及前面已經描述過Λ」、Pj、Hj和Pj。優化問題的約束在於
ΣjA J=D (7)max [ ( Δτ]({[D* τ stab*Hstab*Pj] + [max [ (D/n」* Δ]} /2 (8)2* Δ j*tPj+Kr*max ( Δτ<PJmin (9)其中前面已經描述過Λ」、Pj、Hj、Pj、D、tPj、Pj、Pjmin ；τ stab為最大壽命路徑中每躍程的每分組的平均延遲(秒/分組/躍程)；以及Hstab為最大壽命路徑中的躍程數。等式(7)要求分組總數據數量必須分配在多重路徑之間。不等式(8)要求從源至信宿的平均延遲小於預定最大值。不等式(9)要求路徑的壽命應該足以傳輸通過該路徑傳送的整個數據分組量而不中斷。傳感器節點必須具有足夠的量以能夠接收來自先前傳感器節點的所有數據分組，並且接著將所接收的所有數據分組傳輸至(2*Aj*tPj)項所涵蓋的後續節點。另外，就在信宿之前的節點(終端節點)必須有足夠功率，以存在超過所有傳送的數據分組沿著路徑接收並傳送至信宿所耗費的整體時間量(即終端節點等於淨端對端延遲的存在時間)。在此時間中，該終端節點以Kr的速率消耗能量。因此，Kr*max(Aτ項說明終端節點(即信宿之前的傳感器節點)中消耗的功率量。在數據分組從源傳輸至信宿所經過的時間間隔中，參與數據分組傳輸的每一節點的功率消耗降低(2* Δ ftp」)+Kr*max [ ( Δτ,並且不參與數據分組傳輸的任意節點的功率則降低Kr*max [ ( Δ產τ]。圖5為在根據本發明優選實施例的無線傳感器網絡中路由數據的方法的一般流程圖。在步驟400，傳感器節點(現在為源)檢測到其附近的時間事件，並且啟動路由發現。在步驟405，確定要傳輸的數據量是否低於或高於預設限制。若數據量為預設限制或低於預設限制，則該方法前往步驟410。在步驟410，路由發現算法產生通過無線傳感器網絡(wireless sensor network, WSN)的單一路徑。然後在步驟415,源通過WSN傳送數據分組至信宿。步驟410和415為以下描述的基本方案(I)。回到步驟405。若數據量高於預設限制，則該方法前往步驟420。在步驟420，路由發現算法產生從源通過WSN到信宿的多重路徑。接下來，在步驟425，源節點運行優化算法，以在多重路徑上分配數據分組。接下來，在步驟430，源通過彼此之間的傳輸時間與功率消耗都已經優化的多重路徑來傳送數據分組。步驟420、425和430為以下描述的基本方案(3)，並且在以下描述的圖6、圖7和圖8中有更詳細例示。圖6為在根據本發明優選實施例的無線傳感器網絡中路由數據的方法的詳細流程圖。在步驟435，傳感器節點已經啟動。事件檢測標記設置成指示並未檢測到事件(SETFLAG=FALSE)(設置標記=假)。在步驟440，等待事件循環。在步驟440，執行傳感器的定期狀態取樣。若在步驟440中檢測到事件，則在步驟445中發出SET FLAG=TRUE (設置標記=真)，並且通過調用多重路徑發現算法以確定路徑(P)，來啟動路由發現。路由多重路徑發現算法確定(a)節點脫節多重路徑、(b)每一第j路徑的參數％、tPj和τ j, (c)特定路徑的壽命，以及(d)最穩定的(即最長壽的)路徑。步驟450為等待確定所有路徑的步驟。在步驟450中執行多重路徑路由算法的定期狀態取樣。若已經確定所有路徑，該方法前往步驟455。在步驟455，用前面說明的輸入調用優化問題Z (等式6，具有約束7、8和9)。在步驟460,調用連續二次規劃(sequential quadratic programming, SQP)算法以在Z上操作來確定Λρ(通過每一第j路徑傳輸的數據分組數量)。在步驟465，確定是否滿足結構化查詢語言(Structured Query Language, SQL)終止條件(termination criteria,TC)。SQL為一種強大的算法，用於非線性連續優化。SQL遞歸直到達到所要的收斂程度(終止條件)。 也可使用替代的非線性連續優化方法。若不滿足終止條件，則方法循環至步驟455，否則方法前往步驟470，用set flag=false重設傳感器節點，然後方法回到步驟440。圖7為圖6的流程圖中路徑確定步驟445的流程圖。在步驟475，初始化多重路徑路由算法參數。該路徑用(P)=O初始化。路由初始參數由SET ROUTE ΙΝΙΤΑΤΕ=0(設置路由初始值=0)指令初始化。並且躍程的最大數量由SET MAX HOP COUNT= (VALUE)(設置最大躍程計數=(值))指令設置。在步驟480，啟動路由發現請求。在步驟485，利用SET ROUTEDISCOVERY TIME0UT=TRUE (設置路由發現超時=真)指令啟動路徑解決方案監控。在步驟490，運行多重路徑路由發現算法，以找出源與信宿之間的路徑。在找出解決方案時，則執行指令SET ROUTE DISCOVERY TIME0UT=FALSE (設置路由發現超時=假)。在步驟495，檢查SET ROUTE DISCOVERY HME0UT參數的值，並且等待TRUE (真)值，在等到FALSE (假)值時前往步驟500。在步驟500，源與信宿之間存在多重路徑(P)，並且源可計算從源至信宿的許多路徑的數據分組信息(例如分組標題數據)。圖8為圖6的流程圖中優化步驟455的流程圖。在步驟505，設置執行優化標記來指示是否要執行優化。在步驟510，等待優化開始命令循環。在步驟510 JARSET FLAG值的定期取樣。若在步驟510中FLAG=TRUE，則該方法前往步驟515。在步驟515，以前面討論的輸入變量設置，調用優化問題Z。在步驟520，調用拉格朗日(Lagrangian)函數，使用前面討論的三個約束(7)、(6)和(9)，鬆弛等式(6)的目標函數(Z)。在步驟525，使用SQL求解拉格朗日函數，以計算多重數據路徑之間的數據分組分配。在步驟530，確定是否滿足終止條件(TC)。若不滿足終止條件，該方法回到步驟515，否則該方法前往步驟535。在步驟535，執行set flag=false並且該方法回到步驟510。為了測試與驗證本發明的優選實施例，因此模擬三種功率消耗方案。第一方案為單一路徑方案。第二方案為具有等量數據分組的多重路徑。第三方案為根據本發明優選實施例的創新多重路徑與數據分組數量優化方案。在第一單一路徑方案(I)中，最大延遲=若完整數據量通過單一最穩定路徑傳送時該路徑中產生的延遲(即max[(A j* τ產Η」*ρ」)](([D* τ stab*Hstab*Pj])。在第一方案中，傳輸延遲的上限為高，並且大多數情況下都滿足該約束。在第二多重路徑相等數據分組大小方案(2)中，最大延遲=若數據平均分配在所有路徑上的總延遲(即max [ ( Δ j* τ]([max (D/n」* τ],其中η=空間路徑數量)。在第二方案中，傳輸延遲的上限為低，並且結果約束非常嚴格。在第三創新多重路徑與數據分組數優化方案(3)中，延遲約束的上限為方案I和2中所提出上限的平均值。後續已經使用SQP技術解決等式￠)的優化問題。此時已經使用MATLAB開發仿真程序。MATLAB代表「矩陣實驗室(MatrixLaboratory)」，並且為數值計算環境與第四代程式語言。MATLAB由「The MathWorks 」開發，允許矩陣操縱、繪製函數與數據、算法實現、使用者接口建立以及與用其它語言撰寫的程序對接，該語目包括C、C++和Fortran。首先，仿真程序在15乘15平方米的面積內運行路由 發現算法，其中隨機布署192個傳感器節點。每一傳感器節點都擁有2. 4米的傳輸半徑。該傳感器節點為依照美國加州Crossbow of Milpitas生產的MICA2微點的型號。路由算法可在源與信宿之間賦予五種可能的路徑，其參數列於表I中表I
參數_值躍程計數_8 丨9_[9 110_IlO
可用的功率_全部192個微點總共23,760焦耳_
傳輸功率/分組/躍程所有路徑1.4千分之一焦耳__
延遲 / 分組 / 躍程_0.068s |o.Q681s
一般來說，本說明書中描述關於在無線傳感器網絡中路由數據的方法被實踐成分配式算法的方法，以及前面在圖5、圖6、圖7和圖8流程圖中描述的方法可被編碼為一組計算機可執行代碼，並且儲存在無線傳感器網絡的傳感器節點、網關節點與基站上的存儲器中。本領域技術人員將可了解，本發明的各方面可被具體實施為無線傳感器網絡、在無線傳感器網絡中路由數據分組的方法或具有在其上具體實施的計算機可讀程序代碼的用於在無線傳感器網絡中路由數據分組的電腦程式產品。因此，本發明的各方面可為完整硬體實施例、完整軟體實施例(包含固件、駐留軟體、微碼等)或組合軟體與硬體方面的實施例的形式，在此通稱為傳感器節點、網關節點或可為通用計算機的基站。可利用一個或多個計算機可讀介質的任何組合。該計算機可讀介質可為計算機可讀信號介質或計算機可讀存儲介質。計算機可讀存儲介質例如可為但不限於電、磁、光學、電磁、紅外線或半導體系統、設備或裝置或上述任何合適的組合。計算機可讀存儲介質的更多特定範例(非窮盡列舉)包含下列具有一條或多條配線的電連接、可攜式計算機磁碟、硬碟、隨機存取存儲器(random access memory,RAM)、只讀存儲器(read-only memory, ROM)、可擦除可編程只讀存儲器((erasable programmable read-only memory, EPROM)或快閃記憶體)、光纖、可攜式光碟只讀存儲器(compact disc read-only memory, CD-ROM)、光學儲存裝置、磁性儲存裝置或前述任何合適的組合。在本文件的上下文中，計算機可讀存儲介質可為可包含或儲存程序，來讓指令執行系統、設備或裝置使用或與其相連的任何有形介質。該算法可在電腦程式產品上編碼成可執行代碼，然後通過其相應的收發器在傳感器與網關節點布署之前或之後，從基站的可移除數據和/或程序儲存裝置，加載到無線傳感器網絡的傳感器節點的存儲器裝置中。或者是，該算法可在電腦程式產品上編碼成可執行代碼，然後通過其相應的收發器在傳感器與網關節點布署之前，從通用計算機的可移除數據和/或程序儲存裝置，加載到無線傳感器網絡的傳感器節點的存儲器裝置中。或者是，在傳感器節點製造期間的程序設計步驟期間，通過其相應的收發器或利用有線存取其相應的存儲器裝置，將可在電腦程式產品上編碼成可執行代碼的該算法被加載到傳感器節點的存儲器裝置中。因此，本發明的優選實施例提供一種無線傳感器網絡以及在無線傳感器網絡上傳輸數據的方法，其利用將功率消耗與傳輸延遲之間的平衡優化，自適應同時解決數據傳輸延遲與功率消耗。上面描述本發明的實施例供了解本發明之用。應該理解，本發明並不受限於本文所述的特定實施例，而是在不脫離本發明範圍下，本領域技術人員可進行許多修改、重新配置與取代。因此，旨在由隨後的權利要求覆蓋落入本發明範圍的所有這種修改與變更。
權利要求
1.一種方法，包括以下步驟 由包括多個傳感器節點的無線傳感器網絡的源傳感器節點來檢測時間事件； 識別從所述源傳感器節點至所述無線傳感器網絡的信宿的多重路徑，所述多重路徑由傳感器節點至傳感器節點躍程所構成；以及 響應於識別的步驟，使用所述源傳感器節點的處理器，通過同時降低(i)所述多重路徑的每一路徑內傳感器節點所消耗的功率，以及(ii)從所述源傳感器節點傳輸所述數據分組至所述信宿的時間，將數據分組優化分配至所述多重路徑的每一路徑的步驟。
2.如權利要求I所述的方法，還包括 響應於優化分配數據分組的步驟，在所述多重路徑的每一路徑之上，將所述數據分組 的不同數據分組從所述源傳感器節點傳輸至所述信宿的步驟。
3.如權利要求2所述的方法，還包括以下步驟 在檢測時間事件的步驟與識別多重路徑的步驟之間，確定要從所述源傳感器節點傳輸至所述信宿的數據量是否超出預定限制的步驟； 響應於所述數據量超出所述預定限制，執行識別多重路徑的步驟、優化分配數據分組的步驟和傳輸不同數據分組的步驟；以及 響應於所述數據量在所述預定限制上或低於所述預定限制，確定從所述源傳感器節點至所述信宿的單一路徑，並且通過所述單一路徑，將包含所述數據的數據分組從所述源傳感器節點傳輸至所述信宿。
4.如權利要求1-3中任一所述的方法，其中使用處理器的步驟包括 初始化優化等式以及一組約束，以便求解所述優化等式； 執行拉格朗日函數，以使用所述約束鬆弛所述優化等式；以及 求解所述多重路徑的每一路徑中數據分組分配的所述拉格朗日函數。
5.如權利要求4所述的方法，還包括 使用連續二次規劃來求解所述拉格朗日函數。
6.如權利要求1-5任一所述的方法，其中所述優化數據分組的分配包括 確定所述多重路徑中每一路徑內每一傳感器節點的功率消耗； 確定所述多重路徑中每一路徑上數據分組的傳輸與接收所消耗的功率； 確定所述多重路徑中每一路徑內每一躍程的時間延遲； 確定數據分組從所述源傳感器節點傳輸至所述信宿的最大容許時間量； 根據每一路徑上具有最少功率剩餘量的傳感器節點的功率量，確定所述多重路徑的每一路徑的壽命；以及 根據所述多重路徑中每一路徑的所述壽命，確定最穩定的路徑。
7.如權利要求1-6中任一所述的方法，其中優化分配數據分組的步驟包括 求解等式 具備所述約束其中 Z為目標函數； D為要傳輸的總數據量； Kr=Ii^tj &為節點在處理與感測時功率耗損的實際比率(effective rate)(焦耳/秒)； η,·為第j路徑中傳感器節點的數量； tj為路徑用來傳輸數據分組的時間； T J=Qj+1bJ ; τ j為第j路徑中每躍程的每分組的平均延遲(秒/分組/躍程)； Qj為第j路徑中的平均排隊延遲； Bj為第j路徑的位率(單位分組/秒)；Pj = 2* Δ Pj為第j路徑中消耗的功率； tPj為第j路徑中每躍程的每分組的傳輸功率(焦耳/分組/躍程)； Aj為第j路徑上傳輸的數據分組數量； Hj為第j路徑中的躍程數； Pjmin為第j路徑中具有最少剩餘功率量的所述傳感器節點所剩餘功率； τ stab為最大壽命路徑中每躍程的每分組的平均延遲(秒/分組/躍程)；以及 Hstab為最大壽命路徑中的躍程數。
8.一種用於在無線傳感器網絡中路由數據的電腦程式產品，所述電腦程式產品包括 計算機可讀存儲介質，可由處理電路讀取並存儲供所述處理電路執行的、用於執行如權利要求1-7中任一所述的方法的指令。
9.一種無線傳感器網絡，包括 一組傳感器節點，該組傳感器節點的每一傳感器節點都包括傳感器、處理器、存儲器單元、電池以及收發器； 該組傳感器節點的每一傳感器節點都被配置成識別從其本身至所述無線傳感器網絡的信宿的多重路徑，所述多重路徑的每一路徑包括傳感器節點至傳感器節點躍程；以及該組傳感器節點的每一傳感器節點都被配置成通過同時降低(i)所述多重路徑的每一路徑內傳感器節點所消耗的功率，以及(ii)從其本身傳輸所述數據分組至所述信宿的時間，將數據分組優化分配至所述多重路徑的每一路徑。
10.如權利要求9所述的無線傳感器網絡，該組傳感器節點的每一傳感器節點還包括 用於確定從所述源傳感器節點傳輸至所述信宿的數據量是否超過預定限制的裝置，以及如果所述數據量在所述預定限制上或低於所述預定限制，則確定從所述源傳感器節點至所述信宿的單一路徑的裝置；以及 用於通過所述單一路徑將包含所述數據的數據分組從所述源傳感器節點傳輸至所述信宿的裝置。
11.如權利要求9或10所述的無線傳感器網絡，該組傳感器節點的每一傳感器節點還包括多重路徑路由算法，用於找出從其本身至所述信宿的多重路徑；以及優化算法，用於優化儲存為該組傳感器節點中每一傳感器節點的每一存儲器內可執行的代碼的所述數據分組的分配，所述優化算法描述優化等式以及對所述優化等式的約束。
12.如權利要求9-11中任一所述的無線傳感器網絡，該組傳感器節點的每一傳感器節點還包括 用於執行拉格朗日函數，以使用所述約束鬆弛所述優化等式的裝置；以及用於使用連續二次規劃，求解所述 多重路徑的每一路徑中數據分組分配的所述拉格朗日函數的裝置。
13.如權利要求9-12任一所述的無線傳感器網絡，其中該組傳感器節點的每一傳感器節點還包括 用於確定所述多重路徑中每一路徑內每一傳感器節點的功率消耗的裝置； 用於確定所述多重路徑中每一路徑上數據分組的傳輸與接收所消耗的功率的裝置； 用於確定所述多重路徑中每一路徑內每一躍程的時間延遲的裝置； 用於確定數據分組從所述源傳感器節點傳輸至所述信宿的最大容許時間量的裝置；用於根據具有最少功率剩餘量的傳感器節點的功率量，確定所述多重路徑的每一路徑的壽命的裝置；以及 用於根據所述多重路徑中每一路徑的所述壽命，確定最穩定的路徑的裝置。
14.如權利要求9-13中任一所述的無線傳感器網絡，還包括 無線連接至該組傳感器節點中的一個或多個的基站；或 無線連接至該組傳感器節點中的一個或多個的網關節點，所述網關節點可無線或有線連接至所述基站；以及 其中所述基站為通用計算機，並且所述網關節點具有更多的功率存量、更大的傳輸範圍，或比該組傳感器節點中每一傳感器節點更多的功率存量與更大的傳輸範圍。
15.一種存儲在計算機可讀介質上並可裝載到數字計算機的內部存儲器的電腦程式，包括軟體代碼部分，當所述程序在計算機上運行時，所述軟體代碼部分用於執行如權利要求1-7中任一所述的方法。
全文摘要
本發明揭示一種在無線傳感器網絡內路由數據的方法、程序產品以及無線傳感器網絡。所述方法包括(a)由包括多個傳感器節點的無線傳感器網絡的源傳感器節點來檢測時間事件；(b)識別從所述源傳感器節點至所述無線傳感器網絡的信宿的多重路徑，所述多重路徑由傳感器節點至傳感器節點躍程所構成；以及於(b)之後，(c)使用所述源傳感器節點的處理器，利用同時降低(i)所述多重路徑的每一路徑內傳感器節點所消耗的功率以及(ii)從所述源傳感器節點傳輸所述數據分組至所述信宿的時間，將數據分組優化分配至所述多重路徑的每一路徑。
文檔編號H04W40/28GK102860085SQ201180020958
公開日2013年1月2日 申請日期2011年4月20日 優先權日2010年4月27日
發明者A·穆克赫爾吉 申請人:國際商業機器公司