[发明专利]线型无线传感器网络汇聚方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，主要涉及到线型无线传感器网络中汇聚的实现，具体是一种线型占空比无线传感器网络汇聚方法，用于将线型无线传感器网络中所有传感器节点上收集到的数据高效地传送给数据中心，数据中心也称作基站。

背景技术

无线传感器网络的一项基本功能是将网络中所有传感器节点上采集到的数据信息高效地传送到数据中心，数据中心也称作BS，这种多对一的通信模式称作汇聚。在许多无线传感器网络的应用中，传感器网络要定期地向BS发送信息，或者在收到BS下达汇聚命令后，将BS所需要的信息发送给BS。例如，在监测油气管道泄露，监测高速公路的流量或者事故预警，监测地下隧道(或者坑道)的瓦斯浓度，以及监测一条河流沿线泥土流失情况，以上任意一种应用都希望传感器网络能尽快地将数据信息汇聚到基站。有三个因素影响着汇聚完成时间：第一，一个传感器节点一般只配备一个半双工的收发器，这使得收、发信息不能同时进行；第二，由于传感器共享无线通信信道，当两个或更多个传感器节点向同一个接收节点传输数据，或者节点在接收数据时受到其它传输干扰时，就会出现碰撞，碰撞将导致重传；第三，传感器节点能量非常有限，为了节约传感器的能量延长网络的寿命，传感器节点大部分时间处于休眠状态，只在接收或传输报文时开启无线电。

无线传感器网络的汇聚技术已受到了广泛的关注，并且已经出现了一些汇聚方法。这些汇聚方法主要有两个共同特征：一种是使用分时隙的通信协议，例如基于TDMA协议，时间被划分为固定长度的时隙，报文的一次传输和确认可以在某一个时隙内完成。传感器节点被分配到不同的时隙传输数据，这样可以防止碰撞，也能减少汇聚完成的时间；另一种是基于树的汇聚模式：在汇聚之前建立起以汇聚节点为根节点的汇聚树，每个传感器都沿着汇聚树传输或转发报文。尽管以上技术均提升了汇聚的性能，在最短时间内完成汇聚依然是一个难以解决的问题。对于一些特殊场景，研究人员提出了一些最短时间汇聚的方法。

S.Gandham，Y.Zhang，and Q.Huang，“Distributed time-optimal scheduling for convergecast in wireless sensor networks，Computer Networks，vol.52，no.3，pp.610-629，Feb.2008中提出的技术方案：对于一个线型网络，定义一个节点在某一时隙可能的三种状态：R：节点可以从邻居节点接收；T：节点可以传输；I：节点即不传输也不接收，假设在汇聚之前，每个节点已知它与BS间的跳数，且每个节点仅有1个待发报文，基于此，网络中的每个节点被分配一个初始状态，对任意节点距BS跳数除以3取余，余数为1时初始状态为T，为2时初始状态为I，为0时初始状态为R。在接下来的每个时隙，节点根据R-＞T-＞I-＞R顺序变换状态，节点持续状态转换直到汇聚完成，注意到每个节点处于状态R时，其邻居节点中只有一个处于T状态，根据此方案可以成功完成传输调度，此调度方案可实现最优汇聚，尽管该方案提出的方法可以用最短的时间完成汇聚，但是它只适用于每个传感器只有一个报文传输的情况。

C.Florens and R.McEliece，“Packets distribution algorithms for sensor networks，”in Proc.IEEE INFOCOM，pp.1063-1072，2003中提出的技术方案：对于一个线型无线传感器网络，假设BS被放置于线型网络的一端，每个传感器节点都配备了一个全向天线，且传输距离为r，设任意两个传感器之间的距离为d，满足d＜r＜2d，每个传感器节点有一定数量的报文要发送给BS，为了实现最优汇聚，即利用最短时间完成汇聚，首先将汇聚问题转化为数据分发问题：考虑BS如何用最短的时间给各节点传输相应数量的报文，为了解决最短时间完成分发问题，该方案提出在遵循信道复用受限原则的同时，BS应尽可能快得给距离BS最远的节点发送相应数量的报文，然后向距离它第二远的节点传输相应数量报文，依次类推。在数据分发过程中，中间节点一接到报文就立刻转发。汇聚调度方案的建立则基于和分发操作的对称性：分发问题的调度方案相对于一虚拟水平轴的对称即得到汇聚问题时间调度，利用该时间调度可实现最优汇聚。