[发明专利]基于任务分解的无线传感器网络语义通信路由协议

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络路由技术和数据语义分析技术。

背景技术

路由技术是无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)研究重点和热点，是影响网络性能的一个关键因素。现有路由协议可分为分层式和平面式两大类，LEACH和Direct Diffusion分别是这两类方式的典型代表，许多新提出的路由协议都是在它们的基础上的改进。平面式的路由协议的基本思想是，将网络中的大量节点平等看待，依据某种指标建立源节点到目的节点的多跳路径。根据所依据的指标又可以分为基于网络测度（metric-based）、基于地理位置（geographical-based）和基于数据中心（data-centric）的。分层路由方式的基本思想是，首先依据某种规则对传感器节点分簇，簇内节点与本簇簇头节点通信，簇头直接与sink通信。根据簇的划分层次，可分为单层的分簇机制和多层分簇机制，后者是在前者的基础上发展而来的。根据簇的生成方式，又可分为静态和动态两类。

不同于传统网络，WSN的突出特点是面向应用。汇聚节点Sink关注的是任务的完成，而并不是完成任务的具体数据来自哪个特定的节点。从应用任务的角度来看，传感器节点就是协作地完成不同的子任务，最后合起来完成网络的任务。因此WSN中网络的传输、控制实际为任务的分配、合成以及协调。目前已有研究基于任务分布式计算，结合WSN节点资源受限、大规模密集部署等特点提出了相关的任务分配与调度算法。其中有研究提出了能源有效的任务分配框架，将任务分配问题看成是一个集能量消耗、网络时延和给定约束为一体的代价函数的最优化问题。另有研究提出了带能量限制的任务映射和任务调度算法，以及基于任务的计算代价模型和通信代价模型。还有研究采用有向无环图对WSN的任务进行描述和调度。

上述研究采用的是传统网络端到端数据传输的技术思路，绝大多数算法没有考虑网络的应用内容，而是局限于数据层面的传输和处理。基于任务计算的方法考虑到了任务的应用，但在具体实施上依然是基于数据层面的传输和处理。WSN是面向应用的网络，而节点的传输和处理面向的是数据，虽然应用和数据存在必然的关系，但节点并不了解数据的应用含义，导致了不必要的数据传输和处理开销，降低了网络性能。

本发明对数据进行标记，随后建立应用的本体，从网络所需应用的角度设计了新的路由协议。对比结果显示，本发明可以极大地减少传输的数据，有效地提高网络的能耗和时延性能。

发明内容

本发明的目的是提供WSN中将网络应用直接作为传输和处理单元的路由协议，显著提高能耗和时延性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术路线为：

步骤1数据标记。从三个方面对网络应用及完成网络应用相关的数据采用SensorML语言进行标记。这些数据所体现分别是网络应用、QoS指标和节点状态，具体为：

1.网络应用：应用的空间信息、时间信息、物理量、应用类型；

2.QoS指标：QoS参数、参数度量、服务类型、参数间的关系、参数对QoS的影响、参数的聚合特性；

3.节点状态：节点测量的物理量、物理量的空间属性、物理量的时间属性、物理量的特性、节点能力属性。

步骤2构建本体。通过步骤1进行数据标记得到概念，采用RDF语言来描述概念之间的关系构建网络任务的本体，以此作为网络节点传输和处理的基本单元。在具体编程实施时采用类的方法来实现。

步骤3任务扩散。任务扩散由Sink节点发起，节点向周围节点广播Sink所要完成的网络应用、QoS指标和节点状态，即任务本体，具体为：

1.节点向周围节点广播任务信息和节点信息；

2.收到广播信息的节点记录发送节点状态，并判断是否已经收到过该广播，

a)若是，则丢弃该数据包，不再广播；

b)若不是，则设置节点级别，继续广播。

设置Sink节点的级别为0，Sink节点发起任务扩散后，第一次收到广播信息的节点设置自身级别为发送该广播信息的节点的级别加1。在节点的邻居节点中，定义比节点级别高的节点为节点的上级节点，和节点级别相同的节点为同级节点，比节点级别低的节点为下级节点。

步骤4簇头选择。任务扩散结束后，节点利用已知的上级节点信息选择优先级最高的节点作为簇头节点，考虑如下：

1.能量高的节点优先级高；

2.级别高的节点优先级高。