[发明专利]一种仅对连通支配集中节点增加占空比的数据收集方法

说明书

本发明涉及无线传感器网络中数据收集的方法，具体是一种仅对连通支配集中节点增加占空比进行数据收集的方法。该发明方法首先选择一部分节点构建包含sink的连通支配集，网络中所有的数据都经过连通支配集上的节点路由到sink。连通支配集上的节点(支配节点)采用占空比的模式，并且支配节点的占空比依据节点能量充裕情况而动态调整，由于远sink区域的大部分节点都有能量剩余，从而可以增大其占空比，加快数据收集的速度。而被支配节点不承担数据路由功能，仅在自己有数据需要发送时才进入活跃状态并将数据发送给支配集的节点，而在其它时间睡眠以节省能量。为平衡网络的能耗，本发明的方法对支配节点集进行定期轮换，以保持较高的网络性能。

技术领域

本发明涉及一种数据收集方法，特别是针对于事件稀疏且随机产生的无线传感器网络，本发明提出了一种节能可靠的数据收集策略。

背景技术

在无线传感器网络中，传感器节点的能量消耗主要是由于数据发送操作引起，即主要是由节点无线发射器引起的。在实际情况中，传感器节点并不总是有数据需要传输，特别是在数据产生稀少的网络中，节点可能在很长时间内都没有数据传输操作，而当节点没有操作时关闭其无线发射器，就能够有效的减少其能量消耗。在后面，我们称节点关闭无线发射器的状态为睡眠状态，而节点打开无线发射器的状态为活跃状态。基于这种思想，当前有两种主流的数据收集策略：

(1)Time division multiple access(TDMA)方式是一种有效的能量节省的策略。在这种方式中，时间被划分等长的时间段，每个时间段称为一个时隙，节点在一个时隙内能够完成与其它节点的通信，也就是说节点可以在一个时隙完成一个数据包的发送(或者接收)的操作。TDMA策略一般依据某种优化算法为每个节点安排的合理活跃时隙以完成数据的操作(发送或接收)，而在节点没有数据操作时关闭无线发射器。可见TDMA方案只有在节点有数据操作时才处于活跃状态，而在其它时隙都处于睡眠状态，因而能够达到节省能量目的。TDMA策略的关键在于通过设计优化的算法使得节点处于活跃状态的时间最短，并且从数据开始传输到所有数据都传输到sink所经历的时间尽可能的小。虽然TDMA策略能够有效的节省能量，但是该策略存在着明显的不足，其只能针对数据周期性产生的网络，由于节点数据操作的时隙是事先确定好的，因而在数据产生前就需要计划好节点的活跃时隙。因此，这种策略不适合随机事件(数据)产生的网络。

(2)在事件随机产生的网络中，为节省能量，同时减少数据收集过程中的延迟。基于占空比的模式是最常采用的方式，在这样的模式中，节点周期性的睡眠/唤醒，我们将节点在一个周期内唤醒的时间与整个周期时间的比值称为占空比。节点在睡眠时关闭无线发射器以节省能量，但是传感装置依然感知周围环境与事件，当感知到事件或者数据时，即节点自己有数据传输时立即打开无线装置进行数据传送。当发送节点进行传输数据时(其数据有可能是中继其它节点的数据，也可能是自己产生的数据)，如果其所有转发节点中存在处于活跃状态的节点，就可以建立链接并进行数据传送。若当其所有的转发节点都处于睡眠状态时，发送节点就需要一直保持活跃状态，直到有接收节点醒来后才可以进行数据传送。显然，基于占空比的模式会增加数据路由到达sink的延迟。

基于占空比的无线传感器网络能够大大的减少节点的能量消耗，特别是在产生数据概率较小并且对延迟不敏感的网络中，节点的占空比可以设置的非常小，比如在一个周期内有n个时隙，而节点只选择其中一个时隙作为活跃时隙，而在其它时隙转入睡眠状态。显然，这时节点的能量消耗仅为不采用占空比模式的1/n。虽然节点采用占空比的工作模式能够有效提高能量效率，但是存在如下2个问题：(a)当发送节点有数据需要传送时，如果其转发节点都处于睡眠状态，则会增加网络的传输延迟。显然,节点的占空比越小，其数据传输的延迟越大；(b)在有些应用中为保证监测事件的有效性，必须保持较大的值。但是如果网络所有的节点保持较大的占空比时，其整个网络的能量消耗依然非常大。

发明内容