[發明專利]移動元素與分簇混合的傳感器網絡數據收集方法

在審

• 申請號: 201310694345.7
• 申請日: 2013-12-17
• 公開（公告）號: CN103826251A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發明（設計）人: 張若南;肖佳興
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H04W24/04
• 分類號: H04W24/04;H04W28/08;H04W40/10
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

技術領域

本發明涉及無線傳感器網絡的領域，尤其是一種傳感器網絡數據收集方法。?

背景技術

近年來，隨著微機電系統(micro-electro-mechanism?System，簡稱MEMS)、無線通信、信息網絡與集成電路等技術的迅速發展，新興的無線傳感器網絡(wireless?sensor?networks，簡稱WSN)應運而生。無線傳感器網絡中的傳感器節點一般都具備數據處理和通信能力，并通過無線鏈路或直接或間接地將收集到的信號轉化為數據發送到一個指令中心(BS)，這種協作分布式傳感器網絡的一種自然組織結構，就是在各傳感器節點間以無線多跳方式組成一個自組織網絡，集成了網絡技術、嵌入式技術及傳感器技術的無線傳感器網絡將邏輯上的信息世界與真實的物理世界融合在一起，同時深刻改變了人與自然的交互方式。?

在大多數情況下，傳感器網絡的節點都是由電池供電，電池容量非常有限，并且對于有成千上萬節點的無線傳感器網絡來說，更換電池非常困難，甚至是不可能的，如果網絡中的節點因為能量耗盡而不能工作，會帶來網絡拓撲結果的改變以及路由的重新建立等問題，甚至可能使得網絡分成不連通的部分，造成通信的中斷。因此，在不影響網絡通信的情況下，盡可能的節省無線傳感器網絡節點的有限的能量成為無線傳感器網絡的核心問題。?

無線傳感器網絡的分簇路由問題，將無線傳感器網絡分簇除了可以增加網絡的可擴展性外，還可以帶來很多好處：首先，分簇可以使網絡路由局部化從而減少每個節點內部預存路由表的規模大小；其次，由于限制了簇內節點與簇頭之間的通信范圍，分簇可以節省通信帶寬并且避免了簇間節點冗余數據的交換；更總要的是，分簇能夠從傳感器節點層面穩固網絡拓撲并且減少拓撲維護的開銷。傳感器節點將只需關心他們與他們的簇頭之間的聯系，不受簇內節點拓撲變化的影響。簇頭也能實施最佳的管理策略用以提升網絡的操作性和延長每個節點電池壽命和網絡的壽命。一個簇頭調動簇內節點使其切換到大部分時間低能耗的睡眠模式以減少能量的消耗。簇內節點可以按照循序循環和傳輸和接收的時間可以被固定，避免了節點重傳，限制了冗余覆蓋和阻止了介質訪問碰撞。進一步，每個簇頭能聚合該簇內傳感器節點收集的數據從而減?少中繼的數據包數量。許多分簇路由算法的提出主要都關注于節點的可達性和路由的穩定性而忽略了傳感器網絡關鍵的設計目標，例如：網絡壽命和覆蓋率。?

無線傳感器網絡中移動元素輔助數據收集問題的主要思想是：隨著時間的變化移動元素擔任匯聚節點按路由線路收集途經周圍節點的數據信息，由于移動元素的路由而使網絡能量的消耗更加均勻，從而延長了網絡的壽命。用無人機和無人駕駛車輛擔任移動元素的應用已經相當廣泛，尤其是使用在具有對抗或人無法到達的傳感器部署區域。此外，網絡壽命和數據收集延時，以及在數據收集過程中無人機或無人地面車輛的暴露時間也是設計過程中考慮的關鍵約束條件。通過引入移動元素輔助數據收集數據包使得全網總能量消耗更加均勻，從而顯著延長網絡壽命。但是移動元素的加入會帶來一個新的問題，即延時。最好的延時解決方案是感知節點經實時多跳路由到匯聚節點，然而會遇到匯聚節點周圍的熱點節點網絡壽命有限的問題，從而帶來導致能耗的不均而降低整個網絡的壽命。?

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種無線傳感器網絡中移動元素與分簇混合的傳感器網絡數據收集方法，覆蓋能力強，網絡連通性好，具備較長的能量有效性以及精確的計算結果。?

本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：?

A.構建隨機無線傳感器網絡；?

B.構建一個基于多動態簇頭節點自動更新的并行通信骨干數據傳輸網絡，包括以下步驟：?

(B1)利用移動元素首輪輪詢補充傳感器節點：移動元素進入虛擬小方格內中心位置發出詢問信號，如接收到傳感器節點應答信號，認為虛擬小方格內有傳感器節點；否則，認為虛擬小方格內無傳感器節點，移動元素補充一枚傳感器節點到虛擬小方格的中央；?

(B2)利用CSMA機制選取各虛擬小方格內的工作節點ASN：首先，在第一個時隙△T后，位于同一虛擬小方格內所有的傳感器節點將執行指數退避，其中僅有唯一的傳感器節點最終能夠競爭信道成功從而成功傳輸幀信息數據，該傳感器節點將被選為工作節點；成功傳輸的幀信息數據將被在同一及相鄰的虛擬小方格內的傳感器節點偵聽到，從而在同一虛擬小方格內其它傳感器節點將停止退避并且轉為睡眠模式以節約?能量開銷；?