[發(fā)明專利]一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能數(shù)據(jù)聚合方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910579167.0
• 申請(qǐng)日: 2019-06-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112153670B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬東超;張晨蕾;黃曉甫;馬禮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北方工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W24/02
• 分類號(hào): H04W24/02;H04W24/06;H04W40/24;H04W84/18
• 代理公司: 北京至臻永信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11568
• 代理人: 王正茂;彭曉玲

本發(fā)明提出一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能數(shù)據(jù)聚合方法，包括：節(jié)點(diǎn)通過(guò)低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議完成最初的鄰居發(fā)現(xiàn)和節(jié)點(diǎn)與sink節(jié)點(diǎn)的相對(duì)距離RANK值初始化，由sink節(jié)點(diǎn)將節(jié)點(diǎn)初始化節(jié)點(diǎn)集帶入模型作為算法的輸入；使用優(yōu)化方法循環(huán)求解直到得到函數(shù)最優(yōu)解；得到數(shù)據(jù)流拓?fù)洳汛私Y(jié)果下發(fā)給sink節(jié)點(diǎn)；sink節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)流拓?fù)渫ㄟ^(guò)擴(kuò)展的DODAG信息對(duì)象消息向下游傳播。本發(fā)明的方法在不修改任何數(shù)據(jù)且不引入壓縮計(jì)算負(fù)擔(dān)前提下，調(diào)整拓?fù)浜头峙淞髁?本發(fā)明的模型是基于混合整數(shù)規(guī)劃的組網(wǎng)模型，可有效提高數(shù)據(jù)的聚合度，進(jìn)而降低能耗并提高網(wǎng)絡(luò)壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能數(shù)據(jù)聚合方法。

背景技術(shù)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展中，由于傳感器節(jié)點(diǎn)能量多使用有限的電池供電，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)供電時(shí)間和整個(gè)傳感網(wǎng)的工作壽命一直是網(wǎng)絡(luò)部署者關(guān)注的重要目標(biāo)。延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命從技術(shù)特點(diǎn)方面可分為三大類，分別是節(jié)能、外部能量收集、無(wú)線充電。

近年來(lái)，基于網(wǎng)絡(luò)層研究傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能與流量分配、聚合方面的問(wèn)題比較熱門，但仍然存在對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)性要求較高和網(wǎng)絡(luò)壽命適應(yīng)性不足等問(wèn)題。目前常見(jiàn)的技術(shù)手段多從均勻耗電、優(yōu)化路由、降低流量等方面來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，仍然存在一些局限性。其中空洞避免和節(jié)能路由兩方面的現(xiàn)有技術(shù)無(wú)論從節(jié)點(diǎn)部署、簇頭選舉、休眠調(diào)度亦或是流量分配等哪一個(gè)方面出發(fā)，大多均是以數(shù)據(jù)傳遞的“中間節(jié)點(diǎn)選擇”作為主要優(yōu)化手段，在降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)等方面具有一定優(yōu)化效果。但其并不能從根本上降低總的數(shù)據(jù)通信次數(shù)，因此優(yōu)化效果還有進(jìn)一步提高的空間。

而數(shù)據(jù)聚合則是在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中運(yùn)用緩存與轉(zhuǎn)發(fā)等手段，即讓節(jié)點(diǎn)在全部或部分收齊下層多個(gè)子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后一次性向上游父節(jié)點(diǎn)發(fā)出，可以從根本上降低數(shù)據(jù)收發(fā)次數(shù)，節(jié)能效果比較直接。同時(shí)，以匯聚或壓縮等方式從本質(zhì)上降低了數(shù)據(jù)通信次數(shù)，但仍存在一些的問(wèn)題，如要求全網(wǎng)聚合引入較大延遲進(jìn)而對(duì)于某些緊迫場(chǎng)景的適應(yīng)性不足，信息去重和壓縮等手段對(duì)于數(shù)據(jù)相關(guān)性要求較高也抑制了一定程度的普適性，且可能會(huì)讓節(jié)點(diǎn)在壓縮計(jì)算中耗費(fèi)更多能量。而使用一種在不修改任何數(shù)據(jù)且不引入壓縮計(jì)算負(fù)擔(dān)前提下專注于優(yōu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的優(yōu)化方法來(lái)進(jìn)行調(diào)整拓?fù)浜头峙淞髁拷鉀Q了這一問(wèn)題。

同時(shí)，考慮到傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景的多樣性，對(duì)時(shí)延的要求存在明顯區(qū)別。某些應(yīng)用場(chǎng)景或狀態(tài)相對(duì)較為緊急，對(duì)于數(shù)據(jù)收集的延遲有較高要求。這種情況下，對(duì)于能耗和網(wǎng)絡(luò)壽命的優(yōu)化，不能以犧牲延遲指標(biāo)為代價(jià)。而仍然有較多應(yīng)用場(chǎng)景下，節(jié)點(diǎn)只需要周期性穩(wěn)定采集數(shù)據(jù)即可，即便存在數(shù)秒甚至數(shù)十秒的延遲也無(wú)影響。可以將專注于優(yōu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的網(wǎng)絡(luò)層優(yōu)化方法細(xì)分為局部同步聚合和全網(wǎng)同步聚合兩種。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能數(shù)據(jù)聚合方法，以解決上述問(wèn)題。

本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能數(shù)據(jù)聚合方法，包括：

節(jié)點(diǎn)通過(guò)Routing?Protocol?for?LLN低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議完成最初的鄰居發(fā)現(xiàn)和節(jié)點(diǎn)與sink節(jié)點(diǎn)的相對(duì)距離RANK值初始化，由sink節(jié)點(diǎn)將節(jié)點(diǎn)初始化節(jié)點(diǎn)集帶入模型作為算法的輸入，所述模型表示為：

根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)時(shí)延的要求，模型具體分為了局部同步聚合模型和全局同步聚合模型兩種；

局部同步聚合模型為：

表示節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)不能超過(guò)帶寬上限；

l_ijx_ij≥0表示相鄰節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送的數(shù)據(jù)流量非負(fù)；

是流量平衡方程，左側(cè)表示節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)與收到的數(shù)據(jù)之差，di為節(jié)點(diǎn)自身采集的數(shù)據(jù)流量；

表示節(jié)點(diǎn)i連接不多于1個(gè)父節(jié)點(diǎn)；l_ij表示節(jié)點(diǎn)i是否向節(jié)點(diǎn)j發(fā)送數(shù)據(jù)，如果發(fā)送則l_ij取值1，否則為0，其中i和j是任意兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)；