[發(fā)明專利]一種面向原始數(shù)據(jù)采集的多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110775059.8
• 申請日: 2021-07-09
• 公開（公告）號: CN113490250B
• 公開（公告）日: 2022-05-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉麗華;張楊斌;李璇;王懋;吳繼冰;黃宏斌
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學(xué)
• 主分類號: H04W40/02
• 分類號: H04W40/02;H04W84/18
• 代理公司: 長沙大珂知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 43236
• 代理人: 伍志祥

本發(fā)明公開了一種面向原始數(shù)據(jù)采集的多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，包括以下步驟：基站向所有節(jié)點進行廣播，以便所有節(jié)點都找到通往基站的路徑，完成網(wǎng)絡(luò)初始化；基站創(chuàng)建傳輸方案，為每個節(jié)點設(shè)置下一跳節(jié)點，為網(wǎng)絡(luò)建立優(yōu)化的樹結(jié)構(gòu)和簇結(jié)構(gòu)；基站分發(fā)所述傳輸方案到所有節(jié)點，以便每個節(jié)點都知道它何時以及向哪個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)；每個節(jié)點根據(jù)傳輸方案將數(shù)據(jù)在分配給它的時隙發(fā)送到該節(jié)點下一跳節(jié)點；基站根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運行情況，更新傳輸方案。本發(fā)明提出的WSN協(xié)議可從所有節(jié)點收集原始數(shù)據(jù)，并顯著延長WSN的壽命，達到令人滿意的性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種面向原始數(shù)據(jù)采集的多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。

技術(shù)背景

為了從實際應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用，近年來，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)成為非常受歡迎的研究課題。物聯(lián)網(wǎng)的運行必須基于對環(huán)境的感知，其本質(zhì)是數(shù)據(jù)的獲取。隨著諸如計算機視覺的技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)量和質(zhì)量方面的數(shù)據(jù)采集已經(jīng)成為必不可少的需求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種重要的數(shù)據(jù)采集方式，可以有效地支持物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。

一個WSN由一個基站和多個傳感器節(jié)點組成。 傳感器節(jié)點是具有傳感和無線傳輸功能的小型物件。 每個傳感器節(jié)點感測并收集近端環(huán)境信息，對該信息進行處理，然后通過無線信道將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到基站。由所有傳感器節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以監(jiān)視指定區(qū)域，基站收集的數(shù)據(jù)提供給用戶進一步使用。

WSN的突出優(yōu)點是使用方便。因為節(jié)點的尺寸很小，所以非常易于部署，并且可以在不需要通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的情況下將WSN部署在目標區(qū)域中。此外，傳感器節(jié)點的低成本使其非常適合于商業(yè)應(yīng)用。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，它們已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括工業(yè)，農(nóng)業(yè)，海洋監(jiān)測，醫(yī)藥和保健，環(huán)境監(jiān)測等等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要局限性是其壽命受傳感器節(jié)點能量的限制。具有小尺寸傳感器節(jié)點的WSN通常利于網(wǎng)絡(luò)部署，但會限制每個節(jié)點的電池電量。 因此，如何延長WSN的壽命是一個研究熱點。

從路由協(xié)議的角度來看，主要有兩種在不同條件下延長WSN生命周期的方法。在所有傳感器節(jié)點都可以直接與基站通信的情況下，聚簇是一種經(jīng)典的可以延長WSN的壽命的方法，在該方法中，首先將所有節(jié)點根據(jù)不同的標準分為幾簇，然后，在每個簇中選擇一個節(jié)點作為簇頭，以收集整個簇中的數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進行聚合，并將聚合的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站。對于其他節(jié)點，簇頭通常比基站更近，因此簇內(nèi)的通信比較節(jié)能。數(shù)據(jù)聚合可通過減少在無線通道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量來極大地延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。但是，由于簇頭的數(shù)據(jù)聚合作用，不可避免地導(dǎo)致信息損失。例如，簇頭可能會在聚合階段使用最大值、最小值或平均值來表示簇中的所有節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)。在某些傳感器節(jié)點無法直接與基站通信的情況下，例如，山脈可能會阻止節(jié)點與基站之間的直接通信，或者目標區(qū)域太大以至于節(jié)點與基站之間的距離超出了節(jié)點的通信半徑。基于樹結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議可以通過多跳方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集，并通過避免熱點的機制延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。但是，這種方法更多地用于動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，并且對于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)缺乏有效的手段來延長其壽命。

上述傳統(tǒng)方法都是基于網(wǎng)絡(luò)中存在冗余傳感器節(jié)點，并且可以在收集過程中聚合數(shù)據(jù)的假設(shè)。但是，這些假設(shè)實際應(yīng)用中并不一定成立。在實際應(yīng)用中，用戶并不期望在WSN中有冗余節(jié)點，這樣既可以控制成本又方便節(jié)點的部署。這意味著每個傳感器節(jié)點都是關(guān)鍵節(jié)點。在沒有冗余傳感器節(jié)點的情況下，整個網(wǎng)絡(luò)只有在其傳感器都處于活動狀態(tài)時才算作正常工作。因此，網(wǎng)絡(luò)的生存期定義為首先停止工作的節(jié)點的生存期。此外，聚合數(shù)據(jù)可以減少網(wǎng)絡(luò)的能耗，但是包含更多信息的原始數(shù)據(jù)可以為實際應(yīng)用帶來更多好處。例如，計算機視覺技術(shù)需要將圖像數(shù)據(jù)作為輸入，而如果將數(shù)據(jù)聚合應(yīng)用到使用WSN收集圖像數(shù)據(jù)中，則數(shù)據(jù)聚合的結(jié)果將是文本或數(shù)字數(shù)據(jù)，而不是原始的圖像數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容