一種基于數(shù)據(jù)聚合的傳輸調(diào)度時(shí)隙分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度方法，尤其是一種基于數(shù)據(jù)聚合的 傳輸調(diào)度時(shí)隙分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)技術(shù)之一，是物聯(lián)網(wǎng)中信息的獲取渠道，為物 聯(lián)網(wǎng)提供了主動(dòng)感知物理世界的手段。
[0003] 在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度策略直接影響到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和服務(wù)質(zhì) 量。目前，大部分基于數(shù)據(jù)聚合技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度都是采用如下過(guò)程：葉子節(jié)點(diǎn)在其調(diào)度 時(shí)隙將其感知數(shù)據(jù)聚合成一個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送；匯聚節(jié)點(diǎn)將其感知和接收的其它節(jié)點(diǎn)的數(shù) 據(jù)聚合成一個(gè)數(shù)據(jù)包，在其調(diào)度時(shí)隙發(fā)送給其父節(jié)點(diǎn)；Sink節(jié)點(diǎn)將會(huì)接收其一跳子節(jié)點(diǎn)發(fā) 送的數(shù)據(jù)包。大多數(shù)文章研究的都是W降低傳輸能耗與延遲為目標(biāo)的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度問(wèn)題。 對(duì)于面向傳輸能量最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度算法，其目的為使收集全網(wǎng)數(shù)據(jù)所消耗的節(jié)點(diǎn)的數(shù) 據(jù)傳輸能量最?。粚?duì)于面向傳輸延遲最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度算法，其目標(biāo)為使匯聚節(jié)點(diǎn)收集 全網(wǎng)數(shù)據(jù)的延遲最小。
[0004] 近年來(lái)，在無(wú)線傳感網(wǎng)研究領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取方式主要有兩種：一、面向原 始數(shù)據(jù)收集的數(shù)據(jù)獲取方式。如果數(shù)據(jù)完全不相關(guān)，則它們不能被匯聚。傳感網(wǎng)中的中繼 節(jié)點(diǎn)只是對(duì)傳輸路徑中的上一跳鄰居節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，并不對(duì)數(shù)據(jù)包 的感知數(shù)據(jù)部分進(jìn)行處理。因此該種方式我們也常常叫做數(shù)據(jù)收集。二、面向數(shù)據(jù)聚合技 術(shù)的數(shù)據(jù)獲取方式。如果多個(gè)數(shù)據(jù)完全相關(guān)，則它們可W被匯聚為一個(gè)數(shù)據(jù)。在無(wú)線傳感 網(wǎng)數(shù)據(jù)聚合過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)在收到傳輸路徑中的上一跳鄰居節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包 后，并不是立即對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，而是對(duì)收集到的上游節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)與自己感知 到的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合計(jì)算操作，然后把聚合計(jì)算得到結(jié)果封裝到一個(gè)數(shù)據(jù)包中，再進(jìn)行數(shù)據(jù) 包的轉(zhuǎn)發(fā)。被匯聚的數(shù)據(jù)數(shù)量越多，節(jié)點(diǎn)需要通信的數(shù)據(jù)量越少，反之亦然。由于通信是節(jié) 點(diǎn)最重要的能耗因素，因此數(shù)據(jù)聚合能夠有效地減少網(wǎng)絡(luò)中所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，降低數(shù)據(jù) 傳輸能耗。數(shù)據(jù)聚合技術(shù)由于其在數(shù)據(jù)傳輸能量效率方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，因而得到了廣泛 的關(guān)注。
[0005] 綜上所述，在數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度中無(wú)論是采用數(shù)據(jù)聚合（N個(gè)節(jié)點(diǎn)聚合成1個(gè)數(shù)據(jù)包） 還是采用數(shù)據(jù)收集（N個(gè)節(jié)點(diǎn)聚合成N個(gè)數(shù)據(jù)包），該兩種方式都是理想的一種狀態(tài)，在實(shí)際 應(yīng)用中，大多數(shù)情況是做不到的。聚合后的數(shù)據(jù)包都只考慮了邊界值1或N，而沒(méi)有考慮N 個(gè)節(jié)點(diǎn)聚合成m個(gè)數(shù)據(jù)包，即1-N之間的情況。
[0006] 因此急需提出一種能解決N個(gè)節(jié)點(diǎn)可W聚合成[l，n]之間個(gè)數(shù)的數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)傳 輸調(diào)度方法，也是更合乎實(shí)際情況的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供一種基于數(shù)據(jù)聚合的傳輸調(diào)度時(shí)隙分配方法，能保持了較好的性能， 且更適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際，適合于依據(jù)不同聚合率的數(shù)據(jù)聚合傳輸。
[000引為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0009] 一種基于數(shù)據(jù)聚合的傳輸調(diào)度時(shí)隙分配方法，包括如下步驟：
[0010] 步驟一、為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)構(gòu)建聚合集合；根據(jù)聚合率r，r，rGR&rG(0, 1)，根據(jù) 公式eA/',,,li用TX"z= 1計(jì)算出節(jié)點(diǎn)聚合數(shù)m的值，取m個(gè)節(jié)點(diǎn)盡量湊成整數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)包 進(jìn)行聚合；
[0011] 步驟二、調(diào)度時(shí)隙分配；從最后一層到第一層，依次考慮每一層的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，若 該節(jié)點(diǎn)尚未分配時(shí)隙，則找到該節(jié)點(diǎn)所在的聚合集合，并為該聚合集合內(nèi)所有的節(jié)點(diǎn)分配 盡早開(kāi)始的時(shí)隙。接著再考慮本層的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果節(jié)點(diǎn)有孩子節(jié)點(diǎn)，根據(jù)該節(jié)點(diǎn)和其 孩子節(jié)點(diǎn)是否在同一個(gè)聚合集合中來(lái)給該節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙轉(zhuǎn)發(fā)其孩子節(jié)點(diǎn)最終的聚合結(jié)果。
[0012] 優(yōu)選地，步驟一中，聚合方式具體為；按照拓?fù)錁浣Y(jié)構(gòu)從下往上的順序，依次考 慮每一層的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)不在任何聚合集合中，則把它加入一個(gè)聚合集合 中.計(jì)算該個(gè)聚合集合包含的節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)L如果L小于m，且父親節(jié)點(diǎn)不為sink,則把該 個(gè)節(jié)點(diǎn)的父親節(jié)點(diǎn)加進(jìn)該個(gè)聚合集合；又計(jì)算該個(gè)聚合集合包含的節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)L如果L小 于m，把該個(gè)節(jié)點(diǎn)的兄弟節(jié)點(diǎn)加進(jìn)該個(gè)聚合集合；再次計(jì)算該個(gè)聚合集合包含的節(jié)點(diǎn)的個(gè) 數(shù)以如果L仍然小于m，設(shè)置該個(gè)節(jié)點(diǎn)的父親節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)；重復(fù)上述過(guò)程直到L和m相 等，或者節(jié)點(diǎn)的父親節(jié)點(diǎn)為sink,或者節(jié)點(diǎn)的父親節(jié)點(diǎn)已經(jīng)存在于某個(gè)聚合集合中。
[0013] 優(yōu)選地，步驟二中，非匯聚節(jié)點(diǎn)分配其子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)+1個(gè)時(shí)隙，匯聚節(jié)點(diǎn)分配一個(gè) 時(shí)隙用來(lái)聚合所有的子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，集合內(nèi)的中繼節(jié)點(diǎn)不聚合，而是轉(zhuǎn)發(fā)同一集合內(nèi)子節(jié) 點(diǎn)的數(shù)據(jù)。所W充分利用了遠(yuǎn)sink區(qū)域的能量，增加了網(wǎng)絡(luò)的能量利用率。然而近sink 區(qū)域的第一層節(jié)點(diǎn)因?yàn)槎际蔷酆瞎?jié)點(diǎn)，所W在該個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)因?yàn)榫酆隙柁D(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量 大大減少，增加了網(wǎng)絡(luò)壽命。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明解決了傳統(tǒng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)聚合形式單一的情 況，并且時(shí)隙有效利用率更大，網(wǎng)絡(luò)壽命更長(zhǎng)，sink的數(shù)據(jù)接收量更大，網(wǎng)絡(luò)的能量利用率 更高，在很多工業(yè)、農(nóng)業(yè)等實(shí)際問(wèn)題上具有一定的指導(dǎo)意義。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為本發(fā)明所述方法的流程圖；
[0016] 圖2為給節(jié)點(diǎn)構(gòu)造聚合集合的流程圖；
[0017] 圖3為給節(jié)點(diǎn)分配調(diào)度時(shí)隙的流程圖；
[0018] 圖4為一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖及實(shí)例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0020] 如圖1至圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種數(shù)據(jù)聚合傳輸調(diào)度時(shí)隙分配方法，其 目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中聚合后的數(shù)據(jù)包為1或N的兩種單一的理想情況，該方法包括W 下步驟。
[0021] 步驟1 ;構(gòu)建聚合樹101 ;
[0022] 在一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，隨機(jī)部署n個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，利用BFS算法生成n個(gè) 節(jié)點(diǎn)到基站的聚合樹。再利用最小跳數(shù)路由算法使每個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得到達(dá)基站的跳數(shù)，基站的 層次為0,距離基站跳數(shù)為k的所有節(jié)點(diǎn)都組成第k層。
[002引步驟2 ;建立數(shù)據(jù)聚合模型102 ;
[0024] Sink節(jié)點(diǎn)匯聚的數(shù)據(jù)來(lái)自于其一跳子節(jié)點(diǎn)，而一跳子節(jié)點(diǎn)聚合自身節(jié)點(diǎn)信息和其 它節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的信息后發(fā)送給Sink節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)的聚合是由葉子節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)，然后逐跳匯 聚到Sink節(jié)點(diǎn)。
[0025] 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該有針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)匯聚的情況適當(dāng)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的協(xié)作方式W保存能量的 能力。由于并不是所有數(shù)據(jù)均能夠被匯聚或多次匯聚，因此本發(fā)明針對(duì)該種情況給出數(shù)據(jù) 聚合模型，如式（1) (2) (3)所示。
[0026] 數(shù)據(jù)聚合只在原始數(shù)據(jù)包中進(jìn)行，而聚合后的數(shù)據(jù)則不再重復(fù)聚合，該樣通過(guò)一 定的聚合既減少了通信的數(shù)據(jù)信息量，保證了網(wǎng)絡(luò)能量，又不至于過(guò)多重復(fù)的聚合導(dǎo)致數(shù) 據(jù)的失真。同時(shí)增加了非hotspots區(qū)域的非聚合節(jié)點(diǎn)，其數(shù)據(jù)傳輸所需的數(shù)量不僅不比近 Sink少，反而比近Sink區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸所需的數(shù)量大，充分利用了遠(yuǎn)Sink區(qū)域節(jié)點(diǎn)的剩余 能量，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量利用率提高。在我們給出的聚合模型中，0i表示節(jié)點(diǎn)i的原始數(shù) 據(jù)包，口表示節(jié)點(diǎn)i從節(jié)點(diǎn)j接收到的數(shù)據(jù)包，4康示節(jié)點(diǎn)i聚合自身的節(jié)點(diǎn)與接收到的 子節(jié)點(diǎn)的信息的最終的聚合結(jié)果。我們假設(shè)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在一個(gè)調(diào)度周期只感應(yīng)一個(gè)數(shù) 據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包都有相同大小的尺寸，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要發(fā)送自身感應(yīng)的數(shù)據(jù)。
[0027] 當(dāng)節(jié)點(diǎn)i從節(jié)點(diǎn)j接收數(shù)據(jù)口,，，如果節(jié)點(diǎn)i的數(shù)據(jù)是〇1，來(lái)自于節(jié)點(diǎn)j的數(shù)據(jù) 是口W= ?也就是說(shuō)節(jié)點(diǎn)i接收的數(shù)據(jù)是原始數(shù)據(jù)，則聚合公式如下式：
[002引 和=口，xY+(p,.產(chǎn)Y (1)
[0029] 如果節(jié)點(diǎn)i的數(shù)據(jù)是0 1，來(lái)自于節(jié)點(diǎn)j的數(shù)據(jù)是口,，=武，也就是說(shuō)節(jié)點(diǎn)i接收的 數(shù)據(jù)不是原始數(shù)據(jù)，則聚合公式如下式：
[0030] A=Xr口）
[0031] W上討論的節(jié)點(diǎn)i都不是葉子節(jié)點(diǎn).如果節(jié)點(diǎn)i是葉子節(jié)點(diǎn)，則聚合公式如下 式：
[003引（J)i= 0i 0)
[003引步驟3 ;構(gòu)建各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)聚合集合103 ;
[0034] 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取方式主要有兩種：
[0035] 一、面向原始數(shù)據(jù)收集的數(shù)據(jù)獲取方式。即n個(gè)節(jié)點(diǎn)聚合成1個(gè)數(shù)據(jù)包。
[0036]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于數(shù)據(jù)聚合的傳輸調(diào)度時(shí)隙分配方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟一、為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)構(gòu)建聚合集合：根據(jù)聚合率r，r，reR&re(0, 1)，根據(jù)公式
計(jì)算出節(jié)點(diǎn)聚合數(shù)m的值，取m個(gè)節(jié)點(diǎn)盡量湊成整數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行 聚合； 步驟二、調(diào)度時(shí)隙分配：從最后一層到第一層，依次考慮每一層的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，若該節(jié) 點(diǎn)尚未分配時(shí)隙，則找到該節(jié)點(diǎn)所在的聚合集合，并為該聚合集合內(nèi)所有的節(jié)點(diǎn)分配盡早 開(kāi)始的時(shí)隙，接著再考慮本層的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果節(jié)點(diǎn)有孩子節(jié)點(diǎn)，根據(jù)該節(jié)點(diǎn)和其孩子 節(jié)點(diǎn)是否在同一個(gè)聚合集合中來(lái)給該節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙轉(zhuǎn)發(fā)其孩子節(jié)點(diǎn)最終的聚合結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)聚合的傳輸調(diào)度時(shí)隙分配方法，其特征在于，步驟 一中，聚合方式具體為：按照拓?fù)錁浣Y(jié)構(gòu)從下往上的順序，依次考慮每一層的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)， 如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)不在任何聚合集合中，則把它加入一個(gè)聚合集合中，計(jì)算這個(gè)聚合集合包含 的節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)L,如果L小于m，且父親節(jié)點(diǎn)不為sink，則把這個(gè)節(jié)點(diǎn)的父親節(jié)點(diǎn)加進(jìn)這個(gè) 聚合集合；又計(jì)算這個(gè)聚合集合包含的節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)L，如果L小于m，把這個(gè)節(jié)點(diǎn)的兄弟節(jié) 點(diǎn)加進(jìn)這個(gè)聚合集合；再次計(jì)算這個(gè)聚合集合包含的節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)L，如果L仍然小于m，設(shè) 置這個(gè)節(jié)點(diǎn)的父親節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)；重復(fù)上述過(guò)程直到L和m相等，或者節(jié)點(diǎn)的父親節(jié)點(diǎn) 為sink,或者節(jié)點(diǎn)的父親節(jié)點(diǎn)已經(jīng)存在于某個(gè)聚合集合中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)聚合的傳輸調(diào)度時(shí)隙分配方法，其特征在于，步驟 二中，非匯聚節(jié)點(diǎn)分配其分配孩子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)+1個(gè)時(shí)隙用以轉(zhuǎn)發(fā)自身和孩子節(jié)點(diǎn)的原始數(shù) 據(jù)，匯聚節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)時(shí)隙用來(lái)聚合所有的子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，集合內(nèi)的中繼節(jié)點(diǎn)不聚合，而是 轉(zhuǎn)發(fā)同一集合內(nèi)子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，所以充分利用了遠(yuǎn)sink區(qū)域的能量，增加了網(wǎng)絡(luò)的能量利 用率，然而近sink區(qū)域的第一層節(jié)點(diǎn)因?yàn)槎际蔷酆瞎?jié)點(diǎn)，所以在這個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)因?yàn)榫酆?而需轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量大大減少，增加了網(wǎng)絡(luò)壽命。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于數(shù)據(jù)聚合的傳輸調(diào)度時(shí)隙分配方法，包括如下步驟：步驟一、為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)構(gòu)建聚合集合：根據(jù)聚合率r，r,r∈R&r∈(0,1)，根據(jù)公式計(jì)算出節(jié)點(diǎn)聚合數(shù)m的值，取m個(gè)節(jié)點(diǎn)盡量湊成整數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行聚合；步驟二、調(diào)度時(shí)隙分配：從最后一層到第一層，依次考慮每一層的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，若該節(jié)點(diǎn)尚未分配時(shí)隙，則找到該節(jié)點(diǎn)所在的聚合集合，并為該聚合集合內(nèi)所有的節(jié)點(diǎn)分配盡早開(kāi)始的時(shí)隙。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)聚合形式單一的情況，并且時(shí)隙有效利用率更大，網(wǎng)絡(luò)壽命更長(zhǎng)，sink的數(shù)據(jù)接收量更大，網(wǎng)絡(luò)的能量利用率更高，在很多工業(yè)、農(nóng)業(yè)等實(shí)際問(wèn)題上具有一定的指導(dǎo)意義。
【IPC分類】H04W84-18, H04W72-04
【公開(kāi)號(hào)】CN104717752
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510097869
【發(fā)明人】龍軍, 張金煥, 何岸, 張昊
【申請(qǐng)人】中南大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月17日
【申請(qǐng)日】2015年3月5日