專利名稱：低占空比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最小時延的數(shù)據(jù)收集方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種低占空比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最小時延的數(shù)據(jù)收集方法。
背景技術(shù)：
近年來，通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用成為可能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠拓展人們的信息獲取能力，極大地方便人們的信息交流，因此具有十分廣闊的應(yīng)用前景，能應(yīng)用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)等諸多領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量能量有限的微型傳感器節(jié)點(diǎn)(簡稱節(jié)點(diǎn))組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給處理中心(sink節(jié)點(diǎn))即匯聚節(jié)點(diǎn)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)攜帶的電池能量有限，再加上節(jié)點(diǎn)個數(shù)多，分布區(qū)域廣，有些甚至部署在危險區(qū)域，因此傳感器節(jié)點(diǎn)通過更換電池的方式來補(bǔ)充能量是不現(xiàn)實(shí)的。如何設(shè)計(jì)出節(jié)能高效的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來最大化網(wǎng)絡(luò)壽命是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)。睡眠喚醒機(jī)制是一種提高網(wǎng)絡(luò)壽命的有效方法。傳感器節(jié)點(diǎn)通常有兩種低占空比的狀態(tài)喚醒狀態(tài)和睡眠狀態(tài)。在喚醒狀態(tài)下，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠感知周圍物理世界信息，并發(fā)送和接收相關(guān)信息，而在睡眠狀態(tài)下，傳感器節(jié)點(diǎn)將關(guān)閉所有通信和感知模塊，只開啟時鐘功能。低占空比睡眠喚醒機(jī)制主要是采用周期性的喚醒節(jié)點(diǎn)的方式，以減少不必要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和接收，讓傳感器節(jié)點(diǎn)盡可能多的時間處于睡眠狀態(tài)，而不至于影響網(wǎng)絡(luò)的正常通信和功能。由于只有通信雙方都處于喚醒狀態(tài)的時候才能進(jìn)行正常通信，一旦有一方處于睡眠狀態(tài)，則另一方需要等待到下一個周期對方喚醒時才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這就帶來了“睡眠時延”。在低占空比網(wǎng)絡(luò)中，即節(jié)點(diǎn)的喚醒時間與睡眠時間之比很小的時候，端到端數(shù)據(jù)傳輸時延將極度惡化，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時效性大大降低。在突發(fā)事件監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，對數(shù)據(jù)收集的實(shí)時性要求很高，一旦傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到異常的狀況，要保證能以最快的速度將信息發(fā)送到處理中心。因此如何在提高能效的低占空比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計(jì)出時延最優(yōu)的數(shù)據(jù)收集方法是一個很值得研究的問題。由于傳感器節(jié)點(diǎn)被周期性喚醒，因此網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓?fù)潆S時間處于動態(tài)變化中，如何在動態(tài)拓?fù)渲性O(shè)計(jì)一種能夠達(dá)到時延最小的數(shù)據(jù)收集方法具有很大的挑戰(zhàn)。普林斯頓和南加州大學(xué)的學(xué)者共同提出了一種時延最優(yōu)的數(shù)據(jù)收集方法，并結(jié)合了信道分配和功率控制機(jī)制，該方法給出了在單信道和多信道兩種情況下時延最小的鏈路調(diào)度方法，但是該方法沒有考慮傳感器節(jié)點(diǎn)的“睡眠時延”，所使用的網(wǎng)絡(luò)模型中假設(shè)節(jié)點(diǎn)一直處于喚醒狀態(tài)，并且只能在樹狀拓?fù)湎虏拍軐?shí)現(xiàn)該時延最優(yōu)調(diào)度方法。斯坦福大學(xué)的學(xué)者提出了一種基于時分多址接入(Time Division Multiple Access, TDMA)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中權(quán)衡能耗和 時延的數(shù)據(jù)收集方法。該方法是在給定時隙長度的前提下，能夠找到一種時延最小的鏈路調(diào)度策略，但是該方法也沒有考慮傳感器節(jié)點(diǎn)的周期性睡眠機(jī)制，即也沒有考慮到“睡眠時延”對數(shù)據(jù)收集時延帶來的影響。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種低占空比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最小時延的數(shù)據(jù)收集方法，其解決了由于睡眠喚醒機(jī)制帶來的“睡眠時延”過長和數(shù)據(jù)收集時效性下降的問題，能在保證網(wǎng)絡(luò)能效性的前提下，找到一種數(shù)據(jù)收集的路由和鏈路調(diào)度聯(lián)合策略，并能夠有效避免由于數(shù)據(jù)碰撞重傳帶來的時延問題。為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案—種低占空比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最小時延的數(shù)據(jù)收集方法，包括如下步驟
A、根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰和各節(jié)點(diǎn)的喚醒周期π，將動態(tài)變化的邏輯拓?fù)滢D(zhuǎn)化成靜態(tài)的、在時間上延拓的虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)；B、基于虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，將初始虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)拓展時間Λ設(shè)為節(jié)點(diǎn)Ili產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)所需的最小時間中的最大值max丨LfKJ，其中，η為網(wǎng)絡(luò)中的總節(jié)點(diǎn)數(shù)；C、在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中尋找從超級源節(jié)點(diǎn)s到超級sink節(jié)點(diǎn)d之間滿足無沖突要求的最大流；D、判斷所述最大流是否等于源節(jié)點(diǎn)個數(shù)；若判斷結(jié)果為否，則將虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)在時間上繼續(xù)延拓，直到在找出的滿足無沖突要求的最大流等于源節(jié)點(diǎn)個數(shù)為止。特別地，所述步驟A還包括根據(jù)節(jié)點(diǎn)所承擔(dān)任務(wù)的不同，將節(jié)點(diǎn)分為三種葉子節(jié)點(diǎn)、中間節(jié)點(diǎn)和sink節(jié)點(diǎn)，其中，所述葉子節(jié)點(diǎn)只作為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，所述中間節(jié)點(diǎn)既作為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，又接收和轉(zhuǎn)發(fā)來自鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，所述Sink節(jié)點(diǎn)只作為目的節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包。特別地，所述步驟A具體包括Al、對于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰中的每個節(jié)點(diǎn)Iii,在T時間內(nèi)的任意時刻t，處于喚醒狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)映射到虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中在時間上延拓的虛擬喚醒節(jié)點(diǎn)Ni;t ；A2、在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中增加一個超級源節(jié)點(diǎn)s和超級sink節(jié)點(diǎn)d ；A3、當(dāng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰中節(jié)點(diǎn)Iii是葉子節(jié)點(diǎn)，并且到節(jié)點(diǎn)η」存在有向邊時，如果節(jié)點(diǎn)Iii第一次t時刻喚醒，節(jié)點(diǎn)η」在時間t之后的P時刻喚醒，則在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中增加從\t到Ν」，ρ的有向邊；A4、當(dāng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰中節(jié)點(diǎn)Iii是中間節(jié)點(diǎn)，并且到節(jié)點(diǎn)η」存在有向邊時，如果節(jié)點(diǎn)Iii和η」的喚醒時間分別是t和P，并且t和P都在T時間內(nèi)，p>t，則在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中增加從\t到Ν」，ρ的有向邊；A5、當(dāng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰中節(jié)點(diǎn)Iii是sink節(jié)點(diǎn)時，則在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中建立其對應(yīng)的所有虛擬喚醒節(jié)點(diǎn)到超級sink節(jié)點(diǎn)d之間的有向邊；A6、在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中建立從超級源節(jié)點(diǎn)s到所有源節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的第一個虛擬喚醒節(jié)點(diǎn)的有向邊。特別地，所述步驟B中節(jié)點(diǎn)Iii產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)所需的最小時間!^。通過Dijkstra算法獲得。特別地,所述步驟C包括通過Ford-Fulkerson最大流算法找到使數(shù)據(jù)收集時延最小的數(shù)據(jù)包傳輸路徑。本發(fā)明將將動態(tài)變化的邏輯拓?fù)滢D(zhuǎn)化成靜態(tài)的、在時間上延拓的虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，大大降低了數(shù)據(jù)收集算法的復(fù)雜度，而且采用無競爭的TDMA媒體接入機(jī)制，找到時延最小的數(shù)據(jù)收集路徑，并保證在數(shù)據(jù)收集過程不會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。在低占空比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，本發(fā)明提高了數(shù)據(jù)收集的時效性，并保證了整個網(wǎng)絡(luò)的能效性，并且節(jié)點(diǎn)只在喚醒狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，其它時間都進(jìn)入睡眠狀態(tài)，使網(wǎng)絡(luò)壽命最大化。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的低占空比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最小時延的數(shù)據(jù)收集方法流程圖；圖2a為本發(fā)明實(shí)施例提供的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無沖突的限制條件一示意圖；圖2b為本發(fā)明實(shí)施例提供的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無沖突的限制條件二示意圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰和節(jié)點(diǎn)喚醒周期示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的最大流示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的MDCD算法流程圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。請參照圖1所示，圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的低占空比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最小時延的數(shù)據(jù)收集方法流程圖。針對低占空比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用特點(diǎn)，本發(fā)明建立了如下的網(wǎng)絡(luò)模型在低占空比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)具有兩種狀態(tài)喚醒狀態(tài)和睡眠狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)在喚醒狀態(tài)下可以感知周圍物理世界，并接收從鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)包。為了讓數(shù)據(jù)包能夠更加快速地傳輸，節(jié)點(diǎn)可以在任何狀態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送，只要下一跳節(jié)點(diǎn)處于喚醒狀態(tài)。在每個時隙中，每個節(jié)點(diǎn)只能發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，并且網(wǎng)絡(luò)中除了 sink節(jié)點(diǎn)，其它節(jié)點(diǎn)都會在初始時刻產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)收集時延是指所有源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包都到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)所用的時間。在TDMA媒體接入?yún)f(xié)議中，將時間分為很多相同的時隙，如果該時隙節(jié)點(diǎn)處于喚醒狀態(tài)，則用“I”表示，如果處于睡眠狀態(tài)，則用“O”表示。節(jié)點(diǎn)喚醒周期用表示。如果節(jié)點(diǎn)給定的工作機(jī)制是“ η =0100”，表明在第一個工作周期π內(nèi)，節(jié)點(diǎn)在第二個時隙被喚醒，其它時隙都處于睡眠狀態(tài)。本實(shí)施例中低占空比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最小時延的數(shù)據(jù)收集方法包括如下步驟步驟S101、根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰和各節(jié)點(diǎn)的喚醒周期π，將動態(tài)變化的邏輯拓?fù)滢D(zhuǎn)化成靜態(tài)的、在時間上延拓的虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)所承擔(dān)任務(wù)的不同，將節(jié)點(diǎn)分為三種葉子節(jié)點(diǎn)、中間節(jié)點(diǎn)和sink節(jié)點(diǎn)，其中，所述葉子節(jié)點(diǎn)只作為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，所述中間節(jié)點(diǎn)既作為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，又接收和轉(zhuǎn)發(fā)來自鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，所述sink節(jié)點(diǎn)只作為目的節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包。本實(shí)施例中將實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰映射到虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)(Virtual GridNetwork, VGN)的具體過程如下步驟S1011、對于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰中的每個節(jié)點(diǎn)ni;在T時間內(nèi)的任意時刻t，處于喚醒狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)映射到虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中在時間上延拓的虛擬喚醒節(jié)點(diǎn)Ni, t。步驟S1012、在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中增加一個超級源節(jié)點(diǎn)s和超級sink節(jié)點(diǎn)d。步驟S1013、當(dāng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰中節(jié)點(diǎn)Iii是葉子節(jié)點(diǎn)，并且到節(jié)點(diǎn)η」存在有向邊時，如果節(jié)點(diǎn)Ili第一次t時刻喚醒，節(jié)點(diǎn)Ilj在時間t之后的P時刻喚醒，則在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中增加從Ni t到Nj p的有向邊。由于葉子節(jié)點(diǎn)之可能在第一次喚醒時刻有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送，所以不需要考慮其它 喚醒時候到其它節(jié)點(diǎn)的邊。步驟S1014、當(dāng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰中節(jié)點(diǎn)Iii是中間節(jié)點(diǎn)，并且到節(jié)點(diǎn)η」存在有向邊時，如果節(jié)點(diǎn)Ili和Ilj的喚醒時間分別是t和P，并且t和P都在T時間內(nèi)，p>t，則在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中增加從Ni, t到Nj，p的有向邊。步驟S1015、當(dāng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰中節(jié)點(diǎn)Iii是sink節(jié)點(diǎn)時，則在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中建立其對應(yīng)的所有虛擬喚醒節(jié)點(diǎn)到超級sink節(jié)點(diǎn)d之間的有向邊。步驟S1016、在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中建立從超級源節(jié)點(diǎn)s到所有源節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的第一個虛擬喚醒節(jié)點(diǎn)的有向邊。步驟S102、基于虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，將初始虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)拓展時間Λ設(shè)為節(jié)點(diǎn)Iii產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)所需的最小時間2^中的最大值max=1 ，其中，η為網(wǎng)絡(luò)中的總節(jié)點(diǎn)數(shù)。本實(shí)施例中節(jié)點(diǎn)Iii產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)所需的最小時間/ 通過Dijkstra算法獲得。Dijkstra算是一種已知的最短路徑算法，其根據(jù)整個網(wǎng)絡(luò)拓和各鏈路的長度，可以求得最短路徑，在此不再詳細(xì)說明。步驟S103、在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中尋找從超級源節(jié)點(diǎn)s到超級sink節(jié)點(diǎn)d之間滿足無沖突要求的最大流。通過最小時延的數(shù)據(jù)收集路徑算法(Minimum Data CollectionDelayalgorithm,MDCD)在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中尋找從超級源節(jié)點(diǎn)s到超級sink節(jié)點(diǎn)d之間滿足無沖突要求的最大流。MD⑶算法通過Ford-Fulkerson最大流算法找到使數(shù)據(jù)收集時延最小的數(shù)據(jù)包傳輸路徑，并保證在整個數(shù)據(jù)收集過程中通過該算法找出的收集路徑不會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。Ford-Fulkerson最大流算法一種比較容易實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)最大流算法,應(yīng)用較為廣泛，在此不再詳細(xì)說明。下面針對所述數(shù)據(jù)沖突問題進(jìn)行說明。為了保證數(shù)據(jù)傳輸過程中不發(fā)生沖突，需要考慮節(jié)點(diǎn)的半雙工特性，即節(jié)點(diǎn)不能同時進(jìn)行接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包。如圖2a和圖2b所示，這兩種情況在鏈路調(diào)度過程中是不允許出現(xiàn)的，一旦出現(xiàn)將會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。如圖2a所示，節(jié)點(diǎn)j在接收節(jié)點(diǎn)i發(fā)送的數(shù)據(jù)時，節(jié)點(diǎn)j不能發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)m。如圖2b所示，節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3不能同時給節(jié)點(diǎn)I發(fā)送數(shù)據(jù)。因此在考慮尋找虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中的最大流時應(yīng)該將以上兩種沖突情況排除在外。步驟S104、判斷所述最大流是否等于源節(jié)點(diǎn)個數(shù)；若判斷結(jié)果為否，則將虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)在時間上繼續(xù)延拓，直到在找出的滿足無沖突要求的最大流等于源節(jié)點(diǎn)個數(shù)為止。如圖3所示，圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰和節(jié)點(diǎn)喚醒周期示意圖。以圖3所示的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰為例對本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行具體的說明。本實(shí)施例中實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰映射到虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的具體過程如下1、如圖3所示，節(jié)點(diǎn)I的喚醒周期是“1000”，假定數(shù)據(jù)收集的持續(xù)時間是11個時隙，那么節(jié)點(diǎn)I會在第1、5、9三個時隙被喚醒，因此節(jié)點(diǎn)I對應(yīng)虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中的虛擬喚醒節(jié)點(diǎn)為N1,1; \5和N1,9。節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4轉(zhuǎn)換成虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中的虛擬喚醒節(jié)點(diǎn)同理可得。2、如圖3所示，葉子節(jié)點(diǎn)I在其鄰居節(jié)點(diǎn)3喚醒的時候可以將數(shù)據(jù)包發(fā)送給節(jié)點(diǎn)3，因此可以在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中添加有向邊Ν1Λ — N3j2, N1j1 — N3j6和Nm — Ν3,1(ι，如圖4所示。同理可得對于葉子節(jié)點(diǎn)2，同樣也是在其鄰居節(jié)點(diǎn)3處于喚醒狀態(tài)時可以將數(shù)據(jù)包發(fā)送給節(jié)點(diǎn)3，因此可以在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中添加有向邊Ν2，4 — N3j6和Ν2，4 — N3aoo 3、如圖3所示，中間節(jié)點(diǎn)3作為源節(jié)點(diǎn)，其可在鄰居節(jié)點(diǎn)4處于喚醒狀態(tài)時發(fā)送數(shù)據(jù)包給節(jié)點(diǎn)4，因此可以在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中添加有向邊Ν3，2 — N4j3, N3j2 — N4j7和Ν3，2 — N4,no節(jié)點(diǎn)3作為中繼節(jié)點(diǎn)，可以在其處于喚醒狀態(tài)時接收數(shù)據(jù)包，并轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點(diǎn)4。因此可以在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中添加有向邊N3，6 — N4j7, N3j6 — N4jll和N3atl — N4jllo4、如圖4所示,節(jié)點(diǎn)4作為sink節(jié)點(diǎn)，可以在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中添加超級sink節(jié)點(diǎn)d對應(yīng)的虛擬喚醒節(jié)點(diǎn)到超級sink節(jié)點(diǎn)d之間的有向邊，因此可以添加有向邊N43 — d，N4,7 — d和N4ai — d,如圖3所不。5、如圖4所示，建立超級源節(jié)點(diǎn)s到各源節(jié)點(diǎn)第一個喚醒周期內(nèi)對應(yīng)的虛擬喚醒節(jié)點(diǎn)的有向邊，因此可以在VGN中添加有向邊s — Nia, s — N2j4和s — N3j20在執(zhí)行完上述步驟I至5之后，如圖3所示的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰和節(jié)點(diǎn)喚醒周期就轉(zhuǎn)換成靜態(tài)的虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，具體情況，如圖4所示?；谔摂M網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)采用MDCD算法來找到符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無沖突限制的最小時延數(shù)據(jù)收集路徑。在如圖4所示的虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中，尋找從超級源節(jié)點(diǎn)s到超級sink節(jié)點(diǎn)d的最大流，求得在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中使最大流等于源節(jié)點(diǎn)個數(shù)的最小時間拓展。所得到的結(jié)果如圖5所示，最小時延拓展為11個時隙時，從超級源節(jié)點(diǎn)s到超級sink節(jié)點(diǎn)d的最大流剛好等于源節(jié)點(diǎn)個數(shù)3。最大流的流向即為數(shù)據(jù)收集的路徑節(jié)點(diǎn)3在第3個時隙將自身的數(shù)據(jù)包發(fā)給節(jié)點(diǎn)4，節(jié)點(diǎn)2在第6個時隙將自身產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包發(fā)給節(jié)點(diǎn)3，節(jié)點(diǎn)3在第7個時隙將由節(jié)點(diǎn)2產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點(diǎn)4，節(jié)點(diǎn)I在第10個時隙將自身產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包發(fā)給節(jié)點(diǎn)3，節(jié)點(diǎn)3在第11個時隙將由節(jié)點(diǎn)I產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點(diǎn)4。如圖6所示，圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的MDCD算法流程圖。具體過程如下步驟S601、網(wǎng)絡(luò)初始化。網(wǎng)絡(luò)初始化各個節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送hello報文讓sink節(jié)點(diǎn)知道自己的喚醒周期n，將初始虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)拓展時間Λ設(shè)為節(jié)點(diǎn)Iii產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)所需的最小時間中的最大值max=1 {!=}，其中，η為網(wǎng)絡(luò)中的總節(jié)點(diǎn)數(shù)。虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)拓展時間(VGN拓展時間)△即為數(shù)據(jù)收集持續(xù)時間。初始最大流fm設(shè)為O。其
中，& = — O[π步驟S602、將VGN拓展時間更新為k Ji。
步驟S603、判斷在殘留網(wǎng)絡(luò)Gf(A)中是否存在超級源節(jié)點(diǎn)s到超級sink節(jié)點(diǎn)d的增廣路徑P;若判斷結(jié)果為是(Yes)，則執(zhí)行步驟S604，若判斷結(jié)果為是(No)，則執(zhí)行步驟 S608。步驟S604、在增廣路徑P上增加流值f'。步驟S605、判斷流值f'是否滿足數(shù)據(jù)無沖突的限制條件。數(shù)據(jù)無沖突的限制條件可參照圖2a和圖2b。若判斷結(jié)果為是，則執(zhí)行步驟S607，若判斷結(jié)果為否，則執(zhí)行步驟S608。步驟S607、將流更新為f'，將殘留網(wǎng)絡(luò)更新為Gf' (Λ)，然后繼續(xù)執(zhí)行步驟S603。步驟S608、fm更新為(G，s, d, c, Δ )的最大流，最優(yōu)流路徑為P。 步驟S609、判斷fm是否小于η-1。若判斷結(jié)果為是，則執(zhí)行步驟S6010，若判斷結(jié)果為否，則執(zhí)行步驟S6011。步驟S6010、對k執(zhí)行k=k+l運(yùn)算。然后返回執(zhí)行步驟S602。步驟S6011、在第k個節(jié)點(diǎn)喚醒周期內(nèi)找到對應(yīng)時間t最大的虛擬喚醒節(jié)點(diǎn)。步驟S6012、獲得最小數(shù)據(jù)收集時延Tmin等于所述最大的t。本發(fā)明的技術(shù)方案將由于節(jié)點(diǎn)喚醒周期造成的動態(tài)邏輯拓?fù)滢D(zhuǎn)化成靜態(tài)的虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，并基于虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)尋找最小時延無沖突的數(shù)據(jù)收集路徑，其采用無競爭的TDMA媒體接入機(jī)制，提高了數(shù)據(jù)收集的時效性，并保證了整個網(wǎng)絡(luò)的能效性，使網(wǎng)絡(luò)壽命最大化。上述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例及所運(yùn)用技術(shù)原理，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種低占空比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最小時延的數(shù)據(jù)收集方法，其特征在于，包括如下步驟 A、根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰和各節(jié)點(diǎn)的喚醒周期π，將動態(tài)變化的邏輯拓?fù)滢D(zhuǎn)化成靜態(tài)的、在時間上延拓的虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)； B、基于虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，將初始虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)拓展時間△設(shè)為節(jié)點(diǎn)Iii產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)所需的最小時間中的最大值max丨/{!=}，其中，η為網(wǎng)絡(luò)中的總節(jié)點(diǎn)數(shù)； C、在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中尋找從超級源節(jié)點(diǎn)S到超級sink節(jié)點(diǎn)d之間滿足無沖突要求的最大流； D、判斷所述最大流是否等于源節(jié)點(diǎn)個數(shù)；若判斷結(jié)果為否，則將虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)在時間上繼續(xù)延拓，直到在找出的滿足無沖突要求的最大流等于源節(jié)點(diǎn)個數(shù)為止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低占空比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最小時延的數(shù)據(jù)收集方法，其特征在于，所述步驟A還包括 根據(jù)節(jié)點(diǎn)所承擔(dān)任務(wù)的不同，將節(jié)點(diǎn)分為三種葉子節(jié)點(diǎn)、中間節(jié)點(diǎn)和sink節(jié)點(diǎn)，其中，所述葉子節(jié)點(diǎn)只作為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，所述中間節(jié)點(diǎn)既作為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，又接收和轉(zhuǎn)發(fā)來自鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，所述Sink節(jié)點(diǎn)只作為目的節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低占空比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最小時延的數(shù)據(jù)收集方法，其特征在于，所述步驟A具體包括 Al、對于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰中的每個節(jié)點(diǎn)IV在T時間內(nèi)的任意時刻t，處于喚醒狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)映射到虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中在時間上延拓的虛擬喚醒節(jié)點(diǎn)Ni;t ； A2、在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中增加一個超級源節(jié)點(diǎn)s和超級sink節(jié)點(diǎn)d ； A3、當(dāng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰中節(jié)點(diǎn)Iii是葉子節(jié)點(diǎn)，并且到節(jié)點(diǎn)η」存在有向邊時，如果節(jié)點(diǎn)Iii第一次t時刻喚醒，節(jié)點(diǎn)η」在時間t之后的P時刻喚醒，則在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中增加從Ni;t到Ν」，ρ的有向邊； A4、當(dāng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰中節(jié)點(diǎn)Iii是中間節(jié)點(diǎn)，并且到節(jié)點(diǎn)η」存在有向邊時，如果節(jié)點(diǎn)Iii和η」的喚醒時間分別是t和p，并且t和P都在T時間內(nèi)，p>t，則在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中增加從\t到的有向邊； A5、當(dāng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰中節(jié)點(diǎn)Iii是sink節(jié)點(diǎn)時，則在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中建立其對應(yīng)的所有虛擬喚醒節(jié)點(diǎn)到超級sink節(jié)點(diǎn)d之間的有向邊； A6、在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中建立從超級源節(jié)點(diǎn)s到所有源節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的第一個虛擬喚醒節(jié)點(diǎn)的有向邊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低占空比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最小時延的數(shù)據(jù)收集方法，其特征在于，所述步驟B中節(jié)點(diǎn)Iii產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)所需的最小時間通過Dijkstra算法獲得。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低占空比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最小時延的數(shù)據(jù)收集方法，其特征在于，所述步驟C包括通過Ford-Fulkerson最大流算法找到使數(shù)據(jù)收集時延最小的數(shù)據(jù)包傳輸路徑。
全文摘要
本發(fā)明公開一種低占空比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最小時延的數(shù)據(jù)收集方法，其包括如下步驟A、根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)銰和各節(jié)點(diǎn)的喚醒周期π，將動態(tài)變化的邏輯拓?fù)滢D(zhuǎn)化成虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。B、基于虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，將初始虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)拓展時間Δ設(shè)為節(jié)點(diǎn)ni產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)所需的最小時間中的最大值C、在虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中尋找從超級源節(jié)點(diǎn)s到超級sink節(jié)點(diǎn)d之間滿足無沖突要求的最大流。D、判斷所述最大流是否等于源節(jié)點(diǎn)個數(shù)；若判斷結(jié)果為否，則將虛擬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)在時間上繼續(xù)延拓，直到在找出的滿足無沖突要求的最大流等于源節(jié)點(diǎn)個數(shù)為止。本發(fā)明提高了數(shù)據(jù)收集的時效性，并且節(jié)點(diǎn)只在喚醒狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，使網(wǎng)絡(luò)壽命最大化。
文檔編號H04W84/18GK103024859SQ201210505168
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者孫詠梅, 駱淑云, 毛續(xù)飛, 紀(jì)越峰 申請人:無錫清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中心, 北京郵電大學(xué)