基于多重数据收集二叉树的无线传感网数据收集方法技术

本发明专利技术提供一种基于多重二叉树的无线传感网数据收集方法，在随机部署的无线传感网中，首先将网络中最为接近的若干节点组织成一个区域，并在每个区域中择优选取节点，分别构建到达基站的多个备选数据收集二叉树，较好地适应了网络的动态变化，增强了数据收集的鲁棒性；随后，本发明专利技术实现了基于节点数的时间片轮转数据收集机制，有效降低了数据收集过程中的冲突发生率，提升了数据收集效率；最后，本发明专利技术同时还采用了周期性重构数据收集树的策略，有效提升了网络的适应性。

【技术实现步骤摘要】
基于多重数据收集二叉树的无线传感网数据收集方法
本专利技术涉及一种无线传感网高效的树状数据收集方法，属于计算机网络与无线通信技术的交叉领域。
技术介绍
在科学技术飞速发展的今天，具有智能感知、自主组网、多跳传输能力的无线传感网(WirelessSensorNetworks，WSN)技术，逐渐成为国内外科技界研究的热点。作为计算机技术、无线通信技术、嵌入式设计技术、微电子技术等多学科的交叉技术，无线传感网技术不仅拓展了人们获取信息的能力和手段，更为重要的是，它将客观世界的物理信息同传输网络紧密连接在了一起，为人们的生产生活提供了极为丰富的有益信息，大大提升了人们的生活质量和工作效率。另一方面，随着大数据理论和技术的发展，“数据收集”问题逐渐引起了人们的重视。如何利用现有的各类感知设备，高效率、高可靠、绿色节能地收集海量的、多样化的感知数据，正在称为制约无线传感网技术发展和应用最为关键和核心的技术之一。然而，当前无线传感网面临着网络不稳定、拓扑结构易变化、节点位置信息缺乏、通信质量差、节点能耗较高等问题。这些问题直接或间接地导致了网络整体数据收集效率的低下，并造成了诸如数据完整性缺失、数据丢包率居高不下、数据收集路径鲁棒性较差及数据收集结构无法适应网络的动态变化等问题，严重影响了基于数据内容的信息提取和决策。众所周知，无线传感网已经并将继续拥有广阔的应用场景，在军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、智能家居、智能电网等众多领域，有足够的用武之地。而上述应用场景和应用领域中，需要考虑的首要问题，无一例外，都将是数据收集问题。因此，本专利技术对于无线传感网应用的有效开展，具有十分积极的意义。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术提出一种基于多重二叉树的无线传感网数据收集方法，将簇状区域划分方法与树状路径传输方法相结合，构造多棵备选数据收集二叉树，并在此基础上，实现基于数据收集量的时间片轮转数据收集方法。该专利技术通过多重数据收集二叉树的构建，可提升网络的健壮性，降低数据包丢包率，同时，也能够较好地适应网络的动态变化，如节点的失效、节点的加入等，实现高效数据收集。该种基于多重二叉树的无线传感网数据收集方法，在随机部署的无线传感网中，首先将网络中最为接近的若干节点组织成一个区域，并在每个区域中择优选取节点，分别构建到达基站的多个备选数据收集二叉树，较好地适应了网络的动态变化，增强了数据收集的鲁棒性；随后，本专利技术实现了基于节点数的时间片轮转数据收集机制，有效降低了数据收集过程中的冲突发生率，提升了数据收集效率；最后，本专利技术同时还采用了周期性重构数据收集树的策略，有效提升了网络的适应性。本专利技术的技术解决方案是：一种基于多重数据收集二叉树的无线传感网数据收集方法，利用随机部署的无线传感网节点，通过最近邻居节点探寻、网络区域建立、节点自定位、多重数据收集二叉树建立，形成多个备选的数据收集路径结构，并在此基础上，利用基于节点数的时间片轮转策略和面向网络动态变化的数据收集树重构，实现无线传感网络的数据收集。进一步地，具体为：步骤1：在矩形平面网络中，部署n个无线传感网节点，其中，含有存在若干个已知其自身位置信息的信标节点，基站位于网络外围边缘处；步骤2：网络中的各节点，以广播的方式，找寻距离自己最近的邻居节点，并分布式地构建网络区域；步骤3：网络中的所有非孤立的非信标节点自组织地完成自身位置信息的确定工作；步骤4：从基站开始，建立第一棵备选数据收集二叉树；步骤5：从基站开始，建立第二棵备选数据收集二叉树；步骤6：根据步骤4和步骤5中的具体规则，从基站开始，继续建立第三棵、第四棵……直至第k棵备选数据收集二叉树，k的值可根据网络规模和网络数据传输量决定；步骤7：基站根据其所建立的k棵备选数据收集二叉树的结构情况，选择一棵节点数最多的树，作为“数据收集树”；若符合条件的备选数据收集树有多棵，则选择树中节点平均传输距离最短的一棵，作为“数据收集树”；步骤8：利用步骤7中被选中的“数据收集树”，开始基于时间片轮转的数据收集过程；步骤9：当步骤7和步骤8中被选择的数据收集树中的节点因能耗过大而造成数据收集树断连时，将向基站进行通告，由基站从其它尚未被选中的备选数据收集树中，按照步骤7的规则，选择一棵，作为新的数据收集树，并按照步骤8的规则，重新建立时间片轮转的数据收集策略；同时，原数据收集树作废；步骤10：在网络运行了γ个周期或当网络中出现了新节点后，由基站发起重构“备选数据收集二叉树”的命令，并转步骤4，开始新一轮数据收集二叉树的构建。进一步地，步骤2中网络区域的构建为：步骤2-1：网络中的各节点以其在收发状态下的最小功率Pmin，分布式地广播包含自身ID号的数据包；同时，开启其内部计时器，定义计时器阈值为T；步骤2-2：在T时间内，若当前节点收到了一个及以上不同ID号的节点发来的数据包，则根据其到来时的信号强度大小，选择信号强度最大的一个节点为其“最近邻居点”，转步骤2-3；若信号强度最大的邻居节点不止一个，则当前节点选择最先到达的数据包的ID号为其“最近邻居点”，转步骤2-3；若在T时间内，当前节点没有收到任何数据包，则转步骤2-4；步骤2-3：当前节点向其“最近邻居点”发送一个确认包，并将该“最近邻居节点”ID号置入其缓存中，转步骤2-6；步骤2-4：若当前节点的发送功率P小于该节点所允许的最大发送功率Pmax，则当前节点增大其发送功率P后，重新广播包含其自身ID号的数据包，同时，再次开启其内部计时器，并设其阈值为T，转步骤2-2；否则，转步骤2-5；步骤2-5：当前节点无法连通网络中的其它任何节点，此时，将当前节点标记为孤立节点；孤立节点将不再参与网络后续运行；步骤2-6：收到确认包的节点将发来确认包的源节点的ID号置入其缓存中，同时，在网络中的所有非孤立节点与其“最近邻居节点”间，建立可达链路；此时，网络将形成多个簇状拓扑结构，将每个簇状拓扑定义为一个区域。进一步地，步骤3具体为：步骤3-1：网络中的所有非孤立的信标节点，以其最大发送功率Pmax广播包含其ID号和其坐标信息的数据包；同时，网络中的所有非孤立的非信标节点将其自身设置为接收状态，以接收非孤立的信标节点的广播包；步骤3-2：若非孤立的非信标节点，收到3个或3个以上不同ID号的信标节点发送的广播包，则利用极大似然估计法，估算自身的坐标值，并转步骤3-3；否则转步骤3-4；步骤3-3：对于已经完成坐标值估算的非信标节点，若参与其坐标值估算的信标节点数大于5，或该非信标节点所估算出的坐标值与参与其坐标估算的所有信标节点所形成的多边形的质心的坐标值误差小于某一阈值时，则认为该非信标节点所估算出的坐标值可信，将该非信标节点标记为“可信节点”；同时，以其最大发送功率Pmax广播包含其ID号和其坐标信息的数据包；步骤3-4：若非孤立的非信标节点虽未能收到3个或3个以上不同ID号的信标节点发送的广播包，但却能够收到3个或3个以上信标节点加“可信节点”的广播包，则其仍可利用极大似然估计法，估算出自身的坐标值；否则，认为该节点无法完成对其自身坐标值的估算；步骤3-5：将网络中所有非孤立的信标节点和最终完成坐标值估计的非信标节点标记为“数据收集点”，以便其参与后续的多重本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多重数据收集二叉树的无线传感网数据收集方法，其特征在于：利用随机部署的无线传感网节点，通过最近邻居节点探寻、网络区域建立、节点自定位、多重数据收集二叉树建立，形成多个备选的数据收集路径结构，并在此基础上，利用基于节点数的时间片轮转策略和面向网络动态变化的数据收集树重构，实现无线传感网络的数据收集。

【技术特征摘要】
1.一种基于多重数据收集二叉树的无线传感网数据收集方法，其特征在于：利用随机部署的无线传感网节点，通过最近邻居节点探寻、网络区域建立、节点自定位、多重数据收集二叉树建立，形成多个备选的数据收集路径结构，并在此基础上，利用基于节点数的时间片轮转策略和面向网络动态变化的数据收集树重构，实现无线传感网络的数据收集，具体为：步骤1：在矩形平面网络中，部署n个无线传感网节点，其中，含有存在若干个已知其自身位置信息的信标节点，基站位于网络外围边缘处；步骤2：网络中的各节点，以广播的方式，找寻距离自己最近的邻居节点，并分布式地构建网络区域；步骤2中网络区域的构建为：步骤2-1：网络中的各节点以其在收发状态下的最小功率Pmin，分布式地广播包含自身ID号的数据包；同时，开启其内部计时器，定义计时器阈值为T；步骤2-2：在T时间内，若当前节点收到了一个及以上不同ID号的节点发来的数据包，则根据其到来时的信号强度大小，选择信号强度最大的一个节点为其“最近邻居节点”，转步骤2-3；若信号强度最大的邻居节点不止一个，则当前节点选择最先到达的数据包的ID号为其“最近邻居节点”，转步骤2-3；若在T时间内，当前节点没有收到任何数据包，则转步骤2-4；步骤2-3：当前节点向其“最近邻居节点”发送一个确认包，并将该“最近邻居节点”ID号置入其缓存中，转步骤2-6；步骤2-4：若当前节点的发送功率P小于该节点所允许的最大发送功率Pmax，则当前节点增大其发送功率P后，重新广播包含其自身ID号的数据包，同时，再次开启其内部计时器，并设其阈值为T，转步骤2-2；否则，转步骤2-5；步骤2-5：当前节点无法连通网络中的其它任何节点，此时，将当前节点标记为孤立节点；孤立节点将不再参与网络后续运行；步骤2-6：收到确认包的节点将发来确认包的源节点的ID号置入其缓存中，同时，在网络中的所有非孤立节点与其“最近邻居节点”间，建立可达链路；此时，网络将形成多个簇状拓扑结构，将每个簇状拓扑定义为一个区域；步骤3：网络中的所有非孤立的非信标节点自组织地完成自身位置信息的确定工作；步骤3具体为：步骤3-1：网络中的所有非孤立的信标节点，以其最大发送功率Pmax广播包含其ID号和其坐标信息的数据包；同时，网络中的所有非孤立的非信标节点将其自身设置为接收状态，以接收非孤立的信标节点的广播包；步骤3-2：若非孤立的非信标节点，收到3个或3个以上不同ID号的信标节点发送的广播包，则利用极大似然估计法，估算自身的坐标值，并转步骤3-3；否则转步骤3-4；步骤3-3：对于已经完成坐标值估算的非信标节点，若参与其坐标值估算的信标节点数大于5，或该非信标节点所估算出的坐标值与参与其坐标估算的所有信标节点所形成的多边形的质心的坐标值误差小于某一阈值时，则认为该非信标节点所估算出的坐标值可信，将该非信标节点标记为“可信节点”；同时，以其最大发送功率Pmax广播包含其ID号和其坐标信息的数据包；步骤3-4：若非孤立的非信标节点虽未能收到3个或3个以上不同ID号的信标节点发送的广播包，但却能够收到3个或3个以上信标节点加“可信节点”的广播包，则其仍利用极大似然估计法，估算出自身的坐标值；否则，认为该节点无法完成对其自身坐标值的估算；步骤3-5：将网络中所有非孤立的信标节点和最终完成坐标值估计的非信标节点标记为“数据收集点”，以便其参与后续的多重数据融合树的构建；最终无法完成坐标值估计的非孤立节点，将仅在后续步骤中参与数据传输，不参与多重数据融合树的构建；步骤3-6：网络中所有的“数据收集点”将自身的坐标信息，以多跳传递的方式，反馈给基站；步骤4：从基站开始，建立第一棵备选数据收集二叉树；步骤4具体为：步骤4-1：基站根据其所掌控的网络内所有“数据收集点”的坐标情况，选择平均距离与自身最近的一个区域，作为将要建立的备选数据收集二叉树的第一层区域；步骤4-2：基站在步骤4-1所选择的区域中，选择一个距离自身最近的“数据收集点”，作为基站的直接子节点，并将其标记为第一棵备选数据收集二叉树的根节点，同时，基站同该节点建立点到点的连接；步骤4-3：第一棵备选数据收集二叉树的根节点进行广播探寻，利用各节点的自身坐标，计算并找寻出距离其自身最近的两个区域；同时，根节点分别在这两个区域中，各找寻一个距离其自身最近的“数据收集点”，并分别作为其左孩子和右孩子，建立到达它们的连接；步骤4-4：左右两个孩子节点分别进行广播探寻，利用各节点的自身坐标，计算并找寻出距离各自最近的两个区域，且这些区域还需满足以下条件，即任何一个区域中的数据收集点距离基站的平均距离，均大于等于当前节点所在区域中的所有数据收集点到达基站...

【专利技术属性】
技术研发人员：沙超，沈天呈，宋燕琪，李静，邱建美，陈欢，王汝传，黄海平，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32