基于多路复用的无线传感器网络孩子节点数据传输方法技术

本发明专利技术公开了基于多路复用的无线传感器网络孩子节点数据传输方法，该方法的大规模无线传感网数据传输技术已经成为广泛研究的热点，数据在传输过程中高时延一直是短距离无线通信中的缺点。孩子节点采用频分复用技术把收集到的信息传送给首领节点，与传统的时分复用相比，该方法可以有效地减少孩子节点传输时延，大大提高了数据传输的效率，从而能够延长网络生命周期。本发明专利技术在孩子节点向首领节点传输信息时采用新的复用技术来代替以往的时分复用，并能够减少数据传输的时延，提高节点工作效率，从而延长网络生命周期。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种无线传感网固定区域内首领节点收集数据的方法，属于计算机网络与无线通信技术的交叉领域。
技术介绍
无线传感器网络是由一堆传感节点设备组成，这些节点能够感知、传输、接受、存储周边信息，并能够收集温度、光照、压力，音频视频等信息发送给目的节点。对于密集分布的无线传感网而言，往往以链状、树状、网状及星型等结构开展网络部署与信息交互。这其中，以多跳多径的簇树状数据收集模式最为典型。随着移动互联网和大数据技术的迅猛发展，具备感知能力的混合无线传感网，逐渐成为了泛在网络体系的重要前端。如何在现有体系结构基础上，进一步利用数据融合、数据聚合等方式，提高混合无线传感网的感知数据质量，已经并必将进一步成为提升其执行效率的关键技术之一。此外，面对数据量更为庞大的混合无线传感网，如何在规定时间内实现数据的高效传输，避免数据传输时延，同样是需要重点研究的方向。无线短距离通信在传感器网络中有大量应用，当一条物理信道的传输能力高于一路信号的需求时，该信道就可以被多路信号共享，复用就是解决如何利用一条信道同时传输多路信号的技术，这样可以充分利用信道的频带或者时间资源，提高信道利用率。信号多路复用有两种常用的方法：频分复用(FDM)和时分复用(TDM)。时分复用通常用于数字信号的多路传输，它采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号，也能达到多路传输的目的。它是将提供给整个信道传输信息的时间划分成若干时间片(简称时隙)，并将这些时隙分配给每一个信号源(节点)使用。频分复用可以用于模拟信号和数字信号的多路传输，它是一种按频率来划分信道的复用方式。在FDM中，信道的带宽被分成多个相互不重叠的频段(子通道)，每路信号占据其中一个子通道，并且各路之间必须留有未被使用的频带(防护频带)进行分隔，以防止信号重叠。传统的节点在数据传输过程中常常采用时分复用技术，即节点按照不同时隙向首领节点传送采集到的信息。当节点数量较多时，该方法将会耗费大量传输时间，同时首领节点接收信息延时会变长，从而降低全网工作效率，缩短网络的生命周期。而本专利技术能够很好地解决上面的问题，
技术实现思路
本专利技术目的在于针对上述现有技术的不足，提供了基于多路复用的无线传感器网络孩子节点数据传输方法，该方法在孩子节点向首领节点传输信息时采用新的复用技术来代替以往的时分复用，并能够减少数据传输的时延，提高节点工作效率，从而延长网络生命周期。该方法在节点传输数据的过程中，以往均采用时分复用的方式，即每个节点占用一个时隙，在某一时隙内只允许一个节点传输数据，其他节点在这一时隙内均处于等待状态。这样会造成节点信道利用率不高，在每一时隙始终只有一个节点在工作，从而造成节点数据传输时延加大。本专利技术解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于多路复用的无线传感器网络孩子节点数据传输方法，该方法包括：第一阶段：网络部署阶段步骤1：让节点分布在边长为L米的正方形区域中，并把两种不同类型的节点部署在网络中，一种为标量节点，用以感知并收集数据量较小的标量信息；另一种矢量节点，用以收集数据量较大的矢量信息。步骤2：距离正方形区域正上方H米处部署一个基站，其用来汇聚正方形区域中所有收集到的感知信息。步骤3：由于标量节点只收集一些数据量比较少的信息，而矢量节点收集到的音频视频信息数据量一般很大，故规定每个特定区域中选择两个标量节点充当首领节点，(即矢量节点不可充当簇头)分别称为主首领节点和次首领节点。主首领节点负责收集区域中标量节点上传的数据，次首领节点负责收集区域中矢量节点上传的数据。第二阶段：网络区域划分阶段步骤4：把正方形网络分成非均匀大小的M1×M2个子区域，其中，M1和M2分别是网络纵向和横向的子区域个数。各子区域的宽度均相同。将最靠近基站的一行子区域称为“第一层子区域”，并以此类推，越远离基站的子区域的面积越大(即子区域的高度越大)，以便于减轻基站附近节点的数据转发任务量。各子区域中节点自组成区域。为实现对标量、矢量混合的无线传感网感知信息的收集，将在各区域中同时选举出一个主首领节点和一个次首领节点，它们分别负责收集该区域中的标量和矢量感知数据，分别完成数据融合后转发至其相邻的上一层子区域中的主首领节点与次首领节点，直至到达基站。步骤5：在网络初始运行阶段，第一层子区域中分别选择距离基站最近的一个标量节点作为主首领节点，标记为CH-M1j(1≤j≤M2)，用以收集标量节点的感知信息；随后选择距离基站次近的标量节点作为次首领节点，标记为CH-S1k(1≤k≤M2)，用以收集矢量节点的感知信息。若满足条件的标量节点有多个，则优先选择与子区域内各邻居节点距离之和最小的节点。对于第i层子区域(1＜i≤M1)，将选择距离第i-1层中所有主首领节点和次首领节点最近的节点，分别作为其主首领节点和次首领节点，标记为CH-Mij和CH-Sij，(1＜i≤M1,1≤j≤M2)。步骤6：根据主次首领节点的选取原则及数据收集模式，需确保纵向的相邻两个子区域内任意两个节点一跳可达。即节点的通信半径Rt需大于相邻两层内两个节点所能够达到的最远间距。令该间距为d’，则需满足：其中，di代表第i层子区域的高度。步骤7：当各子区域中的主首领节点和次首领节点被选出后，分别向本区域中所有节点广播自己成为首领的消息。子区域中的其余标量和矢量节点，分别成为主首领节点和次首领节点的直接子节点。当所有节点的拓扑关系确定后，即开始数据收集。此时，网内形成了若干条以主首领节点为中继点的标量感知信息收集路径和以次首领节点为转发点的矢量感知信息收集路径。步骤8：在每个子区域内节点数据收集的过程中，每当子节点收集完成数据后，采用频分复用的方式，为每一个节点选择不同的频率点，让他们按照不同的频率把自身数据在同一时间内传输给首领节点。步骤9：令所有节点采样周期均为T。首轮数据收集过程完成后，各节点的剩余能量将出现差异。为进一步提升能耗均衡性，将重新选择主次首领节点。定义节点i的优先级为p，且令：p＝α×Ei＋β/dio＋γ/χc。其中，Ei为节点i的剩余能量，dio为节点i与其所在子区域中心的距离，χj为前c轮，节点i当选为首领的次数，α、β、γ分别为常参数，其取值可根据网络运行需要自行设定。于是p值最大的节点将当选为下一轮的首领。若下一轮首领与本轮首领是同一节点，则无需广播，以节约能量。否则，新当选的首领需在整个子区域中进行广播，以确定其首领身份。据此，在新一轮首领轮转中，各子区域中选择p值最大的标量节点作为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多路复用的无线传感器网络孩子节点数据传输方法，其特征在于，包括：第一阶段：网络部署阶段；步骤1：让节点分布在边长为L米的正方形区域中，并把两种不同类型的节点部署在网络中，一种为标量节点，用以感知并收集数据量较小的标量信息；另一种矢量节点，用以收集数据量较大的矢量信息；步骤2：距离正方形区域正上方H米处部署一个基站，其用来汇聚正方形区域中所有收集到的感知信息；步骤3：由于标量节点只收集一些数据量比较少的信息，而矢量节点收集到的音频视频信息数据量一般很大，故规定每个特定区域中选择两个标量节点而非矢量节点，充当首领节点，分别称为主首领节点和次首领节点，主首领节点负责收集区域中标量节点上传的数据，次首领节点负责收集区域中矢量节点上传的数据；第二阶段：网络区域划分阶段；步骤4：把正方形网络分成非均匀大小的M1×M2个子区域，其中，M1和M2分别是网络纵向和横向的子区域个数，各子区域的宽度均相同，将最靠近基站的一行子区域称为“第一层子区域”，并以此类推，越远离基站的子区域的面积越大(即子区域的高度越大)，以便于减轻基站附近节点的数据转发任务量，各子区域中节点自组成区域；为实现对标量、矢量混合的无线传感网感知信息的收集，将在各区域中同时选举出一个主首领节点和一个次首领节点，它们分别负责收集该区域中的标量和矢量感知数据，分别完成数据融合后转发至其相邻的上一层子区域中的主首领节点与次首领节点，直至到达基站；步骤5：在网络初始运行阶段，第一层子区域中分别选择距离基站最近的一个标量节点作为主首领节点，标记为CH‑M1j(1≤j≤M2)，用以收集标量节点的感知信息；随后选择距离基站次近的标量节点作为次首领节点，标记为CH‑S1k(1≤k≤M2)，用以收集矢量节点的感知信息；若满足条件的标量节点有多个，则优先选择与子区域内各邻居节点距离之和最小的节点，对于第i层子区域(1＜i≤M1)，将选择距离第i‑1层中所有主首领节点和次首领节点最近的节点，分别作为其主首领节点和次首领节点，标记为CH‑Mij和CH‑Sij，(1＜i≤M1,1≤j≤M2)；步骤6：根据主次首领节点的选取原则及数据收集模式，需确保纵向的相邻两个子区域内任意两个节点一跳可达，即节点的通信半径Rt需大于相邻两层内两个节点所能够达到的最远间距，令该间距为d’，则需满足：其中，di代表第i层子区域的高度；步骤7：当各子区域中的主首领节点和次首领节点被选出后，分别向本区域中所有节点广播自己成为首领的消息，子区域中的其余标量和矢量节点，分别成为主首领节点和次首领节点的直接子节点，当所有节点的拓扑关系确定后，即开始数据收集，此时，网内形成了若干条以主首领节点为中继点的标量感知信息收集路径和以次首领节点为转发点的矢量感知信息收集路径；步骤8：在每个子区域内节点数据收集的过程中，每当子节点收集完成数据后，采用频分复用的方式，为每一个节点选择不同的频率点，让他们按照不同的频率把自身数据在同一时间内传输给首领节点；步骤9：令所有节点采样周期均为T，首轮数据收集过程完成后，各节点的剩余能量将出现差异；此时，重新选择主次首领节点，定义节点i的优先级为p，且令：p＝α×Ei+β/dio+γ/χc，其中，Ei为节点i的剩余能量，dio为节点i与其所在子区域中心的距离，χc为前c轮，节点i当选为首领的次数，α、β、γ分别为常参数，其取值可根据网络运行需要自行设定，于是p值最大的节点将当选为下一轮的首领，若下一轮首领与本轮首领是同一节点，则无需广播，以节约能量，否则，新当选的首领需在整个子区域中进行广播，以确定其首领身份，据此，在新一轮首领轮转中，各子区域中选择p值最大的标量节点作为主首领节点，再选择p值次大的标量节点作为次首领节点，若符合要求的标量节点有多个，则选择与所有邻居节点距离之和最小的节点作为主次首领节点；步骤10：区域内的孩子节点采用频分复用的方式代替时分复用，将收集到的数据转发至首领节点，此时一轮数据收集完毕。...

【技术特征摘要】
1.一种基于多路复用的无线传感器网络孩子节点数据传输方法，其特征在于，包括：
第一阶段：网络部署阶段；
步骤1：让节点分布在边长为L米的正方形区域中，并把两种不同类型的节点部署在网
络中，一种为标量节点，用以感知并收集数据量较小的标量信息；另一种矢量节点，用以收
集数据量较大的矢量信息；
步骤2：距离正方形区域正上方H米处部署一个基站，其用来汇聚正方形区域中所有收
集到的感知信息；
步骤3：由于标量节点只收集一些数据量比较少的信息，而矢量节点收集到的音频视频
信息数据量一般很大，故规定每个特定区域中选择两个标量节点而非矢量节点，充当首领
节点，分别称为主首领节点和次首领节点，主首领节点负责收集区域中标量节点上传的数
据，次首领节点负责收集区域中矢量节点上传的数据；
第二阶段：网络区域划分阶段；
步骤4：把正方形网络分成非均匀大小的M1×M2个子区域，其中，M1和M2分别是网络纵向
和横向的子区域个数，各子区域的宽度均相同，将最靠近基站的一行子区域称为“第一层子
区域”，并以此类推，越远离基站的子区域的面积越大(即子区域的高度越大)，以便于减轻
基站附近节点的数据转发任务量，各子区域中节点自组成区域；为实现对标量、矢量混合的
无线传感网感知信息的收集，将在各区域中同时选举出一个主首领节点和一个次首领节
点，它们分别负责收集该区域中的标量和矢量感知数据，分别完成数据融合后转发至其相
邻的上一层子区域中的主首领节点与次首领节点，直至到达基站；
步骤5：在网络初始运行阶段，第一层子区域中分别选择距离基站最近的一个标量节点
作为主首领节点，标记为CH-M1j(1≤j≤M2)，用以收集标量节点的感知信息；随后选择距离
基站次近的标量节点作为次首领节点，标记为CH-S1k(1≤k≤M2)，用以收集矢量节点的感知
信息；若满足条件的标量节点有多个，则优先选择与子区域内各邻居节点距离之和最小的
节点，对于第i层子区域(1＜i≤M1)，将选择距离第i-1层中所有主首领节点和次首领节点
最近的节点，分别作为其主首领节点和次首领节点，标记为CH-Mij和CH-Sij，(1＜i≤M1,1≤j
≤M2)；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：沙超，沈天呈，仲莲花，杨瑞，吴敏，顾焕钊，张海涛，王汝传，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32