一种基于能耗均衡树的移动Sink数据收集方法技术

本发明专利技术公开了一种基于能耗均衡树的移动Sink数据收集方法，以构建最小代价的全网数据收集树为目标，并在此基础上将其划分为若干规模相近且能耗差异较小的数据收集子树，以子树根作为遍历节点；同时，为进一步降低通信能耗和时延，对部分遍历节点和中继节点的角色进行了调整。本发明专利技术方法在移动路径长度、数据传输成功率、网络生命期等方面表现出明显的优势，提升了全网的工作效率。

A data collection method for mobile Sink based on energy balanced tree

The invention discloses a mobile Sink data collection method based on energy consumption balance tree, which aims to construct a minimum cost data collection tree for the whole network, and divides it into several data collection subtrees with similar size and small energy consumption difference, taking the subtree root as traversal node, and at the same time, further reducing communication. Energy consumption and delay are adjusted to the roles of partial traversing nodes and relay nodes. The method of the invention has obvious advantages in moving path length, data transmission success rate and network lifetime, and improves the work efficiency of the whole network.

【技术实现步骤摘要】
一种基于能耗均衡树的移动Sink数据收集方法
本专利技术涉及一种基于能耗均衡树的移动Sink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
作为节点和终端间的桥梁，具备强感知、强计算和强通信能力的Sink在无线传感网中的作用不言而喻。长期以来，以静态Sink为中心的星型或树形拓扑，是无线传感网数据收集的主要模式。然而，“单跳数据上传易导致高能耗”、“多跳中继交互易造成高延迟”及“多对一模式使得近中心附近节点负载过大并形成能量空洞”等问题却成为其应用的壁垒。随着大数据和移动交互时代的到来，作为物联网重要感知前端的无线传感节点的数据收集问题，正朝着移动化和空间化的方向发展。近年来，以无人机为主要载体的泛在交互应用，其实质就是一套基于单/多移动Sink的空间数据收集系统。同传统的无线传感网类似，能效和时效仍是当前无线传感网移动数据收集领域的研究热点。然而，感知节点部署的随机性较大，且随着应用类型的日益丰富，不断增大的网络规模与不断提升的数据交互实时性要求间的矛盾也愈发突出。因此，如何在确保能效和代价均衡的同时，进一步优化Sink的移动路径，成为提升移动数据收集效率的关键。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于能耗均衡树的移动Sink数据收集方法，以构建最小代价的全网数据收集树为目标，并在此基础上将其划分为若干规模相近且能耗差异较小的数据收集子树，以子树根作为遍历节点。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种基于能耗均衡树的移动Sink数据收集方法，包括以下步骤：1)建立最小代价数据收集树；2)划分数据收集子树；3)基于Sink移动轨迹对划分的数据收集子树进行调整。前述的步骤1)中，建立最小代价数据收集树包括以下步骤：1-1)令距离网络几何中心位置最近的节点，为根节点，记为S0，令其为第0层节点；1-2)所述根节点向其一跳范围内的所有节点发送广播包，令收到该广播包的各节点为根节点的直接子节点，即第1层节点，并向根节点返回确认包，表示其加入数据收集树中；1-3)令当前数据收集树的高度为k，使位于第k层上的各节点，向其一跳范围内的所有节点发送广播包，使更多的节点加入数据收集树中；1-4)对于尚未加入数据收集树中的节点Sj，若其仅收到了第k层某个节点Si的广播包，则Sj为Si的直接子节点，即数据收集树的第k+1层节点；若Sj收到了多个来自第k层节点的广播包，则Sj按照公式：W(Si,Sj)＝W'(Si)×dis(Si,Sj)，计算出其与这些节点之间的数据传输权重值W(Si,Sj)，选择最小权重值所对应的Si作为Sj的直接父节点，并向该Si返回确认包，表示加入数据收集树中，其中，Si是第k层中向Sj发送广播包的节点，dis(Si,Sj)是Si与Sj的欧氏距离，W'(Si)是Si节点的“候选权重值”；1-5)当所有步骤4)中的节点Sj均找寻到了其直接父节点并加入数据收集树之后，令k＝k+1，此时返回步骤1-3)，直到所有节点均已加入数据收集树中为止。前述的步骤1-1)中，若距离网络几何中心位置最近的节点不止一个，则随机选择其中之一，作为根节点。前述的步骤2)中，划分数据收集子树包括以下步骤：2-1)根节点S0广播“划分数据收集子树”的消息包，S0的所有直接子节点均接收到该消息包，并分别根据式(1)计算自身的优先级：其中，P(Si)表示节点Si的优先级，Num_t(Parent(Si))表示Si的直接父节点所拥有的子孙节点总数，Num_t(Si)表示节点Si在计算优先级的过程中，可能拥有的子孙节点总数，D(S0,...,Sk)表示当前已经划分出的各数据收集子树的根节点经过TSP模型求解所得到的路径长度，D(S0,...,Sk,Si)表示若在此k+1个节点的基础上再增加节点Si后，经过TSP模型求解所得到的路径长度；子孙节点为直接父亲点连接的下一层节点；2-2)将优先级最高的一个节点Si作为数据收集子树的根节点；2-3)当前存在的数据收集子树的所有直接子节点都按照式(1)来计算其自身在下一次划分子树的过程中，成为子树根节点的可能性：2-4)经过优先级比较后，Si成为了数据收集子树的根节点，将全网范围内的节点Sj断开与其原直接父节点间的连接，而选择Si作为其直接父节点，以Sj为根节点的数据收集子树也将作为以Si为根节点的数据收集子树的一部分。前述的步骤2-2)中，Num_t(Si)的计算如下：假设在当前的数据收集树中，存在Si的某个邻居节点Sj同时满足如下两个条件：a、Sj并非Si的子孙节点，也不是当前正在进行优先级计算的节点；b、Sj与Si的距离小于与其当前直接父节点的距离；则临时将Sj作为Si的直接子节点，并将以Sj为根节点的数据收集子树临时加入为以Si为根节点的数据收集子树，参与Si的优先级计算，即：Num_t(Si)＝Num_t(Si)+Num_t(Sj)若不存在这样的节点Sj，则Num_t(Si)的值不变，即为Si当前实际的子孙节点总数。前述的步骤3)中，对数据收集子树进行调整包括以下步骤：3-1)在当前所形成的各数据收集子树中，若存在某数据收集子树的根节点Si满足d(Si,path)>rt，则说明Si已无法向Sink上传数据，此时，在以Si为根节点的数据收集子树中，找寻d(Si,path)值最小的节点Sj，若其d(Si,path)≦rt，则将Sj作为该数据收集子树的根节点，包括Si在内剩余所有节点，按照步骤1)重新依次建立与Sj间的单跳或多跳连接；其中，d(Si,path)为节点Si到Sink移动轨迹的最短距离，rt为通信半径；3-2)若数据收集子树中不存在满足d(Si,path)≦rt的节点，则在该数据收集子树的各节点中，分别找寻满足条件的邻居节点，并根据下式计算权重W”(Sl)：W”(Sl)＝Er(Sl)/(dis(Sk,Sl)+dis(Sl,path))将权重值最大的节点Sl作为该子树的新的根节点，其中，Sk表示数据收集子树中的节点，Sl表示Sk的邻居节点，Er(Sl)为节点Sl的初始能量；若仍不存在满足条件的节点，则称该数据收集子树称为“孤立树”，通过增大该数据收集子树根节点的收发功率或放宽对移动Sink的数据收集周期与移动路径长度的约束后，重新返回步骤1)；3-3)将所有满足d(Si,path)≦rt的节点Si，定义为遍历节点，对于任一遍历节点Si：若Si已经是当前数据收集子树的根节点，则不做任何操作；若Si并非当前任何一棵数据收集子树的根节点，则其断开与其直接父节点的连接，并作为根节点，与其子孙节点构成一棵新的数据收集子树。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术采用了随机均匀部署策略，且在建立最小代价数据收集树的过程中，树中的各节点都在以最大通信半径来尽可能找寻邻居。故几何上存在于连通图中的节点，在基于能耗均衡树的移动Sink数据收集方法中都不会成为孤立节点，从而确保了算法对于实际网络环境的适应性。(2)在数据包产生速率一定的前提下，本专利技术方法的网络生命期并不会随着网内节点数的不同而发生明显变化。(3)本专利技术采用了能耗均衡策略生成数据收集树，并在此基础上，充分考虑了遍历节点的负载和能耗开销，形成了规模较为一致的数据收集子树，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于能耗均衡树的移动Sink数据收集方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立最小代价数据收集树；2)划分数据收集子树；3)基于Sink移动轨迹对划分的数据收集子树进行调整。

【技术特征摘要】
1.一种基于能耗均衡树的移动Sink数据收集方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立最小代价数据收集树；2)划分数据收集子树；3)基于Sink移动轨迹对划分的数据收集子树进行调整。2.根据权利要求1所述的一种基于能耗均衡树的移动Sink数据收集方法，其特征在于，所述步骤1)中，建立最小代价数据收集树包括以下步骤：1-1)令距离网络几何中心位置最近的节点，为根节点，记为S0，令其为第0层节点；1-2)所述根节点向其一跳范围内的所有节点发送广播包，令收到该广播包的各节点为根节点的直接子节点，即第1层节点，并向根节点返回确认包，表示其加入数据收集树中；1-3)令当前数据收集树的高度为k，使位于第k层上的各节点，向其一跳范围内的所有节点发送广播包，使更多的节点加入数据收集树中；1-4)对于尚未加入数据收集树中的节点Sj，若其仅收到了第k层某个节点Si的广播包，则Sj为Si的直接子节点，即数据收集树的第k+1层节点；若Sj收到了多个来自第k层节点的广播包，则Sj按照公式：W(Si,Sj)＝W'(Si)×dis(Si,Sj)，计算出其与这些节点之间的数据传输权重值W(Si,Sj)，选择最小权重值所对应的Si作为Sj的直接父节点，并向该Si返回确认包，表示加入数据收集树中，其中，Si是第k层中向Sj发送广播包的节点，dis(Si,Sj)是Si与Sj的欧氏距离，W'(Si)是Si节点的“候选权重值”；1-5)当所有步骤4)中的节点Sj均找寻到了其直接父节点并加入数据收集树之后，令k＝k+1，此时返回步骤1-3)，直到所有节点均已加入数据收集树中为止。3.根据权利要求2所述的一种基于能耗均衡树的移动Sink数据收集方法，其特征在于，所述步骤1-1)中，若距离网络几何中心位置最近的节点不止一个，则随机选择其中之一，作为根节点。4.根据权利要求1所述的一种基于能耗均衡树的移动Sink数据收集方法，其特征在于，所述步骤2)中，划分数据收集子树包括以下步骤：2-1)根节点S0广播“划分数据收集子树”的消息包，S0的所有直接子节点均接收到该消息包，并分别根据式(1)计算自身的优先级：其中，P(Si)表示节点Si的优先级，Num_t(Parent(Si))表示Si的直接父节点所拥有的子孙节点总数，Num_t(Si)表示节点Si在计算优先级的过程中，可能拥有的子孙节点总数，D(S0,...,Sk)表示当前已经划分出的各数据收集子树的根节点经过TSP模型求解所得到的路径长度，D(S0,...,Sk,Si)表示若在此k+1个节点的基础上再增加节点Si后，经过TSP模型求解所得到的路径长度；子孙节点为直接父亲点连接的下一层节点；2-2)将优先级最高的一个节点Si作为数据收集子树的根节点；2-3)当前存在的数据收集子树...

【专利技术属性】
技术研发人员：沙超，宋丹丹，张路，任春晖，卞遥，黄海平，徐鹤，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