一种基于上下文感知技术的物联网节点节能路由方法技术

本发明专利技术公开了一种基于上下文感知技术的物联网节点节能路由方法——CATRP。以CATRP协议作为物联网环境中节点的路由工作方式从而达到既定的节能目标。其属于物联网技术领域。主要针对工作在物联网中的可通信节点运用了上下文感知技术作为本专利节能的核心技术。并从工作流程、数据结构、定量算法设计等角度全方位的设计了协议的组成模块。通过对本专利的申请，将为在不远的将来实现全社会的普适计算服务打好基础，为未来物联网技术的正确发展指引了方向，为现阶段无线传感器网络技术的转型充实了理论基础、做出了一定贡献。对提高业内物联网节能技术水平，加快国内物联网节点节能路由课题研究进度，推动内需，促进相关产业发展有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一 CATRP (Context-Aware Technology Routing Protocol)，属于物联网

技术介绍
随着微机电系统(Micro Electro Mechanism System，MEMS)、片上系统(S0C， System on Chip)、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点给信息感知
带来了一场变革。上世纪80年代晚期至90年代初，Mark Weiser提出了普适计算的设想，而物联网技术的实现和普及将是普适计算思想的重要体现之一。物联网是新一代信息技术的重要组成部分。物联网(The Internet of things, I0T)，顾名思义，就是“物物相连的互联网”。在未来智能型社会、智能生活概念的指引下，物联网将实现全社会物与物、物与人的大联接，构建一个巨大的网络。在目前研究阶段，可以认为无线传感器网络就是宏观物联网在微观意义上的具体体现，是物联网重要的基础支撑部分，是物联网理论技术研究的重要实现平台。我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首次正式出现于1999年中国科学院的“信息与自动化领域研究报告”中，把其作为该领域提出的五个重大项目之一。2001年上海微系统所成立微系统研究与发展中心，在无线传感器网络方向上相继部署了若干重大研究项目。2004年末，863计划信息获取与处理技术主题年会上，与会的专家学者普遍认为传感器网络已经成为信息获取领域的发展重点。科技部973 计划也将传感器网络的相关基础理论研究列为2005年重点支持方向。作为一项新兴的顶尖技术，无线传感器网络研究已成为世界各国科技竞争的焦点。相比欧美发达国家，我国在物联网研究的基础领域——无线传感器网络领域的研究和产业化进程发展相对缓慢，许多方面都与发达国家存在明显差距。我们应抓住机遇，深入开展相关研究，推动我国无线传感器网络领域的技术进步和应用推广的不断发展，以此为我国“十二五”规划期间物联网研究的战略部署出力添功。这对我国产业链的发展升级和核心竞争力的形成具有重大的战略意义，为建设创新型国家做好理论和技术铺垫。随着WSN网络部署规模的逐渐扩大，无线传感器网络应用范围也更加宽广，给人们生产生活带来极大改观。在未来的展望中，WSN技术的普及与智能社会物联网概念的技术革命相辅相成，将彻底的改变人类的生活方式。这也对应用于WSN中传感器节点之间的路由协议提出了更高的要求。传统路由协议相对于WSN部署环境的不适应以及一些如LEACH、 TTDD、定向扩散等等老式经典协议固有的一些问题和欠缺考虑的方面都使得对WSN应用路由协议的研究和改进具备相当的必要性和长期性。而超越传统老式路由算法的节能特性也是本专利申请的重要申请点之一。从而可知本专利申请将提出一种面向物联网工作环境的、区别于以往的、具备充分节能特性的、新式路由方法。本专利申请提出的CATRP协议融合普适计算环境中的关键技术——上下文感知技术，充分考虑物联网/WSN网络的固有特性，通过对节点在长时间运行中变化趋势的控制有效的提高能量的使用效率。利用多种上下文信息对上述协议考虑较少的节点工作状态数据进行全面的描述和考察，CATRP协议可以有效降低物联网/WSN网络中的通信量和路由建立及维护开销，提高网络生存时间和能量使用效率。物联网技术中有一项关键子技术——上下文感知技术，作为本专利的核心技术。所谓上下文感知，即一种掌握、获取和分析上下文信息的技术及其相关技术。由于部署无线传感器的目的在于获取、采集传感器周围环境的数据信息并将其中有用的数据整合并提供给相关模块(或人员)分析，而这个周围环境的变化信息就是所谓的“上下文，，(Context)。上下文(Context)的概念出现在1991年，它基本被定义为能够用来刻画一个实体的情形(situation)的所有信息。所谓实体即是指任何与用户和应用交互相关的人、位置或对象，包含用户和应用本身。对于典型范例——可移动的用户来说，上下文信息将至少包括对几个基本情况的描述该用户的地理位置、该用户和谁在一起、该用户所处地域周围自然环境、该用户正在进行的动作描述、当前时间等。而这些上下文信息将会处于随时变化的状态，在这里上下文信息主要体现为对环境的描述。而为什么需要“上下文”的感知呢？单纯实现无线传感器网络的部署，除了获取传感器可获取到的信息外并不能提供丰富的服务。而物联网系统应该能做到最大程度地自主、合理地自动调节自身服务状态。在具有了上下文感知能力后，系统就可以感知环境变化，并根据具体的情况采用最合适的方式为用户提供透明的服务。尤其是在不远的未来人们将实现智能社会、智能生产……这些都离不开拥有智能的无线传感器网络。在具有了上下文感知能力后，物联网系统就可以感知环境变化，并根据具体的情况采用最合适的方式为用户提供透明的服务。而一个WSN系统，如果能够利用上下文信息，并能够根据上下文信息的变化自动地作出相适应的改变和配置，为使用者提供个性化的、适合于当前上下文的服务，即可称之为上下文感知系统。它具有以下几个特征1)根据上下文进行信息推送服务；2)根据上下文自动触发执行相应动作；3)跟踪上下文的变化，用户可以查询相关的上下文信息。由于具体环境、应用中的复杂性和多样性，业界通常把“上下文”数据分为如下几类实际环境上下文、个人上下文、情景描述上下文、时空上下文、设备上下文、业务上下文、 网络情况上下文等。下面简释理论界中WSN节点工作的主流路由技术与节能分析(I)LEACH协议作为一个基本的框架性协议，它有着随机选取簇头，将高能消耗平均分配到无线传感器网络中各节点的设计目标。但是它忽视了节点能量问题。LEACH协议并没有直接设计与节点能量相关的处理机制、考察参数或相关算法，直接能量控制手段的缺失致使LEACH的能量有效性并不能满足对WSN网络能量技术不断的要求。CATRP协议作为一种立足于能量有效性的WSN路由协议，通过多种相关手段、策略的设计将节点能耗作为协议的一项重要指标，通过实时考察多种能量参数有效的、合理的改善了传感器节点的能量问题，在当前WSN路由技术降低能耗的研究工作中取得了相对于LEACH等已有协议明显的提高。LEACH协议在选举中容易出现簇头节点偏于一方的情况，不均勻、不合理、不能达到真正随机性。这体现在簇头节点的分布不均性。在最坏情况下，运行LEACH协议的WSN 网络中的簇头节点会聚集在一起。平面型路由协议在本质上不存在这样的问题。CATRP协议在中小型WSN环境中有着良好的表现，经过合理的拓展成为复合型的层次式路由协议以便适应大规模的WSN网络。LEACH协议强调在每一轮中随机化的选择簇头节点，以达到在长时间运行中可以将整个网络的能量负载平均分配到每个节点上。然而即使LEACH的计算公式得到更为随机性的改良，LEACH也仅仅片面强调了随机性而不具备如CATRP协议充分的逻辑性。CATRP 根据严密的拓扑逻辑指定合理的下一跳路由选择规则，对合理控制节点能量利用、维持WSN 有效拓扑、提高电池寿命、保证无线传感器网络稳定工作、延长网络生存时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于上下文感知技术的物联网节点节能路由方法，该方法是基于上下文感知技术，其特征在于以下步骤：（１）制定５个状态：全工作状态，也叫１号状态；服务状态，也叫２号状态；单工作状态，也叫３号状态；休眠状态，也叫４号状态；休克状态，也叫５号状态；（２）节点在５个状态间的工作方式如下：节点在能量消耗率、瞬时消耗率、剩余能量、待完成任务队列长４个参数都符合节点状态转移规则表中每条规定值的情况下，节点将按照该条规则的结论进行状态转移；休眠状态和休克状态的区别在于接收机的关闭与否；休眠状态除了节点的无线接收机外都处于关闭或低功耗状态；休眠节点保持监听邻居范围内信道，当存在邻居节点有突发业务数据需要转发或无法成功选举得到下一跳路由节点时，休眠节点被有紧急状况的节点播发的单跳广播报文唤醒临时工作；休克状态中间无法被唤醒；节点在刚从休眠或休克状态“苏醒”过来后不能再转入休眠或休克状态中，必须进入其余三个状态中的一个，即两次休眠或休克状态不能连续；在无线传感器网络中传播的用于下一跳选举的上下文数据报文只在两个有直接业务联系的传感器节点之间收发，亦即只有业务上级为其业务下级计算并预测其未来工作动态的情况；（３）假如某节点在未来若干个时间片后具有转移至不能承担上级业务的状态的相当可能性，则当时间运行到该节点的上级业务节点为它估测的转移时间片的前一个时间片时，上级业务节点必须进行下一跳节点的重新选择工作以便在下一个时间片到达时停止与原下级节点的联系，更改下一跳路由，让原下级节点进入休息状态；此后，上级节点将只为新的业务下级节点计算工作状态参数，填写其维护的上下文数据结构表；在具体的应用环境中，ＣＡＴＲＰ允许在邻居节点中根据具体情况选举出一至数个下一跳路由节点作为替代路由；（４）采集数据的方式在每一个时间片的前一半上采集４类数据，每类５个，共２０个数据；在前半片时间片上采集的数据主要包括：ＥＣ数据、ＣＲ数据、ＲＥ数据、ＰＴ数据；其中，ＥＣ数据指ＲａｔｅＥｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，即Ｒａｔｅ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ——能量消耗率参数；ＣＲ数据指ＩｎｓｔａｎｔＣｏｎｕｍｐｔｉｏｎ　Ｒａｔｅ，即Ｉｎｓｔａｎｔ　Ｖａｌｕｅ　ｏｆ　Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　Ｒａｔｅ——瞬时消耗速率参数；ＲＥ数据指ＬｉｆｅＴｉｍｅＲｅｓｉｄｕａｌ　Ｅｎｅｒｇｙ，即Ｌｉｆｅｔｉｍｅ　ｏｆ　Ｒｅｓｉｄｕａｌ　Ｅｎｅｒｇｙ——剩余能量生存时间参数；ＰＴ数据指Ｑｕｅｕｅｐｅｎｄｉｎｇ　Ｔａｓｋｓ，即Ｑｕｅｕｅ　ｏｆ　Ｐｅｎｄｉｎｇ　Ｔａｓｋｓ——待完成任务队列长参数；将一个时间片的前一半平均分为５份，在每一份的开头采集ＣＲ数据，得５个ＣＲ数据；在每份的结尾采集ＥＣ数据和ＰＴ数据，得５个ＥＣ和５个ＰＴ数据；在每份的中间采集ＲＥ数据，得５个ＲＥ数据；这里命名的ＥＣ、ＲＥ、ＰＴ是最后的参数名称值，直接采集得到的数据要经过一定处理才能得到它们；下面规定时间片设计为１０分钟时对采集到的数据的初步处理方式；ＥＣ值的获得方式：采集五个电池剩余能量值ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，单位为Ｊ（焦耳）；以后面的数值减去前面的数值即得到相对于过去的一分钟真实消耗的能量值；即对于ｙ１＝ａ，ｙ２＝ｂ，ｙ３＝ｃ，ｙ４＝ｄ，ｙ５＝ｅ这５个数据，得到四个（其中正整数ｉ取值为［１，４］）；ＣＡＴＲＰ协议使用这四个参数作为ＲａｔｅＥｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ类型数据；ＲａｔｅＥｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ类型的四个数据在转移规则表的匹配中，第一列前两条和最后一条由于范围的单向性，将不采用语义距离方法；仅根据这四个数据有几个符合这两条标准值进行判断；都符合就将和和置为１，相应的三个符合就置为以此类推；剩余三条采用语义距离法计算；ＣＲ值是均匀采集五个时间点上的瞬时能量消耗速率值，直接使用这５个数据作为ＩｎｓｔａｎｔＣｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　Ｒａｔｅ，单位Ｊ／ｍｉｎ；ＣＲ值由于其瞬时特殊性，在匹配转移规则表时实行５个采样数据中有一个符合转移标准值就将该结论对应项置１，否则置０；ＲＥ值是采集五个电池剩余时间数据；在采集时刻使用当时剩余能量值ｙｉ除以当时瞬时能量消耗速率值ｚｉ，得到５个瞬时电池剩余时间值其中正整数ｉ取值为［１，５］；为了反映电池能量剩余时间在这前半时间片上的变化程度和消耗速率，ＣＡＴＲＰ规定使用后面的数值减去前面的数值即得到相对于过去的一分钟电池剩余时间的变化率，这一数值为正值或负值；通过ｖｉ＝ｔｉ＋１－ｔｉ，其中正整数ｉ∈［１，４］，得到４个ｖｉ值；最后使用每个ｖｉ除以最后一次采集时的ｔ５值，得到四个ＬｉｆｅＴｉｍｅＲｅｓｉｄｕａｌ　Ｅｎｅｒｇｙ类型数据：式中分子表示节点在一分钟内的电池持续时间的损耗，分母表示以最后一个采集点为标准，电池所剩下的可持续时间；当存在ＬｉｆｅＴｉｍｅＲｅｓｉ...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈志奎，韦哲，
申请(专利权)人：陈志奎，
类型：发明
国别省市：91