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一種可擴展的無線傳感網絡數據聚合方法

文檔序號:9649446閱讀:588來源:國知局
一種可擴展的無線傳感網絡數據聚合方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及無線傳感網絡領域,特別是設及可擴展的無線傳感網絡數據聚合方法 的設計。
【背景技術】
[0002] 無線傳感網絡(WirelessSensor化twork,WSN)由一組具備感知、通信和計算能 力的傳感器節(jié)點組成,它的一個關鍵應用就是數據匯集,即傳感器將數據(可能通過多跳 的形式)傳送到匯聚節(jié)點上。在實際應用中,網絡使用者經常關注的只是傳感器節(jié)點測量 數值的一個特定函數值,而不是需要所有測量數值的原始值。網內數據聚合在提高傳感網 絡的容量方面發(fā)揮著重要的作用,是WSN節(jié)約能量的主要手段之一,原因是通信的能量消 耗要遠遠高于計算的能量消耗。因此,有必要針對匯聚節(jié)點關注的特定函數定義傳感網絡 的計算和傳輸數據的綜合能力。各種數據聚合方法已被提出,它們或者基于集簇,或者基于 樹結構。在數據聚合的應用中,如環(huán)境或棲息地監(jiān)測,傳感器周期性地感知數據并傳送給匯 聚節(jié)點。當假設傳輸模式和網絡拓撲不動時,通常可采用基于結構的方法,運種方法需要相 對小的維護開銷。 本發(fā)明針對一般密度的WSN設計可擴展的聚合方法,旨在提高WSN的聚合吞吐量和匯 集效率的權衡。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明目的在于克服現有技術的不足,提供一種提高無線傳感網絡(Wireless Sensor化twork,WSN)數據聚合吞吐量的聚合方法。對于一般密度的WSN,聚合吞吐量會受 到兩種因素的限制:孤立分支和密集分支。為了克服運兩種限制,本發(fā)明的方法思路中提出 了 "針對密集分支的局部選點法和針對孤立分支的自適應棄點法"。 為此,本發(fā)明方法技術方案表征為: 一種可擴展的無線傳感網絡數據聚合方法,其特征在于,面向WSN的數據聚合,設計兩 類基于拓撲結構的聚合方法:單一鏈接長度方法和復合鏈接長度方法。所述單一鏈接長度 方法:該方法是無層次的結構,由相同階長度的鏈接構成。依據給定的匯集效率需求,在局 部區(qū)域選取一定數量的節(jié)點,W緩解密集分支限制的方法來提高網絡的聚合吞吐量。所述 復合鏈接長度方法:該方法是層次化的結構,由多種不同階長度的鏈接構成。依據給定的匯 集效率需求,從局部選取一定數量的節(jié)點并限制長跳的長度,W同時緩解兩個限制的方法 來提高網絡吞吐量。本發(fā)明通過設計運兩種有效的方法,結合提出的"棄點"和"選點"的 方法理念,可W提高WSN的聚合吞吐量和匯集效率的權衡。特別地,結合單一鏈接長度方法 和復合鏈接長度方法,為一般密度的WSN針對可分完美壓縮聚合函數,可W得到聚合吞吐 量和匯集效率間的最優(yōu)權衡。同時,將分組編碼技術引入到單一鏈接長度方法,W此進一步 提高聚合吞吐量和匯集效率的權衡。 本發(fā)明的目的主要是,考慮可分完美壓縮聚合函數,設計高效可擴展的數據聚合方法, 結合"棄點"和"選點"的方法理念,提升吞吐量和匯集效率之間的權衡。
[0004] 針對具體的應用需求,比如,完全覆蓋、k-覆蓋、連通性等,節(jié)點的部署密度通常是 一個變化范圍很大的變量。因此,本發(fā)明考慮一般密度的WSN,而不是像大多已有工作那樣 考慮兩個特例,即,隨機密集WSN和隨機擴展WSN。
[0005] 在針對隨機WSN的基于結構的聚合方法下,網絡聚合吞吐量主要受限于W下兩個 因素:孤立分支和密集分支。孤立分支:在隨機網絡中,給定鏈接長度的上限,將存在一個 大連通分支,其中任意節(jié)點對可W通過一系列符合長度的鏈接連通起來。然而,可能有些點 遠離(不屬于運個連通分支),稱作孤立分支。為了達到運些點,需要一些更長的鏈接從而 導致更低的鏈接速率。密集分支:給定一個確定性路由,在其鏈接的沖突圖當中,可能有一 些團圖的頂點數目非常大。從而,調度運些對應的邊的過程將可能成為系統(tǒng)瓶頸。
[0006] 為了克服W上的限制,本發(fā)明設計兩個有效的聚合方法W提高網絡的吞吐量和匯 集效率的權衡。
[0007] 單一鏈接長度方法:該方法是無層次的結構,由相同階長度的鏈接構成。依據給定 的匯集效率下界,在局部區(qū)域選取一定數量的節(jié)點,W緩解密集分支限制的方法來提高網 絡的聚合吞吐量。
[0008] 復合鏈接長度方法:該方法是層次化的結構,由多種不同階長度的鏈接構成。依據 給定的匯集效率下界,從局部選取一定數量的節(jié)點并限制長跳的長度,W同時緩解兩個限 制的方法來提高網絡吞吐量。
[0009] 在詳細描述單一長度方法和復合鏈接長度方法之前,先給出:
[0010] 可達聚合吞吐量 一個吞吐量A(n)對聚合函數g。是可達的,如果存在一個聚合方法A??蒞把任意泌WXW居誠"靖用時1'(4,,。)聚合到匯聚節(jié)點上得到縣(辦。*^^):,其中,
[0011] 匯集效率 記一個聚合方法為口(平?n)),其中, ?S(中耐E二柄,0 <i<n- 1},WG(0,1]用來衡量匯集效率。 ?輸入任意來自《(¥ ?切中的傳感器的測量值巨說,在匯聚節(jié)點輸出
?定義比率W為給定聚合方法Aw,,;掉(4^ ?的)的匯集效率。
[0012] 特別地,本發(fā)明考慮一類重要的對稱函數,稱之為可分完美壓縮聚合函數。稱一個 可分的函數為完美壓縮,如果來自不同傳感器的同一輪的測量值可W聚合成與原先長度相 同的新的數據。從而有W下運個引理。
[0013] 可分完美壓縮聚合函數的壓縮長度 對任意的可分完美壓縮聚合函數gk,1《k《n,有I氣I= 0(m),其中氣是函數gk的值 域。
[0014] 可擴展聚合方法 一個聚合方法Aw.,,口CF?均)是可擴展的,如果巫U,n) =AU,n)-W(n) = 0 (I), 即AU,n) = 0(1)且W(n) = 0(1),其中AU,n)是方法Aw,,口鐘-蝴)下達到的吞 吐量。
[0015] 然后,本發(fā)明設計兩個聚合方法:單一鏈接長度方法和復合鏈接長度方法。
[0016] 單一鏈接長度方法
[0017] 為了描述方便,首先給出下面定義和引理,
[001引機制網格 將一個義形K域呢如,a2)叫0,0!2分割成邊長為5的小方格子,稱生成的網格圖為機制 網格,并記為lL(a,幻,巧,其中
表示格子的邊與:^如,a2)邊之間的最小夾角。
[001引基于機制網格
,0,》0來設計聚合方法Aw,。巧0F,n))。每個格子 中的節(jié)點數目的范圍為[(I-^A)Inn,(1+^5)Inn],其中£4和e5是依賴于Z的滿足表 格1中條件的常數。記左下角的格子為原點(〇,〇),按照從左到右、從下到上的順序給每個 格子一個二維坐標,即左上格子為(5,5 ),其中6 = 5如)=萬而^ -1。不失一般性,假 設匯聚節(jié)點位于格子(5, 5)中。隨機從每個格子中選取一個節(jié)點作為聚合站點,并仍舊 將聚合站點的集合記為進,則有r川二n/OlnsO,,令/e?表示格子(i,j)中的站點。 表格1相關常數的預設條件
[0020] 下面來具體介紹方法Aw.,, (.SC!J?n)).,
[0021] 局部聚合:在叫中的每個格子里,隨機選取e-Inn個傳感器節(jié)點(如果有),其 中,
.N輪的測量值W單跳的形式聚合到站點上;所有傳輸用一 個4-TDMA機制調度,如圖3左。
[0022] 水平骨干聚合:每個聚合存儲的N輪數據按從左至右的順序W流水線的方式聚合 到相鄰的聚合站點上;所有傳輸用一個9-TDMA機制調度,如圖3右所示。
[0023] 垂直骨干聚合:第5列中的每個聚合站點存儲的N輪數據按從下至上的順序W流 水線的方式聚合到相鄰的聚合站點上;所有傳輸用一個3-TDMA機制調度,如圖3右所示。
[0024] 復合鏈接長度方法
[002引基于機制網格1*2 = 1(^^,〔八/1,;774,.^)來設計聚合方法沒%3^0;(;乎.扣^),其中c〉0是一個滿足 表格1中條件的常數。從每個非空的格子中選取一個節(jié)點作為聚合站點,構建聚合骨 干,如圖2所示。稱骨干上的聚合站點為骨干站點,稱其他的聚合站點為外圍站點。所有的 外圍站點可W通過一個單跳傳輸接入骨干站點。
[0026] 對一給定常數K> 0,將機制網格分割成水平(垂直)長方塊,其水平(垂直) 長度為"/w/A垂直(水平)長度為.卿二(Kinm) . 其中,w=Vn/(V^)。假設m/ (KInm)(表示長方塊的數量)是一個整數。從而有
[0027] 引理 3 對任意常數C和K,若滿足
則存在一個依賴于C和K的 常數放使得對所有水平(垂直)塊,有至少堀?Ih奶條水平(垂直)聚合骨干,其中
[0028] 當聚合骨干建成之后,每個長方塊的格子可W平均分配給風?化瓶條骨干。比方 說,可W將每個長
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