專利名稱：面向混合拓撲結構無線傳感器網絡的兩級包聚合方法
技術領域：
本發明涉及無線通信組網技術，具體地說是一種面向混合拓撲結構無線傳感器網 絡的兩級包聚合方法。
背景技術：
人類進入二十一世紀以來，微機電系統(Micro-Electro-MechanismSystem， MEMS)、計算機、通信、自動控制和人工智能等學科的飛速發展孕育了一種新型的測控網 絡-無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)。無線傳感器網絡是由大量無處不在的，具有通信與計算能力的微小傳感器節點密 集布設在無人值守的監控區域而構成的能夠根據環境自主完成指定任務的“智能”自治測 控網絡系統。無線傳感器網絡是一種超大規模、無人值守、資源嚴格受限的全分布系統，采 用多跳對等的通信方式，其網絡拓撲動態變化，具有自組織、自治、自適應等智能屬性。無線 傳感器網絡是繼因特網之后，將對二十一世紀人類生活方式產生重大影響的IT熱點技術。 如果說因特網改變了人與人之間交流、溝通的方式，那么無線傳感器網絡則將邏輯上的信 息世界與真實物理世界融合在一起，將改變人與自然交互的方式。無線傳感器網絡的出現 引起了全世界范圍的廣泛關注。無線傳感器網絡的一個主要問題是能耗問題。包聚合可以降低包頭的開銷和減少 包的數量，是一個有效的節能方法。無線傳感器網絡在工業監測等方面的應用，要求節點采 用電池供電，網絡壽命要達到2-3年，能耗問題更為突出。此外，這些應用具有周期性特征， 通常采用層次化拓撲結構的網絡，網絡可配置，適合進行包聚合。面向對象方法以其良好的 可重用性、可維護性和穩定性，是一種理想的設計與實現方法。但目前還未見針對這類應用 的無線傳感器網絡的兩級包聚合方法。
發明內容
針對無線傳感器網絡的節能要求，本發明要解決的技術問題是提供一種在保證數 據無損的前提下，降低包的數量和包頭開銷，提高網絡壽命的面向混合拓撲結構無線傳感 器網絡的兩級包聚合方法。為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是本發明一種面向混合拓撲結構無線傳感器網絡的兩級包聚合方法包括以下步 驟將無線傳感器網絡中的各種節點搭建成網狀及星型混合拓撲結構；基于上述拓撲結構，對周期性傳感器數據，建立兩級包聚合架構；基于上述拓撲結構和聚合架構，確定包格式，進行兩級包聚合和解聚，過程如下網絡中的匯聚節點根據應用配置路由節點和節點上的聚合屬性；根據聚合屬性，傳感器節點進行一級聚合，產生一級聚合包；根據聚合屬性，路由器節點進行二級聚合，產生二級聚合包；
匯聚節點負責對聚合的包進行解聚。所述網狀及星型混合拓撲結構為星型網絡由路由節點和傳感器節點構成，又稱為簇；傳感器節點之間不直接通 信，每個傳感器節點只和一個路由節點通信；網狀網絡由路由節點和匯聚節點構成；路由節點至少和一個傳感器節點通信， 和匯聚節點通信或者至少和一個其它路由節點通信；其中，傳感器節點可攜帶多個傳感器，負責采集應用數據；路由節點負責將傳感器 節點的數據轉發到匯聚節點；匯聚節點負責收集網絡中所有傳感器節點的數據。所述兩級包聚合架構為一級包聚合當傳感器節點有超過一個傳感器時，根據傳感器節點的聚合標志，選 擇啟用傳感器節點的一級包聚合機制；二級包聚合當路由節點接收超過一個傳感器節點的數據包時，根據路由節點的 聚合標志，選擇啟用路由節點的二級包聚合機制。所述聚合屬性包括聚合標志、聚合包的最大長度和聚合周期，其中聚合標志用于 指示傳感器節點或路由器節點是否支持聚合；傳感器節點的聚合周期為所有傳感器數據更 新周期的最小值；路由節點的聚合周期為所有傳感器節點的傳感器數據更新周期最小值。所述一級包聚合過程為判斷傳感器節點的聚合標志是否有效，如果有效，則判斷傳感器的數量是否大于 1 ；如果傳感器的數量大于1，則傳感器節點將多個傳感器的包進行聚合后，發送給路 由節點，結束一次聚合過程。如果傳感器節點的聚合標志無效，則該傳感器節點不聚合，將沒有聚合的傳感器 節點的非聚合包發送給路由節點；或者傳感器的數量不大于1，則將非聚合包發送給路由節點。所述傳感器節點的非聚合包由包頭和載荷組成，包頭至少包括源地址、目的地址、 包長度信息、聚合標志位；載荷是該傳感器節點的某個傳感器的數據，用傳感器的ID和數 據表示。所述一級聚合包由包頭和載荷組成，包頭至少包括源地址、目的地址、包長度信 息、聚合標志位；載荷包括聚合傳感器的數量及所有傳感器的數據，每個傳感器的數據用傳 感器的ID、數據長度和數據表示。所述二級包聚合過程為判斷路由節點的聚合標志是否有效，如果有效，則判斷簇內是否只有一個傳感器
節 點；如果路由節點的簇內的傳感器節點多于一個，則路由節點判斷是本簇內傳感器節 點的包還是其它簇首轉發來的包；如果是本簇內傳感器節點的包，則路由節點進行二級包聚合，即在每個聚合周期 內，從收到第一個包開始，在等待所允許的最大聚合時間之后，將收到的包進行聚合；將上述聚合包發送給匯聚節點，結束一次二級包聚合過程。如果路由節點的聚合標志無效、簇內只有一個傳感器節點或者是其它簇首轉發來的包，則不聚合，直接轉發包。所述二級聚合包由包頭和載荷組成，包頭少包括源地址、目的地址、包長度信息、 聚合標志位；載荷包括聚合傳感器節點的數量及所有傳感器節點的數據，每個傳感器的數 據用傳感器節點地址，包長度和數據表示，其中，如果傳感器節點支持聚合，則數據為一級 聚合包的載荷域，否則為傳感器節點非聚合包的載荷域。所述的二級解聚過程為匯聚節點接收到包，首先判斷是傳感器節點的包還是路由節點的包；如果是路由節點的包，則需要兩級解聚的判斷，首先根據包頭中的聚合標志位判 斷是否需要解聚；如需要解聚，則解聚路由節點的二級聚合包；解聚過程中，再根據路由節點的二級聚合包中的每個“傳感器節點的聚合標志位” 判斷傳感器節點的數據是否需要解聚；如需要解聚，則解聚二級聚合包中每個傳感器節點的一級聚合包，解聚過程結束。如果根據每個傳感器節點的聚合標志位判斷傳感器節點的數據不需要解聚，則不 要二次解聚，解聚過程結束；或者根據包頭中的聚合標志位判斷不需要解聚，則結束。如果是傳感器節點的包，則根據包頭的聚合標志位判斷傳感器節點的數據是否需 要解聚，如果需要解聚，則按照包格式解聚傳感器節點的一級聚合包；否則結束。本發明提出的包方法，是在充分考慮工業等監測應用特點的前提下提出的，具有 無損聚合、低能耗和易于實現等優點，具體表現在1.本發明方法采用網狀及星型(Star+Mesh)混合拓撲結構，一方面通過星型 (Star)結構簡化了網絡結構，降低了維護和管理的難度，提高了系統的靈活性，另一方面， 利用網狀(Mesh)結構，提高了網絡的可靠性；2.本發明設計了兩級包聚合方法，降低了通信次數，減少了包頭開銷，一方面降低 了節點的能量消耗；另一方面也降低了節點間的干擾，節省了通信資源。3.本發明設計了兩級包聚合方法，該方法簡單易行。
圖1為一個典型的網狀及星型混合拓撲結構的無線傳感器網絡示意圖；圖2為聚合屬性示意圖；圖3為一級包聚合過程流程圖；圖4為傳感器節點的非聚合包格示意圖；圖5為一級聚合包格式示意圖；圖6為二級包聚合過程流程圖；圖7為一級聚合包格式示意圖；圖8為解聚過程示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進一步詳細說明。
本發明方法包括以下步驟將無線傳感器網絡中的各種節點搭建成網狀及星型混合拓撲結構；基于上述拓撲結構，對周期性傳感器數據，建立兩級包聚合架構；基于上述拓撲結構和聚合架構，確定包格式，進行兩級包聚合和解聚，兩級包聚合 過程如下網絡中的匯聚節點根據應用配置路由節點和節點上的聚合屬性；根據聚合屬性，傳感器節點進行一級聚合，產生一級聚合包；根據聚合屬性，路由器節點進行二級聚合，產生二級聚合包；匯聚節點負責對聚合的包進行解聚。本發明的無線傳感器網絡由如下類型的節點構成傳感器節點、路由節點和匯聚 節點。傳感器節點可攜帶多個傳感器，負責采集應用數據；路由節點負責將傳感器節點的數 據轉發到匯聚節點；匯聚節點負責收集網絡中所有傳感器節點的數據。本發明采用如圖1所示的網狀及星型(mesh+star)混合拓撲結構，其具有兩層第一層為星型(star)網絡，由路由節點和傳感器節點構成，又稱為簇，路由節點 是簇首，傳感器節點是簇成員；傳感器節點之間不直接通信，傳感器節點只和一個路由節點 通信；第二層為網狀(mesh)網絡，由路由節點和匯聚節點構成；路由節點至少和一個傳 感器節點通信，和匯聚節點通信或者至少和一個其它路由節點通信。針對上述網狀及星型混合拓撲結構和周期性傳感器數據，本發明設計了兩級包聚 合方法，基本架構如下—級包聚合。當傳感器節點有超過一個傳感器時，根據傳感器節點的聚合標志，選 擇啟用傳感器節點的一級包聚合機制以減少通信頻率，提高網絡效率。二級包聚合。當路由節點接收超過一個傳感器節點的數據包時，根據路由節點的 聚合標志，選擇啟用路由節點的二級包聚合機制，以減少了路由節點到網關的數據包數目， 提高網絡效率。如圖2所示，聚合屬性主要包括聚合標志、聚合包的最大長度和聚合周期。其中聚 合標志用于指示傳感器節點或路由器節點是否支持聚合，聚合標志AGG_FLAG為1則聚合， 否則不聚合。傳感器節點的聚合周期為所有傳感器數據更新周期的最小值；路由節點的聚 合周期為所有傳感器節點的傳感器數據更新周期最小值。—級包聚合過程如圖3所示，針對傳感器節點是否支持聚合功能，具體工作過程 如下判斷傳感器節點的聚合標志是否有效(即傳感器節點的聚合標志AGG_FLAG = 1 ？)，如果有效(即傳感器節點的聚合標志AGG_FLAG = 1)，則判斷傳感器的數量是否大于 1 ；如果傳感器的數量大于1，則傳感器節點將多個傳感器的包進行聚合后，發送給路 由節點，結束一次聚合過程。如果傳感器節點的聚合標志無效(即傳感器節點的聚合標志AGG_FLAG不為1)，則 該傳感器節點不聚合，將沒有聚合的傳感器節點的非聚合包發送給路由節點；或者傳感器 的數量不大于1，則將非聚合包發送給路由節點。
傳感器節點的非聚合包格式見圖4所示，由包頭和載荷組成，包頭至少包括源地 址、目的地址、包長度信息、聚合標志位；載荷是該傳感器節點的某個傳感器的數據，用傳感 器的ID和數據表示。傳感器節點的一級聚合包格式見圖5所示，由包頭和載荷組成。包頭至少包括源 地址、目的地址、包長度信息、聚合標志位。載荷包括聚合傳感器的數量及所有傳感器的數 據，每個傳感器的數據用傳感器的ID，數據長度和數據表示。二級包聚合過程如圖6所示，針對路由節點是否支持聚合功能，具體工作過程如 下判斷路由節點的聚合標志是否有效(即路由節點聚合標志路由節點的聚合標志 AGG_FLAG = 1 ？)，如果有效(即路由節點聚合標志路由節點的聚合標志AGG_FLAG = 1)， 則判斷簇內是否只有一個傳感器節點；如果路由節點的簇內的傳感器節點多于一個，則路由節點判斷是本簇內傳感器節 點的包還是其它簇首轉發來的包；如果是本簇內傳感器節點的包，則路由節點進行二級包聚合，即在每個聚合周期 內，從收到第一個包開始，在等待所允許的最大聚合時間之后，將收到的包進行聚合；將上述聚合包發送給匯聚節點，結束一次二級包聚合過程。如果路由節點的聚合標志無效(即路由節點聚合標志路由節點的聚合標志AGG_ FLAG不為1)、簇內只有一個傳感器節點或者是其它簇首轉發來的包，則不聚合，直接轉發 包。路由節點的二級聚合包格式見圖7所示，由包頭和載荷組成。包頭至少包括源地 址、目的地址、包長度信息、聚合標志位。載荷包括聚合傳感器節點的數量及所有傳感器節 點的數據，每個傳感器的數據用傳感器節點地址，包長度和數據表示。其中的數據可以是傳 感器節點的聚合包，也可以是非聚合包。如果傳感器節點支持聚合，則數據為一級聚合包的 載荷域，否則為傳感器節點的非聚合包的載荷域。如圖8所示，匯聚節點的解聚過程如下匯聚節點接收到包，首先判斷是傳感器節點的包還是路由節點的包；如果是路由節點的包，則需要兩級解聚的判斷，首先根據包頭中的聚合標志位判 斷是否需要解聚(即聚合標志是否為1)；如需要解聚(即聚合標志為1)，則解聚路由節點的聚合包；再根據每個傳感器節點的聚合標志位判斷傳感器節點的數據是否需要解聚(即 傳感器節點的聚合標志是否為1)；如需要解聚(即傳感器節點的聚合標志是否為1)，則解聚傳感器節點的聚合包， 一次解聚過程結束。如果根據每個傳感器節點的聚合標志位判斷傳感器節點的數據不需要解聚(即 傳感器節點的聚合標志不為1)，則返回至根據包頭中的聚合標志位判斷是否需要解聚步 驟；如果是傳感器節點的包，則轉至根據每個傳感器節點的聚合標志位判斷傳感器節 點的數據是否需要解聚步驟。如圖8所示，匯聚節點的解聚過程如下
匯聚節點接收到包，首先判斷是傳感器節點的包還是路由節點的包；如果是路由節點的包，則需要兩級解聚的判斷，首先根據包頭中的聚合標志位判 斷是否需要解聚(即聚合標志是否為1)；如需要解聚(即聚合標志為1)，則解聚路由節點的二級聚合包；解聚過程中，再根據路由節點的二級聚合包中的每個“傳感器節點的聚合標志位” 判斷傳感器節點的數據是否需要解聚(即“傳感器節點的聚合標志位”是否為1)；如需要解聚(即“傳感器節點的聚合標志”為1)，則解聚二級聚合包中每個傳感器 節點的一級聚合包，解聚過程結束。如果根據每個傳感器節點的聚合標志位判斷傳感器節點的數據不需要解聚(即 傳感器節點的聚合標志不為1)，則不要二次解聚，解聚過程結束；根據包頭中的聚合標志位判斷不需要解聚(即聚合標志不為1)，則結束；如果是傳感器節點的包，則根據包頭的聚合標志位判斷傳感器節點的數據是否需 要解聚(即“包頭的聚合標志”是否為1)，如果需要解聚(即“包頭的聚合標志”為1)，則 按照包格式解聚傳感器節點煌一級聚合包；如果不需要解聚(即“包頭的聚合標志”不為1)，則結束。
權利要求
一種面向混合拓撲結構無線傳感器網絡的兩級包聚合方法，其特征在于包括以下步驟將無線傳感器網絡中的各種節點搭建成網狀及星型混合拓撲結構；基于上述拓撲結構，對周期性傳感器數據，建立兩級包聚合架構；基于上述拓撲結構和聚合架構，確定包格式，進行兩級包聚合和解聚，過程如下網絡中的匯聚節點根據應用配置路由節點和節點上的聚合屬性；根據聚合屬性，傳感器節點進行一級聚合，產生一級聚合包；根據聚合屬性，路由器節點進行二級聚合，產生二級聚合包；匯聚節點負責對聚合的包進行解聚。
2.按權利要求1所述的面向混合拓撲結構無線傳感器網絡的兩級包聚合方法，其特征 在于所述網狀及星型混合拓撲結構為星型網絡由路由節點和傳感器節點構成，又稱為簇；傳感器節點之間不直接通信，每 個傳感器節點只和一個路由節點通信；網狀網絡由路由節點和匯聚節點構成；路由節點至少和一個傳感器節點通信，和匯 聚節點通信或者至少和一個其它路由節點通信；其中，傳感器節點可攜帶多個傳感器，負責采集應用數據；路由節點負責將傳感器節點 的數據轉發到匯聚節點；匯聚節點負責收集網絡中所有傳感器節點的數據。
3.按權利要求1所述的面向混合拓撲結構無線傳感器網絡的兩級包聚合方法，其特征 在于所述兩級包聚合架構為一級包聚合當傳感器節點有超過一個傳感器時，根據傳感器節點的聚合標志，選擇啟 用傳感器節點的一級包聚合機制；二級包聚合當路由節點接收超過一個傳感器節點的數據包時，根據路由節點的聚合 標志，選擇啟用路由節點的二級包聚合機制。
4.按權利要求1所述的面向混合拓撲結構無線傳感器網絡的兩級包聚合方法，其特征 在于所述聚合屬性包括聚合標志、聚合包的最大長度和聚合周期，其中聚合標志用于指示 傳感器節點或路由器節點是否支持聚合；傳感器節點的聚合周期為所有傳感器數據更新周 期的最小值；路由節點的聚合周期為所有傳感器節點的傳感器數據更新周期最小值。
5.按權利要求1所述的面向混合拓撲結構無線傳感器網絡的兩級包聚合方法，其特征 在于所述一級包聚合過程為判斷傳感器節點的聚合標志是否有效，如果有效，則判斷傳感器的數量是否大于1 ； 如果傳感器的數量大于1，則傳感器節點將多個傳感器的包進行聚合后，發送給路由節 點，結束一次聚合過程。
6.按權利要求5所述的面向混合拓撲結構無線傳感器網絡的兩級包聚合方法，其特征 在于如果傳感器節點的聚合標志無效，則該傳感器節點不聚合，將沒有聚合的傳感器節點 的非聚合包發送給路由節點；或者傳感器的數量不大于1，則將非聚合包發送給路由節點。
7.按權利要求5所述的面向混合拓撲結構無線傳感器網絡的兩級包聚合方法，其特征 在于所述傳感器節點的非聚合包由包頭和載荷組成，包頭至少包括源地址、目的地址、包 長度信息、聚合標志位；載荷是該傳感器節點的某個傳感器的數據，用傳感器的ID和數據表示。
8.按權利要求1所述的面向混合拓撲結構無線傳感器網絡的兩級包聚合方法，其特征 在于所述一級聚合包由包頭和載荷組成，包頭至少包括源地址、目的地址、包長度信息、聚 合標志位；載荷包括聚合傳感器的數量及所有傳感器的數據，每個傳感器的數據用傳感器 的ID、數據長度和數據表示。
9.按權利要求1所述的面向混合拓撲結構無線傳感器網絡的兩級包聚合方法，其特征 在于所述二級包聚合過程為判斷路由節點的聚合標志是否有效，如果有效，則判斷簇內是否只有一個傳感器節點。如果路由節點的簇內的傳感器節點多于一個，則路由節點判斷是本簇內傳感器節點的 包還是其它簇首轉發來的包；如果是本簇內傳感器節點的包，則路由節點進行二級包聚合，即在每個聚合周期內，從 收到第一個包開始，在等待所允許的最大聚合時間之后，將收到的包進行聚合； 將上述聚合包發送給匯聚節點，結束一次二級包聚合過程。
10.按權利要求9所述的面向混合拓撲結構無線傳感器網絡的兩級包聚合方法，其特 征在于如果路由節點的聚合標志無效、簇內只有一個傳感器節點或者是其它簇首轉發來的 包，則不聚合，直接轉發包。
11.按權利要求1所述的面向混合拓撲結構無線傳感器網絡的兩級包聚合方法，其特 征在于所述二級聚合包由包頭和載荷組成，包頭少包括源地址、目的地址、包長度信息、聚 合標志位；載荷包括聚合傳感器節點的數量及所有傳感器節點的數據，每個傳感器的數據 用傳感器節點地址，包長度和數據表示，其中，如果傳感器節點支持聚合，則數據為一級聚 合包的載荷域，否則為傳感器節點非聚合包的載荷域。
12.按權利要求1所述的面向混合拓撲結構無線傳感器網絡的兩級包聚合方法，其特 征在于所述的二級解聚過程為匯聚節點接收到包，首先判斷是傳感器節點的包還是路由節點的包； 如果是路由節點的包，則需要兩級解聚的判斷，首先根據包頭中的聚合標志位判斷是 否需要解聚；如需要解聚，則解聚路由節點的二級聚合包；解聚過程中，再根據路由節點的二級聚合包中的每個“傳感器節點的聚合標志位”判斷 傳感器節點的數據是否需要解聚；如需要解聚，則解聚二級聚合包中每個傳感器節點的一級聚合包，解聚過程結束。
13.按權利要求12所述的面向混合拓撲結構無線傳感器網絡的兩級包聚合方法，其特 征在于如果根據每個傳感器節點的聚合標志位判斷傳感器節點的數據不需要解聚，則解聚過 程結束；或者根據包頭中的聚合標志位判斷不需要解聚，則結束。
14.按權利要求12所述的面向混合拓撲結構無線傳感器網絡的兩級包聚合方法，其特征在于如果是傳感器節點的包，則根據包頭的聚合標志位判斷傳感器節點的數據是否需要解 聚，如果需要解聚，則按照包格式解聚傳感器節點的一級聚合包；否則結束。
全文摘要
本發明涉及一種面向混合拓撲結構無線傳感器網絡的兩級包聚合方法，步驟為將無線傳感器網絡中的各種節點搭建成網狀及星型混合拓撲結構；基于上述拓撲結構，對周期性傳感器數據，建立兩級包聚合架構；基于上述拓撲結構和聚合架構，確定包格式，進行兩級包聚合和解聚網絡中的匯聚節點根據應用配置路由節點和節點上的聚合屬性；根據聚合屬性，傳感器節點進行一級聚合，產生一級聚合包；根據聚合屬性，路由器節點進行二級聚合，產生二級聚合包；匯聚節點負責對聚合的包進行解聚。本發明方法采用網狀及星型混合拓撲結構，設計了兩級包聚合方法，降低了通信次數，減少了包頭開銷，降低了節點的能量消耗，也降低了節點間的干擾，節省了通信資源。
文檔編號H04W84/18GK101998503SQ20091001309
公開日2011年3月30日 申請日期2009年8月12日 優先權日2009年8月12日
發明者于海斌, 尚志軍, 張曉玲, 徐偉杰, 曾鵬, 楊志家, 楊淼, 梁煒 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所