基于兴趣和地址组合的无线传感器网络数据查询算法

摘要

本发明公开了一种基于兴趣和地址组合的无线传感器网络数据查询算法，定义汇集节点在询问它所关注的监测数据时广播的以属性组合构成的消息为“兴趣”。首先按照静态博弈模型分配MAC地址，每个传感器节点都建立一张兴趣表，记录每个兴趣的范围。当一个传感器节点接收到广播兴趣时，同时接收到上跳的地址，并根据兴趣表判断其后的传感器节点是否发生该兴趣，只有在其后的传感器节点发生该兴趣的情况下，继续路由兴趣，否则停止路由兴趣。本发明有效地减少了网络中无效的查询命令的传递，节约了网络网络能耗，延长了网络的生命周期，可广泛应用于无线传感器网络。

说明书

技术领域

本发明涉及基于兴趣和地址组合的无线传感器网络数据查询算法，属于电 子测控领域。

背景技术

无线传感器网络以数据为中心，数据查询作为衔接观察者与感知对象的桥 梁，是为无线传感器网络提供数据服务的基本方式，也是无线传感器网络的主 要任务。功耗是无线传感器网络的重要因素，也是数据查询算法研究的重点考 虑问题。无线传感器网络监测的对象具有不确定性和突发性，管理节点会发出 不同的“兴趣”查询，研究高效的数据查询算法，可减少无效的信息广播，提 高数据的查询效率，节省网络的通信能耗，延长传感器节点的生命周期，进而 延长整个网络的生命周期。

目前，国内外文献提出了一些数据查询算法，比较典型的算法有Flooding 算法、Gossiping算法，梳- 针查询算法、基于查询树的查询算法等。这些算法在进行数据查询时，兴趣在 全网范围内沿传感器节点逐跳向下广播，当传递到发生该兴趣的传感器节点时 ，此目的传感器节点立即将包含该兴趣的信息上传给管理节点。在兴趣的传递 过程中，带有一定的盲目性，非目的节点在进行路由兴趣时，其后的传感器节 点可能无查询的兴趣发生，这样就造成能量的无效开销，产生不必要的，缩短 了网络的生命周期。

发明内容

为了解决上述背景技术存在的技术问题，本发明旨在提供基于兴趣和地址 组合的无线传感器网络数据查询算法，解决了传统数据查询算法中对管理节点 发出的查询命令在全网盲目传递的问题。

为了实现上述的技术目的，本发明的技术方案是：

基于兴趣和地址组合的无线传感器网络数据查询算法，包括以下步骤：

第一步：兴趣命令的下行广播：汇聚节点和每个传感器节点都建立一张兴 趣表，记录兴趣命令下行路由的范围，供查询使用；传感器节点接收到兴趣命 令后查询兴趣表，若兴趣命令在兴趣表相应项的范围内，则将该兴趣命令向下 层节点广播，直到找到满足兴趣命令的目的传感器节点为止；

第二步：上行数据的路由：目的传感器节点沿着下行广播路由路径逆向上 传监测参数值，直至传至管理节点。

其中，上述第一步包括以下步骤：

1、无线传感器网络第一次启动时，进行MAC地址编码，再按照静态博弈模 型分配MAC地址，每个节点都被赋予一个原始兴趣表；

2、管理节点发出原始兴趣命令后，汇聚节点接收到该命令后查找兴趣表， 若兴趣命令在兴趣表相应项的范围内，则将本身的MAC地址加入到原始的兴趣 命令，若兴趣命令在兴趣表相应项的范围外，则产生新的兴趣命令并向下广播 ；

3、中间的传感器节点接收到兴趣命令后查找兴趣表，若兴趣命令在兴趣表 相应项的范围内，则在保存上一跳MAC地址的同时，将上一跳的MAC地址换成 本身的MAC地址，然后接着向下广播，直到找到满足兴趣命令的目的传感器节 点为止。

其中，上述第二步包括以下步骤：

1：当兴趣命令传递到目的传感器节点后，目的传感器节点沿着广播路由路 径逆向上传监测参数值；存储有广播路径的中间节点可按一定的规则被唤醒， 其余传感器节点处于休眠状态；

2：数据上传时，下层的路由传感器节点根据记录的的MAC地址唤醒上层的 路由传感器节点，并将监测数据发送给该上层的路由传感器节点；

3：上层的路由传感器节点收到数据后，查找兴趣表，并将此数据与兴趣表 中相应兴趣的范围进行比较，若此数据不在所记录的兴趣范围内，则修改兴趣 表中该兴趣的范围，然后依次上传路由，直到传送到管理节点。

其中，上述MAC地址编码的算法包括以下步骤：

1、根据预测网络部署密度进行MAC

地址分配并网络仿真，得到单播地址及地址选择频率；

2、将单播地址按照地址选择频率降序排列；

3、设中间地址j的选择频率为p(j)，对地址选择频率大于p(j)的所有地址首位 设为0，后续位采用哈夫曼编码，地址选择频率小于p(j)的所有地址首位设为1， 后续位采用定长；

4、计算中间地址j对应的编码性能参数；

5、选择不同中间地址重复第三步、第四步，比较编码性能参数确定最优混 合地址编码，中间地址j确定了两种地址编码的比例。

其中，上述静态博弈模型分配MAC地址的算法包括以下步骤：

1、定义合理地址资源的最大长度为L_max,i，传感器节点个数为m， 利用下式计算L_max,i：$L_{\max ,i}=\left(\begin{array}{cc}a& m\le 2^{2a+1}-2\\ a+1& m>2^{2a+1}-2\end{array}\right);$

2、设传感器节点i所选择的地址长度为L_i，对所选地址长度与合理地址资源 长度差值的敏感程度为α，定义传感器节点i的效益函数为：

$U_i\left(L_i\right)=\frac{1}{(\alpha -1){(L_{\max ,i}-L_i)}^{(\alpha -1)}};$

3、设权值W_i表示节点i的决策在整体效益函数中的比重，求解如下优化问 题：

$\min U\left(L\right)=\min \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{W}_i{U}_i\left(L_i\right)$

约束条件为：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{L}_i=c,$

L_i＜L_max,i，

可得：L_i＝L_max,i-(W_i/μ)^1/α，

以此式计算任意传感器节点地址长度，其中min为取最小值符号，c为常数 。

采用上述技术方案带来的有益效果是：

（1）本发明所包括的兴趣命令下行广播和上行数据MAC路由的方法，避免 了查询命令在网络中的盲目传递，减少无效的信息路由，可有效地节约传感器 节点的能耗，延长网络的生命周期。

（2）本发明所包括的静态博弈模型分配MAC地址算法，有效减少了网络中 冗余数据的传输，节约了带宽和功耗；

（3）本发明所包括的MAC地址混合编码算法，不但使得网络中预留了富余 的地址编码空间，用于支持广播地址编码及防止地址溢出，也有效减少了MAC 地址平均长度，节约了网络功耗。

附图说明

图1是本发明的总体流程图。

图2是本发明的按兴趣查询的实例示意图。

图3是本发明的兴趣命令的下行广播和上行数据的MAC地址路由的实例示意 图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示的本发明的总体流程图，基于兴趣和地址组合的无线传感器网络 数据查询算法，

在无线传感器网络建立初期，首先进行MAC地址编码，采用一种混合编码 算法对上述的MAC地址进行编码，其步骤如下：

1、根据预测网络部署密度进行MAC

地址分配并网络仿真，得到单播地址及地址选择频率。

2、将单播地址按照地址选择频率降序排列。

3、设中间地址j 的选择频率为p(j)，对地址选择频率大于p(j)的所有地址首位设为0，后续位采用 哈夫曼编码，地址选择频率小于p(j)的所有地址首位设为1，后续位采用定长。

4、计算中间地址j对应的编码性能参数。

5、选择不同中间地址重复第三步、第四步，比较编码性能参数确定最优混 合地址编码，中间地址j确定了两种地址编码的比例。

其次，按照静态博弈模型给整个无线传感器网络的节点分配MAC地址，包 括以下步骤：

1、定义合理地址资源的最大长度为L_max,i，传感器节点个数为m， 利用公式：

$L_{\max ,i}=\left(\begin{array}{cc}a& m\le 2^{2a+1}-2\\ a+1& m>2^{2a+1}-2\end{array}\right);$

计算L_max,i。

2、设传感器节点i的所选择的地址长度为L_i

，传感器节点效益对所选地址长度与合理地址资源长度差值的敏感程度为α，

定义传感器节点i的效益函数为：

$U_i\left(L_i\right)=\frac{1}{(\alpha -1){(L_{\max ,i}-L_i)}^{(\alpha -1)}}.$

3、设权值W_i

表示节点k的决策在整体效益函数中的比重，求解如下优化问题：

$\min U\left(L\right)=\min \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{W}_i{U}_i\left(L_i\right)$

约束条件为：$\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{L}_i=c,$

L_i＜L_max,i

可得：L_i＝L_max,i-(W_i/μ)^1/α。

以此式计算任意节点地址长度，其中min为取最小值的符号，c为常数。

进行静态博弈策略选择后，必须对所要选的地址进行声明获得该地址的使 用权。如果传感器节点在地址声明时，发现自己要声明的地址已经被其它的传 感器节点占用，那么要在可用地址集合中重新选择、声明。当传感器节点密度 较大时，可能会有多次地址冲突而进行重复声明，在这样的情况下，可以认为 该区域已经有足够的传感器节点参与工作，其余传感器节点可以进入休眠状态 ；当其它传感器节点失效后，再启用这些传感器节点，这样可合理利用资源， 保证网络流畅运行，同时让过剩的传感器节点参与工作，也能延长传感器网络 的生命周期。

在本发明中，称汇集节点在询问其关注的监测数据时在网络中广播以属性 组合构成的消息为“兴趣”。兴趣命令包含传感器监测参数的数值范围，其表 达形式为“X≤a”，“a﹤X﹤b”及“X≥b”三种。所有兴趣的内容，全网所 有的节点都必须理解，每个节点都可以学习新的兴趣，同时在无线传感器网络 部署阶段完成兴趣的制定。

本发明兴趣命令的下行广播是基于兴趣的广播，汇聚节点和每个路由传感 器节点都建立一张下行路由兴趣表，记录每个兴趣的范围，供查询使用。当传 感器节点接收到广播兴趣，同时接收到上跳的地址，并根据兴趣表判断其后的 传感器节点是否发生该兴趣，只有在其后的传感器节点发生该兴趣的情况下， 继续路由兴趣，否则停止路由兴趣。

如图2所示的按兴趣查询的实例示意图，查询对象为雨量。假设兴趣命令为 “雨量(rain)>30”，只有传感器节点G满足兴趣要求，雨量30在传感器节点C和 E的兴趣表中相应项的范围内。当汇聚节点S向第一层邻节点A、B、C、D广播 携带兴趣“雨量(rain)>30”的兴趣命令包时，只有传感器节点C在自己的兴趣表 中找到相应项满足“雨量>30”的条件，这样传感器节点C继续向传感器节点E 和F路由、广播兴趣命令数据包，而传感器节点A、B、D兴趣表中相应项不满 足“雨量>30”的条件，

则停止广播；同样，若没有相应记录，将收到的命令数据包丢弃，不广播。数 据传输过程中，传感器节点E接着向下层的传感器节点G和其它传感器节点路由 、广播兴趣命令数据包，当传感器节点G收到查询的兴趣命令后，将所监测到 的实时雨量值沿着查询路径上传给汇聚节点。

一次完整的数据查询包括兴趣命令的下行广播和上行数据的MAC地址路由 。

其中，本发明的兴趣命令的下行广播的具体过程为：

第一步：无线传感器网络第一次启动时，全网按照静态博弈模型分配MAC 地址，每个节点都被赋予一个原始兴趣表。

第二步：管理节点发出原始兴趣命令后，汇聚节点接收到该命令后查找兴 趣表，若兴趣命令在兴趣表相应项的范围内，则将本身的MAC地址加入到原始 的兴趣命令，若兴趣命令在兴趣表相应项的范围外，则产生新的兴趣命令并向 下广播。

第三步：中间的路由传感器节点接收到兴趣命令后查找兴趣表，若兴趣命 令在兴趣表相应项的范围内，则在保存上一跳MAC地址的同时，将上一跳的M AC地址换成本身的MAC地址，然后接着向下广播，直到找到满足兴趣命令的 目的传感器节点为止。

本发明的上行数据的MAC地址路由的具体过程为：

第一步：当兴趣命令传递到目的传感器节点后，目的传感器节点沿着广播 路由路径逆向上传监测参数值；存储有广播路径的中间传感器节点可按一定的 规则被唤醒，其余传感器节点处于休眠状态。

第二步：数据上传时，下层路由传感器节点根据记录的的MAC地址唤醒上 层路由传感器节点，并将监测数据发送给该上层路由传感器节点。

第三步：上层传感器路由节点收到数据后，查找兴趣表，并将此数据与兴 趣表中相应兴趣的范围进行比较，若此数据不在所记录的兴趣范围内，则修改 兴趣表中该兴趣的范围，然后依次上传路由，直到传送到管理节点。

如图3所示的兴趣命令的下行广播和上行数据的MAC地址路由的实例示意图 。图中实线箭头表示兴趣命令广播的下行传递方向，虚线箭头表示兴趣的上行 传递方向，图上数字为每个传感器节点的MAC地址。传感器节点A、B、C、D 都接收到汇聚节点S广播的兴趣命令，传感器节点C因其兴趣表中记录的兴趣范 围符合查询条件，则将自己的MAC地址“2”替换兴趣命令中原有的MAC地址 ，接着向传感器节点E、F广播，而传感器节点A、B、D停止广播；传感器节点 E因其兴趣表中记录的兴趣范围也符合查询条件，则将自己的MAC地址“4”替 换兴趣命令中原有的MAC地址“2”，接着向传感器节点G、H广播，而传感器 节点F停止广播；传感器节点G接收到广播消息，保存传感器节点E的MAC地址 ，然后上传监测数据。下方的表1描述了监测数据上行传递过程中的地址映射关 系。传感器节点G根据所存储的地址，唤醒上一级MAC地址为“4”的路由传感 器节点E，将数据上传；传感器节点E接收上传数据，唤醒MAC地址为“2”的 传感器节点C；传感器节点C接收上传数据，并将该数据发送给汇聚节点S，完 成数据查询过程。

表1

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围 ，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落 入本发明保护范围之内。