CN102883400B - 层级型无线传感网基于语义路由进行数据转发的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种层级型无线传感网基于语义路由进行数据转发的方法，所述层级型无线传感网为语义网络，其特征在于所述方法包括以下步骤：（1）数据采集周期内簇内成员节点采集数据；（2）成员节点对采集的数据进行处理，并将采集的数据与预设的阈值比较；如果大于阈值则将采集的数据上传簇头节点；否则丢弃数据等待下一数据采集周期进行采集数据；（3）成员节点根据采集的数据判断语义所属类型，构建数据相关的语义框架，将节点所包含的语义要素写入到语义框架中；然后成员节点用生成的语义框架进行数据分组构造，将构造好的数据分组将直接转发给簇头节点；（4）簇头节点在一个数据采集周期内，根据本簇成员节点上传的数据分组，提取数据进行数据融合；根据数据融合的结果判定事件是否发生以及判断是否需要上传转发有关事件的数据分组；（5）簇头节点判断语义所属类型，构建事件语义框架，将本簇发生事件所包含的语义要素写入到事件语义框架中；然后簇头节点用生成的事件语义框架进行数据分组构造，构造好的数据分组将直接经路由表注入网络中。

Description

层级型无线传感网基于语义路由进行数据转发的方法

技术领域

本发明属于无线传感网络路由技术领域，具体涉及一种层级型无线传感网基于语义路由进行数据转发的方法。

背景技术

在无线传感器网络体系结构中，网络层的路由技术对无线传感器网络的性能好坏有着重要影响。经过国内外学者的研究，许多针对无线传感器网络的路由协议被提了出来。从网络拓扑结构的角度，这些协议大体的可以分为两类：平面路由协议和分簇路由协议。

在平面路由协议中，所有网络节点的地位是平等的，不存在等级和层次差异。它们通过相互之间的局部操作和信息反馈来生成路由。在这类协议中，目的节点(sink)向监测区域的节点(source)发出查询命令，监测区域内的节点收到查询命令后，向目的节点发送监测数据。平面路由的优点是简单、易扩展，无须进行任何结构维护工作，所有网络节点的地位平等，不易产生瓶颈效应，因此具有较好的健壮性。典型的平面路由算法有DD(directeddiffusion)，SAR(sequential assignment routing)，SPIN(sensor protocols forinformation via negotiation)，Romor Routing等。平面路由的最大缺点在于：网络中无管理节点，缺乏对通信资源的优化管理，自组织协同工作算法复杂，对网络动态变化的反应速度较慢等。

在平面型模型中，网络配置比较简单，所有节点的地位是平等的，原则上不存在瓶颈问题，其缺点是可扩展性差；另外，平面模型中的路由协议需要每个节点维持路由表，每一个结点都需要知道到达其它所有结点的路由，因此在大规模网络中，这会消耗节点上大量的存储空间，同时随着网络能量状态变化，路径信息的频繁变化也会造成大量的路由更新计算和路由更新通信，另外由于发送信息中包含了大量路由信息，因此会引起网络中通信负担的加重。综上所述平面型模型在网络总体能耗方面缺陷比较明显。

在分簇路由协议中，网络通常被划分为簇。所谓簇，就是具有某种关联的网络节点集合。每个簇由一个簇首和多个簇内成员组成，低一级网络的簇首是高一级网络中的簇内成员，由最高层的簇首与基站BS(base station)通信。这类算法将整个网络划分为相连的区域。在分簇的拓扑管理机制下，网络中的节点可以划分为簇首节点和成员节点两类。在每个簇内，通过一定的机制选取某个节点作为簇首，用于管理或控制整个簇内成员节点，协调成员节点之间的工作，负责簇内信息的收集和数据的融合处理以及簇间转发。

分簇路由机制具有以下几个优点：1.成员节点大部分时间可以关闭通信模块，由簇首构成一个更上一层的连通网络来负责数据的长距离路由转发。这样既保证了原有覆盖范围内的数据通信，也在很大程度上节省了网络能量；2.簇首融合了成员节点的数据之后再进行转发，减少了数据通信量，从而节省了网络能量；3.成员节点的功能比较简单，无须维护复杂的路由信息。这大大减少了网络中路由控制信息的数量，减少了通信量；4.分簇拓扑结构便于管理，有利于分布式算法的应用，可以对***变化作出快速反应，具有较好的可扩展性，适合大规模网络；5.与平面路由相比，更容易克服传感器节点移动带来的问题。本发明因此而来。

发明内容

本发明目的在于提供一种层级型无线传感网基于语义路由进行数据转发的方法，解决了现有技术中普通的无线传感器网络路由数据传输带来的诸多问题。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种层级型无线传感网基于语义路由进行数据转发的方法，所述层级型无线传感网为语义网络，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）数据采集周期内簇内成员节点采集数据；

（2）成员节点对采集的数据进行处理，并将采集的数据与预设的阈值比较；如果大于阈值则将采集的数据上传簇头节点；否则丢弃数据等待下一数据采集周期进行采集数据；

（3）成员节点根据采集的数据判断语义所属类型，构建数据相关的语义框架，将节点所包含的语义要素写入到语义框架中；然后成员节点用生成的语义框架进行数据分组构造，将构造好的数据分组将直接转发给簇头节点；

（4）簇头节点在一个数据采集周期内，根据本簇成员节点上传的数据分组，提取数据进行数据融合；根据数据融合的结果判定事件是否发生以及判断是否需要上传转发有关事件的数据分组；

（5）簇头节点判断语义所属类型，构建事件语义框架，将本簇发生事件所包含的语义要素写入到事件语义框架中；然后簇头节点用生成的事件语义框架进行数据分组构造，构造好的数据分组将直接经路由表注入网络中。

优选的，所述方法中语义框架包括节点的网络区域、节点类型、功能类型。

优选的，所述方法步骤（3）中成员节点按照如下步骤进行语义框架构建：

A1）提取成员节点的网络范围，生成地理位置信息；

A2）提取成员节点的功能，生成节点功能信息；

A3）提取成员节点的节点类型，生成节点类型信息；

然后将生成的内容进行形式化处理构建成语义框架。

优选的，所述方法步骤（3）中簇头节点按照如下步骤进行事件语义框架构建：

B1）提取簇头节点的网络范围，生成地理位置信息；

B1）提取所发生事件的事件类型，生成事件类型信息；

然后将生成的内容进行形式化处理构建成事件语义框架。

优选的，所述方法步骤（5）还包括簇头节点按照语义路由表上传转发有关事件的数据分组后，上层路由节点进行判断是否到达sink节点；当没有达到sink节点，上层路由节点接受语义数据，更新语义框架内容，组织自区域和下层数据上传；否则当上层路由节点达到sink节点时，结束数据转发的过程。

优选的，所述方法步骤（4）簇头节点进行数据融合后，判断数据融合的结果是否与原语义不符；当与原语义不符时构造事件语义框架，上传转发有关事件的数据分组；当与原语义相符时更新簇头节点的属性值。

本发明提供了一种新的WSN语义路由算法，通过融入语义，提出一种新的路由算法，提高路由效率，达到延长网络生命周期的目的。算法首先确立无线传感网中的语义定义和表达形式，当数据转发条件满足时，通过无线传感网语义定义和分类阶段产生的语义作为路由依据，对数据分组中的语义同路由器中网络语义进行匹配，确定数据转发的方向。在该算法中，节点只需关心自己通信范围内的邻居节点，不需要关心网络整体的情况，算法冗余数据少，节能性好，网络生存周期理想。该算法同时也可以为无线传感网的实时、交互操作研究提供一定基础。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

本发明技术方案层级型无线传感网基于语义路由进行数据转发的方法相对于现有技术中数据转发方法（如DD、LEACH）在能耗上，节点的能耗大大降低，数据传输的稳定性得到较大的提高。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为层级型无线传感网基于语义路由进行数据转发的方法的流程示意图。

图2为本发明语义网络的图形表示实例；

图3为本发明语义网络内语义表达节点存储内容；

图4为本发明语义网络构建的网络语义框架体系；

图5为本发明语义网络Under Layer Node Type Semantic语义框架体系；

图6为本发明语义网络Under Layer Function Semantic语义框架体系；

图7为本发明语义网络Under Layer Event Semantic语义框架体系；

图8为本发明语义网络Self Node Type Semantic语义框架体系；

图9为本发明语义网络Self Function Semantic语义框架体系；

图10为本发明语义网络Self Event Semantic语义框架体系；

图11为本发明路由算法与LEACH算法、DD算法的节点死亡率数据比较结果。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例

如图1所示，本实施例层级型无线传感网基于语义路由进行数据转发的方法具体实施时具体步骤如下：

S1)在一个数据采集周期，各簇各节点采集数据。

S2)节点将采集数据简单处理，与阈值比较，若大于则需上传簇头。

S3)节点若需要上传数据，则判断语义所属类型，建立一个新的框架，将节点所包含的语义要素写入到框架中。

S4)节点用生成的语义框架进行数据分组构造，构造好的数据分组将直接转发给簇头。

S5)簇头在一个数据采集周期内，根据本簇普通节点上传的数据分组，提取数据进行数据融合，判定事件是否发生，是否需要转发这个有关事件的数据分组。

S6)若需要，则判断语义所属类型，建立一个新的框架，将本簇发生事件所包含的语义要素写入到框架中。

S7)簇头用生成的事件语义框架进行数据分组构造，构造好的数据分组将直接经路由表注入网络中。

以下进行具体的说明，该方法涉及两部分内容，一部分为确定网络模型与网络语义；另一部分为基于语义路由的数据转发。

（一）确定网络模型与网络语义：

1、确定网络模型

在层级型网络模型中，网络中的某些节点，在数据传送过程中会扮演不同角色的转发者，而整个网络中转发者角色会有几个级别，因此称这这种模型为层级型。一个简单的层级型网络的例子是，无线传感网内有一定数量的sink节点，sink节点可以与用户端直接通信；sink节点周边的节点按照分布区域自组成若干个簇，每簇选举一个簇头节点，簇内节点只同簇头节点通信，而由sink节点同簇头节点通信。我们把sink节点集合记作S，簇头节点集合记作L，普通非簇头节点集合记作N，则网络中节点间通信关系可以二元组表示为（S，L）和（L，N）。整个网络中|S|/|N|应该大于1/50 0，网络中的sink节点比例不能过小。同时为了保证层次型网络的严密性和网络整体通信方式的简化，同一层次中的节点ni，nj即使互相在通信范围内，能够互相通信，也不应该建立通信关系，而是要通过上一层次的节点来代理它们之间的通信。我们把这种层级型无线传感网模型，成为2-级式网络。较为复杂的层次型网络则是在上述简单层次型上进行扩展。

在平面型结构与层级型结构中，在数据转发的过程中，数据分组的目的节点数量可以快速收敛，这样就可以最低限量的占用网络带宽和消耗网络中各中转节点的能量。同时数据分组所经过的路径也是相对较短的。而语义路由是一种智能动态路由，其作用也是减少候选下层路基于语义的路由查询也需要网络中有层级结构。因此我们的网络模型选择层级式网络模型。

2、确定网络语义

部署在某一地区内，可以提供某种服务的无线传感网我们可以用自然语言描述它所部署的位置、具有的功能、网络中的节点类型，也可以用自然语言描述该网络某一部分的部署的位置、具有的功能、节点类型等。例如当我们可以说“部署在A区域内的部分网络有声音和图像两种节点，能够提供声音监测和拍照服务”。在这个句子中，“A区”、“声音”、“图像”、“声音监测服务”、“拍照服务”，这些单词从几个角度描述了某一区域内无线传感网的属性特点。我们可以将这些单词称为局域网络表现出的语义，或网络具有的语义。

由无线传感网中语义的定义我们可以看到网络中语义主要来源。各局部网络的地理位置信息、功能信息、能量状态信息、节点类型信息等。整体网络中各局部网络的地理位置信息，大范围部署的无线传感网肯定也覆盖大面积的地理范围，在部署区域内某一小区域中的事件或数据必须标识其所在的区域，而这个区域是现实存在的，这个区域内的局部网络也就具备了区域名称，或区域地理位置信息这样一种语义。网络中的节点可能提供几种不同的功能给用户，局部的网络也可能具备几种功能提供给用户，这样节点和局部网络所能提供的功能类型信息也是一种语义。因为无线传感网节点使用电池供电，所以对能量敏感，网络中的能量状态信息需要能够表现出来，因此节点的能量状态是一种语义。在大规模部署无线传感网中，会有不同类型的感知节点，因为网络要提供多种服务，也因为网络支持可扩展，会在不同时间部署不同类型节点，所以节点类型也是主要的语义之一。

一个网络要能够支持语义路由，首先网络需要是语义化的网络。语义化的网络是将节点按语义分类组成一个多层网络，每层包含多个基于Chord协议的语义子网，每个子网代表一个语义类型，具有相同语义类型的资源聚集到同一子网中，节点按物理位置和能力相近的原则归入各子网，让能力大的节点承担更多的工作量，每个子网在上一层都有一个上级子网，在上级子网中又有一个或多个上级节点，子网内节点通过上级节点代理完成路由及路由表维护等工作。图2是一个语义网络的图形表示，图2中AA区和AB区两个圆点代表最底层的两个子网，在实际的网络中，它们是两个感知节点，我们讲两个节点暂时命名为aa，ab，它们周围的感知节点以它们为路由器，组成了AA区，AB区两个子网，同时两个子网的语义内容也存储在aa，ab两个节点中。将aa节点称作A A区的语义表达节点，同样ab节点是AB区的语义表达节点。AA区，AB区子网一起（实际网络中将有更多的子网）构成了A区子网。A区子网中也由一个传感器节点a来做该子网的语义表达节点，同时a也是A区的路由器节点。节点a中存放AA区、A B区子网的语义，并存放指向AA区、AB区的路由出口指针，以及指向上层区域的路由出口指针。将AA区、AB区子网的语义进行综合后得到A区子网语义，也存放于节点A中，节点A最后还要将A区子网语义上传到其上一层语义子网的路由器中去。图3表明了A区的语义表达节点a中存放的信息。如上文所述。

3、用框架体系来表达无线传感网中语义

目前，常用的知识表示方法有产生式表示法和框架表示法。产生式表示法具有清晰性、模块性、灵活性等特点。但它的不足之处在于：简单的产生式***由于各条规则相互独立，知识的表达能力较差，且按顺序检索，在复杂问题的求解过程中效率较低。并且，如果用“I F前提TH  EN结论”的形式实现时，把知识库用程序编码来实现，使***的通用性和用户的可维护性都受到很大限制。框架表示法是一种结构化的知识表示形式，适合于表示固定的概念、事件和行为。并且，它是一种多层次的数据结构，框架下面可以设立子框架，各框架之间也可以通过槽的关联构成框架网络。表达能力非常强，适合于表示操作规则和***领域知识。框架表示法的另一优点是：对于同一种类型的知识，可以用一个通用的数据结构进行存储，当新的情况发生时，只要将新数据填入框架即可，修改、扩充非常方便。所以在为用户端语义选择表示方式时，我们择了框架表示法，看重的是它用通用的数据结构来管理同类型知识，并且对语义内容的可扩展性有良好的支持。图4是构造的表达网络语义的框架体系中的主要框架***。图5中语义框架的基本结构包括：语义框架的类型（AKO），语义框架的名称，语义框架来源的局部网络名称，局部网络中节点的类型的数量，节点类型的名称。图5为UnderLayer Node Type Semantic；图6为Under Layer Function Semantic；图7为Under Layer Event Semantic，类似于图5，图6、7存在于第二层路由器及更高层路由器中的用于表达底层局部网络所提供功能、发生事件的语义框架。

图8为Self Node Type Semantic；图9为Self Function Semantic；图10为Self Event Semantic；图8表示用于表达路由器所代理的局部网络中节点类型语义。这种Self Node Type Semantic框架在路由器节点中由路由器节点的Under Layer Node Type Semantic生成，然后路由器节点将这个框架提交给上自己的一级路由器。图9、图10所示框架的生成方式和表达的语义来源相同，同样也保存在路由器中并提交给上层路由器。不同的是框架内容来源于Under Layer Function Semantic、Under Event Semantic。

（二）基于语义路由的数据转发：

以具有两层路由器的（不包括sink）的层次网络物理结构的建立为例，首先进行底层簇的建立，簇头（同时也是第一层路由器）的选择。

在部署节点时已经将节点所处的区域名称写入了节点。网络中节点部署完毕后，所有节点同时启动，在具有相同区域名称的节点中，同在一个小范围内的感知节点自组织成簇，这个过程的关键是簇的初始化。簇头通过模拟退火算法选择，簇头选定完毕后，簇头向周边节点广播邀请加入其所在簇的请求。非簇头头节点，接到请求后加入该簇，如果同时接到两个簇头节点的请求，则选择通信信号较强簇头的加入其簇。由此则可以完成网络最底层的簇建立。需要说明的是，簇头节点也被定义为第一层路由器。

然后进行第二层路由器的选择。最底层的簇建立完毕，第一层次中的路由器都选定后，开始第二层次的构造。首先，所有簇头节点都尝试同基站sink建立通信，能够同sink直接通信的簇头节点便用作第二路由层的路由器，记作集合SR2。当这些簇头节点确立自己的第二层路由器地位后，它们需要各自同自己所在簇外延方向的其他簇建立连接，将这些簇的簇头作为自己的下级路由器。与外簇建立连接时，簇头通过选择边界节点与外簇建立连接所有能够与外簇通信的边界节点中，选择节点能量与此节点到外簇簇头距离比值最大的节点。

1、网络语义申明及路由表的建立

第一阶段，网络中基础语义由簇头节点统计。在前文的簇建立之后，簇成员节点将自己的功能类型和节点类型，能量状态信息提交给簇头节点，簇头节点将簇成员提交的上述信息进行整理，具体过程是将首先将同类型功能合并，得到结果是本簇支持的所有功能类型；然后将同样的节点类型合并，得到本簇中所有的节点类型；最后计算能量状态平均值。这个过程完成后簇头节点中可以产生本局域功能和本局域节点类型两个语义框架。

第二阶段，层级网络结构已经建立完毕，全网中簇头对基础语义的统计完成，簇头节点开始将自身的两个语义框架提交给上级路由节点，同时簇头节点保存指向上层路由节点的指针，上层路由节点保存当前通信簇头的指针。上级路由节点融合下级路由节点上传的语义框架中内容更新自己的语义框架内容。

第三阶段，各级路由节点执行第二阶段，直到sink节点更新完语义框架。

2、数据分组构造

基本监测节点的网络区域、节点类型、功能类型。这些语义要素就是一个语义框架的基本内容，然后将这些基本内容形式化建立一个语义框架。

首先基本监测节点根据监测到得数据与自己的阈值比较，若大于阈值说明有上传簇头的必要，判定语义所属的类型，并根据类型建立一个新的框架。然后将节点所包含的语义要素写入到框架中。

其过程是：

1）、提取基本监测节点的网络范围，生成地理位置信息。

2）、提取基本监测节点的功能，生成节点功能信息

3）、提取基本监测节点的节点类型，生成节点类型信息。

用生成的普通监测节点语义框架进行数据分组构造，构造好的数据分组将直接转发给簇头。

簇头在一个数据采集周期内，根据本簇普通节点上传的数据分组，提取数据进行数据融合，判定事件是否发生，是否需要转发这个有关事件的数据分组。若需要，建立一个新的框架，将本簇发生事件所包含的语义要素写入到框架中，其过程是：

1）提取簇头节点的网络范围，生成地理位置信息。

2）提取所发生事件的事件类型，生成事件类型信息。

在上述基础上，用生成的事件语义框架进行数据分组构造，构造好的数据分组将直接经路由表注入网络中。

如图11所示，在同等节点规模的网络中，本路由算法的首个节点能量耗尽的时间是LEACH算法的2倍左右，同时也是DD算法的7倍左右。全部节点能量耗尽的时间大概是LEACH算法的2倍多，相对于DD算法更优。这表明本路由算法延长了网络的生命周期，同时使得能量的消耗更加均匀的由所有节点担负，避免了单一节点因为能量消耗过多而导致过早的死亡。本算法一半节点存活的时间大概是LACH算法的2倍，是DD算法的8倍左右，这说明随着网络区域的扩大，与传统路由算法相比，本路由算法的性能进一步提高。

另外，本路由算法通过建立的语义机制减少了网络中的冗余数据，使得能量利用更加有效，相同的能量能够传送更多有用数据。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种层级型无线传感网基于语义路由进行数据转发的方法，所述层级型无线传感网为语义网络，其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1)数据采集周期内簇内成员节点采集数据；

(2)成员节点对采集的数据进行处理，并将采集的数据与预设的阈值比较；如果大于阈值则将采集的数据上传簇头节点；否则丢弃数据等待下一数据采集周期进行采集数据；

(3)成员节点根据采集的数据判断语义所属类型，构建数据相关的语义框架，将节点所包含的语义要素写入到语义框架中；然后成员节点用生成的语义框架进行数据分组构造，将构造好的数据分组直接转发给簇头节点；

(4)簇头节点在一个数据采集周期内，根据本簇成员节点上传的数据分组，提取数据进行数据融合；根据数据融合的结果判定事件是否发生以及判断是否需要上传转发有关事件的数据分组；

(5)簇头节点判断语义所属类型，构建事件语义框架，将本簇发生事件所包含的语义要素写入到事件语义框架中；然后簇头节点用生成的事件语义框架进行数据分组构造，构造好的数据分组将直接经路由表注入网络中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法中语义框架包括节点的网络区域、节点类型、功能类型。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法步骤(3)中成员节点按照如下步骤进行语义框架构建：

A1)提取成员节点的网络范围，生成地理位置信息；

A2)提取成员节点的功能，生成节点功能信息；

A3)提取成员节点的节点类型，生成节点类型信息；

然后将生成的内容进行形式化处理构建成语义框架。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法步骤(5)中簇头节点按照如下步骤进行事件语义框架构建：

B1)提取簇头节点的网络范围，生成地理位置信息；

B1)提取所发生事件的事件类型，生成事件类型信息；

然后将生成的内容进行形式化处理构建成事件语义框架。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法步骤(5)还包括簇头节点按照语义路由表上传转发有关事件的数据分组后，上层路由节点进行判断是否到达sink节点；当没有达到sink节点，上层路由节点接受语义数据，更新语义框架内容，组织自区域和下层数据上传；否则当上层路由节点达到sink节点时，结束数据转发的过程。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法步骤(4)簇头节点进行数据融合后，判断数据融合的结果是否与原语义不符；当与原语义不符时构造事件语义框架，上传转发有关事件的数据分组；当与原语义相符时更新簇头节点的属性值。