CN107148034A - 基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理方法和*** - Google Patents

基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理方法和*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理方法，包括：根据网格生成算法，将监测区域划分为多个地理网格区域；生成多个网格内移动代理，由多个网格内移动代理实现对应的地理网格区域内的网格内信息融合；在完成网格内信息融合后，生成网格间移动代理，并由网格间移动代理实现多个地理网格区域之间的网格间信息融合。本申请采用地理信息网格方法将整个WSNs区域划分为正方形的多个网格，相邻网格中个的任意两个节点均距离一跳；由网格内移动代理和网格间移动代理这两种不同类型的移动代理来完成管理信息的收集。通过移动代理代替了C/S模式中复杂的控制命令，由此保证了任务执行的实时性，同时降低了能耗。

Description

基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理方法和***
技术领域
本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别涉及基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理方法和***。
背景技术
在WSNs(Wireless Sensor Network，无线传感器网络)的多数应用的场景中，在监测区域附近会部署大量廉价的、具有一定数据感知能力和感知半径的传感器节点，以规律或无规律的方式散布成一个静态的网络。由于传感器节点没有无线基础设施的支持，且往往散布在自然条件未知、恶劣、无人值守或是地处于敌占区的地理环境中，电池往往不可拆卸或无法进行更换。因此，WSNs的主要设计目标之一就是在尽量降低网络能量消耗的同时尽可能的延长整个网络的工作寿命。为了降低能耗，必须对WSNs网络层的路由技术的加以研究。基于簇结构的路由具有高效的能量利用率、简便的拓扑管理、简单的数据融合效果等优势，成为目前WSNs路由领域重点研究的技术。目前，WSNs中的簇算法可划分为以下四种：PSO(Particle Swarm Optimization，粒子群优化)方法、Sink扩散方法、节点生成方法、负载平衡方法。
比较经典的层次化分簇算法是LEACH(Low Energy Adaptive ClusteringHierarchy，低功耗自适应集簇分层型协议)，它通过动态随机选举簇首来延长网络的生存期，其他节点将簇首节点的信号强度作为依据来判断是否加入该簇。LEACH将整个通信任务划分为“轮”(Round)，每一轮由初始化和稳定工作两个阶段组成。文献提出一种分簇算法来平均消耗各簇内节点的能耗，但前提是每个节点都可感知全网拓扑，显然不适用于大规模多跳的WSNs。WCA在选择簇头时考虑了邻居节点的移动特性、剩余能量和传输功率等因素，使簇头能控制所有簇内节点的负载而不影响***性能，但这种算法依赖于节点之间互相交换同步时钟的机制，仅限于规模较小的网络。SCA算法采用了能量模型，以最小化网络消耗能量为目标，但由于其算法过于复杂且并没有给出较详细的网络性能分析，所以无法给出估计在网络中所形成的簇头的数量。ANDA算法通过最优化簇范围和簇头分配来延长网络的寿命，但要求簇头数目提前给出，提前需获知网络内所有的节点数和网络拓扑。HEED提出的一种算法均以节点剩余能量为参数选择簇头，在一定程度上也可实现簇头在任务区域内的较均匀分布，但在多跳WSNs的某些应用场合，以节点剩余能量为要素来选择作为簇头的首要条件并不充分，其他因素比如节点的地理位置信息也同样重要。
另一种解决WSNs的网络组织结构的方法是基于虚拟区域划分的算法，其中比较典型的是GAF(Geographical Adaptive Fidelity，地域自适应保真算法)，它根据节点位置将网络划分为多个四边形网格。TTDD(Two-tier Data Dissemination)算法解决了GAF算法的静态划分网格的不足，提出一种以源节点为中心的动态网格划分策略。但以上方法都没有考虑WSNs的网络管理问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理方法和***。
本发明为了达到上述目的，采用的技术方案是：一种基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理方法，包括以下步骤：
根据网格生成算法，将监测区域划分为多个地理网格区域；
生成多个网格内移动代理，由所述多个网格内移动代理实现对应的所述地理网格区域内的网格内信息融合；
在完成网格内信息融合后，生成网格间移动代理，并由所述网格间移动代理实现所述多个地理网格区域之间的网格间信息融合。
优选地，所述多个地理网格区域为面积相等且相邻的正方形地理网格区域。
优选地，在根据网格生成算法，将监测区域划分为多个地理网格区域的所述步骤之后还包括：
根据簇首产生算法，在每个所述地理网格区域内生成簇首节点。
优选地，生成多个网格内移动代理，由所述多个网格内移动代理实现对应的所述地理网格区域内的网格内信息融合的所述步骤包括：
由管理器生成所述多个网格内移动代理；
将携带有管理请求的所述多个网格内移动代理通过汇聚节点分配到对应的所述地理网格区域的所述簇首节点；
在每个所述地理网格区域内，根据拓扑结构，所述簇首节点动态生成网格内移动代理迁移路径；
根据所述网格内移动代理迁移路径，由所述网格内移动代理完成所述地理网格区域内的所有节点的信息融合，并将采集的信息返回至所述簇首节点。
优选地，在完成网格内信息融合后，生成网格间移动代理，并由所述网格间移动代理实现所述多个地理网格区域之间的网格间信息融合的所述步骤包括：
在完成网格内信息融合后，由所述汇聚节点生成所述网格间移动代理；
由所述网格间移动代理将每一所述地理网格区域的所述簇首节点所采集的网格信息进行网格间信息融合，并将融合后的信息返回至所述汇聚节点。
相应地，本发明还提供一种基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理***，其特征在于，包括管理器和汇聚节点，
所述管理器，用于根据网格生成算法将监测区域划分为多个地理网格区域，还用于生成多个网格内移动代理，通过所述多个网格内移动代理实现对应的所述地理网格区域内的网格内信息融合；
所述汇聚节点用于生成网格间移动代理，并通过所述网格间移动代理实现所述多个地理网格区域之间的网格间信息融合。
优选地，所述多个地理网格区域为面积相等且相邻的正方形地理网格区域。
优选地，所述管理器还用于根据簇首产生算法，在每个所述地理网格区域内生成簇首节点。
优选地，所述管理器还用于将携带有管理请求的所述多个网格内移动代理通过所述汇聚节点分配到对应的所述地理网格区域的所述簇首节点；在每个所述地理网格区域内，根据拓扑结构，所述簇首节点动态生成网格内移动代理迁移路径；根据所述网格内移动代理迁移路径，由所述网格内移动代理完成所述地理网格区域内的所有节点的信息融合，并将采集的信息返回至所述簇首节点。
优选地，所述网格间移动代理将每一所述地理网格区域的所述簇首节点所采集的网格信息进行网格间信息融合，并将融合后的信息返回至所述汇聚节点。
本发明有如下优点：本发明提供的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理方法，采用地理信息网格方法将整个WSNs区域划分为正方形的多个网格，相邻网格中个的任意两个节点均距离一跳；由网格内移动代理和网格间移动代理这两种不同类型的移动代理来完成管理信息的收集。通过移动代理代替了C/S模式中复杂的控制命令，由此保证了任务执行的实时性，同时降低了能耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示本发明一实施例提供的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理方法的流程图；
图2所示本发明另一实施例提供的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理方法的流程图；
图3所示为本发明提供的地理网格区域划分的原理图；
图4所示本发明一实施例提供的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理***的原理图；
图5所示本发明一实施例提供的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理***的应用场景示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1所示本发明一实施例提供的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理方法的流程图。如图1所示，本发明的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理方法包括以下步骤：
步骤S1：根据网格生成算法，将监测区域划分为多个地理网格区域；
在本实施例中，所述多个地理网格区域为面积相等且相邻的正方形地理网格区域。
步骤S2：生成多个网格内移动代理，由所述多个网格内移动代理实现对应的所述地理网格区域内的网格内信息融合；
步骤S3：在完成网格内信息融合后，生成网格间移动代理，并由所述网格间移动代理实现所述多个地理网格区域之间的网格间信息融合。
在本实施例中，采用地理信息网格方法将整个WSNs区域划分为正方形的多个网格，相邻网格中个的任意两个节点均距离一跳；由网格内移动代理和网格间移动代理这两种不同类型的移动代理来完成管理信息的收集。通过移动代理代替了C/S模式中复杂的控制命令，由此保证了任务执行的实时性，同时降低了能耗。
图2所示本发明一实施例提供的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理方法的流程图。如图2所示，本发明的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理方法包括以下步骤：
步骤S10：根据网格生成算法，将监测区域划分为多个地理网格区域；
具体地，在本实施例中，在监测区域范围内，按照相应的网格生成算法，将监测区域划分为面积相等且相邻的正方形地理网格区域，每个地理网格区域包括多个节点。
进一步地，图3所示为本发明提供的地理网格区域划分的原理图，如图3所示，设无线传感器的监测区域A的面积为M，假设将不规则区域A嵌入一个矩形进行分析。以区域的左下角为原点，把区域A均匀分割成多个边长为r的正方形网格，则整个网络的网格构造及编号规则如图3所示。
这里，我们首先给出两个定义：
相邻节点：任意两个可以通信距离为1跳的节点称为相邻节点。
相邻网格：若两个网格内的任意两个节点都互为相邻节点，则称这两个网格为相邻网格。
如图3所示，为了使中心网格可以与周围8个网格互为相邻网格，以节点的通信半径作为相邻网格中任意两节点的最远距离，则可知网格的边长r与节点通信半径R的关系必须满足：
(2·r)2+(2·r)2≤R2 (1)
则可得出优选地，节点通过GPS模块或其他已知方法获得自己在网络中的坐标[x,y]，则依据公式(2)计算自己所属的网格序号[Cx,Cy]。其中，表示向上取整符号。例如，网格G1的序号为[1,1]。
步骤S20：根据簇首产生算法，在每个所述地理网格区域内生成簇首节点；
具体地，在每个网格内都按簇首(Cluster Head)产生算法生成一个簇首节点，负责对本网格内各节点的信息采集和管理，每对相邻网格内的任意两个节点间均可直接通信。在本实施例中，通过能量均衡策略生成簇首节点。
具体地，，当节点被划分到网格之后，需立即获知自己的地理坐标、所属网格序号、剩余能量和节点状态。其中，节点状态分为3种：初始态、簇成员、簇头。初始时，节点将自己的状态设置为初始态，每个节点都在(0,Ti)的延迟内随机选择一个时间发送一个簇确认消息CCM(Cluster Confirm Message)，CCM信息格式为：[节点ID、所属网格ID、地理坐标、剩余能量、节点状态]。
CCM为一跳之内的广播消息，网格内每个节点通过交换CCM消息获知本网格内所有节点的详细参数信息，并在节点缓存(Cache)中建立CCM表，表中的每一行即是网格内邻居节点的CCM信息。每个节点依据CCM表比较自己与其他邻居节点的剩余能量信息，若发现自己剩余能量最大，则将节点状态设为簇头态，并在Ti延迟结束后广播发送簇头消息CHM(Cluster Head Message)。CHM信息格式为：[节点ID、所属网格、地理坐标、节点状态]。接收到CHM消息的网格内节点随即将自身状态设置为簇成员状态，至此簇结构形成。
簇首节点的选取时基于最大剩余能量，簇首节点负责对本网格内所有节点的管理，由此形成一个层次化的网络管理结构。簇首节点将消耗比簇内成员节点更多的能量，为了实现能耗均衡，优选地，本申请采取如下的簇首轮换策略：设置多级能量阀值Ei,(i＝1,…,n)，当簇首节点发现自己的剩余能量达到阀值E1时，立刻将自身状态设为初始态，随即发出CCM消息，收到此CCM消息的网格内节点若发现其节点ID为簇头，则立刻开始新一轮的簇头选择过程。若簇内所有节点的剩余能量均达到阀值E1，则阀值E1自动降为E2，重新开始簇头选择过程。
为了防止簇头故障或失败，簇头需定期的广播CHM以声明自己的存在，若簇内成员节点发现簇头的广播消息超过时间阀值Tt仍未到达，则认为簇头失败，网格内所有节点重新开始新一轮簇头的选择过程。
步骤S30：由管理器生成所述多个网格内移动代理；
步骤S40：将携带有管理请求的所述多个网格内移动代理通过汇聚节点分配到对应的所述地理网格区域的所述簇首节点；
步骤S50：在每个所述地理网格区域内，根据拓扑结构，所述簇首节点动态生成网格内移动代理迁移路径；
步骤S60：根据所述网格内移动代理迁移路径，由所述网格内移动代理完成所述地理网格区域内的所有节点的信息融合，并将采集的信息返回至所述簇首节点；
步骤S70：在完成网格内信息融合后，由所述汇聚节点生成所述网格间移动代理；
步骤S80：由所述网格间移动代理将每一所述地理网格区域的所述簇首节点所采集的网格信息进行网格间信息融合，并将融合后的信息返回至所述汇聚节点。
本发明提供的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理方法利用两种类型的移动代理来分别进行网内传感节点进行层次化的融合。与C/S和基于簇的管理模型相比，具有以下优势：
(1)节能与能量均衡。C/S模型中各网络节点分别向汇聚Sink节点发送管理信息，容易形成网络流量的大规模“浪涌”和数据分组的发送与接收冲突，从而造成数据分组的丢失重传和排队时间的增加，导致网络能耗的极大增加。基于簇首的管理模型中各簇内节点也按照类似于C/S模型中的计算模式向簇首发出管理信息，面临着同样的问题。本发明采用基于移动代理的计算模型，考虑了Sink节点与各簇首节点的路由选择问题。同时，为防止簇首节点由于任务过重导致能量过早耗尽，采用轮换制的簇首选举策略，一定范围内实现了负载平衡。
(2)数据融合与拓扑发现。WSNs中各节点将以较大概率产生较高的数据冗余度，不经处理直接传输会导致网络性能的急剧下降。本发明采用二次融合策略，极大的减少了网络的传输开销。同时，网格内通过簇首节点之间分别向Sink节点传递CHM表实现了网络抽象拓扑图在Sink节点的建立。Sink节点可获得整个网络的虚拟拓扑关系，从而对整个网络进行更有效的管理。
(3)带宽利用和数据延迟。移动代理可在本地处理数据和进行融合，极大的节省了网络带宽。移动代理在进行迁移的过程中并不需要整个WSNs都处于活跃状态，而只需与相关节点之间进行短暂的连接。这样，可以扩展算法性能，调整网络中的部分节点可周期性的进入休眠状态，进一步减少网络能耗。WSNs对数据传输的实时性要求较高，当网络传输路径出现问题，而节点又距离Sink节点多跳的环境下，很难保证数据以较小的延迟被发送至Sink节点。移动代理可在本地对数据进行处理，对环境具有良好的适应能力，可很快的将相关信息传递至Sink节点。
(4)可扩展性。当有新节点被部署进入网络时，节点可立即启动簇首建立算法的流程，从而产生新的簇首，新节点可很快的加入到相关的网格中，并不需要进行太多的算法处理。
图4所示本发明一实施例提供的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理***的原理图；图5所示本发明一实施例提供的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理***的应用场景示意图。如图4所示，本发明提供的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理***包括管理器10和汇聚节点20。所述管理器10用于根据网格生成算法将监测区域划分为多个地理网格区域，还用于生成多个网格内移动代理，通过所述多个网格内移动代理实现对应的所述地理网格区域内的网格内信息融合；所述汇聚节点20用于生成网格间移动代理，并通过所述网格间移动代理实现所述多个地理网格区域之间的网格间信息融合。
具体地，在本实施例中，在监测区域范围内，按照相应的网格生成算法，将监测区域划分为面积相等且相邻的正方形地理网格区域，每个地理网格区域包括多个节点。
进一步地，所述管理器还用于根据簇首产生算法，在每个所述地理网格区域内生成簇首节点。具体地，在每个网格内都按簇首(Cluster Head)产生算法生成一个簇首节点，负责对本网格内各节点的信息采集和管理，每对相邻网格内的任意两个节点间均可直接通信。在本实施例中，通过能量均衡策略生成簇首节点。
进一步地，所述管理器还用于将携带有管理请求的所述多个网格内移动代理通过所述汇聚节点分配到对应的所述地理网格区域的所述簇首节点；在每个所述地理网格区域内，根据拓扑结构，所述簇首节点动态生成网格内移动代理迁移路径；根据所述网格内移动代理迁移路径，由所述网格内移动代理完成所述地理网格区域内的所有节点的信息融合，并将采集的信息返回至所述簇首节点。
进一步地，所述网格间移动代理将每一所述地理网格区域的所述簇首节点所采集的网格信息进行网格间信息融合，并将融合后的信息返回至所述汇聚节点。
在本申请中，管理器是网络管理的起点，可提供面向用户的图形界面窗口GUI，负责网格内移动代理的产生并向WSNs发出管理请求。汇聚节点位于WSNs中，是WSNs的一部分。在WSNs的网络管理中，汇聚节点负责与管理器的通信，是所有网格内簇首节点的上级节点，负责网内所有被管节点管理信息的汇总。管理器和汇聚节点之间可通过光纤、卫星等方式直连或间接连接。网格的主要作用在于划分同级别移动代理的工作域，以实现多个移动代理之间的分工与协作。每个网格中的簇首节点负责对整个网格的管理和信息的采集，整个网络可形成一个层次化的管理框架。
所采用的移动代理包结构及描述如表1所示：
表1移动代理MA的包结构与描述
其中，AgentTypeID表示MA的类型标志，0表示此MA为网格内MA，1则表示此MA为网格间MA。GridID表示MA所归属的网格。LifeTime表示此MA的生存时间，当MA在设定时间内没有返回簇首节点时，认为该MA自动死亡，簇首会在其缓存中提取MA的相应代码并重新发送该MA完成相应的任务。
在本实施例中，采用地理信息网格方法将整个WSNs区域划分为正方形的多个网格，相邻网格中个的任意两个节点均距离一跳；由网格内移动代理对本网格内的节点进行信息融合操作，由网格间移动代理这所有网格的簇首节点进行二次信息融合操作。通过移动代理代替了C/S模式中复杂的控制命令，由此保证了任务执行的实时性，同时降低了能耗。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据网格生成算法，将监测区域划分为多个地理网格区域；
生成多个网格内移动代理，由所述多个网格内移动代理实现对应的所述地理网格区域内的网格内信息融合；
在完成网格内信息融合后，生成网格间移动代理，并由所述网格间移动代理实现所述多个地理网格区域之间的网格间信息融合。
2.根据权利要求1所述的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理方法，其特征在于，所述多个地理网格区域为面积相等且相邻的正方形地理网格区域。
3.根据权利要求1所述的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理方法，其特征在于，在根据网格生成算法，将监测区域划分为多个地理网格区域的所述步骤之后还包括：
根据簇首产生算法，在每个所述地理网格区域内生成簇首节点。
4.根据权利要求3所述的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理方法，其特征在于，生成多个网格内移动代理，由所述多个网格内移动代理实现对应的所述地理网格区域内的网格内信息融合的所述步骤包括：
由管理器生成所述多个网格内移动代理；
将携带有管理请求的所述多个网格内移动代理通过汇聚节点分配到对应的所述地理网格区域的所述簇首节点；
在每个所述地理网格区域内，根据拓扑结构，所述簇首节点动态生成网格内移动代理迁移路径；
根据所述网格内移动代理迁移路径，由所述网格内移动代理完成所述地理网格区域内的所有节点的信息融合，并将采集的信息返回至所述簇首节点。
5.根据权利要求4所述的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理方法，其特征在于，在完成网格内信息融合后，生成网格间移动代理，并由所述网格间移动代理实现所述多个地理网格区域之间的网格间信息融合的所述步骤包括：
在完成网格内信息融合后，由所述汇聚节点生成所述网格间移动代理；
由所述网格间移动代理将每一所述地理网格区域的所述簇首节点所采集的网格信息进行网格间信息融合，并将融合后的信息返回至所述汇聚节点。
6.一种基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理***，其特征在于，包括管理器和汇聚节点，
所述管理器，用于根据网格生成算法将监测区域划分为多个地理网格区域，还用于生成多个网格内移动代理，通过所述多个网格内移动代理实现对应的所述地理网格区域内的网格内信息融合；
所述汇聚节点用于生成网格间移动代理，并通过所述网格间移动代理实现所述多个地理网格区域之间的网格间信息融合。
7.根据权利要求6所述的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理***，其特征在于，所述多个地理网格区域为面积相等且相邻的正方形地理网格区域。
8.根据权利要求6所述的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理***，其特征在于，所述管理器还用于根据簇首产生算法，在每个所述地理网格区域内生成簇首节点。
9.根据权利要求8所述的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理***，其特征在于，所述管理器还用于将携带有管理请求的所述多个网格内移动代理通过所述汇聚节点分配到对应的所述地理网格区域的所述簇首节点；在每个所述地理网格区域内，根据拓扑结构，所述簇首节点动态生成网格内移动代理迁移路径；根据所述网格内移动代理迁移路径，由所述网格内移动代理完成所述地理网格区域内的所有节点的信息融合，并将采集的信息返回至所述簇首节点。
10.根据权利要求9所述的基于地理网格和移动代理的无线传感网络管理***，其特征在于，所述网格间移动代理将每一所述地理网格区域的所述簇首节点所采集的网格信息进行网格间信息融合，并将融合后的信息返回至所述汇聚节点。
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