[发明专利]野生动物保护传感网中能源有效的数据传输优化控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及移动传感网技术领域，具体涉及一种移动传感网中能源有效的数据传输优化控制方法。

背景技术

无线传感网由大量同构或异构的传感器节点组成，能够感知、采集并以多跳方式传输数据，其快速部署、自组织和容错等特性使其在目标跟踪、灾难预警、战场侦察等领域具有广阔应用前景。多个传感器节点协同工作，可进行无人值守的数据收集并将产生的数据传回控制中心。无线传感网的自治、协同本质使其在动物生活习性监测类应用中极具潜力。

传感网技术可用于收集野生珍稀动物的生境数据及活动信息，为其运动轨迹分析和生活习性研究提供数据支持，进而制定高效的野生珍稀动物保护策略，如最佳投食点选定、临时室内驯养动物的生境设定(如室内的温湿度设定)。这些野生动物相关的数据极其重要，对于珍稀动物保护、以及动物种群内部或种群间的生存关系分析具有举足轻重的作用。但是，一些不可控因素，如被监测目标的移动性、通信带宽的时变性、无线链路的不稳定性及其连通间歇性，使得野生动物保护传感网中数据的收集与传输面临巨大挑战。鉴于被监测目标的移动性以及数据收集的高效性需求，移动传感网是野生动物保护应用领域的必然趋势。在野生动物保护传感网中，每个动物携带一个传感器节点，以获取该动物的环境数据及位置信息，这些信息可被传输并存储于控制中心，便于动物保护人员分析野生动物的生存状态，实施有效的动物保护。

移动节点感知并产生的数据首先被暂时保存在容量有限的本地内存，随后等待时机将数据传输到控制中心。移动传感网中，数据的成功传输取决于节点间无线链路的通信质量。在通信质量不佳的链路上传输数据时，数据丢包概率高，导致的数据重传耗时耗能。传输相同数量的通信负载，链路状况不佳时的能耗远高于优质链路的能耗。另一方面，节点一般由电池供电，而且在大多数应用中，由于敌对的环境或监测区域不可达，导致采用更换电池的方式补充能源不现实，使得能源成为系统中最宝贵的资源。因此，亟需设计能源有效的数据传输控制方案，对数据传输进行优化调度，以高效利用传感器节点的有限能源，延长移动传感网的生命周期。

目前，无线传感网中已有多种数据传输控制策略：

(1)传统的洪泛传输：最简单的数据传输策略。将每个数据包传给所有邻居，冗余量高，能耗大。移动传感网中，移动节点多数时间无邻居节点。因此，接收节点状态未知的数据洪泛无意义，不适用于移动传感网。

(2)基于能量的数据传输：该数据传输策略的前提条件是网络的全局信息已知，而传感网的能源约束导致节点仅能获取局部信息。移动传感网中，被监测目标的移动导致时变的网络状况。因此，该数据传输方案不适用于动态的移动传感网。

(3)基于协商的数据传输方案SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotiation)：该传输方案是对传统洪泛策略的改进，假定每个传感器节点均可能为希望获得数据的汇聚节点，每个节点知道自己需要数据与否，或能否作为中转节点，为数据源到汇聚节点的数据传输转发数据。为了降低节点的能耗，传感器节点在发送数据前先进行协商，仅把数据发送到需要的邻居节点，同时采用称为“元数据”(meta-data)的描述符减少冗余信息。该数据传输方案同样不适用于网络状况时变的移动场景。

(4)基于分簇的低能耗自适应数据传输方案LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)：该方案基于分簇，由周期性的循环过程组成。每轮循环分为簇建立阶段和稳定的数据通信阶段，后者所用的时间较长。在簇建立阶段，相邻节点自动成簇，随机选择簇首。在数据通信阶段，簇内节点把数据发给簇首，簇首进行数据融合并把结果发送给汇聚点。簇首节点因数据融合以及额外的与汇聚点通信等工作，能量消耗高。因此，为了整个网络能量消耗均衡，各节点需等概率地轮流担任簇首，以延长整个网络的生存期。该数据传输策略仅适用于静止节点，不适用于移动场景。

(5)基于定向扩散的数据传输方案：该方案基于查询，汇聚点发出查询消息，形成反向的从数据源到汇聚点的数据传输梯度。数据沿着梯度传送到汇聚点。该方案周期性地自动形成增强路径，由于节点能量或拓扑结构变化等因素，不同周期的增强路径可能不同。源节点到汇聚点的数据通过增强路径传送，从而减少非增强路径上的节点能量的消耗。移动传感网中，源节点不定时地主动将数据传输到汇聚节点，汇聚节点不参与决策。因而该数据传输方案不适用于监测类应用。