大规模网络下触发型数据的部分区域可靠收集方法与流程

1.本发明涉及无线传感器网络数据收集领域，尤其是涉及大规模网络下触发型数据的部分区域可靠收集方法。


背景技术：

2.无线传感器网络是一种由大量的带有感知、存储、计算以及无线通信功能的微型节点自组织形成的网络。无线传感器网络常用于帮助人类自动收集特定区域内的数据，在一些环境较为恶劣的场景下其应用价值尤为突出。无线传感器网络具有部署灵活便捷、功能强大等特点，目前已经被广泛的应用于生态环境监测、基础设施监测、事件定位、目标追踪、自然灾害的监测预警以及战场态势感知等场景。
3.网络编码是一种能够提高数据持久性和可靠性的方式。在环境恶劣的无线传感器数据收集场景下，利用网络编码可以减少由于无线传感器节点失效带来的数据丢失，提升数据的可靠性。基于网络编码的数据收集方式主要分为实时数据收集和延时数据收集两种方式。实时数据收集方式以groth codes为代表，无线传感器网络中节点实时通过单个汇聚节点将编码后的数据传输给收集节点，收集结点收集到所有数据后便可以通过bp解码方式解码出编码前的原始数据，该方式侧重于数据的恢复效率。延时数据收集方式以lt code为代表，相较于前者，该方式更注重数据的可靠存储，数据产生后先通过网络编码的方式存储再无线传感器网络中，再一段时间之后由收集器进入感知区域内收集节点中的编码数据，随后即可进行解码恢复操作。
4.然而，在大规模无线对等感知网络场景下，传感器的数据收集可能并不是周期性的小数据，而是触发型的大数据，如智能视频传感器节点在感知到有物体移动后才会开始采集数据。也就是要么很长时间不产生数据，要么突然产生大量的数据。传统的分布式编码方式是将节点间的数据进行编码，然而由于该数据可能较大，且节点产生的数据大小不一，所以该方式不太适合该场景。
5.此外，利用传统方法从大规模无线对等感知网络中恢复出部分区域中的数据往往需要收集所有节点中的数据进行解码，这将花费不必要的额外解码成本。之前提出的方法仍然不能灵活地指定其感兴趣的源节点的子集并重新恢复相应的部分数据。比如，传感器被部署在大规模战场上进行战场态势感知以便指定作战计划，因此只需要收集目标区域内的源节点收集到的数据。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种大规模网络下触发型数据的部分区域可靠收集方法，以解决解码成本高，不能灵活地指定其感兴趣的源节点的子集并重新恢复相应的部分数据等问题。
7.为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
8.本发明涉及一种大规模网络下触发型数据的部分区域可靠收集方法，包括以下步
骤：
9.(1)将多个无线传感器随机散布在监测区域中，每个无线传感器对应一个节点；
10.(2)各节点之间互相发周期性的广播包建立邻居，各节点周期性的向邻居通告节点信息；
11.(3)当某节点感知到采集信号时，该节点作为源节点n
i
采集多个源数据根据接收到的邻居通告的节点信息计算编码单元大小和编码冗余量，源节点n
i
将源数据编码单元大小以及利用广播方式传播的最大的跳数l
m
存入源数据包；
12.(4)源节点n
i
将源数据包广播式的发送到周围的节点中，随后源节点n
i
向随机邻居发送若干单播的随机游走包；
13.(5)当某个节点n
k
收到广播的源数据包后，若该节点n
k
的本地无此源数据则该节点n
k
将源数据存放在数据暂存区中，若该节点n
k
的本地有此源数据则将源数据包丢弃；同时，节点n
k
查看广播的剩余的跳数l
m
，如果剩余的跳数l
m
不为0则令剩余跳数l
m
减1，并继续广播该源数据包，否则不再进行转发；
14.(6)其余节点在收到随机游走包后，根据自身节点是否包含该源数据以及编码存储区的剩余空间是否足够存放该随机游走包来进行编码，形成编码数据并存储在本地、转发或丢弃；
15.(7)收集节点进入监测区域收集节点中存放的编码数据，利用收集到的编码数据进行解码。
16.优选地，所述步骤(2)各节点周期性的向邻居通告的节点信息包括：自身的剩余存储空间c
i
、存储空间增长率即节点已使用的编码存储空间与当前时间t的商、以及节点邻居的存储空间的均值m
i
，其计算公式为：
[0017][0018]
公式中，m
i
为源节点n
i
周围区域节点的存储空间的均值，为源节点n
i
在t时刻周围邻居的集合，为t时刻源节点n
i
周围的邻居个数，j为源节点邻居节点的编号，c
j
为邻居j的剩余存储空间，其中，m
i
需要存储在内存中以计算编码单元的大小，在每次周期性计算完成m
i
后进行更新。
[0019]
优选地，所述步骤(3)中的编码单元的大小的计算包含以下步骤：
[0020]
(3.1)源节点n
i
感知到采集信号时，根据附近节点存储状态确定最小编码单元
[0021]
(3.2)计算周围节点在未来平均需要存储的数据量的期望a，计算公式为：
[0022][0023]
公式中，t
c
为假定收集节点的收集周期，t表示源节点n
i
收集到信号的时刻，为t时刻节点n
i
周围区域节点的存储数据的平均增长量；
[0024]
(3.3)从本地读取源节点n
i
周围区域节点的存储空间的均值m
i
；
[0025]
(3.4)计算出邻居周边的平均剩余存储空间计算公式为：
[0026][0027]
公式中，j为源节点邻居节点的编号，m
j
为编号为j的节点的其周围邻居节点的存储空间的均值；
[0028]
(3.5)给定一个最小编码单元的最小值k
min
以及最大值k
max
；
[0029]
(3.6)计算编码单元的初始计算值h，计算公式为：
[0030][0031]
公式中，λ为调整m
i
与占比的系数，其取值范围为(0,1)；
[0032]
(3.7)则最终的编码单元大小为：
[0033][0034]
优选地，所述步骤(3)中编码冗余量ε的计算方式为：
[0035]
(3.8)统计在各个时间源节点n
i
邻居的个数分别为
[0036]
(3.9)计算邻居减少量计算公式以为：
[0037][0038]
(3.10)计算时间范围r跨度内的梯度减少的均值计算公式为
[0039][0040]
公式中，s为不同的回退时间长度；
[0041]
(3.11)计算源节点n
i
周边的危险系数计算公式为：
[0042][0043]
公式中，α为均衡与的系数，其取值范围为(0,1)；θ为危险程度调整系数，其取值范围为(0,1]；
[0044]
(3.12)设定冗余量的范围，其表示为：
[0045][0046]
ε
min
为最小冗余量，ε
max
为最大冗余量；
[0047]
(3.13)计算冗余量的具体数值，计算公式为：
[0048][0049]
优选地，所述步骤(4)中随机游走包的数量由源数据包被切分成的编码单元个数
和编码冗余量计算获得，其具体计算步骤包括：
[0050]
(4.1)计算分段的编码单元个数计算公式为：
[0051][0052]
公式中，为源节点n
i
在时刻t采集的数据总量；
[0053]
(4.2)计算随机游走数据包的个数p，计算公式为：
[0054][0055]
优选地，所述的步骤(6)中，其余节点在收到随机游走包后，根据自身节点是否包含该源数据s_i^((t))以及编码存储区的剩余空间是否足够存放该随机游走包来进行编码存储、转发、或丢弃的具体步骤为：
[0056]
(6.1)当收到随机游走数据包，若该节点本地缓存中没有对应的源数据，根据游走包是否还有剩余步长选择转发或者丢弃；若本地缓存中有对应的源数据则进入下一步；
[0057]
(6.2)判断该节点的编码数据存放区剩余空间是否足以存放对应编码包，如果不足以存放则根据游走包，则根据游走包是否还有剩余步长选择转发或者丢弃；若该节点的编码数据存放区剩余空间足以存放对应编码包则进入下一步；
[0058]
(6.3)判断该节点的编码存放区是否已经包含该批次的编码包，若不包含，则根据游走包中的编码度从源数据中随机选择若干编码单元进行编码，并存入编码存放区；否则根据游走包是否还有剩余步长选择转发或者进行编码存储。
[0059]
优选地，所述步骤(6.1)和步骤(6.2)中，选择转发或者丢弃游走的判断依据为：
[0060]
若无剩余步长则丢弃，若有剩余步长则转发；
[0061]
所述的步骤(6.3)根据游走包是否还有剩余步长选择转发或者进行编码存储的依据是：若无剩余步长则进行编码存储，若有剩余步长则转发。在t时刻触发了某节点采集数据的条件时
[0062]
本发明与现有技术相比，存在的以下有益效果：
[0063]
本发明针对无线传感器网络大量触发型数据收集场景提出首先将采集的源数据分发到周边网络节点中，随后发送一定数量的随机游走包的方式来对源数据进行编码存储，该方法能较好的适应于大规模网络下触发型数据的部分区域收集场景，并且利用网络中节点之间信息的交互，动态感知动态划分编码单元的大小，以及感知周边环境的危险程度动态调整编码冗余的大小，从而有效提高了数据收集后的解码率。
附图说明
[0064]
附图1是本发明方法的总体实现框图。
[0065]
附图2是抽象网络模型架构图。
[0066]
附图3是编码单元切分图。
[0067]
附图4是编码单元存储分布图。
具体实施方式
[0068]
为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0069]
结合附图1所示，本发明提供一种大规模网络下触发型数据的部分区域可靠收集方法包括以下步骤：
[0070]
(1)将多个无线传感器随机散布在监测区域中，每个无线传感器对应一个节点。
[0071]
(2)各个节点通过相互发送周期性的广播包(keep alive包)与周边的节点邻居建立邻居，并通告邻居以下信息：自身的剩余存储空间c
i
、邻居的平均剩余存储空间m
i
、自身存储空间的增长率(即节点已使用的编码存储空间与当前时间t的商)等，其中，邻居的平均剩余存储空间m
i
的计算公式为：
[0072][0073]
公式中，m
i
为源节点n
i
周围区域节点的存储空间的均值，为源节点n
i
在t时刻周围邻居的集合，为t时刻源节点n
i
周围的邻居个数，j为源节点邻居节点的编号，c
j
为邻居j的剩余存储空间；
[0074]
其中，m
i
存储在内存中以计算编码单元的大小，在每次周期性计算完成m
i
后进行更新；
[0075]
(3)当某节点感知到采集信号时，该节点作为源节点n
i
采集多个源数据根据接收到的邻居通告的节点信息计算编码单元大小和编码冗余量，
[0076]
计算编码单元大小和编码冗余量的计算包含以下步骤：
[0077]
(3.1)源节点n
i
感知到采集信号时，根据附近节点存储状态确定最小编码单元参照附图3所示；
[0078]
(3.2)计算周围节点在未来平均需要存储的数据量的期望a，计算公式为：
[0079][0080]
公式中，t
c
为假定收集节点的收集周期，t表示源节点n
i
收集到信号的时刻，为t时刻节点n
i
周围区域节点的存储数据的平均增长量；
[0081]
(3.3)从本地读取源节点n
i
周围区域节点的存储空间的均值m
i
；
[0082]
(3.4)同时计算出邻居周边的平均剩余存储空间计算公式为：
[0083][0084]
公式中，j为源节点邻居节点的编号，m
j
为编号为j的节点的其周围邻居节点的存储空间的均值。
[0085]
(3.5)给定一个最小编码单元的最小值k
min
以及最大值k
max
；
[0086]
(3.6)计算编码单元的初始计算值h，计算公式为：
[0087]
[0088]
公式中，λ为调整m
i
与占比的系数，其取值范围为(0,1)；
[0089]
(3.7)最终的编码单元大小为：
[0090][0091]
参照附图4所示，编码冗余量ε的计算方式为：
[0092]
(3.8)统计在各个时间源节点n
i
邻居的个数分别为
[0093]
(3.9)计算邻居减少量计算公式以为：
[0094][0095]
(3.10)计算时间范围r跨度内的梯度减少的均值计算公式为
[0096][0097]
公式中，s为不同的回退时间长度；
[0098]
(3.11)计算源节点n
i
周边的危险系数计算公式为：
[0099][0100]
公式中，α为均衡与的系数，其取值范围为(0,1)；θ为危险程度调整系数，其取值范围为(0,1]；
[0101]
(3.12)设定冗余量的范围，其表示为：
[0102][0103]
ε
min
为最小冗余量，ε
max
为最大冗余量；
[0104]
(3.13)计算冗余量的具体数值，计算公式为：
[0105][0106]
源节点n
i
将源数据编码单元大小以及利用广播方式传播的最大的跳数l
m
存入源数据包；
[0107]
(4)源节点n
i
将源数据包广播式的发送到周围的节点中，随后源节点n
i
向随机邻居发送若干单播的随机游走包；
[0108]
(5)当某个节点n
k
收到广播的源数据包后，首先判断缓存区中是否已经有该源数据，如果是则丢弃该包，步骤结束；否则进一步判断编码缓存区中空间是否足够，如果空间不足则清楚缓存区中最老旧的源数据，如空间充足则直接将收到的源数据包存放到缓存区中；同时，节点n
k
查看广播的剩余的跳数l
m
，如果剩余的跳数l
m
不为0则令剩余跳数l
m
减1，并继续广播该源数据包，否则不再进行转发。
[0109]
(6)其余节点在收到随机游走包后，根据自身节点是否包含该源数据以及编码
存储区的剩余空间是否足够存放该随机游走包来进行编码，形成编码数据并存储在本地、转发或丢弃，其具体步骤是：
[0110]
(6.1)在系统初始化的时候认为给定一个随机游走的最大步长w
l
，当收到随机游走数据包，若本地缓存中没有对应的源数据，根据游走包是否还有剩余步长选择转发或者丢弃(无剩余步长则丢弃，有剩余步长则转发)，结束步骤；若本地缓存中有对应的源数据则进入步骤(6.2)；
[0111]
(6.2)判断编码数据存放区剩余空间是否足以存放对应编码包，如果不足以存放则根据游走包，根据游走包是否还有剩余步长选择转发或者丢弃(无剩余步长则丢弃，有剩余步长则转发)，结束步骤；若足以存放对应编码包则进入步骤(6.3)；
[0112]
(6.3)判断编码存放区是否已经包含该批次的编码包，若不包含则根据游走包中的编码度从源数据中随机选择一定数量的编码单元进行编码，并存入编码存放区，结束步骤；否则根据游走包是否还有剩余步长选择转发或者进行编码存储(无剩余步长则进行编码存储，有剩余步长则转发)。
[0113]
(7)参照附图2所示，收集节点进入监测区域收集节点中存放的编码数据，利用收集到的编码数据进行解码，即利用bp解码算法分批次解码出原始采集数据。
[0114]
以上结合实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。