專利名稱：層級(jí)型無(wú)線傳感網(wǎng)基于語(yǔ)義路由進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種層級(jí)型無(wú)線傳感網(wǎng)基于語(yǔ)義路由進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的方法。
背景技術(shù)：
在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)層的路由技術(shù)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能好壞有著重要影響。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究，許多針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議被提了出來(lái)。從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度，這些協(xié)議大體的可以分為兩類平面路由協(xié)議和分簇路由協(xié)議。在平面路由協(xié)議中，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地位是平等的，不存在等級(jí)和層次差異。它們通過(guò)相互之間的局部操作和信息反饋來(lái)生成路由。在這類協(xié)議中，目的節(jié)點(diǎn)(sink)向監(jiān)測(cè)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)(source)發(fā)出查詢命令，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)收到查詢命令后，向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。平面路由的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、易擴(kuò)展，無(wú)須進(jìn)行任何結(jié)構(gòu)維護(hù)工作，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地位平等，不易產(chǎn)生瓶頸效應(yīng)，因此具有較好的健壯性。典型的平面路由算法有 DD(directed diffusion), SAR(sequential assignment routing), SPIN(sensorprotocols for information via negotiation), Romor Routing 等。平面路由的最大缺點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)中無(wú)管理節(jié)點(diǎn)，缺乏對(duì)通信資源的優(yōu)化管理，自組織協(xié)同工作算法復(fù)雜，對(duì)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化的反應(yīng)速度較慢等。在平面型模型中，網(wǎng)絡(luò)配置比較簡(jiǎn)單，所有節(jié)點(diǎn)的地位是平等的，原則上不存在瓶頸問(wèn)題，其缺點(diǎn)是可擴(kuò)展性差；另外，平面模型中的路由協(xié)議需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)維持路由表，每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都需要知道到達(dá)其它所有結(jié)點(diǎn)的路由，因此在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，這會(huì)消耗節(jié)點(diǎn)上大量的存儲(chǔ)空間，同時(shí)隨著網(wǎng)絡(luò)能量狀態(tài)變化，路徑信息的頻繁變化也會(huì)造成大量的路由更新計(jì)算和路由更新通信，另外由于發(fā)送信息中包含了大量路由信息，因此會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)中通信負(fù)擔(dān)的加重。綜上所述平面型模型在網(wǎng)絡(luò)總體能耗方面缺陷比較明顯。在分簇路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)通常被劃分為簇。所謂簇，就是具有某種關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集合。每個(gè)簇由一個(gè)簇首和多個(gè)簇內(nèi)成員組成，低一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的簇首是高一級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的簇內(nèi)成員，由最高層的簇首與基站BS(base station)通信。這類算法將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為相連的區(qū)域。在分簇的拓?fù)涔芾頇C(jī)制下，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以劃分為簇首節(jié)點(diǎn)和成員節(jié)點(diǎn)兩類。在每個(gè)簇內(nèi)，通過(guò)一定的機(jī)制選取某個(gè)節(jié)點(diǎn)作為簇首，用于管理或控制整個(gè)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)成員節(jié)點(diǎn)之間的工作，負(fù)責(zé)簇內(nèi)信息的收集和數(shù)據(jù)的融合處理以及簇間轉(zhuǎn)發(fā)。分簇路由機(jī)制具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)1.成員節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間可以關(guān)閉通信模塊，由簇首構(gòu)成一個(gè)更上一層的連通網(wǎng)絡(luò)來(lái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離路由轉(zhuǎn)發(fā)。這樣既保證了原有覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)通信，也在很大程度上節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能量；2.簇首融合了成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)之后再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，減少了數(shù)據(jù)通信量，從而節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能量；3.成員節(jié)點(diǎn)的功能比較簡(jiǎn)單，無(wú)須維護(hù)復(fù)雜的路由信息。這大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，減少了通信量；4.分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)便于管理，有利于分布式算法的應(yīng)用，可以對(duì)系統(tǒng)變化作出快速反應(yīng)，具有較好的可擴(kuò)展性，適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)；5.與平面路由相比，更容易克服傳感器節(jié)點(diǎn)移動(dòng)帶來(lái)的問(wèn)題。本發(fā)明因此而來(lái)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種層級(jí)型無(wú)線傳感網(wǎng)基于語(yǔ)義路由進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中普通的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)的諸多問(wèn)題。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的這些問(wèn)題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種層級(jí)型無(wú)線傳感網(wǎng)基于語(yǔ)義路由進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的方法，所述層級(jí)型無(wú)線傳感網(wǎng)為語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述方法包括以下步驟(I)數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)；(2)成員節(jié)點(diǎn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將采集的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的閾值比較；如果大于閾值則將采集的數(shù)據(jù)上傳簇頭節(jié)點(diǎn)；否則丟棄數(shù)據(jù)等待下一數(shù)據(jù)采集周期進(jìn)行采集數(shù)據(jù)；(3)成員節(jié)點(diǎn)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)判斷語(yǔ)義所屬類型，構(gòu)建數(shù)據(jù)相關(guān)的語(yǔ)義框架，將節(jié)點(diǎn)所包含的語(yǔ)義要素寫入到語(yǔ)義框架中；然后成員節(jié)點(diǎn)用生成的語(yǔ)義框架進(jìn)行數(shù)據(jù)分組構(gòu)造，將構(gòu)造好的數(shù)據(jù)分組將直接轉(zhuǎn)發(fā)給簇頭節(jié)點(diǎn)；(4)簇頭節(jié)點(diǎn)在一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)，根據(jù)本簇成員節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)分組，提取數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；根據(jù)數(shù)據(jù)融合的結(jié)果判定事件是否發(fā)生以及判斷是否需要上傳轉(zhuǎn)發(fā)有關(guān)事件的數(shù)據(jù)分組；(5)簇頭節(jié)點(diǎn)判斷語(yǔ)義所屬類型，構(gòu)建事件語(yǔ)義框架，將本簇發(fā)生事件所包含的語(yǔ)義要素寫入到事件語(yǔ)義框架中；然后簇頭節(jié)點(diǎn)用生成的事件語(yǔ)義框架進(jìn)行數(shù)據(jù)分組構(gòu)造，構(gòu)造好的數(shù)據(jù)分組將直接經(jīng)路由表注入網(wǎng)絡(luò)中。優(yōu)選的，所述方法中語(yǔ)義框架包括節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域、節(jié)點(diǎn)類型、功能類型。優(yōu)選的，所述方法步驟(3)中成員節(jié)點(diǎn)按照如下步驟進(jìn)行語(yǔ)義框架構(gòu)建Al)提取成員節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)范圍，生成地理位置信息；A2)提取成員節(jié)點(diǎn)的功能，生成節(jié)點(diǎn)功能信息；A3)提取成員節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)類型，生成節(jié)點(diǎn)類型信息；然后將生成的內(nèi)容進(jìn)行形式化處理構(gòu)建成語(yǔ)義框架。優(yōu)選的，所述方法步驟(3)中簇頭節(jié)點(diǎn)按照如下步驟進(jìn)行事件語(yǔ)義框架構(gòu)建BI)提取簇頭節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)范圍，生成地理位置信息；BI)提取所發(fā)生事件的事件類型，生成事件類型信息；然后將生成的內(nèi)容進(jìn)行形式化處理構(gòu)建成事件語(yǔ)義框架。優(yōu)選的，所述方法步驟(5)還包括簇頭節(jié)點(diǎn)按照語(yǔ)義路由表上傳轉(zhuǎn)發(fā)有關(guān)事件的數(shù)據(jù)分組后，上層路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷是否到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)；當(dāng)沒(méi)有達(dá)到sink節(jié)點(diǎn)，上層路由節(jié)點(diǎn)接受語(yǔ)義數(shù)據(jù)，更新語(yǔ)義框架內(nèi)容，組織自區(qū)域和下層數(shù)據(jù)上傳；否則當(dāng)上層路由節(jié)點(diǎn)達(dá)到sink節(jié)點(diǎn)時(shí),結(jié)束數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程。優(yōu)選的，所述方法步驟(4)簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后，判斷數(shù)據(jù)融合的結(jié)果是否與原語(yǔ)義不符；當(dāng)與原語(yǔ)義不符時(shí)構(gòu)造事件語(yǔ)義框架，上傳轉(zhuǎn)發(fā)有關(guān)事件的數(shù)據(jù)分組；當(dāng)與原語(yǔ)義相符時(shí)更新簇頭節(jié)點(diǎn)的屬性值。本發(fā)明提供了一種新的WSN語(yǔ)義路由算法，通過(guò)融入語(yǔ)義，提出一種新的路由算法，提高路由效率，達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。算法首先確立無(wú)線傳感網(wǎng)中的語(yǔ)義定義和表達(dá)形式，當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)條件滿足時(shí)，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)語(yǔ)義定義和分類階段產(chǎn)生的語(yǔ)義作為路由依據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)分組中的語(yǔ)義同路由器中網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)義進(jìn)行匹配，確定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的方向。在該算法中，節(jié)點(diǎn)只需關(guān)心自己通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)，不需要關(guān)心網(wǎng)絡(luò)整體的情況，算法冗余數(shù)據(jù)少，節(jié)能性好，網(wǎng)絡(luò)生存周期理想。該算法同時(shí)也可以為無(wú)線傳感網(wǎng)的實(shí)時(shí)、交互操作研究提供一定基礎(chǔ)。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中的方案，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明技術(shù)方案層級(jí)型無(wú)線傳感網(wǎng)基于語(yǔ)義路由進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的方法相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法(如DD、LEACH)在能耗上，節(jié)點(diǎn)的能耗大大降低，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性得到較大的提高。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述圖I為層級(jí)型無(wú)線傳感網(wǎng)基于語(yǔ)義路由進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的方法的流程示意圖。圖2為本發(fā)明語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的圖形表示實(shí)例；圖3為本發(fā)明語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)內(nèi)語(yǔ)義表達(dá)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)內(nèi)容；圖4為本發(fā)明語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)義框架體系；圖5為本發(fā)明語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)Under Layer Node Type Semantic語(yǔ)義框架體系；圖6為本發(fā)明語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)Under Layer Function Semantic語(yǔ)義框架體系；圖7為本發(fā)明語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)Under Layer Event Semantic語(yǔ)義框架體系；圖8為本發(fā)明語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)Self Node Type Semantic語(yǔ)義框架體系；圖9為本發(fā)明語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)Self Function Semantic語(yǔ)義框架體系；圖10為本發(fā)明語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)Self Event Semantic語(yǔ)義框架體系；
圖11為本發(fā)明路由算法與LEACH算法、DD算法的節(jié)點(diǎn)死亡率數(shù)據(jù)比較結(jié)果。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)上述方案做進(jìn)一步說(shuō)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例是用于說(shuō)明本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例中采用的實(shí)施條件可以根據(jù)具體廠家的條件做進(jìn)一步調(diào)整，未注明的實(shí)施條件通常為常規(guī)實(shí)驗(yàn)中的條件。實(shí)施例如圖I所示，本實(shí)施例層級(jí)型無(wú)線傳感網(wǎng)基于語(yǔ)義路由進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的方法具體實(shí)施時(shí)具體步驟如下SI)在一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期，各簇各節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。S2)節(jié)點(diǎn)將采集數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單處理，與閾值比較，若大于則需上傳簇頭。S3)節(jié)點(diǎn)若需要上傳數(shù)據(jù)，則判斷語(yǔ)義所屬類型，建立一個(gè)新的框架，將節(jié)點(diǎn)所包含的語(yǔ)義要素寫入到框架中。S4)節(jié)點(diǎn)用生成的語(yǔ)義框架進(jìn)行數(shù)據(jù)分組構(gòu)造，構(gòu)造好的數(shù)據(jù)分組將直接轉(zhuǎn)發(fā)給簇頭。S5)簇頭在一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)，根據(jù)本簇普通節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)分組，提取數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，判定事件是否發(fā)生，是否需要轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)有關(guān)事件的數(shù)據(jù)分組。S6)若需要，則判斷語(yǔ)義所屬類型，建立一個(gè)新的框架，將本簇發(fā)生事件所包含的語(yǔ)義要素寫入到框架中。S7)簇頭用生成的事件語(yǔ)義框架進(jìn)行數(shù)據(jù)分組構(gòu)造，構(gòu)造好的數(shù)據(jù)分組將直接經(jīng)路由表注入網(wǎng)絡(luò)中。以下進(jìn)行具體的說(shuō)明，該方法涉及兩部分內(nèi)容，一部分為確定網(wǎng)絡(luò)模型與網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)義；另一部分為基于語(yǔ)義路由的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。(一)確定網(wǎng)絡(luò)模型與網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)義I、確定網(wǎng)絡(luò)模型在層級(jí)型網(wǎng)絡(luò)模型中，網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中會(huì)扮演不同角色的轉(zhuǎn)發(fā)者，而整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)者角色會(huì)有幾個(gè)級(jí)別，因此稱這這種模型為層級(jí)型。一個(gè)簡(jiǎn)單的層級(jí)型網(wǎng)絡(luò)的例子是，無(wú)線傳感網(wǎng)內(nèi)有一定數(shù)量的sink節(jié)點(diǎn)，sink節(jié)點(diǎn)可以與用戶端直接通信；sink節(jié)點(diǎn)周邊的節(jié)點(diǎn)按照分布區(qū)域自組成若干個(gè)簇,每簇選舉一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)只同簇頭節(jié)點(diǎn)通信，而由sink節(jié)點(diǎn)同簇頭節(jié)點(diǎn)通信。我們把sink節(jié)點(diǎn)集合記作S,簇頭節(jié)點(diǎn)集合記作L，普通非簇頭節(jié)點(diǎn)集合記作N，則網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間通信關(guān)系可以二元組表示為CS, L)和(L，N)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中S|/|N|應(yīng)該大于1/500，網(wǎng)絡(luò)中的sink節(jié)點(diǎn)比例不能過(guò)小。同時(shí)為了保證層次型網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)密性和網(wǎng)絡(luò)整體通信方式的簡(jiǎn)化，同一層次中的節(jié)點(diǎn)ni，nj即使互相在通信范圍內(nèi)，能夠互相通信，也不應(yīng)該建立通信關(guān)系，而是要通過(guò)上一層次的節(jié)點(diǎn)來(lái)代理它們之間的通信。我們把這種層級(jí)型無(wú)線傳感網(wǎng)模型，成為2-級(jí)式網(wǎng)絡(luò)。較為復(fù)雜的層次型網(wǎng)絡(luò)則是在上述簡(jiǎn)單層次型上進(jìn)行擴(kuò)展。在平面型結(jié)構(gòu)與層級(jí)型結(jié)構(gòu)中，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程中，數(shù)據(jù)分組的目的節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以快速收斂，這樣就可以最低限量的占用網(wǎng)絡(luò)帶寬和消耗網(wǎng)絡(luò)中各中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的能量。同時(shí)數(shù)據(jù)分組所經(jīng)過(guò)的路徑也是相對(duì)較短的。而語(yǔ)義路由是一種智能動(dòng)態(tài)路由，其作用也是減少候選下層路基于語(yǔ)義的路由查詢也需要網(wǎng)絡(luò)中有層級(jí)結(jié)構(gòu)。因此我們的網(wǎng)絡(luò)模型選擇層級(jí)式網(wǎng)絡(luò)模型。2、確定網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)義部署在某一地區(qū)內(nèi)，可以提供某種服務(wù)的無(wú)線傳感網(wǎng)我們可以用自然語(yǔ)言描述它所部署的位置、具有的功能、網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)類型，也可以用自然語(yǔ)言描述該網(wǎng)絡(luò)某一部分的部署的位置、具有的功能、節(jié)點(diǎn)類型等。例如當(dāng)我們可以說(shuō)“部署在A區(qū)域內(nèi)的部分網(wǎng)絡(luò)有聲音和圖像兩種節(jié)點(diǎn)，能夠提供聲音監(jiān)測(cè)和拍照服務(wù)”。在這個(gè)句子中，“A區(qū)”、“聲音”、“圖像”、“聲音監(jiān)測(cè)服務(wù)”、“拍照服務(wù)”，這些單詞從幾個(gè)角度描述了某一區(qū)域內(nèi)無(wú)線傳感網(wǎng)的屬性特點(diǎn)。我們可以將這些單詞稱為局域網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出的語(yǔ)義，或網(wǎng)絡(luò)具有的語(yǔ)義。由無(wú)線傳感網(wǎng)中語(yǔ)義的定義我們可以看到網(wǎng)絡(luò)中語(yǔ)義主要來(lái)源。各局部網(wǎng)絡(luò)的地理位置信息、功能信息、能量狀態(tài)信息、節(jié)點(diǎn)類型信息等。整體網(wǎng)絡(luò)中各局部網(wǎng)絡(luò)的地理位置信息，大范圍部署的無(wú)線傳感網(wǎng)肯定也覆蓋大面積的地理范圍，在部署區(qū)域內(nèi)某一小區(qū)域中的事件或數(shù)據(jù)必須標(biāo)識(shí)其所在的區(qū)域，而這個(gè)區(qū)域是現(xiàn)實(shí)存在的，這個(gè)區(qū)域內(nèi)的局部網(wǎng)絡(luò)也就具備了區(qū)域名稱，或區(qū)域地理位置信息這樣一種語(yǔ)義。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可能提供幾種不同的功能給用戶，局部的網(wǎng)絡(luò)也可能具備幾種功能提供給用戶，這樣節(jié)點(diǎn)和局部網(wǎng)絡(luò)所能提供的功能類型信息也是一種語(yǔ)義。因?yàn)闊o(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)使用電池供電，所以對(duì)能量敏感，網(wǎng)絡(luò)中的能量狀態(tài)信息需要能夠表現(xiàn)出來(lái)，因此節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)是一種語(yǔ)義。在大規(guī)模部署無(wú)線傳感網(wǎng)中，會(huì)有不同類型的感知節(jié)點(diǎn)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)要提供多種服務(wù)，也因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)支持可擴(kuò)展，會(huì)在不同時(shí)間部署不同類型節(jié)點(diǎn)，所以節(jié)點(diǎn)類型也是主要的語(yǔ)義之一。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)要能夠支持語(yǔ)義路由，首先網(wǎng)絡(luò)需要是語(yǔ)義化的網(wǎng)絡(luò)。語(yǔ)義化的網(wǎng)絡(luò)是將節(jié)點(diǎn)按語(yǔ)義分類組成一個(gè)多層網(wǎng)絡(luò)，每層包含多個(gè)基于Chord協(xié)議的語(yǔ)義子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)代表一個(gè)語(yǔ)義類型，具有相同語(yǔ)義類型的資源聚集到同一子網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)按物理位置和能力相近的原則歸入各子網(wǎng)，讓能力大的節(jié)點(diǎn)承擔(dān)更多的工作量，每個(gè)子網(wǎng)在上一層都有一個(gè)上級(jí)子網(wǎng)，在上級(jí)子網(wǎng)中又有一個(gè)或多個(gè)上級(jí)節(jié)點(diǎn)，子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)通過(guò)上級(jí)節(jié)點(diǎn)代理完成路由及路由表維護(hù)等工作。圖2是一個(gè)語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的圖形表示，圖2中AA區(qū)和AB區(qū)兩個(gè)圓點(diǎn)代表最底層的兩個(gè)子網(wǎng)，在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)中，它們是兩個(gè)感知節(jié)點(diǎn)，我們講兩個(gè)節(jié)點(diǎn)暫時(shí)命名為aa，ab，它們周圍的感知節(jié)點(diǎn)以它們?yōu)槁酚善?，組成了 AA區(qū)，AB區(qū)兩個(gè)子網(wǎng)，同時(shí)兩個(gè)子網(wǎng)的語(yǔ)義內(nèi)容也存儲(chǔ)在aa，ab兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中。將aa節(jié)點(diǎn)稱作A A區(qū)的語(yǔ)義表達(dá)節(jié)點(diǎn)，同樣ab節(jié)點(diǎn)是AB區(qū)的語(yǔ)義表達(dá)節(jié)點(diǎn)。AA區(qū)，AB區(qū)子網(wǎng)一起(實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中將有更多的子網(wǎng))構(gòu)成了 A區(qū)子網(wǎng)。A區(qū)子網(wǎng)中也由一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)a來(lái)做該子網(wǎng)的語(yǔ)義表達(dá)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)a也是A
區(qū)的路由器節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)a中存放AA區(qū)、AB區(qū)子網(wǎng)的語(yǔ)義，并存放指向AA區(qū)、AB區(qū)的路由出口指針，以及指向上層區(qū)域的路由出口指針。將AA區(qū)、AB區(qū)子網(wǎng)的語(yǔ)義進(jìn)行綜合后得到A區(qū)子網(wǎng)語(yǔ)義，也存放于節(jié)點(diǎn)A中，節(jié)點(diǎn)A最后還要將A區(qū)子網(wǎng)語(yǔ)義上傳到其上一層語(yǔ)義子網(wǎng)的路由器中去。圖3表明了 A區(qū)的語(yǔ)義表達(dá)節(jié)點(diǎn)a中存放的信息。如上文所述。3、用框架體系來(lái)表達(dá)無(wú)線傳感網(wǎng)中語(yǔ)義目前，常用的知識(shí)表示方法有產(chǎn)生式表示法和框架表示法。產(chǎn)生式表示法具有清晰性、模塊性、靈活性等特點(diǎn)。但它的不足之處在于簡(jiǎn)單的產(chǎn)生式系統(tǒng)由于各條規(guī)則相互獨(dú)立，知識(shí)的表達(dá)能力較差，且按順序檢索，在復(fù)雜問(wèn)題的求解過(guò)程中效率較低。并且，如果用“IF前提TH EN結(jié)論”的形式實(shí)現(xiàn)時(shí)，把知識(shí)庫(kù)用程序編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，使系統(tǒng)的通用性和用戶的可維護(hù)性都受到很大限制。框架表示法是一種結(jié)構(gòu)化的知識(shí)表示形式，適合于表示固定的概念、事件和行為。并且，它是一種多層次的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，框架下面可以設(shè)立子框架，各框架之間也可以通過(guò)槽的關(guān)聯(lián)構(gòu)成框架網(wǎng)絡(luò)。表達(dá)能力非常強(qiáng)，適合于表示操作規(guī)則和系統(tǒng)領(lǐng)域知識(shí)?？蚣鼙硎痉ǖ牧硪粌?yōu)點(diǎn)是對(duì)于同一種類型的知識(shí)，可以用一個(gè)通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)新的情況發(fā)生時(shí)，只要將新數(shù)據(jù)填入框架即可，修改、擴(kuò)充非常方便。所以在為用戶端語(yǔ)義選擇表示方式時(shí)，我們擇了框架表示法，看重的是它用通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)管理同類型知識(shí)，并且對(duì)語(yǔ)義內(nèi)容的可擴(kuò)展性有良好的支持。圖4是構(gòu)造的表達(dá)網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)義的框架體系中的主要框架系統(tǒng)。圖5中語(yǔ)義框架的基本結(jié)構(gòu)包括語(yǔ)義框架的類型(ΑΚ0)，語(yǔ)義框架的名稱，語(yǔ)義框架來(lái)源的局部網(wǎng)絡(luò)名稱，局部網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的類型的數(shù)量，節(jié)點(diǎn)類型的名稱。圖 5 為 Under Layer Node Type Semantic ;圖 6 為 Under Layer Function Semantic ；圖7為Under Layer Event Semantic,類似于圖5,圖6、7存在于第二層路由器及更高層路由器中的用于表達(dá)底層局部網(wǎng)絡(luò)所提供功能、發(fā)生事件的語(yǔ)義框架。圖 8 為 Self Node Type Semantic ;圖 9 為 Self Function Semantic ;圖 10 為Self Event Semantic ;圖8表示用于表達(dá)路由器所代理的局部網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)類型語(yǔ)義。這種Self Node Type Semantic框架在路由器節(jié)點(diǎn)中由路由器節(jié)點(diǎn)的Under Layer Node TypeSemantic生成，然后路由器節(jié)點(diǎn)將這個(gè)框架提交給上自己的一級(jí)路由器。圖9、圖10所示框架的生成方式和表達(dá)的語(yǔ)義來(lái)源相同，同樣也保存在路由器中并提交給上層路由器。不同的是框架內(nèi)容來(lái)源于 Under Layer Function Semantic、Under Event Semantic。(二)基于語(yǔ)義路由的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以具有兩層路由器的(不包括sink)的層次網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)的建立為例，首先進(jìn)行底層簇的建立，簇頭(同時(shí)也是第一層路由器)的選擇。在部署節(jié)點(diǎn)時(shí)已經(jīng)將節(jié)點(diǎn)所處的區(qū)域名稱寫入了節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)部署完畢后，所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)啟動(dòng)，在具有相同區(qū)域名稱的節(jié)點(diǎn)中，同在一個(gè)小范圍內(nèi)的感知節(jié)點(diǎn)自組織成簇，這個(gè)過(guò)程的關(guān)鍵是簇的初始化。簇頭通過(guò)模擬退火算法選擇，簇頭選定完畢后，簇頭向周邊節(jié)點(diǎn)廣播邀請(qǐng)加入其所在簇的請(qǐng)求。非簇頭頭節(jié)點(diǎn)，接到請(qǐng)求后加入該簇，如果同時(shí)接到兩個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求，則選擇通信信號(hào)較強(qiáng)簇頭的加入其簇。由此則可以完成網(wǎng)絡(luò)最底層的簇建立。需要說(shuō)明的是，簇頭節(jié)點(diǎn)也被定義為第一層路由器。然后進(jìn)行第二層路由器的選擇。最底層的簇建立完畢，第一層次中的路由器都選定后，開始第二層次的構(gòu)造。首先，所有簇頭節(jié)點(diǎn)都嘗試同基站sink建立通信，能夠同sink直接通信的簇頭節(jié)點(diǎn)便用作第二路由層的路由器，記作集合SR2。當(dāng)這些簇頭節(jié)點(diǎn)確立自己的第二層路由器地位后，它們需要各自同自己所在簇外延方向的其他簇建立連接，將這些簇的簇頭作為自己的下級(jí)路由器。與外簇建立連接時(shí)，簇頭通過(guò)選擇邊界節(jié)點(diǎn)與外簇建立連接所有能夠與外簇通信的邊界節(jié)點(diǎn)中，選擇節(jié)點(diǎn)能量與此節(jié)點(diǎn)到外簇簇頭距離比值最大的節(jié)點(diǎn)。I、網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)義申明及路由表的建立第一階段，網(wǎng)絡(luò)中基礎(chǔ)語(yǔ)義由簇頭節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)。在前文的簇建立之后，簇成員節(jié)點(diǎn)將自己的功能類型和節(jié)點(diǎn)類型，能量狀態(tài)信息提交給簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)將簇成員提交的上述信息進(jìn)行整理，具體過(guò)程是將首先將同類型功能合并，得到結(jié)果是本簇支持的所有功能類型；然后將同樣的節(jié)點(diǎn)類型合并，得到本簇中所有的節(jié)點(diǎn)類型；最后計(jì)算能量狀態(tài)平均值。這個(gè)過(guò)程完成后簇頭節(jié)點(diǎn)中可以產(chǎn)生本局域功能和本局域節(jié)點(diǎn)類型兩個(gè)語(yǔ)義框架。第二階段，層級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已經(jīng)建立完畢，全網(wǎng)中簇頭對(duì)基礎(chǔ)語(yǔ)義的統(tǒng)計(jì)完成，簇頭節(jié)點(diǎn)開始將自身的兩個(gè)語(yǔ)義框架提交給上級(jí)路由節(jié)點(diǎn)，同時(shí)簇頭節(jié)點(diǎn)保存指向上層路由節(jié)點(diǎn)的指針，上層路由節(jié)點(diǎn)保存當(dāng)前通信簇頭的指針。上級(jí)路由節(jié)點(diǎn)融合下級(jí)路由節(jié)點(diǎn)上傳的語(yǔ)義框架中內(nèi)容更新自己的語(yǔ)義框架內(nèi)容。第三階段，各級(jí)路由節(jié)點(diǎn)執(zhí)行第二階段，直到sink節(jié)點(diǎn)更新完語(yǔ)義框架。2、數(shù)據(jù)分組構(gòu)造基本監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域、節(jié)點(diǎn)類型、功能類型。這些語(yǔ)義要素就是一個(gè)語(yǔ)義框架的基本內(nèi)容，然后將這些基本內(nèi)容形式化建立一個(gè)語(yǔ)義框架。首先基本監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)監(jiān)測(cè)到得數(shù)據(jù)與自己的閾值比較，若大于閾值說(shuō)明有上傳簇頭的必要，判定語(yǔ)義所屬的類型，并根據(jù)類型建立一個(gè)新的框架。然后將節(jié)點(diǎn)所包含的語(yǔ)義要素寫入到框架中。其過(guò)程是I)、提取基本監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)范圍，生成地理位置信息。2)、提取基本監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的功能，生成節(jié)點(diǎn)功能信息3)、提取基本監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)類型，生成節(jié)點(diǎn)類型信息。
用生成的普通監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)語(yǔ)義框架進(jìn)行數(shù)據(jù)分組構(gòu)造，構(gòu)造好的數(shù)據(jù)分組將直接轉(zhuǎn)發(fā)給簇頭。簇頭在一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)，根據(jù)本簇普通節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)分組，提取數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，判定事件是否發(fā)生，是否需要轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)有關(guān)事件的數(shù)據(jù)分組。若需要，建立一個(gè)新的框架，將本簇發(fā)生事件所包含的語(yǔ)義要素寫入到框架中，其過(guò)程是I)提取簇頭節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)范圍，生成地理位置信息。2)提取所發(fā)生事件的事件類型，生成事件類型信息。在上述基礎(chǔ)上，用生成的事件語(yǔ)義框架進(jìn)行數(shù)據(jù)分組構(gòu)造，構(gòu)造好的數(shù)據(jù)分組將直接經(jīng)路由表注入網(wǎng)絡(luò)中。在同等節(jié)點(diǎn)規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中，本路由算法的首個(gè)節(jié)點(diǎn)能量耗盡的時(shí)間是LEACH算法的2倍左右，同時(shí)也是DD算法的7倍左右。全部節(jié)點(diǎn)能量耗盡的時(shí)間大概是LEACH算法的2倍多，相對(duì)于DD算法更優(yōu)。這表明本路由算法延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期，同時(shí)使得能量的消耗更加均勻的由所有節(jié)點(diǎn)擔(dān)負(fù)，避免了單一節(jié)點(diǎn)因?yàn)槟芰肯倪^(guò)多而導(dǎo)致過(guò)早的死亡。本算法一半節(jié)點(diǎn)存活的時(shí)間大概是LACH算法的2倍，是DD算法的8倍左右，這說(shuō)明隨著網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的擴(kuò)大，與傳統(tǒng)路由算法相比，本路由算法的性能進(jìn)一步提高。另外，本路由算法通過(guò)建立的語(yǔ)義機(jī)制減少了網(wǎng)絡(luò)中的冗余數(shù)據(jù)，使得能量利用更加有效，相同的能量能夠傳送更多有用數(shù)據(jù)。上述實(shí)例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人是能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種層級(jí)型無(wú)線傳感網(wǎng)基于語(yǔ)義路由進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的方法，所述層級(jí)型無(wú)線傳感網(wǎng)為語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述方法包括以下步驟 (1)數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)； (2)成員節(jié)點(diǎn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將采集的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的閾值比較；如果大于閾值則將采集的數(shù)據(jù)上傳簇頭節(jié)點(diǎn)；否則丟棄數(shù)據(jù)等待下一數(shù)據(jù)采集周期進(jìn)行采集數(shù)據(jù)； (3)成員節(jié)點(diǎn)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)判斷語(yǔ)義所屬類型，構(gòu)建數(shù)據(jù)相關(guān)的語(yǔ)義框架，將節(jié)點(diǎn)所包含的語(yǔ)義要素寫入到語(yǔ)義框架中；然后成員節(jié)點(diǎn)用生成的語(yǔ)義框架進(jìn)行數(shù)據(jù)分組構(gòu)造，將構(gòu)造好的數(shù)據(jù)分組將直接轉(zhuǎn)發(fā)給簇頭節(jié)點(diǎn)； (4)簇頭節(jié)點(diǎn)在一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)，根據(jù)本簇成員節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)分組，提取數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；根據(jù)數(shù)據(jù)融合的結(jié)果判定事件是否發(fā)生以及判斷是否需要上傳轉(zhuǎn)發(fā)有關(guān)事件的數(shù)據(jù)分組； (5)簇頭節(jié)點(diǎn)判斷語(yǔ)義所屬類型，構(gòu)建事件語(yǔ)義框架，將本簇發(fā)生事件所包含的語(yǔ)義要素寫入到事件語(yǔ)義框架中；然后簇頭節(jié)點(diǎn)用生成的事件語(yǔ)義框架進(jìn)行數(shù)據(jù)分組構(gòu)造，構(gòu)造好的數(shù)據(jù)分組將直接經(jīng)路由表注入網(wǎng)絡(luò)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述方法中語(yǔ)義框架包括節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域、節(jié)點(diǎn)類型、功能類型。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述方法步驟(3)中成員節(jié)點(diǎn)按照如下步驟進(jìn)行語(yǔ)義框架構(gòu)建 Al)提取成員節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)范圍，生成地理位置信息； A2)提取成員節(jié)點(diǎn)的功能，生成節(jié)點(diǎn)功能信息； A3)提取成員節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)類型，生成節(jié)點(diǎn)類型信息； 然后將生成的內(nèi)容進(jìn)行形式化處理構(gòu)建成語(yǔ)義框架。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述方法步驟(3)中簇頭節(jié)點(diǎn)按照如下步驟進(jìn)行事件語(yǔ)義框架構(gòu)建 BI)提取簇頭節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)范圍，生成地理位置信息； BI)提取所發(fā)生事件的事件類型，生成事件類型信息； 然后將生成的內(nèi)容進(jìn)行形式化處理構(gòu)建成事件語(yǔ)義框架。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述方法步驟(5)還包括簇頭節(jié)點(diǎn)按照語(yǔ)義路由表上傳轉(zhuǎn)發(fā)有關(guān)事件的數(shù)據(jù)分組后，上層路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷是否到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)；當(dāng)沒(méi)有達(dá)到sink節(jié)點(diǎn)，上層路由節(jié)點(diǎn)接受語(yǔ)義數(shù)據(jù)，更新語(yǔ)義框架內(nèi)容，組織自區(qū)域和下層數(shù)據(jù)上傳；否則當(dāng)上層路由節(jié)點(diǎn)達(dá)到sink節(jié)點(diǎn)時(shí),結(jié)束數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述方法步驟(4)簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后，判斷數(shù)據(jù)融合的結(jié)果是否與原語(yǔ)義不符；當(dāng)與原語(yǔ)義不符時(shí)構(gòu)造事件語(yǔ)義框架，上傳轉(zhuǎn)發(fā)有關(guān)事件的數(shù)據(jù)分組；當(dāng)與原語(yǔ)義相符時(shí)更新簇頭節(jié)點(diǎn)的屬性值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種層級(jí)型無(wú)線傳感網(wǎng)基于語(yǔ)義路由進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的方法，所述層級(jí)型無(wú)線傳感網(wǎng)為語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述方法包括以下步驟(1)數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)；(2)成員節(jié)點(diǎn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將采集的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的閾值比較；如果大于閾值則將采集的數(shù)據(jù)上傳簇頭節(jié)點(diǎn)；否則丟棄數(shù)據(jù)等待下一數(shù)據(jù)采集周期進(jìn)行采集數(shù)據(jù)；(3)成員節(jié)點(diǎn)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)判斷語(yǔ)義所屬類型，構(gòu)建數(shù)據(jù)相關(guān)的語(yǔ)義框架，將節(jié)點(diǎn)所包含的語(yǔ)義要素寫入到語(yǔ)義框架中；然后成員節(jié)點(diǎn)用生成的語(yǔ)義框架進(jìn)行數(shù)據(jù)分組構(gòu)造，將構(gòu)造好的數(shù)據(jù)分組將直接轉(zhuǎn)發(fā)給簇頭節(jié)點(diǎn)；(4)簇頭節(jié)點(diǎn)在一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)，根據(jù)本簇成員節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)分組，提取數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；根據(jù)數(shù)據(jù)融合的結(jié)果判定事件是否發(fā)生以及判斷是否需要上傳轉(zhuǎn)發(fā)有關(guān)事件的數(shù)據(jù)分組；(5)簇頭節(jié)點(diǎn)判斷語(yǔ)義所屬類型，構(gòu)建事件語(yǔ)義框架，將本簇發(fā)生事件所包含的語(yǔ)義要素寫入到事件語(yǔ)義框架中；然后簇頭節(jié)點(diǎn)用生成的事件語(yǔ)義框架進(jìn)行數(shù)據(jù)分組構(gòu)造，構(gòu)造好的數(shù)據(jù)分組將直接經(jīng)路由表注入網(wǎng)絡(luò)中。
文檔編號(hào)H04W40/04GK102883400SQ201210306088
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月27日
發(fā)明者陳國(guó)慶, 薛超 申請(qǐng)人:蘇州兩江科技有限公司