無線傳感數(shù)據(jù)存儲算法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是無線傳感監(jiān)測網(wǎng)中的一種數(shù)據(jù)存儲算法?？蓱糜跓o線傳感網(wǎng)絡 數(shù)據(jù)存儲領域。
【背景技術】
[0002] 無線傳感監(jiān)測網(wǎng)中，對監(jiān)測數(shù)據(jù)實時性要求不高，為節(jié)省能量，節(jié)點將監(jiān)測數(shù)據(jù)暫 存，需要時再將數(shù)據(jù)傳輸，稱該節(jié)點為存儲節(jié)點。存儲節(jié)點的選擇，直接影響到查詢數(shù)據(jù)效 率，以及查詢過程和數(shù)據(jù)傳輸過程中節(jié)點的能量消耗。一些學者提出以數(shù)據(jù)為中心的存 儲方法，該方法是依據(jù)數(shù)據(jù)的屬性值，通過某種映射方法存儲到對應的節(jié)點上，使得每個 節(jié)點只存儲同一類型的數(shù)據(jù)，查詢時可通過對應的映射方法從相應的節(jié)點中獲取數(shù)據(jù)；如 DoubleRuling、Combs、SCOOP和GHT算法，這些算法中網(wǎng)絡各個節(jié)點的地位相同，數(shù)據(jù)和索 引信息均勻地存儲在各個節(jié)點上。GHT算法中，每類事件只有一個存儲節(jié)點，會產生通信瓶 頸和熱點現(xiàn)象；通過散列函數(shù)得到的散列位置上可能不存在節(jié)點；沒有考慮到數(shù)據(jù)存儲和 查詢過程中的能量開銷。
[0003] 蛇形時隙的節(jié)能存儲算法（SLPS)基于GHT算法思想，將被監(jiān)測區(qū)域按實際應用劃 分為網(wǎng)格，網(wǎng)格內所有無線傳感器節(jié)點的工作時隙以一種蛇形排列方式進行分配，使各節(jié) 點周期性地進入睡眠或偵聽狀態(tài)。在任一時隙，只有兩個傳感節(jié)點處于工作狀態(tài)，其他節(jié)點 都處于睡眠狀態(tài)，保證了系統(tǒng)的可靠性，又降低了能量消耗。該算法沒有考慮在數(shù)據(jù)傳輸過 程中節(jié)點的能量消耗。文獻考慮到節(jié)點數(shù)據(jù)的重要程度，越重要的數(shù)據(jù)優(yōu)先級越高，查詢頻 率也會相應提高；在SLPS算法的基礎上，對事件劃分優(yōu)先級，提出基于事件優(yōu)先級和動態(tài) 散列位置的蛇形時隙算法（P-SLPS)，通過縮短數(shù)據(jù)存儲和查詢時數(shù)據(jù)的傳輸路徑，減少能 量消耗。
[0004] 當網(wǎng)絡中的事件分布不均勻時，某些節(jié)點存儲數(shù)據(jù)過多，P-SLPS算法會使網(wǎng)絡出 現(xiàn)熱點現(xiàn)象。超過節(jié)點的存儲空間而引起數(shù)據(jù)丟失，網(wǎng)絡能夠查詢的數(shù)據(jù)和信息減少，熱點 區(qū)域的節(jié)點能量消耗過快甚至耗盡死亡，縮短網(wǎng)絡的生命周期。
【發(fā)明內容】
[0005] 為解決存儲節(jié)點熱點現(xiàn)象，實現(xiàn)網(wǎng)絡中節(jié)點的負載平衡，本文引入多閾值 (multi-threshold)的存儲思想，基于P-SLPS算法，提出無線傳感數(shù)據(jù)存儲算法（Multi Threshold-PSLPS，MT-PSLPS)。MT-PSLPS算法根據(jù)節(jié)點剩余存儲空間選擇網(wǎng)格內的工作節(jié) 點，有效的改善節(jié)點能量分布不均的問題，延長網(wǎng)絡生命周期。MT-PSLPS算法通過劃分網(wǎng)格 區(qū)域，將特定類型的數(shù)據(jù)存儲在相應的網(wǎng)格中，不是存儲在某個節(jié)點上；通過定義事件優(yōu)先 級以及設定節(jié)點存儲閾值，將高優(yōu)先級的事件存儲在距離查詢節(jié)點更近的網(wǎng)絡區(qū)域，保證 高優(yōu)先級事件最先被搜索；根據(jù)監(jiān)測節(jié)點和存儲映射地址計算動態(tài)散列位置，結合節(jié)點剩 余存儲空間，將檢測事件存儲在同一優(yōu)先級區(qū)域內離監(jiān)測節(jié)點近且剩余存儲空間大的存儲 網(wǎng)格。若某個節(jié)點存儲容量超過閾值，將告知網(wǎng)格內其他節(jié)點自身存儲達到存儲閾值，該節(jié) 點不再參與節(jié)點工作時隙的分配，避免存儲熱點現(xiàn)象發(fā)生。MT-PSLPS算法具體如下：
[0006] 1.網(wǎng)絡劃分：假設網(wǎng)絡區(qū)域為一個L*L的正方形區(qū)域，節(jié)點均勻分布，每個節(jié)點分 別有實際坐標LR和虛擬坐標Lv，令其初始值Lv=LR，且無線傳感器網(wǎng)絡符合以下規(guī)則：網(wǎng) 絡有很好的連通性，即節(jié)點密度足夠大；網(wǎng)絡部署后，Sink節(jié)點和其它節(jié)點不再移動；網(wǎng) 絡的周界已知，節(jié)點可以獲得自己的位置坐標；節(jié)點間的通信范圍相同。另外，網(wǎng)絡中事件 的產生是隨機的，每個事件都有事件類型，不同節(jié)點可以產生相同類型的事件和數(shù)據(jù)。
[0007] 令Sink節(jié)點坐標為（0,0)，監(jiān)測事件有K類，以[IV(K+I)]*i(i= 1、2、3. . .K)為 半徑，（〇, 〇)為頂點，畫圓構成K個圓環(huán)區(qū)域，分別存儲K類事件，如圖1所示。每類事件賦 予一種優(yōu)先級，其值由事件按查詢頻率確定。優(yōu)先級值越小，事件優(yōu)先級越高，事件存儲區(qū) 域距離Sink節(jié)點越近。如優(yōu)先級為1的事件存儲在離Sink節(jié)點最近的圓環(huán)區(qū)域內。
[0008] 為了使存儲節(jié)點距離監(jiān)測節(jié)點更近，提出動態(tài)散列位置的概念。首先以Sink節(jié)點 為頂點，90/n為夾角，將網(wǎng)絡區(qū)域劃分為a、b、c、d. . .n區(qū)。將存儲區(qū)域劃分為網(wǎng)格，如圖2 所示。
[0009] 2.節(jié)點工作時隙的分配：首先，計算每個網(wǎng)格內的節(jié)點個數(shù)，以及各個節(jié)點到網(wǎng) 格中心點的距離，按距離從小到大為節(jié)點編號（A、B、C. . .N)，用一個m行n列的矩陣T為網(wǎng) 格內的每個節(jié)點分配偵聽或睡眠時隙。矩陣T中的元素L表示節(jié)點工作時隙。為保證每 個節(jié)點睡眠和偵聽周期公平，m和n的值盡量接近。矩陣T的行m和列n與網(wǎng)格內節(jié)點數(shù) 量N的關系如公式（1)所示：
[0010] (1)
[0011] 公式⑴中，若N為偶數(shù)，滿足m=n=N/2 ;若N為奇數(shù)，規(guī)定矩陣行數(shù)m為N/2 向上取整，列數(shù)n=N-m，m+n個節(jié)點對應mXn個工作時隙。
[0012] 節(jié)點工作時隙L分配如公式（2)所示：
[0013]
[0014] 假設網(wǎng)格內有7個節(jié)點（A、B、C、D、E、F、G)，則N= 7,由公式（1)計算得m= 4， n= 3。根據(jù)公式⑵帶入i，j值，構建矩陣T如圖3所示。
[0015] 從第一行第一列開始，自左向右分配連續(xù)的時隙，如遇矩陣邊界則垂直換到下一 行，并以相反的方向在該行繼續(xù)分配連續(xù)的時隙。如圖3所示，第一行從左到右為時隙1、2、 3,第二行從右到左為時隙4、5、6,以此類推。每個節(jié)點被映射到i行或j列，保證每個時隙 內有兩個節(jié)點處于活動狀態(tài)。矩陣T中，節(jié)點對應行或列中的元素表示節(jié)點的工作時隙。節(jié) 點A的活動時隙為1、2、3,其余時隙處于睡眠狀態(tài)。節(jié)點E的活動時隙為1、6、7和12。采用 蛇形時序分配方式，在時隙切換時始終保證有節(jié)點處于連續(xù)工作狀態(tài)，如時隙1中節(jié)點A、E 處于工作狀態(tài)，當時隙1切換到時隙2時，節(jié)點E進入休眠狀態(tài)，節(jié)點F從休眠狀態(tài)進入工 作狀態(tài)，而節(jié)點A在時隙1切換到時隙2的過程中始終處于工作狀態(tài)，這種分配方式避免了 時隙切換時的丟包現(xiàn)象，保證了網(wǎng)絡運行的可靠性。
[0016] 3.存儲節(jié)點的選擇：如圖4所示，監(jiān)測節(jié)點B(Xb，Yb)監(jiān)測到事件優(yōu)先級為K-1的 數(shù)據(jù)，對應存儲點應在第K-1層環(huán)內。利用散列表映射到散列位置G(Xg，Yg)，節(jié)點B在區(qū)域b中，散列位置G在區(qū)域c中，利用監(jiān)測節(jié)點和散列位置坐標計算動態(tài)散列位置G。(Xg。，Yg。)， 其中散列位置G和動態(tài)散列位置G。位于同一半徑圓弧上，監(jiān)測節(jié)點B和動態(tài)散列位置G。位 于同一半徑軸線上。選擇動態(tài)散列位置G。所在網(wǎng)格內的工作節(jié)點作為事件存儲節(jié)點，其 坐標由公式（3)和公式（4)求得。
[0017]
[0018]
[0019] 考慮到同一時隙監(jiān)測到的某一類型的事件數(shù)量不一樣造成各節(jié)點存儲容量的差 異，為每個節(jié)點設定存儲閾值，每一輪工作時隙結束后，檢測網(wǎng)格內各個節(jié)點的存儲容量。 若某個節(jié)點存儲容量超過閾值，將該節(jié)點虛擬坐標設為（0，0 )，同時告知網(wǎng)格內其他節(jié) 點自身存儲達到存儲閾值，網(wǎng)格內其他節(jié)點改變該節(jié)點的相關信息。下一輪根據(jù)各節(jié)點距 離網(wǎng)格重心的距離為各個節(jié)點分配工作時隙時，該節(jié)點不再參與節(jié)點工作時隙的分配；其 余節(jié)點分配工作時隙后重新開始新一輪的工作，以此類推。
[0020] 4.基于距離的存儲閾值策略：假定網(wǎng)絡中每個節(jié)點同構且有一個Grid_Node表 (用來存儲網(wǎng)格內其他節(jié)點信息的數(shù)據(jù)信息表），并為其設定多個存儲閾值及存儲閾值等 級TY。當存儲節(jié)點的數(shù)據(jù)達到預定義的閾值，其虛擬坐標Lv改為無窮大（°°，°° )，表示遠 離當前事件的散列位置，用虛擬坐標"覆蓋節(jié)點的原始坐標；同時該節(jié)點向網(wǎng)格內其他節(jié) 點發(fā)送Storage_Full包，告訴其他節(jié)點自身存儲達到某一閾值。網(wǎng)格內收到Stor