CN100466857C

CN100466857C - 基于优先权分簇的无线传感器网络的网络再编程方法

Info

Publication number: CN100466857C
Application number: CNB2007100199335A
Authority: CN
Inventors: 王汝传; 李文锋; 孙力娟; 黄海平; 陈志�
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2027-02-02
Also published as: CN101014166A

Abstract

基于优先权的分簇的无线传感器网络的网络再编程方法提供了一种无线传感器网络再编程方法，用于解决当前无线传感器网络新应用程序发布到节点间耗费能量大、通信量大等问题。同时可显著的提高无线传感器网络的网络再编程的效率，并节省无线传感器网络的能量、有效控制无线传感器网络的能信量。本方法通过将无线传感网络分簇，并将无线传感器网络的每个簇根据通信的要求进行划分优先级，优先级高的簇拥有先请求新代码的下载、传输的权利，而优先级低的则要在优先权高的簇之后才有机会代码下载、传输。它具有如下特征：无线传感器网络是分簇的；每个簇头节点在接收代码时分配有优先权；簇内代码的下载是由首负责制的。

Description

基于优先权分簇的无线传感器网络的网络再编程方法

技术领域

本发明是一种无线传感器网络再编程的方法。主要用于解决无线传感器网络中应用程序代码更新、代码维护等，属于无线传感器网络应用程序开发及无线传感器网络的网络编程领域。

背景技术

无线传感器网络由具有计算、通信和感知能力的小设备组成。由于传感器节点资源严重受限，要求应用程序必须尽量少地消耗网络资源。因此无线传感器网络的研究就集中到能量高效使用，同时为网络提供信息收发功能。但在实际的应用中，一个无线传感器网络必须在无人照顾的环境下服务，由于环境变化、需求变化，使得重新更新、替换并重新启动节点上的软件成为一种必然。

无线传感器的网络编程可以大致分为两类：一类是将整个新程序镜象传送到各个节点；一类是基于新旧代码不同部分的传送。第一类方法为网络编程提供了基本的解决方案，而第二类办法则针对同一应用程序不同版本时使用方便，或者用于修改程序的Bug及程序升级等情况。

传统的无线传感器节点再编程由手工将新程序直接配置到节点。然而，随着节点的增加，这种手工再编程已经不适用，而且，即使收到数据后通过XNP小规模的网络也不理想。因此，无线传感器网络的再编程不能依靠手工完成，而需要通过网络自动地传输到网络的各个节点。但是，如果不能将代码完全准确地发送到每个节点，则有可能会引起网络没法正常工作、网络阻塞，甚至瘫痪等。

目前已有的网络再编程包括单跳网络再编程(XNP)，MOAP(MultihopOver-the-Air Programming)和Deluge。所有这些都是传输整个程序，并且在TinyOS平台上编译。

XNP支持代码分发和编程的主要功能，但是不支持多跳发送和无法满足大规模传感器网络的编程增量更新。其只能广播整个程序到离基站距离为一跳的网络节点。

MOAP多跳网络编程的实现。使用Ripple分发协议来分发包到一些选中的节点，而不是洪泛到网络。对于包的重传，MOAP使用了滑动窗口协议，当它处于等待丢失包重传的时候，允许节点转发程序。

Deluge是多跳网络编程机制，有两个主要功能：块数据的分发和再编程bootloader。Deluge分发程序以一种流的方式，以调整通信量。为了增加传输吞吐量，Deluge使用了优化技术，如调整包传输率，空间复用技术。不象MOAP，Deluge使用了固定大小页作为缓冲单元管理和传输。

MNP提供可靠服务——将新程序通过发送选择协议发布到所有网络节点，网络上的每个节点都下载完新程序后，等待控制命令启用新程序。

这些方法从仅支持单跳到支持多跳，从通信量大调整到通信量小，从提供不完全可靠到提供可靠的传输，为无线传感器网络再编程提供了技术保障，但是，无线传感器网络中网络节点的能量这个关键的影响因素却没有进行有效的控制，因此，这里提出了一种能够节省能量、又能控制网络流量的无线传感器网络再编程方法。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于优先权分簇的无线传感器网络的网络再编程方法，用于解决当前无线传感器网络新应用程序发布到节点间耗费能量大、通信量大等问题。本发明可显著的提高无线传感器网络的网络再编程的效率，并节省无线传感器网络的能量、有效控制无线传感器网络的通信量。

技术方案：本发明是一种策略性方法，可以应用于各种与无线传感器网络的网络再编程相关的应用。本发明通过将无线传感网络分簇，并将无线传感器网络的每个簇根据通信的要求进行划分优先级，优先级高的簇先请求新代码的下载、传输，而优先级低的则后请求代码下载、传输。其目标是通过对网络分簇、给簇分配优先权，按先后顺序给网络节点下载新代码。

网络再编程方法实现过程可以分为以下三个部分：

1.)基站与簇头节点代码下载：基站负责为每个簇头节点的分配下载代码的优先权，并发布代码下载通知，簇头节点向基站请求代码下载，直到基站与簇头节点之间完成代码的下载，对于基站节点，分配每个簇的下载代码优先权，一开始时与优先权为0的簇头进行代码传输，每传输完一个，找优先权加1的簇头节点，

2.)簇头与簇内节点的代码下载：完成簇头节点与簇内节点间的代码传输。簇头节点首先选择一个簇内节点下载代码，而后，由这个已经下载代码的簇内节点当作簇头节点，将代码下载到一个它的邻居节点，直到所有簇内节点都下载完毕新代码，

3.)申请启动新代码：在簇内的所有节点下载完新代码后，可以由簇头节点负责申请启动新代码的运行，基站根据设定不同的优先权，按照不同的次序发布重启新代码程序指令。

基站与簇头节点代码下载过程为：

1.)分配簇头不同的优先权；

2.)簇头节点每收到下载请求，判断请求是否请求本节点；

3.)是，接收请求并发送请求下载的代码号；

4.)不是，不理会通知，继续执行原任务；

5.)收到下载代码后，判断当前代码是否已经接收过，如果接收过，则放弃接收，否则接收并发送申请下一个代码；

6.)基站收到簇头请求下载的代码号后，发送与代码号对应的代码；

7.)簇头节点接收完所有代码后，发送一个接收完毕通知基站，如果基站接收完簇头接收完毕通知，则根据开始发送下一个优先权的代码通知；

8.)如果簇头节点有些代码没有接收到，则可以发送请求到基站重新下载代码号，基站重新发送该代码块。

簇头与簇内节点的代码下载过程为：

1.)簇头节点发送代码下载通知到其一簇内节点；

2.)簇内节点每收到下载请求，判断请求是否请求本节点；

3.)是，接收请求并发送请求下载的代码号；

4.)不是，不理会通知，继续执行原任务；

6.)簇头收到簇内邻居请求下载的代码号后，发送与代码号对应的代码；

7.)簇内节点接收完所有代码后，发送一个接收完毕通知簇头，如果簇头接收完簇头接收完毕通知，则以该簇内节点当簇头节点，开始发送代码下载通知到其一邻居节点；

8.)如果簇内节点有些代码号没有接收到，则可以发送请求到簇头重新下载代码号，簇头重新发送该代码块。

网络再编程方法实现过程使用“优先权分簇”实现，其步骤具体如下：

步骤1).使用已有的LEACH分簇算法，将无线传感器网络分簇；

步骤2).基站根据当前从簇返回到基站的信息量的值大小分配当前簇的优先权，信息量的数值最小的簇标识为0，次小的标记为1，依次按照信息量的数值增大簇的标记值也增大，标记值数值越小则优先权越高，标记值数值越大则优先权越小；基站发送下载通知代码块大小到当前优先权最高的簇头节点；

步骤3).簇头节点收到通知后，向基站节点发送第一个代码下载请求；

步骤4).基站节点收到请求后，开始发送代码给簇头节点，并附有下一个可以下载的代码编号；

步骤5).簇头节点收到第一个代码后，发一个确认接收并请求下一个请求要下载的代码编号；

步骤6).一直按步骤4)-步骤6)进行，直到簇头节点接收完毕最后一个代码编号，然后发送一个接收完毕确认到基站；

步骤7).基站开始通知下一个优先权高的请求代码下载的簇头节点；

步骤8).当前簇头节点收到通知后，请求下载代码，按照步骤3)-步骤6)进行，直到最后一个簇头节点完成代码的接收；

步骤9).簇头节点收完整个代码后，开始向簇内的一节点开始发送代码下载通知；

步骤10).簇内收到通知的节点发送下载请求；与簇头节点按照步骤3)-步骤6)进行代码下载；

步骤11).簇内节点收完代码后，其它节点的代码由这个节点开始负责下载，它把自己当簇头节点，选择其中的一个邻居发送代码请求；当这个邻居节点收完代码后，继续把自己当簇头节点，然后将代码下载到其一邻居节点，直到这个簇内所有节点都下载到新代码。

步骤12).当簇内所有节点下载完毕新代码后，由簇头节点负责将完成消息发送到基站，表示所有代码下载完毕，可以重新启动程序；

步骤13).基站收到重新启动新程序请求时，决定是否根据当前簇头节点返回的信息量的值大小判断当前簇内是否有大量的信息需要发回，即给簇划分优先权，通信量小的且已经请求发送重启程序的簇的优先级高，一个一个查找，查找到的第一个满足条件的簇标记优先权为0，依次加1；

步骤14).基站向请求启动程序且优先权高的簇头发送重启命令；

步骤15).簇头节点收到重启程序后，开始运行刚下载的新代码；步骤16).重复执行步骤14)-15)，直到所有簇都完成重新启动。

有益效果：使用该方法有如下优点：

1.控制网络流量

利用了优先权分簇的策略，即通信量较少的簇拥有最高的优先权下载代码，这样先安排相对空闲的簇完成代码的下载，能有效地控制一个簇因为通信量太多而引起网络拥塞，保证整个网络的通信量保持平均。

2.节省能量

由于在代码下载过程时，并不是任意簇头节点可以下载代码，只有当前通信量较少的簇头节点才有机会下载代码，即在这个簇内信息传输碰撞的机会也变小，从而不浪费能量在重发代码和冲突检测上，为网络节省了能量。

4.动态性

簇头的优先权并不是一成不变，而是根据当前通信过程中通信量的多少决定簇头节点的相对空闲。这样能实际反映出当前网络中簇头节点的通信情况，优先权能根据通信量的变化而动态地改变。

附图说明

图1给出了基于优先权分簇的无线传感器网络的网络再编程方法的节点拓扑。

图2是基于优先权分簇的无线传感器网络的网络再编程方法的基站处理流程图。

图3是基于优先权分簇的无线传感器网络的网络再编程方法的簇头节点处理流程图。

具体实施方式

实现基于优先权的分簇的无线传感器网络的网络再编程方法，它应具有如下特征：无线传感器网络是分簇的；每个簇头节点在接收代码时分配有优先权；簇内代码的下载是由首负责制的。这里先介绍一下优先权及首负责制。

优先权：在基站向簇头节点发送代码下载通知时，由于有的簇正在执行任务，比如正在采集数据，如果这个时候基站直接允许其下载新代码，则增加簇的通信量，也会影响整个网络的通信量。因此，基站根据目前返回信息量少的簇头作为先下载代码的簇，这样就能够避免影响一些簇正常工作，也为一些相对空闲的簇先下载代码。优先权正是基于这个理念提出来，能够方便安排无线传感器网络簇头节点下载新代码的顺序，即为当前通信量少且是簇头的节点分配一个序号，第一个获得的优先权为0，第二个为1，依次加1，直到所有簇头节点安排到。在簇向基站节点发送请求重启新代码时，也要涉及到哪些簇先启动，哪些节点后启动的顺序，这里同样使用了这个优先权，作为一个启动的顺序。

首负责制：簇内节点在代码下载过程中，并不是由簇头节点负责簇内所有的节点的代码下载，而是由簇头发给的第一个节点负责，然后这个节点把自己当成簇头节点，负责发送到下一个邻居节点，下一个邻居节点接收完代码后，同样把自己当簇头节点，然后将代码发送到下一个邻居节点。依次这样执行，直到簇内所有节点接收完毕代码。这样每次由第一个接收完毕代码的节点负责代码的发送的机制称为首负责制。

本发明中的策略定义为：构建一个分簇的无线传感器网络，根据每个簇当前的通信量分别给每个簇分配一个下载优先权，簇头节点完成代码下载后，分别负责本簇头节点所在的簇内节点的新代码下载，直到所有节点接收完毕新代码。图1给出了基于优先权的分簇的无线传感器网络的网络再编程方法的节点拓扑图。

方法流程：

基于优先权的分簇的无线传感器网络的网络再编程方法使用“优先权分簇”实现无线传感器网络再编程，其步骤表述如下：

步骤1).使用已有的LEACH分簇算法(麻省理工学院的Chandrakasan提出的无线传感器网络设计的低功耗自适应聚类路由算法)，将无线传感器网络分簇；

步骤10).簇内收到通知的节点发送下载请求；与簇头节点按照3)-步骤6)进行代码下载；

步骤11).簇内节点收完代码后，其它节点的代码由这个节点开始负责下载，它把自己当簇头节点，选择其中的一个邻居发送代码请求；当这个邻居节点收完代码后，继续把自己当簇头节点，然后将代码下载到其一邻居节点，直到这个簇内所有节点都下载到了新代码；

步骤15).簇头节点收到重启程序后，开始运行刚下载的新代码；

步骤16).重复执行步骤14)-15)，直到所有簇都完成重新启动。

基于优先权的分簇的无线传感器网络的网络再编程方法的实现过程可以分为以下三个部分：

基站与簇头节点代码下载：基站负责为每个簇头节点的分配下载代码的优先权，并发布代码下载通知。簇头节点向基站请求代码下载，直到基站与簇头节点之间完成代码的下载。

对于基站节点，分配每个簇的下载代码优先权。一开始时与优先权为0的簇头进行代码传输，每传输完一个，找优先权加1的簇头节点。

基站与簇头节点代码下载过程为：

1.)分配簇头不同的优先权；

2.)簇头节点每收到下载请求，判断请求是否请求本节点；

3.)是，接收请求并发送请求下载的代码号；

4.)不是，不理会通知，继续执行原任务；

8.)如果簇头节点有些代码没有接收到，则可以发送请求到基站重新下载代码号。基站重新发送该代码块。

簇头与簇内节点的代码下载：完成簇头节点与簇内节点间的代码传输。簇头节点首先选择一个簇内节点下载代码，而后，由这个已经下载代码的簇内节点当作簇头节点，将代码下载到一个它的邻居节点，直到所有簇内节点都下载完毕新代码。

簇头与簇内节点的代码下载过程为：

1.)簇头节点发送代码下载通知到其一簇内节点；

2.)簇内节点每收到下载请求，判断请求是否请求本节点；

3.)是，接收请求并发送请求下载的代码号；

4.)不是，不理会通知，继续执行原任务；

8.)如果簇内节点有些代码号没有接收到，则可以发送请求到簇头重新下载代码号。簇头重新发送该代码块。

申请启动新代码：在簇内的所有节点下载完新代码后，可以由簇头节点负责申请启动新代码的运行。基站根据设定不同的优先权，按照不同的次序发布重启新代码程序指令。

为了方便描述，我们假定有如下应用实例：发送一个包含两个代码块的代码段到簇1内的过程，以图1的体系结构为例。

具体实施方案为：

步骤1).将无线传感器网络分簇分别编号为簇1、簇2、簇3、簇4；

步骤2).基站根据目前从簇1、簇2、簇3、簇4返回到基站的信息量分别为2p/usec、25p/usec、34p/usec、21p/usec，信息量最少的簇1优先权为0，簇4优先权为1，簇3的优先权为3，簇2的优先权为2，基站发送下载通知(节点号＝1，代码块大小＝2)到当前优先权最高的簇1的簇头节点；

步骤3).1号簇头节点收到通知后，向基站节点发送第一个代码(代码号＝1，本节点编号＝1)下载请求；

步骤4).基站节点收到请求后，开始发送第1个代码给簇头1节点，并附有下一个可以下载的代码编号2；

步骤5).簇头1收到第一个代码后，发一个确认接收并请求下一个请求要下载的代码编号2给基站；

步骤6).簇头1接收完毕第2个代码编号后，然后发送一个接收完毕确认到基站；

步骤7).基站节点开始通知下一个优先权高(簇4)的请求代码下载的簇头节点(簇头号为4)；

步骤8).簇4的簇头节点4收到通知后，请求下载代码，按照步骤3)-6)进行，直到最后一个簇头节点完成代码的接收；

步骤9).簇头节点1收完毕整个代码后，开始向簇内的一节点1.1开始发送代码下载通知；

步骤10).节点1.1发送下载请求；与簇头节点1按照3)-6)进行代码下载；

步骤11).簇内节点1.1收完毕代码后，其它的节点的代码由这个节点开始负责下载。它把自己当簇头节点，选择其一个邻居1.2发送代码请求；当节点1.2收完毕代码后，把自己当簇头节点，然后将代码下载到其一个邻居节点1.3，直到这个簇内所有节点都下载到了新代码；

步骤12).当簇1内所有节点下载完毕新代码后，由簇头节点1负责将完成消息发送到基站，表示所有代码下载完毕，可以重新启动程序；

步骤13).基站收到重新启动新程序请求时，决定是否根据当前簇头节点1返回的信息量判断当前簇内是否有大量的信息需要发回，即给簇划分优先权，通信量小的且已经请求发送重启程序的簇的优先级高，一个一个查找，查找到的第一个满足条件的簇标记优先权为0，依次加1；

步骤16).重复执行步骤14)-15)，直到所有簇都完成重新启动。

Claims

1.一种基于优先权分簇的无线传感器网络的网络再编程方法，其特征是网络再编程方法实现过程分为以下三个部分：

1.)基站与簇头节点代码下载：基站负责为每个簇头节点分配下载代码的优先权，并发布代码下载通知，簇头节点向基站请求代码下载，直到基站与簇头节点之间完成代码的下载；对于基站，根据从簇返回到基站的信息量的值的大小为每个簇头节点分配下载代码优先权，信息量的值越小，优先权级别越高，优先权的值从0开始，优先权值越小，优先权级别越高；基站一开始时与优先权值为0的簇头节点进行代码传输，每传输完该段代码，继续找优先权值加1的簇头节点进行代码传输；

2.)簇头节点与簇内节点的代码下载：完成簇头节点与簇内节点间的代码传输；簇头节点首先选择一个簇内节点，该簇内节点从簇头节点下载代码，而后，将已经下载完代码的簇内节点当作簇头节点，并将代码发送到该簇内节点的一个邻居节点，直到所有簇内节点都下载完毕代码；

3.)申请启动新代码：在簇内的所有节点下载完新代码后，由簇头节点负责向基站申请启动新代码的运行，基站根据设定的不同的优先权，按照优先权级别从高到低的次序发布重启新代码程序指令。

2.根据权利要求1所述的基于优先权分簇的无线传感器网络的网络再编程方法，其特征是基站与簇头节点代码下载过程为：

1.)分配簇头节点不同的优先权；

2.)簇头节点每收到下载通知，判断该通知是否通知本簇头节点；

3.)是，接收通知并发送包括请求下载的代码号的下载请求，然后执行步骤5.)，步骤6.)；

4.)不是，不理会下载通知，继续执行原任务；

5.)基站收到簇头节点的请求下载的代码号后，发送与代码号对应的代码；

6.)簇头节点收到来自基站的下载代码后，判断当前代码是否已经接收过，如果接收过，则放弃接收，否则接收并向基站发送包括下一个代码号的下载请求；

7.)簇头节点接收完所有代码后，发送一个接收完毕通知到基站，如果基站接收到簇头节点接收完毕通知，则开始发送下一个优先权的代码下载通知；

8.)如果簇头节点有些代码没有接收到，则重新发送包含下载代码号的下载请求到基站请求重新下载代码，基站重新发送对应该代码号的代码。

3.根据权利要求1所述的基于优先权分簇的无线传感器网络的网络再编程方法，其特征是簇头节点与簇内节点的代码下载过程为：

1.)簇头节点发送代码下载通知到其一簇内节点；

2.)簇内节点每收到下载通知，判断该通知是否通知本簇内节点；

4.)不是，不理会通知，继续执行原任务；

5.)簇头节点收到簇内节点请求下载的代码号后，发送与代码号对应的代码；

6.)簇内节点收到来自簇头节点的下载代码后，判断当前代码是否已经接收过，如果接收过，则放弃接收，否则接收并向簇头节点发送包括下一个代码号的下载请求；

7.)簇内节点接收完所有代码后，发送一个接收完毕通知到簇头节点，如果簇头节点接收到簇内节点的接收完毕通知，则将该簇内节点当作簇头节点，开始发送代码下载通知到该簇内节点的一邻居节点；

8.)如果簇内节点有些代码号没有接收到，则重新发送包含下载代码号的下载请求到簇头节点请求重新下载代码，簇头节点重新发送对应该代码号的代码。

4.根据权利要求1所述的基于优先权分簇的无线传感器网络的网络再编程方法，其特征是网络再编程方法实现过程使用优先权分簇实现，其步骤具体如下：

步骤1).使用已有的LEACH分簇算法，将无线传感器网络分簇；

步骤2).基站根据当前从簇返回到基站的信息量的值大小分配当前簇的优先权，信息量的数值最小的簇标识为0，次小的标记为1，依次按照信息量的数值增大簇的标记值也增大，标记值数值越小则优先权越高，标记值数值越大则优先权越低；基站发送下载通知到当前优先权最高的簇的簇头节点；

步骤4).基站节点收到请求后，开始发送代码给簇头节点，并附有下一个可以下载的代码号；

步骤5).簇头节点收到第一个代码后，发一个确认接收并请求下一个请求要下载的代码号；

步骤6).一直按步骤4)-步骤5)进行，直到簇头节点接收完毕最后一个代码，然后发送一个接收完毕确认到基站；

步骤8).当簇头节点收到通知后，请求下载代码，按照步骤3)-步骤6)进行，直到最后一个簇头节点完成代码的接收；

步骤9).簇头节点收完整个代码后，开始向一簇内节点发送代码下载通知；收到通知的簇内节点发送下载请求给簇头节点；

步骤10).簇头节点收到请求后，开始发送代码给簇内节点，并附有下一个可以下载的代码号；簇内节点收到代码后，发送一个确认接收并请求下一个下载请求的代码号；重复执行步骤10)，直到簇内节点接收完毕最后一个代码号；

步骤11).簇内节点接收完毕最后一个代码后，其它节点的代码由这个节点开始负责发送；该接收完代码的簇内节点把自己当作簇头节点，并选择其中的一个邻居簇内节点发送下载代码通知；当这个邻居簇内节点收完代码后，继续把自己当作簇头节点，然后将代码发送到其一邻居节点，直到这个簇内所有节点都下载到了新代码；

步骤13).基站收到重新启动新程序请求时，根据当前簇头节点返回的信息量的值大小判断当前簇内是否有大量的信息需要发回，给簇划分优先权，通信量小的且已经请求发送重启程序的簇的优先级高；

步骤14).基站向请求启动新代码的运行且优先权高的簇头节点发送重启命令；

步骤15).收到重启命令的簇头节点开始运行刚下载的新代码；

步骤16).重复执行步骤14)-15)，直到所有簇都完成重新启动。