CN100531115C - 无线传感器网络的有效路由更新协议 - Google Patents

Abstract

一种通信系统的路由更新的装置及其方法，该通信系统包括目标、在预定范围内收集目标的信息的传感器节点、以及通过建立在传感器节点和汇节点之间用于目标信息传输的第一路由从传感器节点接收目标信息的汇节点。传感器节点收集目标信息，并且当不再接收到目标信息时广播路由选择请求消息。将包含在从第一路由上的第一传感器节点组的第一传感器节点接收的路由选择请求消息中的信息与包含在从距离第一传感器节点组预定距离内的第二传感器节点组的第二传感器节点接收的路由选择请求消息中的信息进行比较。通过利用基于比较选择的传感器节点更新第一路由。

Description

无线传感器网络的有效路由更新协议

本申请要求2003年7月14日在美国专利和商标局申请的美国临时性的专利申请号为60/486,415，和2004年4月1日在韩国知识产权局申请的韩国专利申请号为2004-22582的权益，其公开内容在这里结合作为参考。

技术领域

本发明涉及一种在传感器网络中在传感器节点和汇节点之间的路由选择，尤其涉及用于路由选择一条从传感器节点到汇节点和从汇节点到传感器节点的适当路径的装置和方法。

背景技术

在常规的移动通信系统中，移动单元和基站可以直接发送和接收数据而不需要经过其它移动单元/节点。其间，在传感器网络中，一个传感器节点利用其它传感器节点来发送其数据到汇节点。

传感器网络的结构将参考图1简要地描述。

参考图1，常规的传感器网络包含汇节点和多个传感器节点。虽然图1仅描绘了一个汇节点，本领域普通技术人员应当理解传感器网络可以包括至少两个汇节点，取决于用户的选择。

传感器节点收集关于由用户设定的目标的信息。关于目标的这种信息，例如，可以包括环境温度和物体的运动。

传感器节点发送收集的信息到汇节点。汇节点从传感器网络的传感器节点接收数据。在距离汇节点的预定的距离内的传感器节点能够直接发送数据。然而，在汇节点的预定距离之外的传感器节点通过邻近汇节点的传感器节点间接地发送信息。这将降低功率消耗。在传感器节点和汇节点之间的数据传输的功率消耗与其之间的距离成比例。因此，出于节省功率目的，在对汇节点的预定距离之外的传感器节点通过多个传感器节点间接地发送信息，也就是，通过邻近于汇节点的中继节点。当然，中继节点也可以直接地或间接地发送它自己收集的数据到汇节点。

如上所述，传感器节点收集关于目标的信息并发送其收集的信息到汇节点。然而，目标和汇节点通常不是固定的，而是移动的。图2示出了一个关于固定目标的信息被发送到移动的汇节点的例子；例如，当某个区域的温度被发送到运动的汽车时。在这种情况下，汽车的司机实时地接收关于某个区域的温度信息。图3示出了另一个移动目标周围的信息被发送到固定汇节点的例子。

图4示出了一个常规的相关技术传感器网络，其中一个传感器节点(“传感器节点1”)搜索到汇节点的最佳路由。这种传感器网络下面将做更详细的描述。

传感器网络节点1产生路由选择请求RREQ，它包含该传感器节点1的地址，也就是源地址，和汇节点的地址，也就是目的地址。传感器节点1广播RREQ到其相邻的传感器节点。在图4中，传感器节点2，4和5接收该RREQ。接收该RREQ的传感器节点把自己的地址与目的地址进行比较。如果地址不匹配，传感器节点更新RREQ并把它广播到它们的相邻节点。更新的RREQ现在包括跳次计数(hop count)信息。每个接收该RREQ的传感器节点基于该RREQ生成路由选择表。路由选择表通常包括源地址，目的地址，跳次计数和广播该RREQ的传感器节点的地址。

由传感器节点1广播的RREQ通过多条路径被发送到汇节点。接收该RREQ的汇节点通过利用包含在该RREQ中的跳次计数信息设置路由。也就是，汇节点设置具有最少跳次计数的路由。于是汇节点发送一路由选择应答RREP到传感器节点4。传感器节点4通过利用存储在其中的路由选择表发送该RREP到传感器节点1。随着该过程的重复，在传感器节点1和汇节点之间建立路由。传感器节点1通过这样一条建立的路由发送其收集的信息到汇节点。

参考图2和3如上所述，由于目标和汇节点的移动性，曾经建立的路由不能总是适当的。因此，可以利用存在的路由发现新的路由。路由的重新建立在图4中被示出。如果传感器节点包括GPS(全球定位系统)特性，传感器节点可以通过相互发送和接收它们位置的信息来更迅速地建立路由。然而，在传感器节点中包括GPS是不经济的。在下文中，将描述一种利用现有的路由重新建立路由的方法。

当目标移动时，传感器节点收集关于目标改变的信息，由此，传感器节点停止操作并且路由失效。作为一个例子，参考图5，传感器节点5最初利用某个路由发送关于目标的信息到汇节点。然而，由于目标移动，传感器节点5不能接收必要的数据去确定关于目标的信息。在图5中，一旦目标移动到传感器节点6可以到达的区域，传感器节点6收集关于该目标的信息。

不能接收到该目标信息的传感器节点4广播路由选择恢复消息到相邻区域。因此，接收到该路由选择恢复消息的传感器节点6识别传感器节点4请求重新建立路由。该路由选择恢复消息包含指定目标的信息。然而，如果目标如图6中所示出的频繁地移动将会出现问题。图6示出了由于非常依赖于先前的路由而导致的长距离路由。如果路由被延伸，每个传感器的功率消耗将增加。

图7举例说明了重新建立由于中继节点的移动而中断的路由的现有技术方式。参考图7，下面将描述利用计数器重新建立路由。

为了使用在先的路由以建立新的路由，使用适当的阈值。想要更新到汇节点的路由的传感器节点广播RREQ到相邻的传感器节点。如果该传感器节点不在先前的路由中，计数值增加1。接收到该RREQ的传感器节点将计数值与阈值进行比较。如果计数值等于或小于阈值，传感器节点更新接收的RREQ并广播更新的RREQ到相邻传感器节点。

该计数值是累积的。因此，当该RREQ经过两个不在先前路由中的传感器节点时，计数值变为2。如果阈值被设置为“1”，具有计数值2的传感器节点处理接收的RREQ。因此，广播RREQ的数量可以减小。通过执行上面的过程，传感器节点5利用传感器节点4、传感器节点7、传感器节点2和传感器节点1重新建立到汇节点的路由。然而，如果在先前路由上的至少两个传感器节点的路由中断，不能利用先前的路由重新建立路由。

图8图解了重新建立由中继节点的移动而中断的路由的过程。

参考图8，当先前路由上的传感器节点接收RREQ时，该传感器节点重新设置计数值。因此，如参考图7提到的问题在某种程度上能被解决。然而，由于依赖于先前路由，功率损耗沿着传感器网络的传感器节点变化。因此，渴望一种能够解决上面提到的问题的方法。

发明内容

本发明已经被开发以解决上面的缺点和与现有技术设备有关的其他问题。本发明的一个方面提供了一种通过利用现有路由在汇节点和传感器节点之间建立新的路由的装置和方法。

本发明的另一个方面提供了一种装置及其方法，其能够最小化沿着传感器网络的传感器节点的功率损耗差别。

本发明还有另一个方面提供了一种装置及其方法，其能够通过减少用于路由建立的节点之间发送的消息的数量来降低传感器网络的传感器节点的功率损耗。

本发明的上述目标和其它方面可以通过提供在通信系统中实现，通信系统包含用于在预定范围内收集目标信息的传感器节点，和通过建立在传感器节点和汇节点之间用于目标信息传输的第一路由从传感器节点接收目标信息的汇节点。一种更新从传感器节点到汇节点的第一路由选择的路由更新方法，包含：收集目标信息的传感器节点，并且传感器节点当现在没有接收到目标信息时广播包括无穷大计数的路由选择请求消息；第二传感器节点组的第二传感器节点比较包含在从第一传感器节点组的第一传感器节点接收的路由选择请求消息中的信息，与包含第二传感器节点组的该第二传感器节点的路由选择表中的信息，其中第一传感器节点组包括位于第一路由上的多个传感器节点，并且第二传感器节点组包括位于离第一传感器节点组一跳次或预定数目的跳次内的多个传感器节点；并通过利用基于所述比较结果而选择的传感器节点更新第一路由。

根据本发明的一个实施例，在包含在预定范围内收集目标信息的传感器节点和通过特定路由接收目标信息的汇节点的通信系统中，当不能从特定路由接收到目标的信息时，通信系统的路由选择装置为目标信息传输更新传感器节点和汇节点之间的路径并组成收集目标信息的传感器节点，其广播包括无穷大计数的路由选择请求消息。包括多个传感器节点的第一传感器节点组的第一传感器节点位于特定路由上；以及包括多个传感器节点的第二传感器节点组的第二传感器节点离第一传感器节点组一跳次或预定数目的跳次内，第二传感器节点比较包含在来自第一传感器节点的路由选择请求消息中的信息与包含在第二传感器节点的路由选择表中的信息，所述路由选择装置通过利用基于所述比较而选择的传感器节点来路由选择。

附图说明

通过参考附图描述本发明的某些实施例，本发明的上述方面和特征将变得更加清楚，其中：

图1举例说明现有技术传感器网络的结构；

图2举例说明在现有技术传感器网络中移动的目标；

图3举例说明在现有技术传感器网络中移动的汇节点；

图4举例说明建立在现有技术传感器网络中的路由；

图5举例说明根据移动的目标在现有技术传感器网络中重新建立的路由；

图6举例说明当为移动的目标执行路由重新建立时在现有技术传感器网络中出现的问题；

图7举例说明当为移动的目标执行路由重新建立时在现有技术传感器网络中出现的问题；

图8举例说明当为移动的目标执行路由重新建立时在现有技术传感器网络中出现的问题；

图9举例说明根据本发明的实施例按照移动的目标重新建立的路由；

图10举例说明根据本发明实施例的传感器节点的感应和传输范围；

图11举例说明根据本发明实施例的在现有路由上的传感器节点的操作；和

图12举例说明根据本发明实施例在现有路由上的传感器节点预定距离内的传感器节点的操作。

具体实施方式

参考附图本发明的某些实施例将被更详细的描述。

在下面的说明中，即使在不同附图中为相同的元件使用相同的附图标记。在说明中定义的事情，诸如详细结构或元件，被提供以便帮助全面理解本发明。因此，显而易见没有这些定义的事情本发明也能被执行。同样，众所周知的功能和配置未必使本发明的理解不清楚，它们将不被详细描述。

图9示出了根据本发明重新建立路由的示例性实施例。简单地说，本发明提出利用现有路由重新路由选择的有效方法。本发明进一步提出一种通过只利用在相对于现有路由上的传感器节点预定距离内的传感器节点重新路由选择的有效方法。根据如图9中所示的本发明的实施例，当由于目标的移动使得收集目标信息的传感器节点改变时，路由被更新。新的路由使用从旧的路由在一次跳跃内的节点。通过这种路由更新方法，重新路由选择所需要的节点数量可以被减少，并且减少数量的消息被使用。尽管本实施例描述了根据目标的移动执行路由更新的例子，应当理解当汇节点移动时，或者当汇节点和目标都移动时，也能够执行更新。

现在将参考路由更新过程的两个主要阶段详细描述本发明。首先，将描述路由更新的第一阶段。

第一阶段：

主要参考举例说明根据本发明的一个实施例的重新路由选择的图10描述根据本发明的一个实施例的路由更新。

图10示出了收集移动的目标信息并发送采集的信息到汇节点的传感器节点。只有当目标停留在感应范围内传感器节点检测目标。传感器节点1具有感应范围1000，传感器节点2具有感应范围1002。传感器节点3具有感应范围1004。尽管图10为每个传感器节点示出了各自的感应范围，本领域普通技术人员应当理解本发明也可以应用到传感器节点的感应范围重叠的情况。假定感应范围1000内的目标经过感应范围1002，并移动到感应范围1004。当目标在传感范围1000内时，传感器节点1利用旧的路由发送目标的信息到传感器节点4。传感器节点1能够通过传输区域1010发送其数据。由于传感器节点4位于传输区域1010内，它能够从传感器节点1接收数据。传感器节点4于是通过预置的路由发送接收的数据到传感器节点5。

如果目标从感应范围1000移动到感应范围1002，由于目标的移动，传感器节点1不再能感应到目标。因此，传感器节点1在预定的时间间隔广播关于目标的信息和关于传感器节点4的信息。由于目标的移动，传感器节点2目前可以感应到目标。传感器节点2也通过从传感器节点1广播的信息识别它将发送关于目标的信息到传感器节点4。传感器节点4从路由选择表删除关于传感器节点1的信息和关于跳次计数的信息。感应到目标的传感器节点2发送响应到传感器节点1。接收响应的传感器节点1停止关于目标的信息和关于传感器节点4的信息的广播。

传感器节点2发送路由选择请求消息到传感器节点4。由于传感器节点2的传输范围是1012，传感器节点4从传感器节点2接收路由选择请求消息。利用接收到的路由选择请求消息，传感器节点4更新其路由选择表。传感器节点4发送路由选择响应消息到传感器节点2。利用接收的路由选择响应消息，传感器节点2生成关于新的传感器节点2的路由选择表，由此建立到传感器节点4的路由。传感器节点2收集目标的信息，并利用建立的路由发送收集的信息到传感器节点4。

如果目标从感应范围1002移动到感应范围1004，传感器节点2以与传感器节点1一样的方式操作。传感器节点3发送路由选择请求消息到传感器节点4。由于传感器节点3的传输范围是1014，传感器节点4不能从传感器节点3接收到路由选择请求消息。因此，传感器节点4进入下面描述的路由更新的第二阶段。

第二阶段：

下面参考图9和本发明的一个特定实施例详细描述路由更新的第二阶段。

传感器节点4利用设定路由发送关于目标的信息到汇节点。目标从传感器节点4的感应范围移动到传感器节点9的感应范围。传感器节点4不再能收集到目标的信息，因此，以与上面描述的第一阶段中一样的方式操作。其间，传感器节点3在传感器节点9的传输范围外。因此，传感器节点9不能从传感器节点3接收路由选择响应消息。没有接收到路由选择响应消息，传感器节点9广播路由选择请求消息。在传感器节点8和传感器节点4分别接收路由选择请求消息。接收到请求消息的传感器节点8和传感器节点4分别更新它们的路由选择表。更新的路由选择表包括接收的路由选择请求消息的跳次计数。例如，跳次计数被设置为“1”。

如果预定的时间内没有接收到路由选择请求消息，传感器节点3广播包括无穷大跳次计数的路由选择请求消息。传感器节点4、传感器节点8、传感器节点2和传感器节点7分别接收路由选择请求消息。传感器节点2无限地更新路由选择表的跳次计数。传感器节点7存储包括无穷大跳次计数的路由选择表。传感器节点8比较包含在接收的路由选择请求消息中的跳次计数与路由选择表的跳次计数。如果比较结果显示路由选择表的跳次计数小于路由选择请求消息的跳次计数，传感器节点8生成路由选择请求消息。传感器节点8广播生成的路由选择请求消息到邻近的传感器节点。如果比较结果显示路由选择表的跳次计数大于路由选择请求消息的跳次计数，传感器节点8停止广播。图9示出了路由选择表的跳次计数被设置为“1”，并且路由选择请求消息的跳次计数为无穷大的一个例子。

接收到从传感器节点8广播的路由选择请求消息的传感器节点7，更新其路由选择表。利用接收的路由选择请求消息，传感器节点3更新其路由选择表。传感器节点3发送路由选择修订RREV消息到传感器节点2。RREV消息包含跳次计数。传感器节点2通过传感器节点3执行操作，传感器节点7通过传感器节点8执行操作。传感器节点1通过传感器节点3执行操作，传感器节点6通过传感器节点8执行操作。接收到从传感器节点6接收路由选择请求消息的传感器节点5，更新其路由选择表并发送路由选择请求消息到汇节点。传感器节点1发送RREV消息到汇节点。汇节点分别从传感器节点5和传感器节点1接收路由选择请求消息和RREV消息，并比较接收的消息，选择具有最少跳次计数的一个，并因此发送路由选择响应消息。如果确定跳次计数相等，汇节点选择新的路由。图9示出了当确定跳次计数相等时，汇节点通过新的路由发送路由选择请求消息的例子，也就是，到传感器节点5。通过上述过程，在汇接点和传感器节点9之间建立新的路由。

代替利用连接旧的路由和传感器节点9的路由，数据通过具有相同跳次计数的新的路由发送。结果，当目标移动时新的路由可以被有效的建立。另外，由于1跳区域内的传感器节点参与了路由的更新，节点中发送消息的数量可以被减少。如果必要，2跳次距离内或一定数目跳次内的传感器节点参与路由重新选择。

图11示出了位于旧的路由上的某个传感器节点的操作。为解释方便起见，旧的路由上的传感器节点在下文称为“NR”，与旧的路由距离在1跳内的传感器节点被称为“NN“。

在操作S1100中，NR接收RREQ或RREV。在操作S1102中，NR利用接收的RREQ或RREV更新其路由选择表。在操作S1104中，NR确定接收的消息是否是RREQ。如果是，执行操作S1106，如果不是，执行操作S1108。在操作S1108中，NR生成RREQ并广播生成的RREQ。在操作S1106，NR确定是否其路由选择表已被更新。如果是，执行操作S1110，如果不是，执行操作S1118。

在操作S1110中，NR确定是否从NN接收到了RREQ。如果是，执行操作S1112，如果不是，执行操作S1118。在操作S1112中，NR确定传感器节点是否是固定目的的传感器节点，即，确定它是否是汇节点。如果是，执行操作S1114，如果不是，执行操作S1116。在操作S1114中，NR生成RREP，并发送生成的RREP。在操作S1116中，NR发送RREV到相邻的NR。

图12示出了在NN的操作。在操作S1200中，NN接收RREQ。在操作S1202中，NN通过利用接收的RREQ更新其路由选择表。在操作S1204中，NN确定路由选择表是否已被更新。如果是，执行操作S1206，如果不是，执行操作S1212。

在操作S1206中，NN确定是否从NR接收到了RREQ。如果是，执行操作S1208，如果不是，执行操作S1212。在操作S1208中，NN比较其路由选择表的跳次计数与接收的RREQ的跳次计数。如果比较结果显示接收的RREQ的跳次计数大，执行操作S1210，否则，执行操作S1212。在操作1210中，NN通过利用路由选择表生成RREQ，并广播生成的RREQ。

图12没有举例说明RREP。NN通过利用其路由选择表发送接收的RREP到邻近的传感器节点。也就是，NN根据跳次计数的比较结果发送消息到相邻的NN或相邻的NR。

尽管图9描述了目标移动的一个例子，本领域普通技术人员应理解本发明也能应用于汇节点移动的情况。

如上面在本发明的典型实施例中描述的，通过利用距离旧的路由预定距离内的传感器节点建立新的路由，因此能够减少发送消息的数量。此外，通过根据目标的移动有效地更新路由，可以降低传感器网络的传感器节点的功率消耗。

前述的实施例和优点仅是典型的并不能解释为限制本发明。本示教可以很容易地被应用到其它类型的装置。同样，本发明的实施例的描述规定为说明性的，并不限制权利要求的范围，并且对于本领域熟练的技术人员来说更多替换，改进和变化是显而易见的。

Claims (13)

1.一种通信系统的路由更新方法，该通信系统包括：传感器节点，用于在预定范围内收集目标信息；和汇节点，通过建立在传感器节点和汇节点之间用于目标信息传输的第一路由，从传感器节点接收目标信息，该路由更新方法更新从传感器节点到汇节点的第一路由，包括：

通过传感器节点收集目标的信息，并且传感器节点在没有接收到目标信息时广播包括无穷大跳次计数的路由选择请求消息；

第二传感器节点组的第二传感器节点将包含在从第一传感器节点组的第一传感器节点接收的路由选择请求消息中的信息与包含在第二传感器节点组的该第二传感器节点的路由选择表中的信息进行比较，其中第一传感器节点组包括位于第一路由上的多个传感器节点，并且第二传感器节点组包括位于离第一传感器节点组一跳次或预定数目的跳次内的多个传感器节点；和

通过利用基于所述比较而选择的传感器节点更新第一路由。

2.如权利要求1所述的路由更新方法，其中包含在路由选择请求消息中的信息是跳次计数。

3.如权利要求1所述的路由更新方法，其中第二传感器节点将第二传感器组的另一个传感器节点的路由选择表的跳次计数与从第一传感器节点接收的路由选择请求消息的跳次计数进行比较。

4.如权利要求3所述的路由更新方法，其中，当路由选择表的跳次计数小于路由选择请求消息的跳次计数时，第二传感器节点广播来自第二传感器节点组的传感器节点的更新的路由选择请求消息。

5.如权利要求4所述的路由更新方法，进一步包括：

接收更新的路由选择请求消息的第一传感器节点，发送路由选择修订消息到第一传感器节点组的相邻的传感器节点以请求路由的更新；和

接收到路由选择修订消息的相邻传感器节点，广播路由选择请求消息。

6.如权利要求5所述的路由更新方法，其中路由选择修订消息包括跳次计数。

7.如权利要求1所述的路由更新方法，其中当传感器节点感应到由目标的移动、汇节点的移动、以及传感器节点和汇节点的移动中的至少一个引起的目标改变时，出现路由更新需要。

8.一种通信系统的路由选择装置，该路由选择装置包含：

多个传感器节点，用于在预定范围内收集目标的信息；

汇节点，通过特定路由接收目标的信息，当不能从所述特定路由接收到目标的信息时，路由选择装置用于为了目标信息传输在传感器节点中的至少一个和汇节点之间路由选择路径，其中传感器节点收集目标的信息并广播包括无穷大跳次计数的路由选择请求消息，

包括多个传感器节点的第一传感器节点组的第一传感器节点位于所述特定路由上；和

包括多个传感器节点的第二传感器节点组的第二传感器节点离第一传感器节点组一跳次或预定数目跳次内，第二传感器节点将包含在来自第一传感器节点的路由选择请求消息中的信息与包含在第二传感器节点的路由选择表中的信息进行比较，以及

所述路由选择装置通过利用基于所述比较而选择的传感器节点来路由选择。

9.如权利要求8所述的路由选择装置，其中包含在路由选择请求消息中的信息是跳次计数。

10.如权利要求8所述的路由选择装置，其中第二传感器节点将第二传感器节点组的另一个传感器节点的路由选择表的跳次计数与从第一传感器节点接收的路由选择请求消息的跳次计数进行比较。

11.如权利要求10所述的路由选择装置，其中当第二传感器节点组的传感器节点的路由选择表的跳次计数小于从第一传感器节点接收的路由选择请求消息的跳次计数时，第二传感器节点广播更新的路由选择请求消息。

12.如权利要求11所述的路由选择装置，其中在第二传感器广播更新的路由选择请求消息之后，第一传感器节点发送包括跳次计数的路由选择修订消息，以便请求路由的改变。

13.如权利要求12所述的路由选择装置，其中当接收到路由选择修订消息时，第一传感器节点广播更新的路由选择请求消息。

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