CN101132351A - 无线传感器网络路由建立方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了无线传感器网络路由建立方法及其装置。无线传感器网络由一个网关节点(Gateway Node)和n个传感器节点(Sensor Node)组成。网关节点根据无线传感器网络网络拓扑计算出路由和时隙分配表，并把它们发送给各传感器节点。各传感器节点按照路由和时隙分配表采用多跳方式将各种感知信息传送到网关节点。网关节点计算出的路由是以网关节点为树根的分层树状路由。各传感器发送的感知信息经由其上层的汇聚节点一层一层向上转发，最终到达网关节点，从而实现各传感器节点到网关节点的信息传送。其特点为延长整个无线传感器网络的寿命。

Description

无线传感器网络路由建立方法及其装置
技术领域：
本发明属于无线传感器网络技术领域，尤其涉及无线传感器网络中集中式路由建立方法。
背景技术:
随着微电子技术和无线通信技术的发展，无线传感器网络正广泛运用于众多领域。无线传感器网络是一种自组织网络，它通过路由算法以多跳方式传递信息。路由算法在无线传感器网络中发挥着重要作用，它对各节点的能耗、网络寿命以及通信质量起着关键性的作用。因此路由算法的研究受到越来越多的关注。降低传感器节点能耗，延长网络寿命是设计无线传感器网络路由时着重要考虑的问题。本专利公开的集中式路由建立方法，它根据网络拓扑计算出路由和时隙分配表。此路由不仅考虑了无线传感器网络中各节点间的通信链路质量还考虑了各传感器节点的能量状态，所以它在延长整个无线传感器网络寿命方面具有优越性。
发明内容：
本专利公开了一种无线传感器网络结构，其特点在于：从网关节点到各传感器节点用一跳通信方式；而从传感器节点到网关节点采用多跳通信方式。因此，网关节点可以有效地控制所有传感器节点。
本专利公开了一种基于网络拓扑的路由建立方法，其特点在于：根据无线传感器网络网络拓扑建立以网关节点为树根的树状路由，并给每个传感器节点分配信号发送时隙，从而实现各传感器节点到网关节点的信息传送。
本专利公开了无线传感器网络网络拓扑内容，它包括网关节点及各传感器节点间的通信链路质量和各传感器节点的能量状态，并用一对称矩阵描述无线传感器网络网络拓扑，我们称这个对称矩阵为网络拓扑矩阵。这里网关节点的能量状态不予考虑，默认为网关节点非能量受限。各节点间的通信链路质量划分为三个等级，即：“优”、“中”、“差”。通信链路质量为“优”是指可以建立正常的通信；“中”是指可以检测到信号的存在，但无法建立正常通信；“差”是指检测不到信号的存在，故也无法建立通信。
本专利公开了根据无线传感器网络网络拓扑建立以网关节点为最终汇聚节点的分层树状路由的方法。各传感器发送的感知信息经其上层的汇聚节点一层一层向上转发，最终到达网关节点。在无线传感器网络中传感器节点分为两大类，即汇聚节点和普通节点。汇聚节点除了发送自身感知的信息之外，还对来自网络中其他传感器节点的感知信息提供处理和转发；而普通节点只发送自身感知信息。因此，普通节点只有信号发送状态和体眠状态，普通节点在分配给自己的时隙内发送信号，其它时隙处于休眠状态，节省能量损耗；汇聚节点除信号发送状态和休眠状态之外还有接收状态。一个汇聚节点和由它提供转发服务的其下一层传感器节点构成的集合我们称之为一个汇聚群。在一个汇聚群中汇聚节点仅在其下层的传感器节点发送信号时处于信号接收状态。
本专利公开的树状路由建立方法，其特点在于：①分层树状路由的层数少；②能量更为充足的汇聚节点为更多的传感器节点提供转发服务。其目的在于延长整个传感器网络的寿命。其作法如图2所示。
第一步，设置变量i＝1。在网络拓扑矩阵中寻找与网关节点之间通信链路质量为“优”的各传感器节点，并把它们作为树状路由中的第一层传感器节点，剩余的传感器节点构成的集合我们称之为S1；
第二步，检测集合Si是否为空，若为空，操作结束；否则，进入第三步。
第三步，按照能量由大到小的顺序排列这些第i层传感器节点，并按照这个顺序给每个第i层传感器节点寻找与其相链的第i+1层传感器节点。.这些第i+1层传感器节点取自集合Si，并与相应的第i层传感器节点之间的通信链路质量为“优”。从集合Si中删除第i+1层的各传感器节点，剩余的传感器节点构成的集合我们称之为Si+1。设置变量i＝i+1。返回第二步。
本专利公开了各传感器节点信号发送时隙分配方法。其特点在于：在不发生相互干扰的前提下，实现时隙复用，即多个无线传感器节点在相同的时隙发送信息。其目的在于最大限度地减少无线传感器网络所使用的总的时隙数量。其时隙分配方法遵循以下两个原则：
第一，汇聚群内的各传感器节点分配不同的时隙；
第二，两个传感器节点A和B，传感器节点A的上层汇聚节点为C，而传感器节点B的上层汇聚节点为D。若A和B分得相同的时隙，其必要条件是B和C以及A和D之间的通信链路质量均为“差”。
附图说明：
图1无线传感器网络结构；
图2无线传感器网络中分层树状路由生成方法；
图3网络拓扑矩阵；
图4例举一网络拓扑矩阵；
图5分层树状路由。
具体实施方式：
图1给出了无线传感器网络结构。无线传感器网络由一个网关节点和n个传感器节点组成。传感器节点把由各传感器得到的测量信息以多跳方式传送到网关节点。网关节点汇集由各传感器节点传送来的测量信息并移交到信息处理中心。此外，网关节点完成对无线传感器网络路由和信号发送时隙分配的任务。网关节点将经计算得到的路由表和时隙通分配表过发送给各个传感器节点。网关节点发送的这些信息可直接传送到各个传感器节点，无需节点间多跳传送。换言之，网关节点无线信号发射功率较大，可覆盖整个无线传感器网络工作(感知)区域。
无线传感器网络，其网络拓扑用一个矩阵描述。如图3所示，此矩阵是对称阵，对角线元素表示各传感器节点的能量状态，其他元素表示相应的一对节点间的通信链路质量。例如，第2行第2列元素表示传感器节点1的能量状态；而第2行第3列元素代表传感器节点1与传感器节点2之间的通信链路质量，第1行第5列元素代表网关节点和节点4之间的通信链路质量。矩阵的大小与无线传感器网络中节点的个数一致。
下面通过一个例子说明本专利公开的路由及时隙分配方法。此例子中无线传感器网络由一个网关节点和六个传感器节点组成。
分层树状路由生成过程如下：
(1)从网络拓扑矩阵得知，传感器节点1、3和6与网关节点间的通信链路质量均为“优”，因此它们都成为第一层节点。
(2)从网络拓扑矩阵得知，上述三个传感器节点的能量状态。
(3)首先给能量最多的传感器节点3寻找其对应的第二层传感器节点。在剩余的传感器节点(传感器节点2，4，5)中无一传感器节点与节点3间的通信链路质量为“优”，所以由节点3提供转发服务的第二层传感器节点为无，节点3成为普通节点。
(4)其次给能量次之的传感器节点1寻找其对应的第二层传感器节点。在剩余的传感器节点(传感器节点2，4，5)中传感器节点2和4与节点1间的通信链路质量均为“优”，所以由节点1提供转发服务的第二层传感器节点为节点2和4。
(5)其次给能量再次之的传感器节点6寻找其对应的第二层传感器节点。传感器节点5与传感器节点6之间的通信链路质量为“优”，所以由节点6提供转发服务的第二层传感器节点为节点5。
(6)分层的树状路由完成，结果如图5所示。
时隙分配过程如下：
(1)首先给第一层的三个传感器节点分配三个时隙。传感器节点1分得第1个时隙slot1；传感器节点3分得第2个时隙slot2；传感器节点6分得第3个时隙slot3。
(2)其次给第二层传感器节点2和4分别分配第4个时隙slot4和第5个时隙slot5。
(3)最后给第二层传感器节点5分配第5个时隙slot5，即传感器节点4和5共享第5个时隙slot5。这两个传感器节点能够实现时隙共享的原因在于：节点1和节点5之间以及节点6和节点4之间的通信链路质量均为“差”。
(4)时隙分配完成，结果见下表：
 第1时隙  第2时隙  第3时隙  第4时隙  第5时隙
  节点1   √
  节点2   √
  节点3   √
  节点4   √
  节点5   √
  节点6   √

Claims (6)

1.无线传感器网络路由建立方法及其装置，其特征在于：路由和时隙分配表由网关节点根据无线传感器网络网络拓扑计算得出，并由网关节点发送给各个传感器节点。各传感器节点按照路由和时隙分配表发送、接收信息。
2.如权利要求1所述的无线传感器网络路由建立方法及其装置，其特征在于：根据无线传感器网络网络拓扑建立以网关节点为树根的分层树状路由，并给每个传感器节点分配信号发送时隙。各传感器发送的信息经由其上层的汇聚节点一层一层向上转发，最终到达网关节点，从而实现各传感器节点到网关节点的信息传送。
3.如权利要求1所述的无线传感器网络路由建立方法及其装置，其特征在于：①分层树状路由的层数最少；②能量更为充足的汇聚节点为更多的传感器节点提供转发服务。
4.如权利要求1所述的无线传感器网络路由建立方法及其装置，其特征在于：根据无线传感器网络网络拓扑和生成的路由给每个传感器节点分配时隙。
5.如权利要求1所述的无线传感器网络路由建立方法及其装置，其特征在于：时隙分配遵循以下原则，在不发生相互干扰的前提下，最大限度地实现时隙复用，即多个无线传感器节点共享相同的时隙。
6.如权利要求1所述的无线传感器网络路由建立方法及其装置，其特征在于：所依据的无线传感器网络网络拓扑，其内容包括网关节点及各传感器节点间的通信链路质量和各传感器节点的能量状态，并用一对称矩阵描述无线传感器网络网络拓扑。各节点间的通信链路质量划分为三个等级，即：“优”、“中”、“差”。
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