CN101159697A - 无线传感器网络中时延限制下实现最小能耗路由的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络中时延限制下实现最小能耗路由的方法，首先在传感器网络的节点冗余条件下，通过改进AMODV多路径路由算法产生从数据产生源节点到收集基站的多条路径，作为路径搜索的候选集合；再在生成的路径集合中，先对符合时延要求的路径进行标定，再采用基于动态规划思想的策略，分布式地求算最小能耗路径。基于生成的路径集合以很大概率包含了保证时延的最小能耗路径的经验事实，此路由实现方法切实提供了满足时延要求的最小能耗路径。

Description

无线传感器网络中时延限制下实现最小能耗路由的方法

技术领域

本发明涉及无线传感器通讯方法，特别涉及在单源单汇的无线传感器网络数据收集应用场景中的路由问题。

背景技术

随着微电子机械技术的进步，微型传感器得到了极大的发展。在军事、科研、工业、医疗等领域，无线传感器以组网形式被大量应用，进行环境信息的探测、收集和汇总。路由协议是无线传感器网络中数据传输的基础技术。在无线传感器网络的资源严格受限的特性下，路由协议除了进行数据传输，还要考虑到特别的应用需求。在长期环境监测应用中，路由协议要实现最大的能量节省以尽可能延长传感器网络的工作寿命；在图像监测、火警监控、敌情跟踪等实时传感器监控系统中，则要求路由协议能保证数据的实时传输。

在主要关注能量节省的路由协议中，一般采用层次式分簇结构，链式数据传输结构，数据聚集等方法来达到节能的目的，往往牺牲了实时性。而关注实时性的路由协议，往往基于节点的地理信息，采用贪婪策略，以求每一次传输都尽量接近收集源，忽略了节能的要求。随着传感器网络监控应用变得越来越普及，许多的长期监控场景(例如对于火山口活动的监测)既要求路由协议能够节省能耗，也要求数据的收集和传输具有一定的实时性。在这类场景中，以往只考虑单一的节能或实时性的路由协议不再能满足要求。新的路由应该能在保证时延要求的前提下同时能尽可能的减少能量的消耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对在越来越多的无线传感器网络实时监测应用场景中，当前的路由协议研究中存在的实时性和节能要求不能兼顾的情况，提出一种在单源单汇情形下满足时延要求的最小能耗路由方法。该方法可以使得收集到的环境信息数据能够在时延要求内沿着最小能耗的路径传送到收集基站进行处理。

为实现本发明所述目的，本发明所述的一种无线传感器网络中时延限制下实现最小能耗路由的方法，包括负责环境监控和数据采集的源节点，收集源节点数据的汇聚节点以及收集基站，源节点先将数据发送到汇聚节点，由此汇聚节点将数据进行聚集等操作后，封装在数据包中并以一定路径统一向收集基站发送，上述路径通过以下步骤确定：

1)收集基站V_d发起多路径路由构建通知，该构建通知中多路径构造的算法为：每个节点维护一个随机定时器，在这个期间内所有路由构建通知数据报都被感知；当定时器到期后，选择离收集基站时延最大的数据报中的时延作为阈值，并转发带有这个阈值的路由通知数据报，往后只有小于这个阈值的通知数据报的来源节点才可加进路由表中；由此，传感器网络中的每个节点都将通过维护一个路由表来实现到达收集基站的无环多路径路由，每条路由到达收集基站的时延均小于此阈值；当汇聚节点的路由表构造完毕以后，表明从汇聚节点到达收集基站的多路径集合构造完毕；

2)在生成的路径集合中，先对符合时延要求的路径进行标定，再采用基于动态规划思想的策略，分布式地求算最小能耗路径；

3)由收集基站根据标定的信息，从所有满足时延要求的路径中根据动态规划策略反向计算出从汇聚节点到其能耗最小的路径。

上述步骤2)中进一步包括以下步骤：

21)汇聚节点向路由表中所有满足H(P(V))<Γ的节点V发送带有时延值Γ-1的数据包；(P(V)代表从节点V开始到收集基站的路径；H(P(V))代表从节点V开始到收集基站的所有路径中的最小时延；Γ代表时延限制值)

22)中间节点V_m收到上游节点V_n发送的带有时延值Γ’的数据包后，将时延值Γ’以<V_n，Γ’>的形式消除重复后存储于时延列表中，然后向满足条件H(P(V))<Γ’的下游节点V发送带有时延值Γ’-1的数据包，直到收集基站。下面将结合附图进行详细说明。

上述步骤3)中进一步包括以下步骤：

31)收集基站V_d根据保存的<V_n，Γ_n>列表向所有上游邻居节点V_n发送数据包<0，Γ_n>；

32)当节点V_k收到下游邻居节点V_j发送的带有满足时延要求Γ的链路最小能耗<e(P(V_j))，Γ>的数据包后，对于时延列表中保存的所有<V₁，Γ₁>、<V₂，Γ₂>、…<V_n，Γ_n>，若有Γ_n满足Γ_n＝Γ+Δ_kj，计算T_Γn，w＝ω(V_k，V_j)+e(P(V_j))值；(Δ_kj为节点k，j之间的时延；ω(V_k，V_j)为节点k，j之间的能耗)

33)当节点V_k对于时延列表中某一<V_n，Γ_n>汇聚了所有满足H(P(V_j))<Γ_n的下游邻居节点V_j发送的数据包<e(P(V_j))，Γ_n>并计算相应的T_Γn，w后，将T_Γn＝min_w(T_Γn，w)的下游节点V_m作为转发节点，以<Γ_n，V_m>形式保存，并构造数据包<T_Γn，Γ_n+Δ_kn>向上游节点V_n转发；

34)汇聚节点V_s最终计算出最小T_Γ值，并确定下一跳数据转发节点。每个节点计算出对于不同Γ_n值的最小能耗下游节点后，将其保存在转发列表中，汇聚节点即可根据转发列表中的信息进行数据包的转发。

步骤34)中汇聚节点V_s有带有时延限制的Γ数据要发送时，可将数据包捎带上Γ-Δ_sm，向<Γ，V_m>中指示的下一跳节点V_m发送；中间节点收到数据包时也作相同动作。

本发明首先在传感器网络的节点冗余条件下，通过改进AMODV多路径路由算法产生从数据产生源节点到收集基站的多条路径，作为路径搜索的候选集合；再在生成的路径集合中，先对符合时延要求的路径进行标定，再采用基于动态规划思想的策略，分布式地求算最小能耗路径。基于生成的路径集合以很大概率包含了保证时延的最小能耗路径的经验事实，此路由实现方法切实提供了满足时延要求的最小能耗路径。

附图说明

图1是无线传感器网络单源单汇数据传输的场景；

图2是本发明中三个阶段的示意图；

图3是采用了动态规划策略的路径最小能耗计算示意图。

具体实施方式

无线传感器网络单源单汇数据传输的场景如图1所示。负责环境监控和数据采集的源节点一般先将数据发送到某一汇聚节点，由此汇聚节点将数据进行聚集等操作后，封装在数据包中统一向收集基站发送。

本发明的实现过程描述如图2所示。本发明的整个过程由三个阶段构成。

第一阶段先从收集基站发起多路径路由构建通知(图2-11)，多路径构造算法采用AMODV算法的第一阶段：即每个节点维护一个随机定时器，在这个期间内所有路由构建通知数据报都被感知；当定时器到期后，选择离收集基站时延最大的数据报中的时延作为阈值，并转发带有这个阈值的路由通知数据报(图2-12)；往后只有小于这个阈值的通知数据报的来源节点才可加进路由表中。由此，传感器网络中的每个节点都将通过维护一个路由表来实现到达收集基站的无环多路径路由，每条路由到达收集基站的时延均小于此阈值。当汇聚节点的路由表构造完毕以后(图2-13)，表明从汇聚节点到达收集基站的多路径集合构造完毕，本方法的第二阶段开始。

在第二阶段中，汇聚节点根据自己的路由表，根据应用的时延限制将所有到达收集基站的满足时延要求的路径进行标定。随后，在第三阶段中，由收集基站根据标定的信息，从所有满足时延要求的路径中根据动态规划策略反向计算出从汇聚节点到其能耗最小的路径。第二、三阶段是本发明的核心部分，将在下面详细描述。

第二阶段(即时延标定阶段)为本方法的反馈阶段，步骤如下：

首先，汇聚节点向路由表中所有满足H(P(V))<Γ的节点发送带有时延值Γ-1的数据包(图2-21)，其中H(P(V))为从节点V开始到收集基站的所有路径中的最小时延，Γ为时延限制值；

然后，中间节点V_m收到上游节点V_n发送的带有时延值Γ’的数据包后，将时延值Γ’以<V_n，Γ’>的形式消除重复后存储于时延列表中，然后向满足条件H(P(V))<Γ’的下游节点发送带有时延值Γ’-1的数据包，直到收集基站(图2-22)。

经此阶段，每条可以满足时延要求的路径上的节点都保存了相应的时延要求值d。在此阶段中，由于生成的多路径集合包含有丛结构，每个节点维护一个时延列表(delayList)，保存对于不同上游节点V_n的时延要求值Γ’，即<V_n，Γ’>(图2-23)。

第三阶段中，由收集基站开始根据时延列表中的信息，从而遍历所有标定路径上的节点，采用动态规划策略反向计算从汇聚节点到收集基站的最小能耗路径。通过分析可知，每个节点V如果得知它的满足某个时延限制Γ的所有下游节点{V’}到达收集基站的最小能耗，并且它到这些节点之间的能耗ω和时延Δ也能得知，那么从V到收集基站的满足时延限制Γ的最小能耗也可以如下计算：记P(V)为从节点V开始到汇聚节点的路径；N(V)为节点V的邻居节点集合。定义节点V_i满足时延要求Γ的下一跳候选节点V_j，

V_j∈{V|V∈N(V_i)∩H(P(V))＜Γ}

那么在时延限制Γ下从某一节点V_i到收集基站V_d的最小路径能耗e为：

$e(P\left(V_i\right),\mathrm{\&Gamma;})=\left\{\begin{array}{cc}0& V_j=V_d\\ \min (\mathrm{\&omega;}(V_i,V_j)+e(P\left(V_j\right),\mathrm{\&Gamma;}-{\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{ij}}))& V_j\&NotEqual;V_d\end{array}\right.$

由此可知当汇聚节点收集到所有下游节点信息后，它到收集基站的最小能耗便可以计算。这个采用了动态规划策略的计算过程如图3所示。列k代表了节点V_k存储的计算结果，列k左边的节点{V_d..V_k-1}包括了所有V_k的先决节点，即对于上下游节点的偏序关系ζ，有

执行完动态规划算法以后，可知第k列第j行的元素应为e(P(V_k)，Δ_kj)。按照从左到右、由下至上的计算顺序，可以得到最终的计算结果。

第三阶段，即本发明的增强阶段具体描述如下：

首先，收集基站V_d根据保存的<V_n，Γ_n>列表向所有上游邻居节点V_n发送数据包<0，Γ_n>(图2-31)；

然后，当节点V_k收到下游邻居节点V_j发送的带有满足时延要求Γ的链路最小能耗<e(P(V_j))，Γ>的数据包后，对于时延列表中保存的所有<V₁，Γ₁>、<V₂，Γ₂>、…<V_n，Γ_n>，若有Γ_n满足Γ_n＝Γ+Δ_kj，计算T_Γn，w＝ω(V_k，V_j)+e(P(V_j))值；

再后，当节点V_k对于时延列表中某一<V_n，Γ_n>汇聚了所有满足H(P(V_j))<Γ_n的下游邻居节点V_j发送的数据包<e(P(V_j))，Γ_n>并计算相应的T_Γn，w后，将T_Γn＝min_w(T_Γn，w)的下游节点V_m作为转发节点，以<Γ_n，V_m>形式保存，并构造数据包<T _Γn，Γ_n+Δ_kn>向上游节点V_n转发(图2-32)；

最后，汇聚节点V_s最终计算出最小T_Γ值，并确定下一跳数据转发节点后，计算结束(图2-33)。

在此阶段中，每个节点计算出对于不同Γ_n值的最小能耗下游节点后，将其保存在转发列表中。算法结束后，汇聚节点即可根据转发列表中的信息进行数据包的转发：汇聚节点V_s有带有时延限制的Γ数据要发送时，可将数据包捎带上Γ-Δ_sm，向<Γ，V_m>中指示的下一跳节点V_m发送；中间节点收到数据包时也作相同动作。显然，数据包将沿着增强阶段中求出的最小能耗路径向收集基站传输。

综上所述，本方法实现了时延标定的反馈阶段和采用了动态规划策略的最小能耗路径求算的增强阶段是本发明的核心。

Claims (3)

1.一种无线传感器网络中时延限制下实现最小能耗路由的方法，包括负责环境监控和数据采集的源节点，收集源节点数据的汇聚节点以及收集基站，源节点先将数据发送到汇聚节点，由此汇聚节点将数据进行聚集等操作后，封装在数据包中并以一定路径统一向收集基站发送，其特征在于上述路径通过以下步骤确定：

1)收集基站V_d发起多路径路由构建通知，该构建通知中多路径构造的算法为：每个节点维护一个随机定时器，在这个期间内所有路由构建通知数据报都被感知；当定时器到期后，选择离收集基站时延最大的数据报中的时延作为阈值，并转发带有这个阈值的路由通知数据报，往后只有小于这个阈值的通知数据报的来源节点才可加进路由表中；由此，传感器网络中的每个节点都将通过维护一个路由表来实现到达收集基站的无环多路径路由，每条路由到达收集基站的时延均小于此阈值；当汇聚节点的路由表构造完毕以后，表明从汇聚节点到达收集基站的多路径集合构造完毕；

2)在生成的路径集合中，先对符合时延要求的路径进行标定，再采用基于动态规划思想的策略，分布式地求算最小能耗路径；

3)由收集基站根据标定的信息，从所有满足时延要求的路径中根据动态规划策略反向计算出从汇聚节点到其能耗最小的路径。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络中时延限制下实现最小能耗路由的方法，其特征在于上述步骤2)包括以下步骤：

21)汇聚节点向路由表中所有满足H(P(V))<Γ的节点V发送带有时延值Γ-1的数据包；其中P(V)代表从节点V开始到收集基站的路径；H(P(V))代表从节点V开始到收集基站的所有路径中的最小时延，Γ代表时延限制值；

22)中间节点V_m收到上游节点V_n发送的带有时延值Γ’的数据包后，将时延值Γ’以<V_n，Γ’>的形式消除重复后存储于时延列表中，然后向满足条件H(P(V))<Γ’的下游节点V发送带有时延值Γ’-1的数据包，直到收集基站。

3.根据权利要求1或2所述的无线传感器网络中时延限制下实现最小能耗路由的方法，其特征在于上述步骤3)包括以下步骤：

31)收集基站V_d根据保存的<V_n，Γ_n>列表向所有上游邻居节点V_n发送数据包<0，Γ_n>；

32)当节点V_k收到下游邻居节点V_j发送的带有满足时延要求Γ的链路最小能耗<e(P(Vj))，Γ>的数据包后，对于时延列表中保存的所有<V₁，Γ₁>、<V₂，Γ₂>、…<V_n，Γ_n>，若有Γ_n满足Γ_n＝Γ+Δ_kj，计算T_Γn，w＝ω(V_k，V_j)+e(P(V_j))值；其中Δ_kj为节点k，j之间的时延，ω(V_k，V_j)为节点k，j之间的能耗；

33)当节点V_k对于时延列表中某一<V_n，Γ_n>汇聚了所有满足H(P(V_j))<Γ_n的下游邻居节点V_j发送的数据包<e(P(V_j))，Γ_n>并计算相应的TΓ_n，w后，将T_Γn＝min_w(T_Γn，w)的下游节点V_m作为转发节点，以<Γ_n，V_m>形式保存，并构造数据包<T_Γn，Γ_n+Δ_kn>向上游节点V_n转发；

34)汇聚节点V_s最终计算出最小T_Γ值，并确定下一跳数据转发节点，每个节点计算出对于不同Γ_n值的最小能耗下游节点后，将其保存在转发列表中，汇聚节点即可根据转发列表中的信息进行数据包的转发。

4、根据权利要求3所述的无线传感器网络中时延限制下实现最小能耗路由的方法，其特征在于步骤34)中汇聚节点V_s有带有时延限制的Γ数据要发送时，可将数据包捎带上Γ-Δ_sm，向<Γ，V_m>中指示的下一跳节点V_m发送；中间节点收到数据包时也作相同动作。

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