CN101272327A - 一种节能的无线传感器网络QoS路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种节能的无线传感器网络QoS路由方法，所采用的方法是：当节点Vj收到由节点Vi发送的消息后做如下处理：一：若节点Vi不在节点Vj的邻居节点列表中，则把Vi节点加入其中，并记录节点Vj的最短路径集SRS值，然后执行第二步；否则，取列表中Vi原SRS值和消息的当前SRS值中较小者作为节点Vi的SRS，然后执行第二步；二：如果消息的当前SRS+1小于节点Vj的SRS，则置节点Vj的SRS等于消息的当前SRS+1，然后执行第三步；若消息的当前SRS+1大于或等于节点Vj的SRS，则结束退出；三：节点Vj向其邻居节点广播新消息，设置消息当前SRS为节点Vj的新SRS值，Sender为节点Vj。本发明能够延长无线传感器节点的寿命，提高网络生存期。

Description

一种节能的无线传感器网络QoS路由方法

技术领域

本发明属于一种无线传感器网络路由方法，特别是一种节能的无线传感器网络QoS路由方法。

背景技术

无线传感器网络是一种由大量部署在观测环境中的微型廉价低功耗的传感器节点形成的无线多跳网络系统。它由成千上万个低能源、低功耗的传感器节点通过无线方式连接而成，节点协作完成数据采集、数据处理和数据传输等功能。它部署灵活，节点靠近目标，可实现高精度感知，支持多节点数据聚合(data aggregation)。它基本上是一种“以数量换质量”，多用户多任务并发操作的网络。无线传感器网络有广泛应用潜力，是当前计算机科学领域的研究热点之一。

虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：环境的监测和保护；医疗护理；军事领域。

与传统网络相比，无线传感器网络的节点分布密集，不具有全局唯一性的标识(如IP地址等)，节点的能量、存储能力和计算能力都是非常有限的，特别是节点的能源，一旦耗尽难以进行二次补充；另外，在恶劣的环境条件下节点容易失效，会出现网络拓扑结构经常动态变化的现象；无线传感器网络采用以数据为中心的路由，针对特定数据进行查询，并不关心某一节点的观测结果。目前很多无线传感器网络应用对数据传输的可靠性提出了较高的要求，因此无线传感器网络的可靠性研究显得日趋重要。然而，与其它无线网络不同，由于传感器节点能量的限制和工作环境的恶劣影响常常导致节点失效，从而为无线传感器网络可靠性路由协议的研究提出了新的挑战。

无线传感器网络主要有如下几个主要特点：(1)资源严重受限。传感器节点具备的处理能力、电能和存储能力都非常有限，由此决定了无线传感器网络中不能采用复杂的协议，在节点中也不能保存大量的状态信息；(2)以数据为中心、非端到端的通信模式；(3)数据高度冗余，流量非均匀分布，在绝大部分网络应用中，网络流量主要是从传感器节点流向sink节点的，这种通信方式造成sink节点的负荷较重，节点会提前死亡，使得网络的连通性受到破坏，因此在设计QoS机制时应考虑支持能量均衡，尽量延长网络生命周期；(4)多用户、多任务的并发操作，多类别数据流量。

针对上述特点，可靠性路由的设计通常主要采用两种策略：一是利用节点配置的冗余性，路径上采用具有最佳配置的节点来保证通信的可靠性(如具有最大剩余能量的节点)；二是建立对每跳传输可靠性的评估机制，从而保证整个路由传输的可靠性，如采用多径路由方式。

QoS是网络在传输数据流时要求满足的一系列服务要求，是指用户要求网络传输系统所必须保证的关于信息传输的质和量的特征集，它反映了服务提供者和服务使用者之间的能力和需求的相互关系，是用来描述网络性能的。它具体可以量化为带宽、延迟、延迟抖动、丢失率、吞吐量等性能指标。在无线传感器网络中，不同业务对网络服务质量提出的要求有很大不同，例如，军用监控传感器网络中，对某区域关键参数(如空气中的放射物质浓度)的周期性测量，检测结果要求传输可靠，分组丢失率尽可能低；而在事件驱动的敌方目标识别和跟踪中，实时数据(如媒体流)传输则对延迟和抖动非常敏感。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高无线传感器网络的生存期，为不同业务的无线传感器网络提供服务质量保障的节能的无线传感器网络QoS路由方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的方法是：

当节点Vj收到由节点Vi发送的消息后做如下处理：

第一步：若节点Vi不在节点Vj的邻居节点列表中，则把Vi节点加入其中，并记录节点Vj的最短路径集SRS(Shortest Routing Set)值，然后执行第二步；否则，取列表中Vi原SRS值和消息的当前SRS值中较小者作为节点Vi的SRS，然后执行第二步；

第二步：如果消息的当前SRS+1小于节点Vj的SRS，则置节点Vj的SRS等于消息的当前SRS+1，然后执行第三步；若消息的当前SRS+1大于或等于节点Vj的SRS，则结束退出；

第三步：节点Vj向其邻居节点广播新消息，设置消息当前SRS为节点Vj的新SRS值，Sender为节点Vj。

本发明主要解决无线传感器网络中的能量瓶颈问题和传输质量问题，在现实的无线传感器网路应用中，使用本发明将能够延长无线传感器节点的寿命，提高网络生存期，并且可以根据实时业务流和非实时业务流的差别，为数据传输提供一定的服务质量保障。

与传统无线传感器网络路由方法相比，本发明的优点如下：(1)选择时延较小，且路径上节点剩余能量较大的路径传输数据，有效地解决了无线传感器网络中能量消耗问题；(2)根据实时业务和非实时业务对无线传感器网络的业务要求，选取最符合传输服务质量要求的路径进行数据传输，解决了无线传感器网络的服务质量保障问题。

附图说明

图1为本发明路径寻找过程图。

其中：(a)寻找路径之前各节点路径信息的初始值；(b)寻找路径之后各节点邻居节点列表中的信息。

图2为本发明的数据转发流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明提出一种新的无线传感器网络路由方法，在该方法中，无线传感器网络的初始化阶段，以节点的跳数为基础建立一个最小路径集SRS(Shortest Routing Set)并沿着SRS的方向收集保存路径节点剩余能量RE(Rest Energy)信息，传感节点不需要保存十分耗损能量的路由表，只需要保存邻居节点信息，就可以建立到Sink节点的多条优化路径。传感节点在构造信息包时加入相应的QoS参数，然后选择满足QoS要求且节点剩余能量较大的路径进行转发。

在无线传感器网络中，各节点将采集到的有用信息汇集到Sink节点。当某个节点的无线信号无法直接到达Sink节点时，它可以通过中间节点进行“传递”，因此每个无线传感器节点都只负责与它的邻居节点通讯，传递的路径依不同的路由算法来选择，一般选择路径比较短的路由来传输数据(为的是节省能量)。本发明可以用有权的无向图来描述一个无线传感器网络。以图1(a)所示的局部无线传感器网络为例，初始时设置Sink节点的最短路径集SRS(Shortest Routing Set)为0，置其他所有节点的SRS为无穷大。然后Sink节点向其所有邻居节点洪泛一个路径寻找消息，该消息中也有一个SRS值，并置其值为0；邻居节点收到SRS消息后，将自己的SRS置为0+1＝1，并生成一个当前SRS为1、Sender为节点本身的新消息向它的邻居节点广播。

图1(b)是上述路径寻找过程结束后，各节点的SRS值及其邻居节点列表值。

在寻找最短路径集的阶段完成之后，需要在邻居节点列表中增加一列用于存放每条路径上各节点的剩余能量(Rest Energy)之和，由Sink节点发起，沿已经建立的最短路径方向收集保存RE信息。初始时，置所有节点的邻居节点列表中邻居节点的路径RE为0，然后Sink节点构造RE消息并沿上面建立的最短路径方向传播，RE消息包含消息标志、当前最短路径、当前RE、Sender组成，所有收到该消息的节点更新邻居节点列表中邻居节点的路径RE信息。

节点V_i接收到来自节点V_j的包含当前路径信息的RE消息后，V_i首先判断RE消息的当前SRS是否等于它的邻居列表中V_j的SRS，若相等，说明该RE消息是沿着从Sink节点到V_j最短路径更新而来的，可以更新V_i的邻居节点列表。在更新邻居节点列表时，为保证V_j记录的RE是到Sink节点的能量最优路径的RE，在节点V_i接收到第一个来自V_j的且具备更新条件的PRE消息时，不是生成新的RE消息向邻居节点广播新消息，而是等待一个时隙T，在这个时隙内，V_i收集自V_j的且具备更新条件的RE信息并置邻居节点列表中的RE为其中的最大值。时隙T结束后，V_i生成新的包含当前路径信息的PRE消息向其所有邻居节点广播。在这个过程中，每个节点只广播一次RE消息，有效减少网络中消息的洪泛数量，节省了网络的能量。

本发明采用一种按照优先级调度的策略：在信息包排队时，高优先级的实时数据优先得到调度。为了避免非实时数据的较长时间等待，协议设定一个非实时数据等待时限Tw，在等待时限Tw内，信息包必须受到调度。

在无线传感器网络中，有些关键节点充当着非常重要的角色，因此一定要保证这些节点的工作状态良好，若某个关键节点的剩余能量小于某个值，本发明让它向所有的邻居节点发送一个消息，声明该节点将不再作为转发节点，邻居节点接收到该消息后从自己的邻居节点列表中删除该节点。这样，该低能量节点的路径将会被删除，大大降低了该节点的处理负担。这种能量保护策略可以有效地减少低能量节点的能量消耗，避免节点过早地失效，从而延长了网络的生存期。

QoS机制的核心是通过提供一系列的方法和工具来帮助网络管理员更加有效地管理网络，在减少花费的同时改进对网络的服务。无线传感器网络是一个集数据感知、处理和通信为一体的综合体，网络环境和拓扑变化是影响传感器网络性能的重要因素。当传感器网络所处的环境或节点拓扑结构发生变化时，网络对应用的支持必然受到影响。QoS机制应保证在网络性能降低时提供对二者的反馈和协调，使得网络满足应用对QoS的最低要求，或者降低应用对QoS要求的情况下，使网络最大限度地支持应用。为了满足实时业务和非实时业务对QoS的不同要求，本发明采取不同的路径选择策略。不同业务对网络的QoS要求是通过在数据包中包含相应的QoS值来实现的。本发明将实时业务和非实时业务的数据流分成几个优先级不同的等级，实时数据沿着路径中剩余节点能量较大的路径向Sink节点优先传送。非实时数据沿着剩余节点能量较大但路径最短的路径向Sink节点传送。这种策略既保证了实时数据的实时要求，又保证了非实时数据的吞吐量。传感器节点在产生信息包时加入实时标志或非实时标志、包优先级、QoS要求作为附加参数，和非实时数据相比，实时数据QoS要求较高，数据包优先级也较高。在本发明中，采用链路的生存时间与数据包的优先级之和为业务所要求的QoS值：

QoS_p＝C₁*T+C₂*PRI+C_3*H

其中QoS_p是要求所选路径P的QoS值，C₁，C₂和C₃是三个常量，可根据实际的无线传感器网络性质进行设置，T是所要求链路的生存时间，PRI是当前要发送数据包的优先级，H是从源节点到Sink节点的跳数。

本发明QoS路由方法的流程是：当数据到达一个中间节点时，该节点查看其邻居节点列表中是否存在满足实时数据传输QoS路由要求的节点，如果有则选择这样的节点转发数据；对于非实时业务数据，采用邻居列表中剩余能量最大的节点传输，整个数据传输的流程图如图2所示。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1、一种节能的无线传感器网络QoS路由方法，所采用的方法是：

当节点Vj收到由节点Vi发送的消息后做如下处理：

第一步：若节点Vi不在节点Vj的邻居节点列表中，则把Vi节点加入其中，并记录节点Vj的最短路径集SRS值，然后执行第二步；否则，取列表中Vi原SRS值和消息的当前SRS值中较小者作为节点Vi的SRS，然后执行第二步；

第二步：如果消息的当前SRS+1小于节点Vj的SRS，则置节点Vj的SRS等于消息的当前SRS+1，然后执行第三步；若消息的当前SRS+1大于或等于节点Vj的SRS，则结束退出；

第三步：节点Vj向其邻居节点广播新消息，设置消息当前SRS为节点Vj的新SRS值，Sender为节点Vj。

Images