CN101562861B - 无线传感器网络中基于跳数和能量的跨层双向路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种无线传感器网络中跨层双向路由方法，涉及通信技术领域。针对现有无线传感器网络在路由创建过程中没有建立下行路由，无法支持sink节点的查询功能，采用节点能量作为选路标准时能量信息更新带来额外开销，以及系统控制开销偏大等问题，采用源路由和跨层信息共享方式，在不使用专门的控制分组的情况下，以较小的开销建立从sink节点通往传感器节点的下行路由，增加对sink节点查询功能的支持，并且实现节点剩余能量信息的定期获取、发布和更新，在路由选择时综合使用跳数和节点剩余能量作为度量标准，在减少节点能量和网络带宽消耗的同时均衡转发节点的能耗，延长无线传感器网络的寿命并提高网络带宽利用率。

Description

无线传感器网络中基于跳数和能量的跨层双向路由方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别涉及无线传感器网络的平面路由技术。

背景技术

无线传感器网络是一种将检测、无线通信和计算机网络等技术结合在一起的系统，能够对一定区域内的物理特征进行远程感知和监测。因为承担了检测、处理和通信等多种任务，无线传感器网络面临着较大的能量和带宽等资源的压力。无线传感器网络中的传感器节点体积、计算和存储能力有限；通常依靠电池提供能量，发射功率受限，一般需要多跳转发实现数据传送；传感器节点的位置可能会因为移动而发生变化，能量也会随着时间逐渐减少直至节点掉电不能工作；通常每个传感器节点都兼有终端和路由器两种功能，需要运行各种面向用户的应用程序和相应的路由协议，并根据路由策略完成数据分组的传送工作，因此要求节点采用合适的路由协议。无线传感器网络路由协议的目标是节能、高效和准确，要求使用尽可能少的能量将数据从传感器节点准确地传送到sink(汇聚)节点，并能适应网络状况的动态变化；同时尽可能减少引入的控制信息和额外的资源消耗，降低路由协议的开销，节省网络节点的能量，延长网络寿命，以满足传感器节点在能量、计算能力以及储存空间等方面的限制。

无线传感器网络平面路由协议是一类按照网络节点地位平等的原则来构建完全分布式的平面网络拓扑，并通过此平面拓扑建立路由进行数据传送的协议。基于跳数的路由协议使用传感器节点距离sink节点的跳数作为路由选择的标准，属于平面路由协议中的一种类型。现有基于跳数的路由协议一般包含路由创建和数据传送两个步骤，路由协议的路由创建结果都是只产生从传感器节点通往sink节点的上行路由，缺乏下行路由支持sink节点的查询功能；在数据传送过程中大多数路由协议只使用了跳数作为路由选择标准，没有考虑节点的剩余能量因素；少数考虑了能量因素的协议也存在着节点剩余能量信息没有更新或者使用周期性控制消息带来额外开销等问题。因此，有必要增加下行路由创建步骤，为sink节点建立下行路由以支持它对某个传感器节点或区域进行查询；同时，需要在数据传送过程的路由选择标准中增加节点剩余能量，通过选择剩余能量多的节点来进行能耗均衡，保护高能耗节点的能量，延长它和无线传感器网络的寿命；此外，还需要通过跨层信息共享方式来实现节点剩余能量信息的获取、发布和更新，以便为节点选路时提供准确的参考信息，使节点选择合适的路径。

现有无线传感器网络中基于跳数的路由方法主要有：

1、基于跳数的单选路标准路由方法，主要有GBR(Gradient-BasedRouting，基于梯度的路由，参见文献：C.Schurgers，M.B.Srivastava.Energy efficient routing in wireless sensor networks.MilitaryCommunications Conference 2001(MILCOM 2001)，2001.)和GBD(Gradient-Based data Dissemination，基于梯度的数据分发，参见文献：Kook-Hee Han，Young-Bae Ko，Jai-Hoon Kim.A novel gradient approachfor efficient data dissemination  in wireless  sensor networks.Vehicular Technology Conference 2004，Apr.2004.)等。这类方法将距离sink节点的跳数作为路由选择的唯一标准，通过多条或者1条路径将数据分组传送到sink节点。这类方法在创建路由时只建立了上行路由，选择路由时使用单一的跳数标准，没有考虑转发节点的剩余能量，使用多路径时存在额外增加能量和带宽开销的问题。

2、基于跳数的多选路标准路由方法，主要有MHRP(Minimum Hop RoutingProtocol，最小跳数路由协议，参见文献：Shao-Shan Chiang，Chih-Hung Huang，Kuang-Chiung Chang.A Minimum Hop Routing Protocol for Home SecuritySystems Using Wireless Sensor Networks[J].IEEE Transactions onConsumer Electronics，Vol.53，No.4，Nov.2007：1483-1489.)和BSHR(Best Security Hop Routing，最优安全性跳数路由，参见文献：罗光春，熊娇，李炯.无线传感器网络的最优安全性跳数算法研究.电子科技大学学报，Vol.37，No.4，Jul.2008：582-585.)等。这类方法在路由选择时采用了跳数和能量等多个度量标准，有利于保护节点能量，但在路由创建过程中同样没有建立下行路由，在节点能量信息的更新方面也存在问题：要么没有更新，要么在更新时使用了控制消息，带来一定的额外开销。

发明内容

本发明针对现有无线传感器网络平面路由技术中基于跳数的路由方法在路由创建过程中没有建立下行路由，无法支持sink节点的查询功能；节点剩余能量信息更新时带来额外开销，以及周期性创建上行路由等机制使控制开销增加等问题，提出一种基于跳数和能量的跨层双向路由方法，以解决现有无线传感器网络中基于跳数的路由方法的上述缺陷。

本发明的目的在于采用源路由和跨层信息共享方式，在不使用专门的控制分组的情况下，以较小的开销为现有无线传感器网络中基于跳数的路由方法建立从sink节点通往传感器节点的下行路由，增加对sink节点查询功能的支持，并且实现节点剩余能量信息的定期获取、发布和更新，为在路由选择时综合使用跳数和节点剩余能量作为度量标准提供准确的参考信息，在减少节点能量和网络带宽消耗的同时均衡转发节点的能耗，延长无线传感器网络的寿命并提高网络带宽利用率。具体包括如下步骤：

基于全网泛洪方式创建上行路由；传感器节点遍历自己的邻居节点表，找出跳数最小的上游邻居节点集合，确定上行路由的下一跳节点；在第1次的数据传送过程中通过源路由方式创建下行路由；如果sink节点需要查询某个传感器节点或区域的信息，则发出1个查询分组，用查询分组的目的节点作为查询条件，查询自己的下行路由表，得到对应的下行路由的下一跳节点；在数据传送阶段，采用跨层信息共享和ACK帧携带信息的方式获取、发布和更新节点剩余能量信息，使用跳数和节点剩余能量作为路由选择的度量标准为数据分组选择1条上行单播路由。在选择上行单播路由过程中，先比较跳数大小，在跳数相等的情况下选择剩余能量多的下一跳节点。

所述基于全网泛洪方式创建上行路由具体包括：sink节点向所有邻居节点广播1个路由创建消息；传感器节点在第一次收到路由创建消息时，将路由创建消息中的信息写入邻居表，将跳数值+1作为该传感器节点到sink节点的跳数，根据自己的节点ID、跳数和剩余能量改变路由创建消息中的ID、跳数值和剩余能量值，并通过广播方式发送；传感器节点不转发收到的重复路由创建消息，只对自己的跳数值进行修正。所述创建下行路由具体步骤为，每个传感器节点在发往sink节点的第1个数据分组的头部建立1个中间节点列表依次记录所经过的每个中间节点的ID，并记录分组经过的跳数值，直至到达sink节点；传感器节点取出数据分组头部的节点信息，填入下行路由表中的相应字段；将自己的ID加入数据分组头部的中间节点列表并转发该数据分组。下行路由创建的整个过程中不需要收发任何控制分组，根据节点距离sink节点的跳数按需预留中间节点列表在数据分组的头部所占用的列表空间，已经发送过数据分组的中间节点不再占用节点列表空间。

本发明在上行路由创建过程中仅需进行1次全网泛洪便能为每个传感器节点建立上行路由并提供上游邻居节点的剩余能量信息，通过在第1个数据分组中使用源路由方式为sink节点建立下行路由，采用跨层信息共享和ACK帧携带信息的方式获取、发布和更新节点剩余能量信息，不需要使用任何控制分组，既及时建立了路由，又尽可能地节省了节点能量和网络带宽，有利于延长无线传感器网络的寿命和提高网络带宽利用率。

与其他无线传感器网络中基于跳数的路由方法相比，本发明申请中设计的路由方法具有以下有益效果：

1、上行路由创建过程中仅需进行1次全网泛洪便能为每个传感器节点建立上行路由并提供上游邻居节点的剩余能量信息，既节省了开销，又达到了发布有用信息的效果；

2、传感器节点不设时限地接收不同邻居节点发来的路由创建分组，能够使它到sink节点的跳数值趋于最优化。

3、通过在第1个数据分组中使用源路由方式为sink节点建立下行路由，不需要使用任何控制分组，既及时建立了路由，又尽可能地节省了开销，提高了网络带宽利用率；

3、根据传感器节点与sink节点的跳数距离在源路由数据分组的头部为中间节点列表预留空间，而且发送过数据分组的中间节点不再占用节点列表空间，这种准确的按需操作既能满足携带路径信息的要求，又最大限度地避免了数据分组空间的浪费；

4、使用跳数和节点剩余能量作为综合的路由选择度量标准为数据分组选择1条上行单播路由，既能避免多路径带来的资源浪费，也能均衡不同传感器节点的能耗，有助于缓解无线传感器网络平面路由中因为节点能耗不均衡而引起的热点问题；

5、采用跨层信息共享和ACK帧携带信息的方式获取、发布和更新节点剩余能量信息，既掌握了节点能量变化的实际状况，又尽可能地节省了节点能量和网络带宽资源，有利于延长无线传感器网络寿命和提高网络带宽利用率。

附图说明

图1无线传感器网络中基于跳数和能量的跨层双向路由方法示意流程图

图2上行路由创建示意图

图3上行路由选择流程示意图

图4下行路由创建示意图

图5节点剩余能量信息的跨层获取、发布和更新示意图

具体实施方式

上行路由创建为全网范围内的上行路由创建操作，由sink节点用全网泛洪的方式广播1个路由创建消息，每个传感器节点收到这个消息后建立指向sink节点的上行路由，并用广播方式将该控制消息转发一次；下行路由创建为sink节点的下行路由创建操作，由每个传感器节点使用源路由方式在发往sink节点的第1个数据分组的头部携带所经过的每个中间节点的信息，sink节点收到这些信息后建立指向传感器节点的下行路由；在数据传送过程中进行路径选择、分组在1条路径上的单播传输、节点跳数和剩余能量信息的跨层获取、发布和更新等。

如图1所示为无线传感器网络中基于跳数和能量的跨层双向路由方法示意流程图。

1、上行路由选择：基于全网泛洪的上行路由创建；传感器节点遍历自己的邻居节点表，找出跳数最小的上游邻居节点集合，确定上行路由的下一跳节点。

2、下行路由选择：在第1次数据传送过程中采用源路由方式实现下行路由创建；用查询分组的目的节点作为查询条件，查询节点的下行路由表，得到对应的下一跳节点作为下行路由的下一跳节点。

3、采用跳数和能量作为选路标准的数据传送。

在数据传送阶段，使用跳数和节点剩余能量作为综合的路由选择度量标准为数据分组选择1条上行单播路由，避免了多路径带来的资源浪费，也能够均衡不同传感器节点的能耗，有利于延长无线传感器网络的寿命；采用跨层信息共享和ACK帧携带信息的方式获取、发布和更新节点剩余能量信息，既掌握了节点能量变化的实际状况，又尽可能地节省了节点能量和网络带宽资源。

通过上述的路由选择，无论上下行分组都能被有效地路由，而且在数据分组选择路由时考虑了动态变化的节点剩余能量因素，因而能够均衡传感器节点的能耗，缓解无线传感器网络平面路由中的热点问题，延长网络寿命。

如图2所示为上行路由创建示意图。在网络运行初始化阶段通过sink节点发起1次全网泛洪过程实现上行路由创建。sink节点向邻居广播1个含有跳数和节点能量等信息的路由创建消息，传感器节点收到路由创建消息后更新邻居表和跳数信息，传感器节点将自己信息填入路由创建消息后将其转播1次，传感器节点如果再次受到路由创建消息则只更新信息而不传播。上行路由创建为全网范围内的上行路由创建，在上行路由创建阶段，节点通过跨层信息共享从物理层得到自己的剩余能量值，泛洪分组中包含了节点剩余能量信息，收到路由创建消息后所有传感器节点建立上行路由并发布节点剩余能量信息，将其作为选路标准之一，同时也使传感器节点得到最优化的距离sink节点的跳数信息。具体实现步骤如下：

1、sink节点发起上行路由创建过程，向所有邻居节点广播1个路由创建消息，消息中包含自己的节点标识ID、距离sink节点的跳数(hop count＝0)和剩余能量值。

2、每个传感器节点预先建立一张包含节点ID、距离sink节点跳数、节点剩余能量等表项的邻居节点表，在第一次收到路由创建消息时，将路由创建消息中的内容提取出来作为1条记录写入邻居表；然后，将跳数值+1作为自己到sink节点的跳数，并通过跨层信息共享从物理层得到自己的剩余能量值；最后，把路由创建消息中的节点ID、跳数和剩余能量改变为自己的ID、跳数值和剩余能量值，并将修改后的消息用广播方式发送出去。

3、如果传感器节点收到不同邻居节点发来的多个路由创建消息，则从收到的第2个消息开始，不再建立邻居表和转发消息，只是提取消息中的相应内容，经比较ID无重复后写入邻居表，并将消息中的跳数值+1后与自己的跳数值比较，如果小于自己的跳数值，则用消息中的跳数值+1替换自己的跳数值。这样，传感器节点便通过与邻居节点的链接建立了通往sink节点的上行路由，同时也得到自己距离sink节点的最小跳数和邻居节点的剩余能量信息。

在上行路由创建阶段，节点网络层采用跨层信息共享从物理层得到剩余能量信息并封装在路由创建分组中发送给所有邻居节点，在传送数据时使用剩余能量作为选路标准；传感器节点不设时限地接收处理来自不同邻居节点的多个路由创建消息，sink节点只需发起1次全网泛洪过程，比周期性地全网泛洪路由创建消息更能节约节点能量和网络带宽等资源；泛洪分组中包含了节点剩余能量信息，为传送数据时使用剩余能量作为选路标准提供了条件；不设时限地接收处理来自不同节点的多个路由创建消息，有利于优化节点跳数，提供多条可选路径，能够使它到sink节点的跳数值趋于最优化。

图3为上行路由选择流程示意图

上行路由选择使用了跳数和剩余能量两个度量标准，先比较跳数大小，在跳数相等的情况下选择剩余能量多的下一跳节点。如设传感器节点i的邻居节点集为N，距离sink节点跳数为H_i，需要向sink节点发送1个数据分组P_d；首先，i遍历自己的邻居节点表Table-N，找出跳数最小的上游邻居节点集合N_u，N_u＝{j|H_j＜H_i，j∈N}；如果N_u中节点数等于1，则该节点即为上行路由的下一跳节点；如果N_u中节点数大于1，则比较N_u中节点的剩余能量值，选择剩余能量值最大的节点k：E_k≥E_j，k∈N_u， $\∀j\∈N_u,$ 节点k即为上行路由的下一跳节点。

使用源路由方式通过第1个数据分组的传送创建下行路由，在传感器节点发送的第1个数据分组的头部携带路径信息实现下行路由创建，根据传感器节点距离sink节点的跳数来按需预留数据分组头部空间的大小，根据跳数预留空间、可变长分组和避免重复携带节点信息等机制，最大限度地减少了控制开销和能量消耗，在及时为sink节点创建下行路由的同时又最大限度地节省了节点能量和网络带宽等资源；既满足了传递路径信息的要求又尽可能地减少了分组头部的开销；发送过数据分组的中间节点不再占用节点列表空间，节省了开销；与传感器节点之间跳数距离的获得为sink节点准确设置查询分组的生命期提供了保障。

下行路由创建为全网范围内的下行路由创建，由传感器节点使用源路由方式向sink节点传送数据分组，各中间节点和sink节点收到该数据分组后建立下行路由来完成。具体包括如下步骤：

1、上行路由创建完成之后，传感器节点将使用上行路由向sink节点传送数据。每个传感器节点使用源路由方式在发往sink节点的第1个数据分组的头部建立1个中间节点列表依次记录所经过的每个中间节点的ID，并用1个字段记录所经过的跳数，直至到达sink节点。

2、传感器节点使用源路由方式时，根据自己到sink节点的跳数在数据分组的长度上预留相应的空间用于装载中间节点列表，并且采用可变长分组，分组长度随着中间节点的加入而增加，这种按需操作避免了数据分组空间的浪费。

3、如果中间节点已经发出或者转发过数据分组，说明它的信息已经送往sink节点，因此在转发其它节点的第1个数据分组时，不再将自己的ID加入分组的中间节点列表，只是将分组中的跳数值加1，然后转发该分组。

4、传感器节点如果在预定的时间内没有发出任何数据分组，则向sink节点发送1个不包含内容的数据分组，头部仍为中间节点列表预留相应空间。

5、传感器节点预先建立一张包含目的节点ID、下一跳节点ID和跳数距离等字段的下行路由表，当它作为中间节点收到采用源路由方式的数据分组时，取出分组头部里的全部节点信息，填入下行路由表中的相应字段，其中的跳数距离值通过计算分组所经过的中间节点的个数来得到；然后将自己加入分组头部的中间节点列表并转发该分组。

6、sink节点预先建立1张包含目的节点ID、下一跳节点ID和跳数距离等字段的下行路由表；收到这些数据分组后，提取出它们携带的中间节点和跳数值信息，并把提取出的信息存入下行路由表的相应表项中，其中部分跳数距离值需通过计算来得到。

如图4所示为下行路由创建示意图。传感器节点N1向sink节点发送第1个数据分组时，在分组头部预留了一定的空间以装载中间节点信息；当这个数据分组经过N1的上游节点N2时，N2将自己的ID信息装入分组头部的中间节点列表，同时，通过反向路由建立指向N1的下行路由；同法，当这个数据分组经过N6、N7、N8等上游节点时，这些节点将自己的ID信息依次装入数据分组头部的中间节点列表，并建立相应的下行路由，直至数据分组到达sink节点；sink节点收到这个数据分组时，从其头部的中间节点列表取出所有的节点ID信息，建立指向这个数据分组经过的所有节点(包括源节点)的下行路由。

如果传感器节点i需要转发sink节点发送的查询分组P_q，则用P_q的目的节点ID作为查询条件，查询自己的下行路由表Table-D，得到该ID对应的下一跳节点ID，该节点即为下行路由的下一跳节点。

本发明在下行路由创建阶段的实质是通过在第1个数据分组使用源路由方式，不使用任何控制分组，以尽可能节约资源的方式及时地为sink节点建立通向每个传感器节点的下行路由，并确定了它们之间的跳数距离。

在网络运行的初期就为sink节点建立了下行路由，保证了它的全网查询功能的实现，下行路由创建的整个过程中不需要收发任何控制分组，只需在数据分组的头部占用一定空间用于使用源路由方式，而且所占空间的大小可以根据节点距离sink节点的跳数来按需预留，已经发送过数据分组的中间节点也不再占用节点列表空间，从多方面最大限度地节省了节点能量和网络带宽等资源；sink节点获得下行路由的同时也获得了与传感器节点之间的跳数距离，有利于准确设置查询分组的生命期，避免了网络资源的浪费。

如图5所示为节点剩余能量信息的跨层获取、发布和更新示意图。

采用跨层信息共享和ACK帧携带信息的方式，尽可能地节省了节点能量和网络带宽资源。数据传送主要包括路径选择、分组在1条路径上的单播传输、节点跳数和剩余能量信息的跨层获取、发布和更新等。

1、当传感器节点有数据需要发往sink节点时，它遍历自己的邻居节点表，选取距离sink节点跳数最小的邻居节点作为下一跳节点；如果有多个跳数最小的邻居节点，则比较它们的剩余能量，选取剩余能量最大的节点。

2、传感器节点使用单播方式向选出的下一跳节点发送数据分组，下一跳节点收到数据分组后按照步骤1进行操作，直到将数据分组传送到sink节点。

3、传感器节点定时在物理层测得剩余能量值，并将其跨层共享给网络层，更新原来的剩余能量值。

4、传感器节点更新剩余能量值后，如果收到下游(到sink节点跳数大于自己)邻居节点发给自己的数据分组，节点的MAC层在回复ACK帧时，通过跨层信息共享获得本节点的跳数值和剩余能量值，并将这些信息装入ACK帧，发送给下游邻居节点；使用相同的方式对每个下游邻居节点发送1次。

5、下游邻居节点从ACK帧中获得上游(到sink节点跳数小于自己)邻居节点的跳数值和剩余能量值后，用它们更新自己的邻居节点表的相应表项。

在数据传送阶段为数据分组选择上行路径时，选择跳数最小且剩余能量最大的节点作为下一跳节点；传感器节点的网络层保存的剩余能量值会得到定期更新；更新后的传感器节点剩余能量值将通过跨层信息共享的方式由MAC层的ACK帧向邻居节点发布并使它们进行相应更新；本发明在数据传送阶段的实质是综合使用跳数和节点剩余能量作为路由选择度量标准为数据分组选择1条上行单播路由，同时以尽可能小的能量和带宽开销实现节点剩余能量信息的定期本地更新。

本发明适用于无线传感器网络，特别是采用平面路由技术、且为每个传感器节点分配了独立标识的无线传感器网络。一个具体的实施方式为：1个具有1个sink节点和多个传感器节点的无线传感器网络，需要提供把数据从传感器节点传送到sink节点和为sink节点提供查询某个传感器节点数据的功能，在网络中采用平面类型的路由技术，此时，可以应用本发明提出的基于跳数和能量的跨层双向路由方法，实现上述功能，达到既能满足数据传送和查询的要求，又能节约节点能量和网络带宽，并且能延长无线传感器网络寿命和网络带宽利用率的效果。

Claims (5)

1.无线传感器网络中基于跳数和能量的跨层双向路由方法，其特征在于，基于全网泛洪方式创建上行路由，传感器节点遍历自己的邻居节点表，找出跳数最小的上游邻居节点集合，并根据上游邻居节点集合中节点的剩余能量，确定上行路由的下一跳节点；在第一次数据传送中通过源路由方式创建下行路由，用查询分组的目的节点作为查询条件，查询自己的下行路由表，得到对应的下一跳节点作为下行路由的下一跳节点；在数据传送阶段，采用跨层信息共享和ACK帧携带信息的方式获取、更新节点剩余能量信息，使用跳数和节点剩余能量信息作为路由选择的标准为数据分组选择一条上行单播路由；其中，所述基于全网泛洪方式创建上行路由具体包括，sink节点向所有邻居节点广播一个路由创建消息；传感器节点在第一次收到路由创建消息时，将路由创建消息中的信息写入邻居表，将跳数值加一作为该传感器节点到sink节点的跳数，根据自己的节点ID、跳数和剩余能量改变路由创建消息中的ID、跳数值和剩余能量值，并通过广播方式发送；传感器节点不转发收到的重复路由创建消息，只对自己的跳数值进行修正。

2.根据权利要求1所述跨层双向路由方法，其特征在于，所述创建下行路由具体步骤为，每个传感器节点在发往sink节点的第一个数据分组的头部建立一个中间节点列表依次记录所经过的每个中间节点的ID、分组经过的跳数值，直至到达sink节点；传感器节点取出数据分组头部的节点ID信息和跳数信息，填入下行路由表中的相应字段；将自己的ID信息加入数据分组头部的中间节点列表、修改分组中的跳数值并转发该数据分组。

3.根据权利要求1所述跨层双向路由方法，其特征在于，在选择上行单播路由过程中，先比较跳数大小，在跳数相等的情况下选择剩余能量大的节点作为下一跳节点。

4.根据权利要求2所述跨层双向路由方法，其特征在于，下行路由创建的过程中不收发任何控制分组，根据传感器节点距离sink节点的跳数按需预留数据分组的头部占用的列表空间，已经发送过数据分组的中间节点不再占用节点列表空间。

5.根据权利要求2所述跨层双向路由方法，其特征在于，中间节点列表所占空间根据该节点到sink节点跳数来预留。

Images