CN101577668A - 一种基于网格分簇的无线传感器网络机会路由协议 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线传感器网络协议技术领域，具体涉及一种无线传感器网络中基于网格分簇的机会路由方法。本发明使用网格式分簇方法，并在此基础上使用机会路由算法，充分利用的分簇拓扑控制方法的能量有效性和机会路由在端到端吞吐量方面的优势，使传感器网络在节能的前提下达到数据吞吐量和传输可靠性等多方面的有效优化。

Description

一种基于网格分簇的无线传感器网络机会路由协议

技术领域

本发明属于无线传感器网络协议技术领域，具体涉及一种无线传感器网络中基于网格分簇的机会路由方法。该方法首先利用节点的位置信息把整个网络区域分成虚拟网格形式的簇，然后利用机会路由的方式将数据包从源节点经过各个簇头节点发送到目的节点。

背景技术

无线传感器网络是近些年出现的一种综合微电子技术、无线通信技术、计算机技术的新兴技术领域，在环境、医疗、军事等领域具有非常广泛的前应用前景，其发展和应用将会给人类的生活和生产的各个方面带来深远影响。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和传感器体积越来越小，已经有为数不少的无线传感器网络开始投入使用。

但，由于受到成本和体积等因素的限制，传感器节点的处理能力、无线带宽和电池容量都很有限。无线传感器节点的能量在多数的情况下无法得到补充，因此尽可能的延长无线传感器网络的工作寿命成为无线传感器网络设计中的关键问题之一。为了提高无线传感器网络的寿命，网络中每个节点的能量均衡问题已成为研究的重点问题。节点分簇方法被学术及工业界普遍认为是提高能量有效性的可行方法。节点分簇具有拓扑管理方便、能量利用高效、数据融合简单等优点。

无线传感器网络网格式分簇方法大多是利用传感器节点的位置信息，分布式的将它们分在正方形的网格中，每个网格中的节点以某种机制交替的充当簇头节点，来负责数据的收发，网格中的除了簇头以外的其它大多数节点处于休眠状态以节省能量。

GAF(Geographic adaptive fidelity地域自适应保真)算法就是这种分簇算法的典型代表。GAF工作方式如下：首先，假设每个节点都具有自己相对于其他节点的确切位置信息，这个位置信息可以通过GPS或其它的定位方式获得。把网络按地理位置分成虚拟的小网格，网格中的节点轮流充当簇头，使每个节点所承担的传输任务较为均衡，以达到网格内能量均衡的目的。为了让两个相邻网格中的活动节点处于网格中的任何位置都能相互通信，这里给出了确定网格边长r的方法，满足 $r\≤\frac{R}{\sqrt{5}},$ 其中R是节点的传输半径。按照这种方法，整个传感器网络被虚拟的分割成半径为r的网格。但在本发明中需要更多的网格中的节点可以相互通信，从而增加机会路由中备选节点的数目，因而将网格的边长适当的缩小到

至

之间。

机会路由方法是在无线多跳网络(包括无线网格网络、无线自组织网络、无线传感器网络)中通用的一种路由方法。这种路由方法针对无线信道的广播、时变、丢失特性和确定性路由在转发策略方面的不足，提出了机会转发的概念，可以通过多个潜在中继节点竞争、自主智能判断，进行下一跳节点选择，充分利用信道广播特性，提高吞吐量和传输可靠性。这种路由策略主要从两个方面来提高无线多跳网络的吞吐量，一是增加单跳传输的可靠性，二是减少端到端传输跳数。机会路由的提出得到了学术界的广泛关注，很多知名研究机构都投入到了机会路由的研究工作当中。

其基本思想是：源节点欲向目的节点发送数据，它会选择到目的节点的距离小于自身的节点作为转发节点，这些节点组成备选转发节点集，并按到目的节点的距离设置优先级，距离越近优先级越高。源节点发出的数据包中记录了备选节点集中的节点标号和它们的优先级。源节点发出数据包，收到包的邻居节点按优先级的次序转发数据，优先级高的节点如果收到就转发此数据包，被转发的数据包被优先级低的节点听到后不在重新转发此数据包，如果较高节点没有收到，则由备选转发节点集中较低优先级的节点来转发数据包。每个备选节点集中的转发节点按此方式转发，直到数据包到达目的节点为止。

发明内容

本发明使用网格式分簇方法，并在此基础上使用机会路由算法，充分利用的分簇拓扑控制方法的能量有效性和机会路由在端到端吞吐量方面的优势，使传感器网络在节能的前提下达到数据吞吐量和传输可靠性等多方面的优化。

本发明主要用于无线传感器网络中，首先使用网格分簇方法来确定网络拓扑，每个网格中的簇头来担任数据转发任务，其它节点休眠以节省能量。源节点从传输半径以内的邻居网格中选择转发备选集中的网格，其实也就选择了网格中的簇头节点作为转发备选节点，并以到目的节点的距离作为测度来确定备选节点的优先级。然后使用机会路由的策略逐跳的转发数据包。

附图说明

图1是无线传感器网络中基于网格分簇的机会路由方法的例子图。其中灰色节点表示处在活动状态的簇头节点，白色节点标识处在休眠状态中的节点，黑色节点是数据转发的源节点和目的节点。

图2机会数据转发时隙图。

具体实施方式

本发明是在改进的GAF无线网络拓扑控制算法的基础上，加入机会路由算法这一可靠而又高效的路由方法，并根据两个算法的特点把它们有效结合起来，形成了一个能量有效性、可靠性和数据转发效率都较高的跨层协议。

本发明中提出的基于网格分簇的无线传感器网络机会路由协议首先要使用类似GAF算法的网格分簇方法将网络分簇，例如使用GAF算法将网络分成以

为半径的网格，并以坐标原点为基准建立坐标系，为每个网格标识一个坐标值。每个节点都可以根据自己的位置信息和坐标原点的位置信息获知自己所处网格的坐标值。网格中的每个节点周期性的活动、竞争、休眠，始终保持每个网格最多有一个节点处于活动状态，来充当簇头的节点。

数据包转发时，只要获知目的节点的位置信息，源节点根据目的节点的坐标，将其邻居网格中到目的节点所处网格距离比自己近的n个网格中的簇头节点作为备选转发节点，并保证每个备选转发节点都在彼此的传输半径范围内，并加入备选转发节点集。源节点在转发之前根据备选转发节点所处网络到目的节点所处网格的距离远近来排列备选转发节点的优先级，距离越近的优先级越高，反之越低。由源节点发出的数据包被每个备选转发节点收到的概率与优先级的高低成反比关系。如果最高优先级的节点收到数据包，则向源节点回送ACK包，其它备选转发节点也会收到此ACK，从而不再转发自己收到的数据包。如果最高优先级的节点没有收到数据包，则第一个ACK时隙就没有消息发送，若第二优先级的节点收到了数据包则在第二个ACK时隙发送ACK，源节点和其它备选转发节点也会因收到此ACK而去除本地缓冲区中的数据包。当所有ACK时隙结束，收到数据包的备选转发节点中优先级最高的节点接续向目的节点方向以此策略转发数据包，直到数据包到达目的节点位置。

图1中描述了一个无线传感器网络中基于网格分簇的机会路由方法的例子，源节点Src发送数据包到目的节点Dst。源节点的备选转发节点为A、B、C，数据包发出后，优先级最高的A节点收到了此数据包，并在第一个ACK时隙发出ACK包，其它备选节点收到此ACK包后不再发送此数据包，并从缓冲区中删除，图2是数据传输的时隙图经过三个ACK时隙后，A节点继续向目的节点Dst方向转发数据包，A的备选转发节点是E、F和Dst节点本身，转发过程与前一跳相同。

Claims (3)

1、一种基于网格分簇的无线传感器网络机会路由方法，其特征在于：使用网格式分簇方法，并在此基础上使用机会路由算法，充分利用的分簇拓扑控制方法的能量有效性和机会路由在端到端吞吐量方面的优势，使传感器网络在节能的前提下达到数据吞吐量和传输可靠性等多方面的优化。

2、根据权利要求1所述的基于网格分簇的无线传感器网络机会路由方法，其特征在于：备选转发节点的选择是以网格做为选择依据，无论网格中当时是否有簇头节点存在，都可以假设其中有簇头节点存在，并作为备选转发节点。

3、根据权利要求1所述的基于网格分簇的无线传感器网络机会路由方法，其特征在于：在网格分簇的基础上，按机会的方式选择转发节点，备选的转发节点为每个网格的簇头节点。

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