CN101808384B - 无线传感器网络、路由选择方法及节点设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络中的路由选择方法、以及基于该方法的无线传感器网络和节点设备，其中，每个节点从自己的邻居节点中选择比自己距离网关更近的节点组成候选转发集合；节点计算自己的候选转发集合中每个节点对应的支付方程值，选择使得支付方程值最大的邻居节点作为下一跳节点；当所有参与节点均选择了策略后，建立路由，并开始数据传输。本发明基于博弈论中的均衡机制，能在路由过程中联合优化传输可靠度、网络能耗和生存期，最大限度的节约网络能耗。

Description

无线传感器网络、路由选择方法及节点设备

技术领域

本发明涉及无线自组织和传感器网络技术领域，特别是指一种无线传感器网络中的路由选择方法、以及基于该方法的无线传感器网络和节点设备。

背景技术

随着传感器技术，嵌入式芯片技术、分布式信息处理技术和无线网络技术的发展，无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)作为一种无处不在的计算平台出现了。WSN是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布置在无人值守的监控区域而构成的，是能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测控网络系统。它是一种由集成了传感器、数据处理单元和无线通信模块的微小节点通过自组织和随机分布方式构成的网络。它依靠节点内置的传感器感知周围环境中的热、光、声、雷达和地震波等信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、气味、速度、体积等用户感兴趣的物理现象，并通过无线通信传送采集的信息，为任何接入无线网络的移动用户提供真实物理世界中量化的信息。

无线传感器网络路由中的传输的可靠度是影响网络采集的数据质量的重要因素之一，而路由过程消耗的能量又是影响网络整体能耗和生存期的主要因素。因此，如何联合优化路由中的传输可靠度、网络能耗及生存期就成了无线传感器网络优化中的一个热点问题。

在无线传感器网络的很多应用中，只有结合位置信息，传感器获取的数据才有意义。以温度测量为例，如果没有原始数据产生的位置，用户只能得到一个监测区域的平均温度；而有了节点的位置信息，才可以知道被测区域的温度分布情况。而且，对于目标定位与跟踪这一典型应用，节点的位置已知也是网络能提供有效数据的一个前提条件。虽然已有不少的节点定位机制可以为节点提供精确的位置服务，但是现有的基于位置信息的路由算法中，主要依据节点及其邻居节点的位置信息，既容易造成网关附近的节点能量被过渡消耗而过早死亡，也会导致热点区域的路由“洞”问题。

例如：在现有的基于位置信息路由选择方法中，有的采用最近路径优先的方法，先选择最靠近目的节点的邻居节点参与路由，虽然实现简单但是导致靠近目的节点的邻居节点长期承担路由任务，能耗太大而过早死亡，容易造成网络中的传输“黑洞”，反而缩短了网络的生存期。还有的采用联合位置和邻居节点剩余能量的度量作为选择下一跳节点的方法，虽然避免了能量较低的邻居节点耗尽能量过早死亡的现象，但是没有考虑传输链路低可靠度，可能导致某条传输可靠度较低的路径上出现频繁的数据重传甚至丢失，不仅会导致整条路径的传输可靠度降低，而且重传过程又增加了网络的能量开销。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无线传感器网络中的路由选择方法、以及基于该方法的无线传感器网络和节点设备，达到既保证传输可靠度又节约能量的目的

基于上述目的本发明提供的无线传感器网络中的路由选择方法，包括：

A.每个节点从自己的邻居节点中选择比自己距离网关更近的节点组成候选转发集合；

B.节点计算自己的候选转发集合中每个节点对应的支付方程值，其中节点i选择节点j作为下一跳节点策略时的支付方程为

j∈Nⁱ且

其中，

e_ij是节点i及其下一跳节点j之间物理信道的误码率，

是节点j与网关之间传输可靠度，

为节点i的风险代价，

为节点i的通信代价，γ是节点传递数据的风险代价和通信代价之间的权重参数，Nⁱ是节点i的邻居节点集合，

是Nⁱ中向节点i传递数据的上游节点集合；

C.选择使得支付方程值最大的邻居节点作为下一跳节点；

D.当所有参与节点均选择了策略后，建立路由，并开始数据传输。

可选的，该方法在步骤A中，所述每个节点的候选转发集合是由比该节点距离网关更近的节点组成，其中，所述距离由跳数或者实际的物理距离来确定。

可选的，该方法在步骤B中，所述邻居节点集合是由节点通过周期性的邻居发现来实现的；

所述节点与网关之间的传输可靠度根据节点同网关之间的距离确定；

所述节点i的风险代价由其下一跳节点j的剩余能量来衡量；

所述节点i的通信代价

由节点i与其下一跳节点j之间的传输能耗来衡量；

所述风险代价和通信代价之间的权重参数取值范围是0-1，具体值将根据实际应用中对网络生存期的要求程度来决定，对生存期要求越高，则此权重参数越小。

可选的，该方法在步骤B前进一步包括：节点对所有候选转发集合进行判断，若候选转发集合为空，则立即启动邻居发现来重新计算候选转发集合；若候选转发集合不为空，则进入步骤B。

可选的，该方法在步骤D后进一步包括：经过设置的重启路径选择的周期，重启该路径选择过程，每个节点重新选择自己的下一跳节点，形成新的路由。

可选的，该方法设置所述重启路径选择的周期与网络的负载大小成反比。

在本发明的另一方面，还提供了一种基于上述方法的无线传感器网络中的节点设备，包括：

候选转发节点计算模块，用于从节点自身的邻居节点中选择比自己距离网关更近的节点组成候选转发集合，保存在存储模块中；

支付方程值计算模块，用于计算所述候选转发集合中每个节点对应的支付方程值，保存在存储模块中，其中节点i选择节点j作为下一跳节点策略时的支付方程为

j ∈Nⁱ且

其中，

e_ij是节点i及其下一跳节点j之间物理信道的误码率，

是节点j与网关之间传输可靠度，

为节点i的风险代价，

为节点i的通信代价，γ是节点传递数据的风险代价和通信代价之间的权重参数，Nⁱ是节点i的邻居节点集合，

是Nⁱ中向节点i传递数据的上游节点集合；

路径选择模块，从存储模块中选择最大支付方程值对应的邻居节点作为下一跳节点。

在本发明的另一方面，还提供了一种无线传感器网络，该无线传感器网络由上述的节点设备组成。

从上面所述可以看出，本发明提供的无线传感器网络中的路由选择方法、以及基于该方法的无线传感器网络和节点设备，基于博弈论中的均衡机制，能在路由过程中联合优化传输可靠度、网络能耗和生存期，最大限度的节约网络能耗。具体来说本发明具有以下优点和有益效果：

通过博弈理论的建模，采用博弈均衡的方式获取最优的路由选择；

通过支付方程的作用，使得节点选择路由过程中，能兼顾下一跳节点的传输可靠度和剩余能量，既保证了传输的可靠性，又避免了邻居节点能量耗尽而导致的节点死亡，减少了路由空洞出现的概率；

在路由选择过程中，整个网络序贯达到博弈均衡的路径选择过程，使得网络中传输路径选择分布平均，位置合理，避免了网络传输中的热点区域问题，延长了网络的整体寿命；

采用周期性重启路径选择的方式，及时保证路由的最优性，避免了网络状态变化导致的路径性能下降，进一步降低了节点能量耗尽而死亡的风险，延长了整个网络的生存期。

附图说明

图1为本发明实施例无线传感器网络中的路由选择方法流程示意图；

图2为本发明实施例周期性监测的应用场景示意图；

图3为本发明实施例网络节点存活率随时间变化的曲线示意图；

图4为本发明实施例网络传输可靠度随时间变化的曲线示意图；

图5为本发明实施例网络优化度随时间变化的曲线示意图；

图6为本发明实施例无线传感器网络中实现路由选择的节点设备结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例主要包括如下步骤。

步骤101，每个节点从自己的邻居节点中选择比自己距离网关更近的能量未耗尽的节点组成候选转发集合，比如，节点i的候选转发集合用

来表示。

步骤102，节点计算自己的候选转发集合中每个节点对应的支付方程值。

本发明优选实施例利用博弈论思想建立网络模型来计算所述支付方程值，具体包括：

参与节点集合：由所有参与路由的节点构成，用S＝(s₁，...s_i，...，s_n)来表示，其中S_i表示第i个参与路由的节点；

参与节点的策略：所有节点的策略集合用L＝{L_i，...，L_j，...，L_n}来表示，其中L_i表示节点i的所有策略集合；

利用博弈论思想建立参与节点的支付方程：节点i选择节点j作为下一跳节点策略时的支付方程表示为

j∈Nⁱ且

其中，支付方程公式中各个字母代表的内容含义如下：

e_ij是节点i及其下一跳节点j之间物理信道的误码率；

是节点j与网关之间传输可靠度，该传输可靠度的计算可以由现有技术方法实现，比如通过节点与网关之间的跳数来计算；

节点i的风险代价

由其下一跳节点j的剩余能量来衡量，每个节点都知道自身的剩余能量，网络中的节点可以通过周期性的自身信息交换来获知邻居节点的剩余能量；所述风险代价

与其下一条节点剩余能量成反比，所以该风险代价

可以由下一条节点的剩余能量的倒数来表示；

节点i的通信代价

由节点i与其下一跳节点j之间的传输能耗来衡量，所述节点间的传输能耗与传输距离有关，可通过现有技术的能耗模型，比如一阶射频能耗模型来计算；所述通信代价

与传输能耗成正比，在实际应用中，一般以传输能耗本身来表示通信代价的大小；

γ是节点传递数据的风险代价和通信代价之间的权重参数，取值范围为0～1；由于实际的不同应用场景，对节点生存时间的要求不同，权重参数的具体值会有所不同，可以根据实际应用需要进行设置，比如，若对单个节点的生存时间要求尽量长，则节点剩余能量所占的权值就要要高一些；反之，若对整体传输能耗要求尽量低，则这个权值可以低一些。

Nⁱ是节点i的邻居节点集合；

是Nⁱ中向节点i传递数据的上游节点集合。

步骤103，选择使得支付方程值最大的邻居节点作为下一跳节点，比如，节点i的最优下一跳节点

可以表示为： $n_i^{*}=\arg \left\{\max \right\{u_i^s\left\}\right\}$ $n_i^{*}\∈N_{\mathrm{FCS}}^i.$

步骤104，当所有参与路由的节点均通过上述方式选择了下一跳节点后，从源节点到网关的完整路由建立，并开始数据传输。

在数据传输一段时间后，重启执行步骤101-104的路径选择过程，每个节点重新选择自己的下一跳节点，形成新的路由。其中，数据传输一段时间后，由于传输路径上节点能量的损耗，使得该路径已经不是最优的路径，所以要重新启动路径选择的过程。需要重新执行步骤101是因为有些节点可能快要耗尽能量，无法再继续承担传输数据的工作，因此，这样的节点将被剔除出候选转发节点集合。

通过上面所述的路由选择方法，能够根据传输可靠度和节点能耗，自动在邻居节点中寻找最合适的节点参与路由，兼顾了网络中单一节点剩余能量和节点之间传输可靠度的因素，综合优化了网络的性能。

图2是本实施例应用场景的网络拓扑图。

对于本实施例中的无线传感器节点及网络环境有以下假设：

网络中所有节点都是静止不动的；

节点具有位置感知功能，每个节点预先知道网络接收器与自己的距离；

节点采用一阶射频能耗模型，具体参数为：λ₁＝50nJ/bit，λ₂＝100pJ/bit/m²，λ₃＝45nJ/bit；其中，λ₁为传输一个比特数据所消耗的能量，λ₂为放大一个比特数据的所消耗的能量，λ₁为采集一个比特数据所消耗的能量。

源节点为事件源周围半径为10米范围内任意一个节点，源节点的发包率为10个/秒，每个数据包的大小为1024bit；

每个节点的传输半径为15米；

每个节点的初始能量都是1焦耳。

在图2所示的网络拓扑结构下，本发明实施例路由选择过程包括：

步骤201，每个节点从自己的邻居节点中选择比自己距离网关更近的节点组成候选转发集合。

步骤202，源节点SRC1先计算自己选择任一个邻居节点参与路由后所对应的支付方程值；源节点SRC1选择一个值最大的邻居作为下一跳节点，向该邻居发送路由请求消息。

步骤203，收到上游节点发送的路由请求的节点，继续计算自己选择任一个邻居节点参与路由后所对应的支付方程值，选择一个值最大的邻居作为下一跳节点，并向该邻居发送路由请求消息。

步骤204，随着路由请求消息的依次发送，从源节点到网络接收器之间的节点依次决策，选择能使得自己的支付方程值最大的邻居作为下一跳节点，直到距离网络接收器Sink_1只有一跳距离的节点收到路由请求消息，从源节点SRC1到网络接收器Sink_1之间的路由选择完毕。

步骤205，接下来进入数据传输阶段，网络中所有的节点按照之前建立起来的路由，将源节点SRC1的数据依次传递出去，最终传递到网络接收器Sink_1。

由于参与路由的节点转发数据会不断消耗能力，因此，这些节点的能力是不断变化的，为了保证路径在时间上的有效性，每隔一段时间，源节点SRC1将重新发起一次路由选择过程，以优化网络整体的生存期。

参见图3-5所示，鉴于贪婪边界无状态路由(GPSR，GreedyPerimeters Stateless Routing)是一种目前被广泛接受的基于地理位置的路由算法。在图3-5中，对比了基于图2所示网络拓扑结构下，本发明实施例提出的方法(也称GBGM)和现有GPSR的性能。在图3-5中，＊代表BGBM，即通过本发明实施例方法得到的相应测量结果值，代表通过现有GPSR方法得到的相应测量结果值。

可以看出，图3-图5的试验结果，充分体现了本发明提出的路由选择方法对能耗和传输可靠度的综合优化能力：

图3表明，试验开始后的前1200秒，采用GBGM和GPSR的节点存活率都为100％。1200秒之后，采用GPSR算法的场景中开始出现死亡节点，而采用GBGM算法的场景在4400秒之前都没有任何节点死亡。如果以第一个节点死亡的时间作为网络的生存期，则GBGM是GPSR网络生存期的3.7倍。随着时间的推移，GBGM的节点存活率明显高于GPSR。到仿真结束时，GBGM的节点存活率是GPSR的1.5倍。这主要得益于GBGM算法能会主动避免选择低能量的邻居节点，从而有效的延长了每个节点的生存时间，提高了节点的存活率。

图4显示了网络传输可靠度随时间的变化曲线。如图所示，前1200秒，GBGM与GPSR在传输可靠度方面的性能很接近，GPSR还略高于GBGM。这是由于采用GPSR的节点总是选择离网络接收器最近的邻居转发数据，而采用GBGM的节点在决策时除了考虑邻居与网络接收器间距离还考虑了自己的通信代价和风险代价等因素。因此，采用GBGM所形成的路径可能比采用GPSR所形成的路径要长，所以传输可靠度不如GPSR。1200秒之后，采用GBGM获得的传输可靠度明显高于GPSR。随着时间的推进，GPSR与GBGM在传输可靠度上的性能差别越来越大。这是由于采用GPSR的节点存活率不断下降，网络中死亡节点导致的“洞”越来越多，而GPSR只有在检测到大量的丢包时才会发现这些“洞”，随着“洞”的增多，网络丢包率增大，传输可靠度也随之下降。而GBGM算法在选择路由过程中综合考虑了邻居节点的剩余能力，能有效避免路由中“洞”的出现，传输可靠度较高。

图5比较了两种算法的网络优化度，这个优化度是由路径的传输可靠度和网络节点的存活率组成的一个复合性能指标。如图所示，1200秒之前，GBGM与GPSR的网络优化度十分接近，而1200秒之后，GBGM算法的网络优化度变化不大，GPSR算法的网络优化度却急剧下降，而且随着仿真时间的推进，两种算法的网络优化度之间的差别越来越大。这是主要由于1200秒之前，采用两种算法的网络中都没有节点死亡，而且传输可靠度很接近；但是1200秒之后，采用GBGM网络的节点存活率和传输可靠度都明显高于采用GPSR的网络，而且，随着时间的推进，它们之间的差别越来越大(分别见图3和图4)。因此，两种算法之间网络优化度的差别将越来越大。图5表明，对于长时间运作的网络来说，GBGM的性能明显优于GPSR。

另外，基于上面所述的方法，本发明还提供了一种无线传感器网络中的节点设备，参见图6所示，包括：

候选转发节点计算模块，用于从节点自身的邻居节点中选择比自己距离网关更近的节点组成候选转发集合，保存在存储模块中；

支付方程值计算模块，用于计算所述候选转发集合中每个节点对应的支付方程值，保存在存储模块中，其中节点i选择节点j作为下一跳节点策略时的支付方程为

j∈Nⁱ且

其中，

e_ij是节点i及其下一跳节点j之间物理信道的误码率，

是节点j与网关之间传输可靠度，为节点i的风险代价，

为节点i的通信代价，γ是节点传递数据的风险代价和通信代价之间的权重参数，Nⁱ是节点i的邻居节点集合，是Nⁱ中向节点i传递数据的上游节点集合；

路径选择模块，从存储模块中选择最大支付方程值对应的邻居节点作为下一跳节点。

另外，本发明还提供了一种无线传感器网络，该无线传感器网络由上面所述的节点设备组成，每个节点设备作为该网络中的一个节点组成该无线传感器网络。

上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无线传感器网络中的路由选择方法，其特征在于，包括：

A.每个节点从自己的邻居节点中选择比自己距离网关更近的节点组成候选转发集合；

B.节点计算自己的候选转发集合中每个节点对应的支付方程值，其中节点i选择节点j作为下一跳节点策略时的支付方程为

j∈Nⁱ且

其中，

e_ij是节点i及其下一跳节点j之间物理信道的误码率，

是节点j与网关之间传输可靠度，

为节点i的风险代价，

为节点i的通信代价，γ是节点传递数据的风险代价和通信代价之间的权重参数，Nⁱ是节点i的邻居节点集合，

是Nⁱ中向节点i传递数据的上游节点集合；

C.选择使得支付方程值最大的邻居节点作为下一跳节点；

D.当所有参与节点均选择了策略后，建立路由，并开始数据传输。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤A中，所述每个节点的候选转发集合是由比该节点距离网关更近的节点组成，其中，所述距离由跳数或者实际的物理距离来确定。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤B中，所述邻居节点集合是由节点通过周期性的邻居发现来实现的；

所述节点与网关之间的传输可靠度根据节点同网关之间的距离确定；

所述节点i的风险代价

由其下一跳节点j的剩余能量来衡量；

所述节点i的通信代价

由节点i与其下一跳节点j之间的传输能耗来衡量；

所述风险代价和通信代价之间的权重参数取值范围是0-1，具体值将根据实际应用中对网络生存期的要求程度来决定，对生存期要求越高，则此权重参数越小。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤B前进一步包括：节点对所有候选转发集合进行判断，若候选转发集合为空，则立即启动邻居发现来重新计算候选转发集合；若候选转发集合不为空，则进入步骤B。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法在步骤D后进一步包括：经过设置的重启路径选择的周期，重启该路径选择过程，每个节点重新选择自己的下一跳节点，形成新的路由。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，设置所述重启路径选择的周期与网络的负载大小成反比。

7.一种基于权利要求1-6任意一项所述方法的无线传感器网络中的节点设备，其特征在于，包括：

候选转发节点计算模块，用于从节点自身的邻居节点中选择比自己距离网关更近的节点组成候选转发集合，保存在存储模块中；

支付方程值计算模块，用于计算所述候选转发集合中每个节点对应的支付方程值，保存在存储模块中，其中节点i选择节点j作为下一跳节点策略时的支付方程为

j∈Nⁱ且

其中，

e_ij是节点i及其下一跳节点j之间物理信道的误码率，

是节点j与网关之间传输可靠度，

为节点i的风险代价，

为节点i的通信代价，γ是节点传递数据的风险代价和通信代价之间的权重参数，Nⁱ是节点i的邻居节点集合，

是Nⁱ中向节点i传递数据的上游节点集合；

路径选择模块，从存储模块中选择最大支付方程值对应的邻居节点作为下一跳节点。

8.一种无线传感器网络，其特征在于，该无线传感器网络由权利要求7所述的节点设备组成。

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