CN101815287B - 基于树状网的无线传感网路由方法及路由系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于树状网的无线传感网路由方法及路由系统。该方法包括：建立基于骨干节点的树状网结构，并为树状网结构中的每一骨干节点分配地址；增加骨干节点间的非树路径，以建立网状网结构；一跳子节点根据自身位置及能量选取一个骨干节点作为该一跳子节点的父节点，由该父节点为所包含的一跳子节点分配不同低位的地址；查找地址块，对数据包进行转发，并进行寻路，以建立多条备份路径；在网络中存在单点失效的情况下，启动一条备份路径。本发明很好减小传感器网络时延、提高可靠性、缩短网络修复时间。

Description

基于树状网的无线传感网路由方法及路由系统

技术领域

本发明涉及无线传感器路由领域，尤其涉及一种基于树状网的无线传感网路由方法及路由系统。

背景技术

当前的无线传感器网络路由协议种类很多，大多以Ad hoc路由协议为基础，结合无线传感器网络的特性而设计。针对于不同的应用场景和性能要求，路由协议又有很大的不同。总体来说，无线传感器网络有如下特征：网络规模较大，节点数目较多，节点密度大，节点能量极为有限，需要频繁发送分组等。

无线传感器网络路由协议所要考虑的主要性能指标有时延、可靠性、网络寿命和移动性等。在一些特定的应用中，时延和可靠性往往是首要指标。

当节点的移动性不强，网络拓扑比较稳定的情况下，树状网络在网络拓扑形成后就已形成默认路由(不一定最优)，而不需要寻路，尤其在节点需要频繁与根节点通信的情况下，树形网络可以节省寻路时间而减少了时延。但树状网络的缺点也非常明显，当某个节点失效，其下游节点与上游节点的通信就随之失效，这就需要高效的修复机制。同时，网络中大多数的默认路由不是最优。基于树状拓扑进而形成网状拓扑可以一定程度上解决如上问题，尤其使网络的可靠性得到很大加强，分组可以通过多条路径到达目的节点而不是单纯的按树形参与路由，但即使非常巧妙的设计也不能确保默认的路由为最佳路由。

当前的Ad hoc平面型路由协议大多数以尽力寻求最短路径为目的，例如AODV，DSR等。其时延主要产生于寻路阶段。此类路由均能寻得最佳路由，但当网络节点密集且需频繁发送分组时，控制消息所带来的开销和分组的碰撞将会比较严重。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于树状网的无线传感网路由方法及路由系统。基于本发明，可以很好减小传感器网络时延、提高可靠性、缩短网络修复时间。

本发明公开了一种基于树状网的无线传感网路由方法，所述方法包括如下步骤：树状网结构建立步骤，建立基于骨干节点的树状网结构，并为所述树状网结构中的所述每一骨干节点分配地址；网状网结构建立步骤，增加骨干节点间的非树路径，以建立基于树状网的网状网结构；一跳节点加入步骤，一跳子节点根据自身位置及能量选取一个所述骨干节点作为该一跳子节点的父节点，由该父节点为所包含的一跳子节点分配不同低位的地址；数据发送步骤，查找地址块，对数据包进行转发，并进行寻路，以建立多条备份路径；路由修复步骤，在网络中存在单点失效的情况下，启动一条所述备份路径。

上述路由方法中，优选所述树状网结构建立步骤中，所述建立基于骨干节点的树状网结构包括：骨干节点加入步骤，从指定根节点开始，节点逐渐加入网络形成所述树状网结构；其中，在每一节点加入网络后，每一节点根据自身参数确定该节点的子节点数；

上述路由方法中，优选所述骨干节点加入步骤中，所述在每一节点加入网络后，还包括确定该节点优先等级的步骤。

上述路由方法中，优选所述树状网结构建立步骤中，所述为所述树结构中的所述每一骨干节点分配地址为：根节点检测网络骨干节点总数是否少于可分配骨干节点地址总数，若不是则地址分配失败，需要请求增加地址或分割网络结构；若是，则根节点会根据每个节点实际需要与其期望需要为每个骨干节点分配一个连续的地址块，每个节点分配到的地址数要大于其实际需要并小于期望需要，该过程要从根部一直运行到底部的每一个节点，完成所述树状网的建立。

上述路由方法中，优选所述网状网结构建立步骤中，所述多个骨干节点依据相互间的能量与距离的参数，增加非树路径以建立所述基于树状网的网状网结构，由所述非树路径连接的两个骨干节点互相视为子节点。

上述路由方法中，优选所述数据发送步骤为：节点判断步骤，当i节点要给j节点发送数据包时，判断所述i节点为一跳子节点还是骨干节点；若为一跳子节点，则执行第一转发步骤，若是骨干节点，则执行第二转发步骤；第一转发步骤，将所述数据包转发给所述i节点的骨干父节点；第二转发步骤，查询所述j节点是否是为所述i节点的后代节点，如果是，将所述数据包转发给i节点所在支的下个一跳子节点；如果不是，将所述数据包转发给i节点的上级父节点；广播步骤，i节点向全部所述骨干邻居节点广播RREQ消息进行寻路，当j节点收到所述RREQ后回复RREP到i节点以建立所述备份路径。

上述路由方法中，优选包括：树状网结构建立模块，用于建立基于骨干节点的树状网结构，并为所述树状网结构中的所述每一骨干节点分配地址；网状网结构建立模块，用于增加骨干节点间的非树路径，以建立基于树状网的网状网结构；一跳节点加入模块，用于一跳子节点根据自身位置及能量选取一个所述骨干节点作为该一跳子节点的父节点，由该父节点为所包含的一跳子节点分配不同低位的地址；数据发送模块，用于查找地址块，对数据包进行转发，并进行寻路，以建立多条备份路径；路由修复模块，用于在网络中存在单点失效的情况下，启动一条所述备份路径。

上述路由方法中，优选所述树状网结构建立模块中还包括：骨干节点加入单元，用于从指定根节点开始，节点逐渐加入网络形成所述树状网结构；其中，在每一节点加入网络后，每一节点根据自身参数确定该节点的子节点数。

上述路由方法中，优选所述骨干节点加入单元中，所述在每一节点加入网络后，还包括确定该节点优先等级的子单元。

上述路由方法中，优选所述树状网结构建立模块中，所述为所述树结构中的所述每一骨干节点分配地址为：根节点检测网络骨干节点总数是否少于可分配骨干节点地址总数，若不是则地址分配失败，需要请求增加地址或分割网络结构；若是，则根节点会根据每个节点实际需要与其期望需要为每个骨干节点分配一个连续的地址块，每个节点分配到的地址数要大于其实际需要并小于期望需要，该过程要从根部一直运行到底部的每一个节点，完成所述树状网的建立。

上述路由方法中，优选所述网状网结构建立模块中，所述多个骨干节点依据相互间的能量与距离的参数，增加非树路径以建立所述基于树状网的网状网结构，由所述非树路径连接的两个骨干节点互相视为子节点。

上述路由方法中，优选所述数据发送模块包括：节点判断单元，用于当i节点要给j节点发送数据包时，判断所述i节点为一跳子节点还是骨干节点；若为一跳子节点，则转向第一转发单元，若是骨干节点，则执行第二转发单元；第一转发单元，用于将所述数据包转发给所述i节点的骨干父节点；第二转发单元，用于查询所述j节点是否是为所述i节点的后代节点，如果是，将所述数据包转发给i节点所在支的下个一跳子节点；如果不是，将所述数据包转发给i节点的上级父节点；广播单元，用于i节点向全部所述骨干邻居节点广播RREQ消息进行寻路，当j节点收到所述RREQ后回复RREP到i节点以建立所述备份路径。相对于现有技术而言，本发明很好减小传感器网络时延、提高可靠性、缩短网络修复时间。

附图说明

图1为本发明基于树状网的无线传感网路由方法实施例的步骤流程图；

图2为初始化阶段树状网结构的步骤流程图；

图3为初始化后骨干节点形成的拓扑结构图；

图4为数据发送步骤的执行流程图；

图5为发送RREQ消息的步骤流程图；

图6为接收RREQ消息的步骤流程图；

图7为本发明基于树状网的无线传感网路由系统实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1，图1为本发明基于树状网的无线传感网路由方法实施例的步骤流程图，包括如下步骤：树状网结构建立步骤110，建立基于骨干节点的树状网结构，并为所述树状网结构中的所述每一骨干节点分配地址；网状网结构建立步骤120，增加骨干节点间的非树路径，以建立网状网结构；一跳节点加入步骤130，一跳子节点根据自身位置及能量选取一个所述骨干节点作为该一跳子节点的父节点，由该父节点为所包含的一跳子节点分配不同地位的地址；数据发送步骤140，查找地址块，对数据包进行转发，并进行寻路，以建立多条备份路径；路由修复步骤150，在网络中存在单点失效的情况下，启动一条所述备份路径。

下面对上述各个步骤做进一步的详细说明。

树状网结构建立步骤110、网状网结构建立步骤120、一跳节点加入步骤130为树状网络结构初始化阶段，骨干节点的树结构建立过程可以分为两个部分：结构建立与地址分配。在成树阶段，首先，从根节点开始(通常是指定)，节点逐渐加入该网络，并形成树。每个节点可以根据自己的条件(如位置，能量等)确定允许加入的子节点的个数，但个数的限制这会导致某些节点无法加入树，因此需要设置节点接受等级。在某个节点收到多个允许请求时，优先选择接受等级高的节点作为父节点加入，这样就有效的抑制了单个节点超载。在所有节点加入树后(应有一个定时器)，运行一个由下至上的程序来通知上层节点每个树枝上节点的个数，同时每个节点还可以报告自己期望的地址个数。地址分配阶段，根节点首先检测网络节点总数是否少于地址总数，若不是则地址分配失败，需要请求增加地址或分割网络结构；若是，则根节点会根据每个节点实际需要与其期望需要为每个节点分配一个连续的地址块，每个节点分配到的地址数要大于其实际需要并小于期望需要，该过程要从根部一直运行到底部的每一个节点，这样就建立了一个树状网。(以上骨干节点地址只使用高位地址，位数由网络容量决定)在树状网树形结构形成后，可以通过增加骨干节点之间的非树路径(在能量与距离等因素允许的条件下，)进一步形成网状网结构，由非树路径连接的两个节点互相视为子节点，这样整个网络就更像一个网型网，但对于其中的某一个节点来说依然是树型的。在骨干节点初始化后，一跳子节点根据自己的地理位置及能量(通常应首先考虑位置因素)选取骨干节点成为自己的父节点，由父节点给自己的一跳子节点分配不同的低位地址，高位地址与骨干父节点相同。(一跳子节点不需要维护地址块)。参照图2，图2为上述树状结构初始化阶段的步骤流程图：步骤210，基于网络骨干节点组成树形结构；步骤220，汇聚骨干节点并为骨干节点分配网络ID。步骤230，骨干节点间交互信息，形成网状结构；步骤240，一跳节点选择骨干节点为其父节点。

参照图3，图3为初始化后骨干节点拓扑框图。该图中，所有节点均为骨干节点，其中A节点为汇聚节点；实线代表过程110中建立的树形路径，虚线代表过程120形成网状网后增加的非树路径；为了易于说明，图中用ID号代表地址，每一行的四组数据依次表示该节点子树分支、该子树起始地址、该子树结束地址、下一跳地址。例如，【1】【2】【9】【2】表示：该节点子树分支为1，该子树起始地址为2、该子树结束地址为9，下一跳地址为2。

参照图4，图4为数据发送步骤140的具体执行方式，地址块的查找转发，与发送RREQ进行寻路并建立多路径是同时进行的。当i节点要给j节点发送一个数据包时，如果该节点为一跳子节点，则先将包转发给其骨干父节点；若该节点为骨干节点，则直接查询该目的节点是否是它的后代节点(即查询该地址是否属于自己的地址块)，如果是，将包转发给该地址所在的子树上的下一跳子节点，如果不是，将数据包转发给父节点；同时，i节点(若i节点非骨干节点则先将数据发送给骨干节点，由骨干节点发起路由过程)会向所有骨干邻居节点(包括树与非树)广播一个RREQ(路由请求消息)寻路，当目的节点收到RREQ后回复RREP(路由回复消息)源节点来建立路由(需要定时器)，这里对于来自相同源节点的RREQ消息，回复的RREP消息的个数由计数器进行限制，用来避免路由表过大。也就是说数据包转发模式与寻路模式同时进行，寻路方式建立的路由不是唯一的，但是其中有一条为最优路径，将该路径优先级设置为最高。当确定最优路径时，则启用最优路径重新发送数据，这样数据通过两种方式到达目的节点的时间就形成了竞争。路由过程只查询高位地址，当与目的地址中高位地址相同的骨干节点接受到数据后再由该节点查询低位地址将数据转发给相应的一跳子节点。

参照图5，图5为发送RREQ消息流程框图，首先节点从路由表中查找到目的节点的路由：若有效则无需发送；若无效，则查看上次发送的RREQ是否超时，若否则无需发送；若超时则查看路由请求次数是否超过上限。若是，则清零路由请求次数并释放缓存分组；若否，则路由请求次数加1，重新设定TTL及RREQ超时时间；执行广播发送RREQ分组。

参照图6，图6为接收RREQ消息流程框图，节点接受到RREQ消息后，判断该消息是否为回路包，若是，则丢弃；否则进一步判断是否为重复包，若是，则丢弃；否则将此包添加到广播ID表中，添加或更新到源节点的反向路由；接下来节点查找路由表中到目的节点的路由，若本节点即为目的节点，则产看对应源节点RREQ计数器是否计满，若是，则拒绝回复RREP；若否，则查看对应源节点RREQ计数值+1，并回复RREP；若本节点不是目的节点，则查看路由表是否有到目的节点的活跃路由，若有，则沿路由单播RREQ，；若无，则广播RREQ。

路由修复步骤150，因为网络中备份了多路径，即在单点失效时能马上启动另外的路径，提高了可靠性，减小了修复时间。只有当所有备用路径均无法使用时才会进行重新寻路。

本发明需要用到的帧结构：

表1一般NPDU帧格式：

表2帧控制域

表3帧类型子域

帧类型值	类型
		00	数据
01	命令

10～11

保留

协议版本子域：使用的规范版本；

表4发现路由子域

域值	含义
		0x00	禁止路由发现
0x01	使能路由发现
		0x02	强制路由发现
0x03	保留

安全子域：置1为安全模式，在本协议中可选；

路由域及帧载荷：

目的地址域：目的地址域唯一标识目的节点，为16bit网络地址或者广播地址或者组播地址；

源地址域：源地址域唯一标识源节点，为16bit网络地址；

半径域：长度为一个字节并指定一个半径传输的范围。在接受时，该域的值将被美格接受设备减一；

序列号域：长度为一字节。传输时，每个新的传输帧顺序数值将增加一。源地址的值和序列号域作为一对用来唯一标识一个帧；

帧净载荷域：帧净载荷域作为一个可变的长度，包含每个帧的帧类型信息。

表5数据帧格式：

将帧控制域中的帧类型置00，为数据帧；

表6命令帧格式：

将帧控制域中的帧类型置01，为命令帧；命令帧标识符具体标识为哪个命令。

表7路由请求命令帧(rreq)

表8路由响应命令(rrep)

表9离开命令

字节：1	1
		命令帧标识符	命令选项

表10命令选项

比特：0～5	6	7
			保留	请求/指示	移除设备选项

请求/指示子域值为1，则该离开命令帧为另一个设备离开网络的请求；如果为0，该命令为一个发送设备计划离开网络的指示。

移除设备选项子域值为1则正在离开网络设备的子设备也离开网络。

表11路由表

其中，父节点作为每一个节点的默认路由表项，但优先级最低，如果高优先级的表项不能够完成路由，则由父节点表项路由。

路由表更新过程：

以一次路由过程为例，节点欲发送数据帧时，先广播RREQ命令帧，之后沿路由表中的路由项路由，当目的节点受到RREQ并回复RREP至源节点后，源节点更新路由表，加入一个表项如下：

表12加入表项格式

目的节点地址

目的节点子树地址块结束地址

优先级

下一跳

定时器

前两项为rrep捎带回来的信息，该表项优先级按找回复时间来设置，中转节点在收到rrep后更新路由表项，加入同样的内容，下一条改为正向路由下一跳。定时器设为某一折中值，并在每次使用这条路由时重新计时。

路由修复过程：因为网络中备份了多路径，即在单点失效时能马上启动另外的路径，提高了可靠性，且不需要修复时间。

节点加入树过程：该过程主要有MAC层负责，网络层及其高层得到信道扫描后的邻居情况，通知MAC层根据一定的准则选择加入某个节点成为其子树(一般是节点深度)。

本协议使用帧结构精简格式(可选内容不加入其中，为最精简格式)

表13一般NPDU格式

帧头共6字节，原帧头为4字节；

表14帧控制域(7bit)

比特0～1	2～5
		帧类型	协议版本

表15数据帧格式

表16命令帧格式

表17路由请求命令帧净载荷(rreq)

表18路由请求响应命令帧净载荷(rrep)

表19离开命令

字节：1	1
		命令帧标识符	命令选项

表20命令选项内容

比特：0～5	6	7
			保留	请求/指示	移除设备选项

另一方面，本发明还提供了一种路由系统，参照图7，图7为本发明路由器的结构示意图，包括：树状网结构建立模块70，用于建立基于骨干节点的树状网结构，并为所述树状网结构中的所述每一骨干节点分配地址；网状网结构建立模块72，用于增加骨干节点间的非树路径，以建立网状网结构；一跳节点加入模块74，用于一跳子节点根据自身位置及能量选取一个所述骨干节点作为该一跳子节点的父节点，由该父节点为所包含的一跳子节点分配不同地位的地址；数据发送模块76，用于查找地址块，对数据包进行转发，并进行寻路，以建立多条备份路径；路由修复模块78，用于在网络中存在单点失效的情况下，启动一条所述备份路径。

路由系统的工作原理与上述基于树状网的无线传感网路由方法相同，在此不再赘述，相关之处户型参照即可。本发明对网络规模没有严格的限定，尤其适用于无线传感器网络。

以上对本发明所提供的一种基于树状网的无线传感网路由方法及路由系统进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于树状网的无线传感网路由方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

树状网结构建立步骤，建立基于骨干节点的树状网结构，并为所述树状网结构中的每一骨干节点分配地址；

网状网结构建立步骤，增加骨干节点间的非树路径，以建立基于树状网的网状网结构；

一跳节点加入步骤，一跳子节点根据自身位置及能量选取一个骨干节点作为该一跳子节点的父节点，由该父节点为所包含的一跳子节点分配不同低位的地址；

数据发送步骤，查找地址块，对数据包进行转发，并进行寻路，以建立多条备份路径，具体为：

节点判断步骤，当i节点要给j节点发送数据包时，判断所述i节点为一跳子节点还是骨干节点；若为一跳子节点，则执行第一转发步骤，若是骨干节点，则执行第二转发步骤；

第一转发步骤，将所述数据包转发给i节点的骨干父节点；

第二转发步骤，查询j节点是否是为i节点的后代节点，如果是，将所述数据包转发给i节点所在支的下个一跳子节点；如果不是，将所述数据包转发给i节点的上级父节点；

广播步骤，i节点向全部骨干邻居节点广播路由请求消息RREQ进行寻路，当j节点收到所述路由请求消息RREQ后回复路由回复消息RREP到i节点以建立所述备份路径，回复的路由回复消息RREP的个数由计数器进行限制；

路由修复步骤，在网络中存在单点失效的情况下，启动一条所述备份路径。

2.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于，所述树状网结构建立步骤中，所述建立基于骨干节点的树状网结构包括：

骨干节点加入步骤，从指定根节点开始，节点逐渐加入网络形成所述树状网结构；其中，在每一节点加入网络后，每一节点根据自身参数确定该节点的子节点数。

3.根据权利要求2所述的路由方法，其特征在于，所述骨干节点加入步骤中，所述在每一节点加入网络后，还包括确定该节点优先等级的步骤。

4.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于，所述树状网结构建立步骤中，为树结构中的所述每一骨干节点分配地址为：

根节点检测网络骨干节点总数是否少于可分配骨干节点地址总数，若不是则地址分配失败，需要请求增加地址或分割网络结构；若是，则根节点会根据每个节点实际需要与其期望需要为每个骨干节点分配一个连续的地址块，每个节点分配到的地址数要大于其实际需要并小于期望需要，该过程要从根部一直运行到底部的每一个节点，完成所述树状网的建立。

5.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于，所述网状网结构建立步骤中，

多个骨干节点依据相互间的能量与距离的参数，增加非树路径以建立所述基于树状网的网状网结构，由所述非树路径连接的两个骨干节点互相视为子节点。

6.一种路由系统，其特征在于，包括：

树状网结构建立模块，用于建立基于骨干节点的树状网结构，并为所述树状网结构中的每一骨干节点分配地址；

网状网结构建立模块，用于增加骨干节点间的非树路径，以建立基于树状网的网状网结构；

一跳节点加入模块，用于一跳子节点根据自身位置及能量选取一个骨干节点作为该一跳子节点的父节点，由该父节点为所包含的一跳子节点分配不同低位的地址；

数据发送模块，用于查找地址块，对数据包进行转发，并进行寻路，以建立多条备份路径，具体为：

节点判断单元，用于当i节点要给j节点发送数据包时，判断i节点为一跳子节点还是骨干节点；若为一跳子节点，则转向第一转发单元，若是骨干节点，则执行第二转发单元；

第一转发单元，用于将所述数据包转发给i节点的骨干父节点；

第二转发单元，用于查询j节点是否是为i节点的后代节点，如果是，将所述数据包转发给i节点所在支的下个一跳子节点；如果不是，将所述数据包转发给i节点的上级父节点；

广播单元，用于i节点向全部骨干邻居节点广播路由请求消息RREQ进行寻路，当j节点收到所述路由请求消息RREQ后回复路由回复消息RREP到i节点以建立所述备份路径，回复的路由回复消息RREP的个数由计数器进行限制；

路由修复模块，用于在网络中存在单点失效的情况下，启动一条所述备份路径。

7.根据权利要求6所述的路由系统，其特征在于，所述树状网结构建立模块中还包括：

骨干节点加入单元，用于从指定根节点开始，节点逐渐加入网络形成所述树状网结构；其中，在每一节点加入网络后，每一节点根据自身参数确定该节点的子节点数。

8.根据权利要求7所述的路由系统，其特征在于，所述骨干节点加入单元中，所述在每一节点加入网络后，还包括确定该节点优先等级的子单元。

9.根据权利要求6所述的路由系统，其特征在于，所述树状网结构建立模块中，为树结构中的所述每一骨干节点分配地址为：

根节点检测网络骨干节点总数是否少于可分配骨干节点地址总数，若不是则地址分配失败，需要请求增加地址或分割网络结构；若是，则根节点会根据每个节点实际需要与其期望需要为每个骨干节点分配一个连续的地址块，每个节点分配到的地址数要大于其实际需要并小于期望需要，该过程要从根部一直运行到底部的每一个节点，完成所述树状网的建立。

10.根据权利要求6所述的路由系统，其特征在于，所述网状网结构建立模块中，

多个骨干节点依据相互间的能量与距离的参数，增加非树路径以建立所述基于树状网的网状网结构，由所述非树路径连接的两个骨干节点互相视为子节点。

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