CN101917752B

CN101917752B - 基于Pareto最优路径的无线传感器网络汇聚路由方法

Info

Publication number: CN101917752B
Application number: CN2010102467570A
Authority: CN
Inventors: 吴怡之; 全东平; 丁永生
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2030-08-06
Also published as: CN101917752A

Abstract

本发明涉及一种基于Pareto最优路径的无线传感器网络汇聚路由方法，传感器网络由部署在监控区域的数个传感器节点和一个汇聚节点构成，采用基于Pareto多目标优化策略的收集树路由方法。本发明通过建立Pareto最优多路径路由满足了工业监控等领域对实时可靠等多目标的传输性能需求，算法结构简单，实现容易，资源占用少；在传输路径选择上具有较强的适用性和灵活性，为传感网更广泛的应用提供有效的解决方案。

Description

基于Pareto最优路径的无线传感器网络汇聚路由方法

技术领域

本发明涉及一种能够满足可靠性、实时性等多目标优化的工业监控传感数据汇集路由方法，属于传感器网络和无线监控技术领域。

背景技术

无线传感器网络主要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部署在监控区域而构成的自治网络系统。传统的工业监控主要使用的是有线网络，存在布线不灵活，受环境影响严重，系统维护复杂造价高等缺陷。因此，将无线传感器网络应用于工业监控引起了国内外广泛的研究和关注。但工业应用需求特殊，通常包含对数据传输实时性和可靠性要求在内的多个性能指标和约束条件，而目前的传感网的研究成果大都针对单一目标进行优化，因此如何应用多目标优化方法，满足通信实时性、可靠性、高速率以及抗干扰等多方面性能需求，是成功地将WSN应用于工业领域的首要问题。

在此之前，已公开了若干多目标优化的传感器网络路由方法的文献和专利。例如，文献(米志超、周建江，带约束的多目标优化的无线传感器网络路由算法，应用科学学报，2008.26)建立了传感器网络基于带宽约束的能量和时延多目标优化的网络模型，但其优化目标并非是面向工业监控的可靠性和实时性需求。文献(王毅、张德运、马新新，无线传感器网络基于模糊信息的QoS路由发现方法，传感技术学报，2007.20)和文献(米志超、鲍民权、周建江，传感器网络中基于模糊决策的多目标路由优化算法，西安电子科技大学学报，2008.35)面向多业务对能耗、时延等性能的不同需求，通过路由算法对无线传感器网络资源分配，但均采用多目标整数规划和目标简化，没有基于Pareto方法采用多路径路由方法达到多目标优化。专利CN101005422提出一种基于路由邻居表建立无线传感器网络路由的方法，选择梯度值小且出度值最大的邻居节点作为最优的下一跳节点，没有涉及实时性和可靠性等多目标优化。专利CN101159697提出无线传感器网络中时延限制下实现最小能耗路由的方法，但每个节点都需要维护包括非邻居节点的多路径路由信息，耗费大量存储资源，且算法复杂。

总之，这些专利未能包含一种面向工业监控实时可靠传感器网络的多目标优化的路由方法。

无线传感器网络层次化分簇路由协议收集树协议CTP(Collection Tree Protocol)提供传感器节点到根节点尽最大可能、多跳的包传递路由服务。CTP是基于树的汇聚协议，网络中的一些节点将自己设为根节点，网络中的节点根据到根节点路由梯度形成树型路由结构。CTP使用期望传输值ETX作为路由梯度。根节点的ETX为0，其它节点的ETX为其父节点的ETX值加上到父节点链路的ETX值。节点选择路径时，在得到了所有候选父节点到根节点的ETX值后，选取ETX值最小的那条作为路由路径。因此，由CTP的功能可以得出，直接将CTP用于具有实时可靠多目标性能优化要求的工业传感监控网，主要有三点局限：1.单一的ETX值无法反映多性能指标梯度，2.EXT最小的单路径路由选择方法，无法满足多目标优化需求，3.CTP没有考虑数据传输延迟控制机制。

发明内容

本发明的目的是提供一个基于多目标优化思想的WSN实时收集树路由方法TCTP(Timed Collection Tree Protocol)，是收集树路由协议CTP(Collection Tree Protocol)的改进算法，采用分布式动态优化，保证传感数据在允许的时间范围内，最可靠地传输到汇聚节点，以满足工业传感网对监控数据实时可靠的传输需求。

1.为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于Pareto最优路径的无线传感器网络汇聚路由方法，传感器网络由部署在监控区域的数个传感器节点和一个汇聚节点构成，其特征在于：采用基于Pareto多目标优化策略的收集树路由方法，步骤为：

步骤1、传感器节点根据链路质量评估，获得到相邻传感器节点的多性能链路质量参数，建立多性能链路质量表；

步骤2、汇聚节点作为根节点向相邻的传感器节点发布路由信息；

步骤3、传感器节点具有路由功能，根据接收的路由信息和建立的多性能链路质量表，计算到汇聚节点的多性能传输参数，基于Pareto最优路径建立Pareto最优多路径路由表，并将更新的Pareto最优多路径路由信息发送给相邻的传感器节点；

步骤4、传感器节点根据Pareto最优多路径路由表，进行多路径路由选择，发送或转发传感数据。

本发明的有益效果是：将Pareto多目标优化方法应用于传感器网络多路径路由，动态分布式地多性能指标优化路由选择；路由算法结构简单，实现容易，资源占用少；使传感器网络在传输路径选择上具有更强的适用性和灵活性，尤其是满足了工业监控等领域对实时可靠等多目标的传输性能需求，为工业传感网的应用提供有效的解决方案。

附图说明

图1为传感器网络节点传输模型；

图2为本发明的Pareto最优多路径路由表的建立流程图；

图3为本发明的多路径路由选择和转发流程图；

图4为本发明的Pareto最优多路径路由表实例图；

图5为本发明的Pareto最优路径形成的Pareto前沿。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例

本发明提出的Pareto最优路径汇聚树协议的实现分为单跳链路质量估计，路由建立和路径选择三个部分。

1 单跳链路质量估计

传感器网络节点之间的传输模型如图1所示，其中，以传感器节点A所在位置O为中心，以传感器节点A发出的无线射频信号覆盖的有效范围形成的区域称为传感器节点A的传输区域。落在传感器节点A的传输区域中的传感器节点，都是传感器节点A的邻节点，如图1中传感器节点B、传感器节点C都是传感器节点A的邻节点。单跳链路质量估计包括以下三个步骤(设链路发送传感器节点为B，接收传感器节点为A)：

(1)传感器节点B连续向传感器节点A发送5个记录了发送时刻的数据帧；

(2)传感器节点A计算入站链路质量(in-bound link quality)：传感器节点A点成功接收到从传感器节点B点发送的连续帧的概率和平均时延，定义为传感器节点B到传感器节点A的入站链路质量。传感器节点A接收数据并记录接收时刻，分别计算出可靠性度量G(B，A)和延时T(B，A)，计算方法如下：

例如：传感器节点B向节点A发送5个数据帧，其中3号帧丢失。发送时刻的时间序列是T(T₁，T₂，T₃，T₄，T₅)，接收时刻的时间序列为T^*(T^* ₁，T^* ₂，T^* ₄，T^* ₅)，则

G(B，A)＝4÷5＝0.8 (1)

T (B, A) = \frac{1}{4} [(T_{1}^{*} - T_{1}) + (T_{2}^{*} - T_{2}) + (T_{4}^{*} - T_{4}) + (T_{5}^{*} - T_{5})] - - - (2)

(3)传感器节点B获得链路(B，A)的出站链路质量(out-bound link quality)：传感器节点B成功发送到传感器节点A的连续帧的概率和平均时延分别记为G(B，A)和T(B，A)。传感器节点B无法直接测出到传感器节点A的出站链路质量，它是通过传感器节点A发送数据帧中携带的入站链路质量信息获得的。传感器节点A计算链路(B，A)的入站链路质量后，将该信息发送给传感器节点B。

2 路由拓扑和建立

设传感器网络中的普通传感器节点个数为n，N_i表示传感器节点，S表示汇聚节点，传感器网络中的传感器节点集为{N_i，1≤i≤n}∪{S}。设允许的传感器数据发送到汇聚节点的最大延迟为T_max。设传感器节点N_i的邻节点集为{A_j}。每个传感器节点N_i维护一个多路径路由表，当接收到邻节点的路由信息，根据需要更新自己的路由表，并将更新的路由表发送给其邻居节点。

每个传感器节点多路径路由表的记录为四元组(N_i，N_j，G(N_i，S)，T(N_i，S))，分别为当前传感器节点的标识，上一跳传感器节点的标识，当前传感器节点到汇聚Sink节点的传输可靠性度量G(N_i，S)和传输延迟T(N_i，S)。

TCTP网络传输协议实现方法如下：初始时，汇聚节点设置为(S，S，1，0)，其他节点设置为(0，N_i，0，∞)。当T(N_i，S)＜∞，传感器节点N_i发布路由信息。首先，Sink节点广播路由消息。传感器节点N_i从传感器节点N_j接收到一条路由消息(N_j，Nx，G(N_j，S)，T(N_j，S))后，其中，传感器节点N_k为传感器节点N_j的父节点，基于传感器节点N_i单跳链路质量表和路由表，判断传感器N_j是否是一个潜在的父节点，并且经传感器N_j的路径性能度量是否属于Pareto非劣解，具体流程如下，其流程图如图2所示：

(1)如果在传感器N_i链路质量表中存在记录(N_i，N_j，G(N_i，N_j)，T(N_i，N_j))，即传感器节点N_j为传感器节点N_i的邻节点，则G(N_i，S)＝G(N_j，S)xG(N_i，N_j)，T(N_i，S)＝T(N_j，S)+T(N_i，N_j)；如果不存在，则算法结束，返回；

(2)如果在传感器节点N_i路由表中，不存在经过传感器节点N_j的路由记录，则直接转到(3)。否则，假设已经存在记录(H_i，H_j，G’(N_i，S)，T’(N_i，S))，且如果，G(N_i，S)<>G’(N_i，S)或者T(N_i，S)<>T’(N_i，S)，则删除该原有记录(N_i，N_j，G’(N_i，S)，T’(N_i，S))；否则算法结束，返回。

(3)如果在传感器节点N_i路由表中，存在记录(N_i，N_l，G^*(N_i，S)，T^*(N_i，S))，节点N_l是节点N_i的一个父节点，G(N_i，S)＜G^*(N_i，S)且T(N_i，S)＞T^*(N_i，S)，则算法结束，返回；否则，将(N_i，N_j，G(N_i，S)，T(N_i，S))加入到传感器节点N_i的路由表中，其中，G^*(N_i，S)表示父节点为N_l时，节点N_i到汇聚节点S的可靠性度量，T^*(N_i，S)表示父节点为N_l时，节点N_i到汇聚节点S的延迟时间。

(4)如果在传感器节点N_i路由表中，存在记录(N_i，N_m，G^**(N_i，S)，T^**(N_i，S))，节点N_m是节点N_i的一个父节点，G(N_i，S)＞G^**(N_i，S)且T(N_i，S)＜T^**(N_i，S)，则将(N_i，N_m，G^**(N_i，S)，T^**(N_i，S))从Ni的路由表中删除，其中，G^**(N_i，S)表示父节点为N_m时，节点Ni到汇聚节点S的可靠性度量，T^**(N_i，S)表示表示父节点为N_m时，节点Ni到汇聚节点S的延迟时间。

(5)如果某个传感器节点N_i更新路由表时，则向邻节点广播路由信息。

3 路径选择

作为TCTP的第三个部分，路径选择模块完成传感器节点和路由节点的Pareto多路径选择和数据包的转发任务，即节点在其路由表中查询一条多目标Pareto最优路径，即到汇聚节点的总延迟小于最大延迟为T_max，且可靠性最高。设传感器节点N_i收到待转发的数据帧P，其累计的传输延迟为T_p，并作为协议帧头字段包含在数据帧中。初始化到汇聚节点可靠性度量最大值G_max＝0，则Ni遍历路由表进行路径选择和转发过程如下所示，其流程图如图3所示：

(1)初始化，将路由表第一条记录作为当前记录；

(2)取当前路由记录为(N_i，N_j，G(N_i，S)，T(N_i，S))，判断三种情况：

i.如果T(N_i，S)+T_p＞T_max，则转到(3)；

ii.G(N_i，S)＜G_max，则转到(3)；

iii.如果T(N_i，S)+T_p＜＝T_max，而且G(N_i，S)＞G_max，则G_max＝G(N_i，S)，下一跳节点设为N_j，转到(3)

(3)后移到下一条路由记录，如果不是最后一条记录，则转到(2)，否则退出。

图4是本发明的一个实例图。为了简化说明，根据本发明实现的第一步，得到多性能链路质量表。这里只列出了各节点中链路质量表中相关的表项：A[(1，1，1，0)]，B[(2，1，0.8，10)，(2，3，0.9，10)]，C[(3，1，0.6，10)，(3，2，0.9，10)]，D[(4，3，0.8，5)]，F[(6，2，0.4，60)，(6，3，0.8，80)，(6，4，0.8，5)]。以节点F为例，对应于图4，其所有可能的路径信息如表1。根据本发明实施的第二步，建立了Pareto最优多路径路由表(01)，如表2，路径FCA，FCBA，FDCA和FDCBA(图4中相应图例标注为*)构成了节点F的多目标优化路径的Pareto前沿，如图5所示。

表1 节点F获得的所有路由信息

当前节点	可选路径	传输质量	时间延迟
				F	FBA	0.32	70
F	FCA	0.48	90
				F	FCBA	0.576	100
F	FDCA	0.384	20
				F	FDCBA	0.4608	30

表2 节点F计算得到的Pareto最优路径集合

当前节点	父节点	传输质量	时间延迟
				F	C	0.48	90
F	C	0.576	100
				F	D	0.384	20
F	D	0.4608	30

根据本发明Pareto最优路径的定义，由图5可知：点(0.384，20)，(0.4608，30)，(0.48，90)，(0.576，100)，属于Pareto非劣解；而点(0.32，70)不是Pareto前沿，所以在路径选择中，该点不属于考虑范围之内。

Claims

1.一种基于Pareto最优路径的无线传感器网络汇聚路由方法，传感器网络由部署在监控区域的数个传感器节点和一个汇聚节点构成，其特征在于：Pareto最优路径定义如下：对于可行路径x^*∈Θ，设网络多性能度量为f_j(x^*)，j＝1，…，q，当且仅当不存在另一个可行路径x∈Θ，使所有不等式f_j(x)≤f_j(x^*)，j＝1，...q成立，且至少存在一个j₀∈｛1，...q｝，使严格不等式f_j0(x)＜f_j0(x^*)成立，则称x^*为路由多目标优化问题的一个Pareto最优路径，采用基于Pareto多目标优化策略的收集树路由方法，步骤为：

步骤1、传感器节点根据链路质量评估，获得到相邻传感器节点的多性能链路质量参数，建立多性能链路质量表，多性能链路质量表记录为四元组(N_i，N_j，G(N_i，N_j)，T(N_i，N_j))，其中，N_i为链路发送传感器节点的标识，N_j为链路接收传感器节点的标识，G(N_i，N_j)为传感器节点N_i到传感器节点N_j的链路可靠性度量，T(N_i，N_j)为传感器节点N_i到传感器节点N_j的链路延迟度量；

步骤3、传感器节点具有路由功能，根据接收的路由信息和建立的多性能链路质量表，计算到汇聚节点的多性能传输参数，基于Pareto最优路径建立Pareto最优多路径路由表，该基于Pareto最优路径建立Pareto最优路径路由表是指，对于传感器节点N_i，传感器节点N_i的所有Pareto最优路径构成了节点N_i的Pareto最优多路径路由表，Pareto最优多路径路由表的记录为四元组(N_i，N_j，G(N_i，S)，T(N_i，S))，N_i为当前传感器节点的标识，N_j为父传感器节点的标识，G(N_i，S)为当前传感器节点N_i到汇聚节点S的传输可靠性度量，T(N_i，S)为当前传感器节点N_i到汇聚节点S的传输延迟，S为汇聚节点的标识，并将更新的Pareto最优多路径路由信息发送给相邻的传感器节点；所述Pareto最优多路径路由表的建立过程为：设传感器节点N_i从传感器节点N_j接收到一条路由消息(N_j，N_k，G(N_j，S)，T(N_j，S))后，其中，传感器节点N_k为传感器节点N_j的父节点，基于传感器节点N_i的多性能链路质量表和Pareto最优多路径路由表，判断经传感器节点N_j的路径是否属于Pareto非劣解，其中，N_i为链路接收传感器节点的标识，N_j为链路发送传感器节点的标识，具体流程如下，：

步骤3.1、如果在传感器节点N_i的多性能链路质量表中存在记录(N_i，N_j，G(N_i，N_j)，T(N_i，N_j))，即传感器节点N_j为传感器节点N_i的邻节点，则G(N_i，S)＝G(N_j，S)×G(N_i，N_j)，T(N_i，S)＝T(N_j，S)+T(N_i，N_j)；如果不存在，则算法结束，返回；

步骤3.2、如果在传感器节点N_i的路由表中，不存在经过传感器节点N_j的路由记录，则直接转到下一步，否则，假设已经存在记录(N_i，N_j，G’(N_i，S)，T’(N_i，S))，且如果，G(N_i，S)◇G’(N_i，S)或者T(N_i，S)◇T’(N_i，Ｓ)，则删除该原有记录(N_i，N_j)G’(N_i，S)，T’(N_i，S))；否则算法结束，返回，其中，G’(N_i，S)是指父节点为N_j时，节点N_i到汇聚节点S的可靠性度量，T’(N_i，S)是指父节点为N_j时，节点N_i到汇聚节点S的延迟时间；

步骤3.3、如果在传感器节点N_i路由表中，存在记录(N_i，N_l，G^*(N_i，S)，T^*(N_i，S))，节点N_l是节点N_i的一个父节点，G(N_i，S)＜G^*(N_i，S)且T(N_i，S)＞T^*(N_i，S)，则算法结束，返回；否则，将(N_i，N_j，G(N_i，S)T(N_i，S))加入到传感器节点N_i的路由表中，其中，G^*(N_i，S)表示父节点为N_l时，节点N_i到汇聚节点S的可靠性度量，T^*(N_i，S)表示父节点为N_l时，节点N_i到汇聚节点S的延迟时间；

步骤3.4、如果在传感器节点N_i路由表中，存在记录(N_i，N_m，G^**(N_i，S)，T^**(N_i，S))，节点N_m是节点N_i的一个父节点，G(N_i，S)＞G^**(N_i，S)且T(N_i，S)＜T^**(N_i，S)，则将(N_i，N_m，G^**(N_i，S)，T^**(N_i，S))从传感器节点Ni的路由表中删除，其中，G^**(N_i，S)表示父节点为N_m时，节点Ni到汇聚节点S的可靠性度量，T^**(N_i，S)表示表示父节点为N_m时，节点Ni到汇聚节点S的延迟时间；

步骤3.5、如果传感器节点N_i更新路由表时，则向相邻传感器节点广播路由信息

2.如权利要求1所述的一种基于Pareto最优路径的无线传感器网络汇聚路由方法，其特征在于：所述Pareto最优多路径路由表的初始设置为：汇聚节点S路由表初始设置为(S，S，1，0)，其他节点设置为(0，N_i，0，∞)，N_i为当前传感器节点的标识，S为汇聚节点的标识。

3.如权利要求1所述的一种基于Pareto最优路径的无线传感器网络汇聚路由方法，其特征在于：步骤4中所述传感器节点进行多路径路由选择的步骤为：

步骤4.1、初始化，将Pareto最优多路径路由表第一条记录作为当前记录；

步骤4.2、设当前路由记录为(N_i，N_j，G(N_i，S)，T(N_i，S))，判断以下三种情况：

i.如果T(N_i，S)+T_p＞T_max，则转到步骤4.3，其中，T_p为传感器节点N_i收到待转发的数据帧的累计传输延迟，T_max为从传感器节点到汇聚节点的最大延迟；

ii.G(N_i，S)＜G_max，则转到步骤4.3，其中，G_max为初始化到汇聚节点可靠性度量最大值，其初始值为0；

iii.如果T(N_i，S)+T_p＜＝T_max，而且G(N_i，S)＞G_max，则G_max＝Ｇ(N_i，S)，下一跳传感器节点设为N_j，转到步骤4.3；

步骤4.3、后移到下一条路由记录，如果不是最后一条记录，则转到(2)，否则退出。