CN101951657B

CN101951657B - 数据路由的方法和传感器节点

Info

Publication number: CN101951657B
Application number: CN2010102827612A
Authority: CN
Inventors: 刘培
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2030-09-14
Also published as: CN101951657A

Abstract

本发明提出了数据路由的方法和传感器节点。该方法包括：建立至汇聚节点的多条路由；接收所述多条路由上的至少一个下一跳节点发来的负反馈命令，该负反馈命令中包括该至少一个下一跳节点的参量等级的值；根据所述多条路由上的多个下一跳节点的参量等级的值计算该多条路由上的多个下一跳节点的转发概率，多个下一跳节点的参量等级的值中包括所述至少一个下一跳节点的参量等级的值以及已保存的所述多条路由中其它下一跳节点的参量等级的值根据计算出的所述多条路由上的多个下一跳节点的转发概率选择下一跳节点，将数据发送给选择出的下一跳节点。本发明提出的传感器节点包括：建立模块、接口模块、计算模块和路由模块。本发明能够保证数据的传输。

Description

数据路由的方法和传感器节点

技术领域

本发明实施例涉及通信技术，尤其涉及数据路由的方法和传感器节点。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Ssensor Networks，WSN)是通过无线通信方式形成的多跳自组织网络。一个典型的无线传感器网络通常由传感器节点、汇聚节点(称为sink节点)和管理终端三部分组成。其中，传感器节点能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的数据(比如温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等物理信息)，对采集的数据进行处理后发送给sink节点；sink节点是无线传感器网络的中心节点，用于接收并响应管理终端的命令，将从各个传感器节点接收到的数据进行分析和处理，并将处理后的数据发送到管理终端。无线传感器网络目前已被广泛地应用在军事国防、工农业生产、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、反恐防暴、空间探索等诸多领域。

在无线传感器网络中，传感器节点必须建立到sink节点的路由，从而通过建立的路由将采集到的数据发送给sink节点。目前，在建立传感器节点到sink节点的路由时，通常是建立传感器节点到sink节点的一条固定路由，后续，传感器节点的数据均通过该条固定的路由发送给sink节点。

根据以上描述可以看出，现有技术是在传感器节点与sink节点之间建立了唯一的一条固定路由，那么，当该唯一的路由发生拥塞时，通过该路由传输数据就会造成大量的数据丢失，从而无法保证数据的传输。

并且，由于数据是通过建立的唯一的一条固定路由进行传输，那么，该路由上的传感器节点往往会因频繁转发数据而过早死亡，从而大大缩短了网络的生存周期。

发明内容

本发明实施例提供数据路由的方法和传感器节点，能够保证数据的传输。

本发明实施例提供的数据路由的方法，包括：

建立至汇聚节点的多条路由；

接收所述多条路由上的至少一个下一跳节点发来的负反馈命令，所述至少一个下一跳节点发来的负反馈命令中包括所述至少一个下一跳节点的参量等级的值；

根据所述多条路由上的多个下一跳节点的参量等级的值计算所述多条路由上的多个下一跳节点的转发概率，所述多个下一跳节点的参量等级的值中包括所述至少一个下一跳节点的参量等级的值、以及已保存的所述多条路由中其它下一跳节点的参量等级的值；

根据计算出的所述多条路由上的多个下一跳节点的转发概率选择下一跳节点，将数据发送给选择出的下一跳节点。

本发明实施例提供的传感器节点，包括：

建立模块，用于建立至汇聚节点的多条路由；

接口模块，用于接收所述多条路由上的至少一个下一跳节点发来的负反馈命令，所述至少一个下一跳节点发来的负反馈命令中包括所述至少一个下一跳节点的参量等级的值；

计算模块，用于根据所述多条路由上的多个下一跳节点的参量等级的值计算所述多条路由上的多个下一跳节点的转发概率，所述多个下一跳节点的参量等级的值中包括所述至少一个下一跳节点的参量等级的值、以及已保存的所述多条路由中其它下一跳节点的参量等级的值；

路由模块，用于根据计算出的所述多条路由上的多个下一跳节点的转发概率选择下一跳节点，将数据发送给选择出的下一跳节点。

本发明实施例提出的数据路由的方法和传感器节点，在传感器节点与sink节点之间建立了多条路由，并且根据下一跳节点的负反馈命令来更新每个下一跳节点的转发概率，后续根据转发概率选择出转发数据的路由。由于转发概率能够体现路由转发数据的成功概率，因此，利用根据转发概率选择出的路由来转发数据，则能够提高数据转发成功的概率，保证了数据的传输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中实现数据路由的基本流程图；

图2是本发明实施例1中实现数据路由的流程图；

图3是本发明实施例1中建立路由的流程图；

图4是本发明实施例1中sink节点向全网广播RREQ的示意图；

图5是本发明实施例1中传感器节点A首次接收到节点B发来的RREQ的示意图；

图6是本发明实施例1中传感器节点A接收到节点C发来的RREQ的示意图；

图7是本发明实施例1中传感器节点A接收到节点D发来的RREQ的示意图；

图8是本发明实施例1中传感器节点A再次接收到节点B发来的RREQ的示意图；

图9是本发明实施例1中传感器节点A建立的网格型多径路由示意图；

图10是本发明实施例提出的传感器节点的一种结构示意图；

图11是本发明实施例提出的传感器节点的另一种结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明实施例中实现数据路由的基本流程图。参见图1，在本发明实施例中，实现数据路由的过程包括以下步骤：

步骤101：建立至sink节点的多条路由。

步骤102：接收所述多条路由上的至少一个下一跳节点发来的负反馈命令，该至少一个下一跳节点发来的负反馈命令中包括该至少一个下一跳节点的参量等级的值。

步骤103：根据所述多条路由上的多个下一跳节点的参量等级的值计算该多条路由上的多个下一跳节点的转发概率，所述多个下一跳节点的参量等级的值中包括所述至少一个下一跳节点的参量等级的值、以及已保存的所述多条路由中其它下一跳节点的参量等级的值。

步骤104：根据计算出的所述多条路由上的多个下一跳节点的转发概率选择下一跳节点，将数据发送给选择出的下一跳节点。

可见，本发明实施例提出的数据路由的方法，在传感器节点与sink节点之间建立了多条路由，并且根据下一跳节点的负反馈命令来更新每个下一跳节点的转发概率，后续根据转发概率选择出转发数据的路由。由于转发概率能够体现路由转发数据的成功概率，因此，利用根据转发概率选择出的路由来转发数据，则能够提高数据转发成功的概率，从而保证了数据的传输。

参见图2，在本发明的一个实施例中，在无线传感器网络中实现数据路由的过程包括以下步骤：

步骤201：sink节点在无线传感器网络中广播路由请求(RREQ)。

本步骤中，sink节点可以以洪泛方式广播RREQ。其中，洪泛方式是指RREQ被广播后，接收到RREQ的每一个节点需要将接收到的RREQ发送给各自的除发来该RREQ节点之外的其他所有邻居节点，从而保证RREQ能够到达无线传感器中的每一个节点。

步骤202：每一个收到RREQ的传感器节点更新该RREQ中的跳数值，以广播方式转发RREQ。

步骤203：无线传感器网络中，每一个收到RREQ的传感器节点获取接收到的每一个RREQ中的跳数值，将发来携带最小跳数值的RREQ的各个节点分别保存为到sink节点的多条路由上的下一跳节点。

这里，RREQ中携带的跳数值反映了从sink节点到发来该RREQ的上一跳节点所经过的节点的个数，该跳数值越小，表示从sink节点到接收该RREQ的节点的路径越短，因此，可以将最短路径上的节点(即发来携带最小跳数值的RREQ的各个节点)作为到sink节点的多条路由上的下一跳节点。

通过上述步骤201至步骤203的处理，每一个传感器节点可以保存到sink节点的多个最短路径上的多个下游节点，从而建立了与sink节点之间的多条路由。参见图3，在本发明一个可选实施例中，以无线传感器网络中的传感器节点A为例，步骤202至步骤203的过程具体可以包括以下步骤：

步骤301：传感器节点A接收到RREQ后，更新RREQ中携带的跳数值。

sink节点发送的RREQ中携带有跳数值，其初始值为0。

这里，更新RREQ中携带的跳数值是指将RREQ中携带的跳数值加1。

步骤302：传感器节点A判断是否是首次接收到RREQ，如果是，则执行步骤303，否则，执行步骤304。

步骤303：将发来该RREQ的节点添加到路由表中，作为到sink节点的一条路由上的下一跳节点，并在路由表中记录当前更新后的跳数值，执行步骤311。

步骤304：传感器节点A判断当前更新后的跳数值是否小于路由表中记录的跳数值，如果小于，则执行步骤305，如果大于，直接执行步骤308，如果等于，执行步骤306。

步骤305：删除路由表中记录的所有下一跳节点和跳数值，将发来该RREQ的节点添加到路由表中，作为到sink节点的一条路由上的下一跳节点，并在路由表中记录当前更新后的跳数值，执行步骤308。

步骤306：判断路由表中记录的下一跳节点的个数是否等于预先设置的下游节点上限值，如果是，则执行步骤308，否则，执行步骤307。

通过预先设置下游节点上限值可以限制传感器节点保存的下一跳节点的个数，从而避免建立的路由条数过多，节省传感器节点的存储资源。

步骤307：将发来该RREQ的节点添加到路由表中，作为到sink节点的一条路由上的下一跳节点。

步骤308：判断是否曾经接收到同一节点发来的RREQ，如果是，则执行步骤309，否则，执行步骤310。

步骤309：丢弃该RREQ，返回步骤301。

步骤310：传感器节点A判断RREQ中当前的跳数值是否等于预先设置的跳数阈值，如果是，执行步骤309，否则，执行步骤311。

由于网络的需求是多样化的，在无线传感器网络中，可能会要求部分网络采用指定的路由方式比如按需路由的方式，在该部分网络中要求采用固定单一的路由。也就是说，本发明实施例的数据路由方式可以根据实际需求只应用于无线传感器网络中的部分范围内，在该部分范围之外，可以采用其他的路由方式。为了实现该需求，可以预先设置传输RREQ的跳数阈值，并且通过本步骤的处理就可以保证RREQ的传输范围，从而保证本发明实施例的路由方式只应用于指定的范围内。

步骤311：传感器节点A以广播方式转发该RREQ，返回步骤301。

以一个具体实例来说明上述图3所示过程。参见图4，首先，各个传感器节点接收Sink节点向全网广播的RREQ，RREQ内记录的节点跳数值为0。参见图5，传感器节点A首次收到RREQ，其跳数值为4，则传感器节点A在转发该RREQ之前先将RREQ内的跳数值更新为5，同时令保存的最小跳数值为5，然后将发来该RREQ的上一跳节点B添加至路由表中，作为数据传输时的下一条节点。之后，参见图6，节点A又收到了另一个来自节点C的RREQ，其携带的跳数值为3，同样在转发之前将RREQ内跳数值加1。由于更新后的跳数值4小于保存的最小跳数值5，故传感器节点A删除路由表中已保存的下一跳节点B的信息，并添加节点C至路由表中，作为传感器节点A的第一个下一跳节点，同时更新保存的最小跳数值为4。参见图7，当传感器节点A收到来自另一节点D的RREQ时，更新后的跳数值也为4，且路由表中保存的下一跳节点数量为1，小于预先设置的下游节点上限值(设为3)，故添加节点D至路由表中作为传感器节点A的第二个下一跳节点。参见图8，若节点A再次收到节点B转发的RREQ，此时RREQ内跳数值为3，则因更新后的跳数值为4，故仍可再次将节点B添加至A的路由表中，作为传感器节点A的第三个下一跳节点，由于是再次从节点B收到RREQ，因此，丢弃该RREQ，不进行转发。至此传感器节点A完成了路由建立过程，在其路由表中保存了B、C、D三个下一跳节点的信息，从而具有三条至Sink节点的转发路径，且每条路径的节点跳数均为4，对应最短路径。参见图9，路由建立阶段结束后，网络中包括传感器节点A在内的所有路由节点均建立了跳数相等的网格型多径路由。

至此，通过上述图3所示流程则完成了步骤202至步骤203中传感器节点建立与sink节点之间的多条路由的处理。可以理解，上述实施例仅为了使本领域技术人员方便理解本发明，不用于限定本发明。

步骤204：在传感器节点中保存所述多条路由上的各下一跳节点的参量等级的初始值。

这里，参量等级表示下一跳节点转发概率的大小。参量等级高的下一跳节点的转发概率更高。各路由上各下一跳节点的参量等级的初始值可以相等。

本步骤中，可以根据业务需求，设置参量等级。比如，可以将参量等级设置为剩余能量等级。因为传感器网络中节点供电一般是微型电池，其电能非常有限。对于网络中每个具有感知、处理、通信能力的传感器节点而言，每一项操作都要消耗一定的电能，而尤以转发数据消耗的能量最大。所以可以将反映转发能力的参量等级设置为剩余能量等级，以便后续过程中对于剩余能量少的节点不作为转发节点，从而使整个网络获得最大的生存周期。

再如，丢包率、误码率、信道利用率及时延参数中的任意一个都会影响传感器节点的转发能力，因此，还可以将参量等级设置为丢包率等级、误码率等级、信道利用率等级或者时延等级，本实施例对此不做限定。

当然，参量等级也可以包括剩余能量等级、丢包率等级、误码率等级、信道利用率等级及时延等级中的任意多个等级。

步骤205：每一个传感器节点实时监测自身状态得到当前的参量等级。

这里，以参量等级为剩余能量等级为例，传感器节点监测自身状态得到电池的剩余能量，根据预先设置的剩余能量等级范围，则可以确定当前的剩余能量等级，比如原来剩余能量等级为4，剩余能量降低后，得到当前的剩余能量等级为2。

步骤206：如果当前的参量等级与保存的参量等级不相等，则利用当前的参量等级更新自身保存的参量等级，将当前的参量等级携带在负反馈命令(NFB)中发送给上游的传感器节点。

步骤207：传感器节点接收到负反馈命令后，利用负反馈命令中携带的参量等级更新自身保存的发来该负反馈命令的下一跳节点的参量等级。

步骤208：当传感器节点接收到数据后，利用参量等级计算与sink节点之间多条路由上的各下一跳节点的转发概率。

本步骤中，计算的方法可以是：每一个下一跳节点的转发概率等于该下一跳节点的参量等级的值除以多条路由上的所有下一跳节点的参量等级的值之和。当然，所述计算过程可以有多种实现方式，可由本领域人员依照实际需求来确定。

需要说明的是，如果参量等级包括多种等级，那么，在计算每一个下一跳节点的转发概率时，每一个下一跳节点的参量等级的值等于该下一跳节点的多个等级的值的平均值。比如，下一跳节点的参量等级包括剩余能量等级和丢包率等级，那么，该下一跳节点的参量等级的值等于(剩余能量等级+丢包率等级)/2。

步骤209：传感器节点根据计算出的转发概率选择下一跳节点。

可以理解，选择出的下一跳节点可以是转发概率最大的节点。当然，本领域技术人员也可根据实际需要对网络进行设定，使传感器节点选择的下一跳节点是转发概率大于某一阈值的任意一个节点，或者选择转发概率最接近某个特定值的节点，这些设定可由本领域技术人员根据实际需求来灵活调整，本实施例对此不做限制。

步骤210：传感器节点将数据发送给选择出的下一跳节点。

仍然以上述传感器节点A在其路由表中保存了B、C、D三个下一跳节点的信息，具有三条至Sink节点的转发路径为例来说明上述步骤204至步骤208的一种实现过程：以参量信息为单向变化参量如剩余能量为例，预先为剩余能量设置8个参量等级，也就是说，B、C、D三个下一跳节点的初始参量等级值为8。当传感器节点A接收到来自某上游节点的数据时，节点A在其路由表中选择下一跳节点作为该数据的下一跳转发节点；初始时每一个下一跳节点j的概率均为

因此可以随机或依据其他策略选择出由节点C转发数据；节点C在转发数据后，其剩余能量值降低，节点C监测到自身剩余能量的等级值变为7，与保存的等级值8不相等，则利用当前得到的剩余能量的等级值7更新自身保存的等级值8，并且，将当前得到的剩余能量的等级值7携带在负反馈命令中发送给所有上游节点。传感器节点A作为节点C的上游节点收到负反馈命令后，将路由表中对应节点C的剩余能量等级值更新为7，以降低向节点C转发数据的概率，均衡负载，此时节点A向C转发数据的概率降为

低于其他下一跳节点B、D的转发概率。

本发明实施例还提出了一种传感器节点，参见图10，该传感器节点包括：

建立模块1001，用于建立至汇聚节点的多条路由；

接口模块1002，用于接收所述多条路由上的至少一个下一跳节点发来的负反馈命令，所述至少一个下一跳节点发来的负反馈命令中包括所述至少一个下一跳节点的参量等级的值；

计算模块1003，用于根据所述多条路由上的多个下一跳节点的参量等级的值计算所述多条路由上的多个下一跳节点的转发概率，所述多个下一跳节点的参量等级的值中包括所述至少一个下一跳节点的参量等级的值、以及已保存的所述多条路由中其它下一跳节点的参量等级的值；

路由模块1004，用于根据计算出的所述多条路由上的多个下一跳节点的转发概率选择下一跳节点，将数据发送给选择出的下一跳节点。

在本发明一个实施例中，可选地，在传感器节点中，参见图11，所述接口模块1002包括第一接口子模块10021，用于接收其它节点发送的携带跳数值的路由请求；

相应地，所述建立模块1001包括第一建立子模块10011，用于将发送携带最小跳数值的路由请求的各个节点分别保存为所述多条路由上的多个下一跳节点。

参见图11，在本发明一个实施例中，第一建立子模块10011中包括第二建立子模块1101，用于判断已保存的下一跳节点的个数是否小于预先设置的下游节点上限值，如果是，则将发送携带最小跳数值的路由请求的一个节点保存为一条路由上的下游节点。

在本发明一个实施例中，第一接口子模块10021中包括第二接口子模块1102，用于在接收其它节点发送的携带跳数值的路由请求后，判断所述跳数值是否等于预先设置的跳数阈值，如果否，以广播方式转发所述携带跳数值的路由请求。

在本发明一个实施例中，传感器节点进一步包括处理模块1103，用于监测自身状态得到当前参量等级，如果当前参量等级与自身保存的参量等级不相等，则利用当前参量等级更新自身保存的参量等级，将当前的参量等级携带在负反馈命令中发送给上游节点。

本发明一个实施例中，计算模块1003包括第一计算子模块10031，用于计算所述多条路由上每个下一跳节点的转发概率等于所述每个下一跳节点的参量等级的值除以所述多条路由上的多个下一跳节点的参量等级的值之和。

可选地，第一计算子模块10031包括第二计算子模块1104，用于在参量等级包括多个等级时，确定下一跳节点的参量等级的值为该下一跳节点的所述多个等级的值的平均值。

本发明实施例还提出了一种数据路由系统，包括sink节点和本发明实施例提出的任意一种传感器节点。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种数据路由的方法，其特征在于，包括：

建立至汇聚节点的多条路由；

根据计算出的所述多条路由上的多个下一跳节点的转发概率选择下一跳节点，将数据发送给选择出的下一跳节点；

所述参量等级包括剩余能量等级、丢包率等级、误码率等级、信道利用率等级及时延等级中的任意一个或任意多个等级或任意多个等级的值的平均值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

进一步包括：接收其它节点发送的携带跳数值的路由请求；

所述建立至汇聚节点的多条路由包括：将发送携带最小跳数值的路由请求的各个节点分别保存为所述多条路由上的多个下一跳节点。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将发送携带最小跳数值的路由请求的各个节点分别保存为所述多条路由上的多个下一跳节点包括：

判断已保存的下一跳节点的个数是否小于预先设置的下一跳节点上限值，如果是，则将发送携带最小跳数值的路由请求的一个节点保存为一条路由上的下一跳节点。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在接收其它节点发送的携带跳数值的路由请求后，进一步包括：判断所述跳数值是否等于预先设置的跳数阈值，如果否，以广播方式转发所述携带跳数值的路由请求。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：监测自身状态得到当前参量等级，如果当前参量等级与自身保存的参量等级不相等，则利用当前参量等级更新自身保存的参量等级，将当前的参量等级携带在负反馈命令中发送给上游节点。

6.根据权利要求求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，

所述根据所述多条路由上的多个下一跳节点的参量等级的值计算所述多条路由上的多个下一跳节点的转发概率包括：

所述多条路由上的每个下一跳节点的转发概率等于所述每个下一跳节点的参量等级的值除以所述多条路由上的多个下一跳节点的参量等级的值之和。

7.一种传感器节点，其特征在于，包括：

建立模块，用于建立至汇聚节点的多条路由；

路由模块，用于根据计算出的所述多条路由上的多个下一跳节点的转发概率选择下一跳节点，将数据发送给选择出的下一跳节点；

8.根据权利要求7所述的传感器节点，其特征在于，所述接口模块包括第一接口子模块，用于接收其它节点发送的携带跳数值的路由请求；

所述建立模块包括第一建立子模块，用于将发送携带最小跳数值的路由请求的各个节点分别保存为所述多条路由上的多个下一跳节点。

9.根据权利要求8所述的传感器节点，其特征在于，所述第一建立子模块中包括第二建立子模块，用于判断已保存的下一跳节点的个数是否小于预先设置的下一跳节点上限值，如果是，则将发送携带最小跳数值的路由请求的一个节点保存为一条路由上的下一跳节点。

10.根据权利要求8所述的传感器节点，其特征在于，所述第一接口子模块中包括第二接口子模块，用于在接收其它节点发送的携带跳数值的路由请求后，判断所述跳数值是否等于预先设置的跳数阈值，如果否，以广播方式转发所述携带跳数值的路由请求。

11.根据权利要求7所述的传感器节点，其特征在于，进一步包括处理模块，用于监测自身状态得到当前参量等级，如果当前参量等级与自身保存的参量等级不相等，则利用当前参量等级更新自身保存的参量等级，将当前的参量等级携带在负反馈命令中发送给上游节点。

12.根据权利要求7～11中任一所述的传感器节点，其特征在于，所述计算模块包括第一计算子模块，用于计算所述多条路由上的每个下一跳节点的转发概率等于所述每个下一跳节点的参量等级的值除以所述多条路由上的多个下一跳节点的参量等级的值之和。