CN102088751B - 基于梯度的无线传感器网络拓扑维护方法和分组转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种基于梯度的无线传感器网络拓扑维护方法，涉及无线传感器网络，其特征是采用反向路径代价的计算方法得到路径代价，由此建立梯度；基于该梯度，每个节点周期性的维护自己的父节点和备用父节点的链路。节点转发分组时，将分组投递到可行下一跳中，路径代价最小的那一个。本发明考虑了无线传感网的数据汇聚特性，采用梯度降低的方向进行链路维护，可以很好的适应链路动态性强的无线传感器网络，并能控制协议开销、保持高的路由性能。

Description

基于梯度的无线传感器网络拓扑维护方法和分组转发方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络，特别涉及一种无线传感器网络的数据传输方法。

背景技术

无线传感网具有无线传输环境恶劣、拓扑动态性强等特点，拓扑维护是无线传感网中的一项重要技术。高效的拓扑维护技术可以提高数据传输可靠性和实时性。已有拓扑维护技术主要分为两类，一类是基于功率调节的拓扑控制方法，通过控制各个传感器节点的发射功率，生成稀疏、连通且具有其他良好特性的全网拓扑，这类技术包括LMST、LSPT、CBTC-(θ)、CONNNECT等算法。前三个算法是属于数据局部算法（Localized algorithm），第四个是基于全局拓扑信息的集中式算法。另一类是生成全网的最小（或近似最小）连通支撑集。一个网络的一个支撑集指网络中的每个节点或者属于这个支撑集合，或者是这个支撑集中某个节点的邻居节点。一个连通支撑集指属于这个支撑集内的节点能够形成一个连通的子网。最小连通支撑集指所需节点数最小的连通支撑集，这是一个NP-hard问题。已有构建无线网络的近似最小连通支撑集算法多是基于ID、两跳范围拓扑等信息。

上述拓扑维护方法都是基于各向同性的方式来维护全网拓扑——即通信的目的端可能是网络中的任意节点，也可能处在网络中的任意位置。这一特点没有充分考虑无线传感网数据“Multi-to-one”的特性，即：众多的传感器节点到单个sink的数据汇报。结合这一方向性数据汇报特性，有可能能够大大降低拓扑维护开销，并保持良好的路由性能。

发明内容

本发明的目的是发明一种能够保持高炉有效率、又能降低拓扑维护开销的拓扑维护方法。

这种拓扑维护方法面向的无线传感器网路由多个传感器节点、单个或多个sink节点组成，对于其中的一个节点x，其剩余能量记做Ex；对于网络中的一条链路(u,v)，实现从u到v的成功通信所需的最小功率记做Puv；并且，要求每个传感器节点x保持其1跳邻居节点列表。为了降低邻居节点间交互短控制信息的开销，每个节点可以为邻居节点建立本地编号，从而缩短地址空间，并且每个节点了解自己的邻居节点为自己分配的本地地址编号。

基于上述环境，本发明的方法分为两部分，第一是梯度的建立，第二是基于该梯度的拓扑维护方法。

梯度的建立过程为：sink节点周期性向网络泛洪一条Interest消息，该Interst消息中携带包的序列号和已走过的路径代价，所述的路径代价计算的是反向路径代价。传感器节点收到多条Interest消息，从中选取代价最小的一个，并将发送给自己该Interest消息的节点作为上一跳节点；待Interest消息包中的变量更新后，当前节点转发该包，每个节点只转发一次。

上述过程就是建立了传感器节点到sink节点的梯度信息，具体梯度值就是interest所走过路径的反向路径代价。

基于上述方法建立的梯度，所采用的拓扑维护方法是：网络中每个节点只维护自己到父节点和备用父节点的链路，以及可能的子节点链路。多次没有父节点的hello包，则采用备用父节点；多次也没有备用父节点，则从邻居中选择满足条件的备用父节点。

Interest所穿越的一条路径P=( 1,2,3,…,j)的代价计算方法如下：Cost(P)=∑_(i,j) ∈P (P_ji/E_j)。

所述的父节点和备用父节点的选择方法是：对于节点x来说，它选择自己到达sink最短路径上的下一跳作为其父节点，选择所有其他邻居节点中，满足如下条件的节点y作为其备用父节点：（1）由x经y到达sink的路径代价低于经由其他剩余邻居（x的父节点除外）的路径，（2）从y到达sink的最小路径代价小于从x到达sink的最小路径代价。

基于上述的梯度，优选的节点分组转发方法是：当一个节点有分组需要发送时，它将分组投递到可行下一跳（父节点优先，备用父节点优先级紧随其后）中，路径代价最小的那个。收到该分组的节点持续执行这一过程，直到分组到达sink节点，或者到达某中间节点，由于发生路径中断且所有梯度降低的方向都已经不可行的情况下丢弃分组。

本发明充分考虑了无线传感网的数据汇聚特性，设计的拓扑维护方案结合梯度特性，采用梯度降低的方向进行链路维护，可以很好地适应链路动态性强的无线传感器网络，并能够控制协议开销、保持高的路由性能。

具体实施方式

本发明面向由多个传感器节点、单个或多个sink节点组成的无线传感器网络。具有多个sink节点的无线传感网，通过Voronoi Scoping方法，仍然可以划分成每个区域内多传感器节点和单sink节点的场景，并且每个传感器节点属于和自己最邻近的sink节点所处区域。因此，本发明具有普遍意义，以下是单sink传感器网络的情况。

每个传感器节点具备功率控制能力，并可以根据通信邻居的远近自适应地调节发射功率。因此，本发明的拓扑维护方法属于功率控制型拓扑维护方法。对于一个节点x，其剩余能量记做Ex。对于网络中的一条链路(u,v)，实现从u到v的成功通信所需的最小功率记做Puv。

    本发明设计的拓扑维护方案要求每个传感器节点保持其1跳邻居节点列表。为了降低邻居节点间交互短控制信息的开销，每个节点可以为邻居节点建立本地编号，从而缩短地址空间，并且每个节点了解自己的邻居节点为自己分配的本地地址编号。

    本发明给出的拓扑维护方法包括两个部分。第一部分是梯度建立过程；第二部分是基于梯度的拓扑维护方法。

梯度建立过程

Sink节点周期性的向网络泛洪一条Interest消息（如每30秒一次）。每个interest消息携带包的序列号（由sink节点本地维护、单调递增、初值为1）、已经走过的路径的代价。Interest所穿越的一条路径P=( 1,2,3,…,j)的代价计算方法如下：Cost(P)=∑_(i,j) ∈P (P_ji/E_j)。这里，计算的是反向路径的代价，这是因为反向路径将用于从sensor到sink的数据传输。如果一个传感器节点收到多条interest消息，则从中选择代价最小的一个，并将发送给自己该interest的节点作为上一跳节点。在对interest包中的变量做必要更新之后（如路径代价更新），当前节点将该interest转发出去。每个传感器节点仅转发该interest一次。

上述过程即可以建立传感器节点到sink节点的梯度信息，具体梯度值就是interest所走过路径的反向路径代价。

基于梯度的拓扑维护方法

由于无线链路动态时变特性，节点间链路可能中断、节点可能失效，因而需要每个节点周期性维护自己到父节点的链路；同时为了抑制可能的链路中断的负面影响，每个节点将保持一个可用的备用父节点。备用父节点的选择方法如下：对于节点x，在其邻居中（x的父节点除外），选择节点y作为x的备用父节点，且y满足如下条件：（1）由x经y到达sink的路径代价低于经由除父节点以外的其他邻居的路径代价，（2）从y到达sink的最小路径代价小于从x到达sink的最小路径代价。条件（2）的引入是为了避免路由环路。

基于梯度的局部拓扑维护方法如下。网络中的每个节点（如x）周期性发送hello包（如每3秒一次），其中包含x的ID、x的父节点及备用父节点的ID（可以是由x重新编址的父节点和备用父节点ID），广播该hello包所用功率为从x到达父节点和备用父节点中较大的一个；如果x还作为其他节点的父节点或备用父节点的话，在其广播的hello包中，除了包含自己的父节点和备用父节点之外，还需要包含选择自己作为父节点或备用父节点的节点ID，所采用的发射功率需要足够到达上述节点中最远的那个。收到父节点或备用父节点的hello包之后，节点x可以认定自己仍然可以通过父节点（优先）或备用父节点进行数据汇报。如果连续多次没有收到父节点的hello包，则采用备用父节点；如果也连续多次没有收到备用父节点的hello包，则x从邻居中选择满足上述条件的新的备用父节点，直到找到满足条件的备用父节点，或邻居中不存在满足上述条件的备用父节点，这种情况下，x将无法进行上行汇报，直到等待sink节点下次广播interest包重新建立新的梯度。

这种基于梯度的局部拓扑维护方法可以大大降低每个节点为发送hello包所需功率，也可以缩小hello包的尺寸。

基于梯度的优化分组转发方法

当一个节点有分组需要发送时，它将分组投递到可行下一跳（父节点优先，备用父节点优先级紧随其后）中，路径代价最小的那个。收到该分组的节点持续执行这一过程，直到分组到达sink节点，或者到达某中间节点，由于发生路径中断且所有梯度降低的方向都已经不可行——这种情况下，丢弃分组。

Claims (3)

1.基于梯度的无线传感器网络拓扑维护方法，面向的无线传感器由多个传感器节点、单个或多个sink节点组成，对于其中的一个节点x，其剩余能量记做Ex；对于网络中的一条链路(u,v)，实现从u节点到v节点的成功通信所需的最小功率记做Puv；并且，要求每个传感器节点x保持其1跳邻居节点列表；每个节点为邻居节点建立本地编号，从而缩短地址空间，并且每个节点了解自己的邻居节点为自己分配的本地地址编号；其特征是：

具有两部分，第一是梯度的建立，第二是基于该梯度的拓扑维护方法；

梯度的建立过程为：sink节点周期性向网络泛洪一条Interest消息，该Interst消息中携带包的序列号和已走过的路径代价，所述的路径代价计算的是反向路径代价；传感器节点收到多条Interest消息，从中选取代价最小的一个，并将发送给自己该Interest消息的节点作为上一跳节点；待Interest消息包中的变量更新后，当前节点转发该包，每个节点只转发一次；

基于上述方法建立的梯度，所采用的拓扑维护方法是：网络中每个节点只维护自己到父节点和备用父节点的链路，以及可能的子节点链路；多次没有父节点的hello包，则采用备用父节点；多次也没有备用父节点，则从邻居中选择满足条件的备用父节点。

2.根据权利要求1所述的基于梯度的无线传感器网络拓扑维护方法，其特征是：Interest消息所穿越的一条路径P=( 1,2,3,…,j)的代价计算方法如下：Cost(P)=∑_(i,j)∈P (P_ji/E_j)。

3.根据权利要求1所述的基于梯度的无线传感器网络拓扑维护方法，其特征是，所述的父节点和备用父节点的选择方法是：对于节点x来说，它选择自己到达sink节点的最短路径上的下一跳作为其父节点，选择所有其他邻居节点中，满足如下条件的节点y作为其备用父节点：（1）由x节点经y节点到达sink节点的路径代价低于经由除x节点的父节点外的其他剩余邻居节点的路径，（2）从y节点到达sink节点的最小路径代价小于从x节点到达sink节点的最小路径代价。