CN102111817B

CN102111817B - 时延约束的基于模糊梯度的无线传感网路由方法

Info

Publication number: CN102111817B
Application number: CN2011100739861A
Authority: CN
Inventors: 李凤荣; 张帅; 张唯易
Original assignee: JIAXING WIRELESS SENSOR NETWORKS ENGINEERING CT CAS; Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: JIAXING WIRELESS SENSOR NETWORKS ENGINEERING CT CAS; Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2011-03-26
Filing date: 2011-03-26
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2031-03-26
Also published as: CN102111817A

Abstract

本发明涉及一种时延约束基于模糊梯度的无线传感器网络路由实现方法，包括最近汇聚节点（Sink节点）的选择和梯度的模糊分级实现步骤。本发明针对无线传感网时延约束能量有限，每个传感节点总是沿着基站Sink的方向将数据包传送到它的相邻节点，直到数据到达Sink为止，传感网络经常出现某些节点过早耗尽，其它传感器节点仍有大量的能量剩余的情况，着重考虑节点的路由，平衡各传感节点的能耗，有效提高网络能耗效率、延长网络生存时间。

Description

时延约束的基于模糊梯度的无线传感网路由方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，具体是一种时延约束的基于模糊梯度的无线传感网路由方法。

背景技术

随着无线传感网研究的深入，无线传感网系统逐渐进入实用阶段，因此产生对环境检测结果可视化、多样化、细粒度的要求，保障服务质量QoS的无线传感网作为一个重要的研究方向。并且随着网络规模和复杂度的增加，单Sink的网络架构已不能满足系统要求。而对于两个甚至多个Sink节点的系统，节点采集的数据通过不同路径发送给就近的Sink节点，一次数据可以通过多个Sink同时进行收集，不仅分担了单Sink的负荷，也在一定程度上避免了网络热点的出现，减小数据延迟。多Sink模式的应用比较广泛，比如在军事应用中，要检测前沿阵地敌方活动情况，可通过在阵地上抛撒无线传感网节点，形成自组织的网络，同时在己方阵地两端部署两个高性能的Sink负责收集各节点发来的数据。

无线传感网是一种新型的无基础设施网络，各个传感节点静态随机分布于某一区域。无线传感网中大量传感节点感知区域内的声音、电磁或地震信号等多种数据，汇聚传输到汇聚节点（Sink节点），形成“多对一”流量特点。无线传感器网络具有节点布设密度高，节点感知信息具有冗余性等特点。传感节点一般采用电池供电，而且一经部署后，电池通常无法更换，因此能耗是无线传感器网络的首要问题。由于传感器节点具有相同的有限的初始能量，距离Sink较远的传感器节点消耗的能量较大，并且受到无线环境恶化的影响更容易造成能量的严重损失，因此这些节点成了“热点”。路由建立、维护以及数据传送过程中，可能使某些节点过多的消耗能量而导致过早死亡形成“热点问题”，如果这类节点处于网络连通的关键位置，则会使整个网络陷入瘫痪状态，以致无法完成正常的感知任务。时延约束是无线传感网的重要的QoS指标，其于应用密切相关，直接影响无线传感网的可用性和应用范围。

为了延长网络寿命，减少冗余数据的传送能起到一定的作用，但不能从根本上解决这个问题。传感网中单个节点有限的计算及存储能力很难使节点的路由策略具有全局知识，不合理的路由选择策略反而会导致传输跳数过多，通信过程中某些关键节点的路由策略消耗太多能量，不利于网络整体能耗的均衡。

通过对无线传感网中节点剩余能量分布的分析、能量耗尽节点与能量富足节点位置的分析及路径的分析，发现网络的生存时间与能量利用是否均衡之间相关。一个能够高效平衡地利用网络节点能量的网络协议可以显著的增加网络生命周期，最大化网络生存时间路由主要解决不同节点能量消耗的均衡问题,使整个传输网络的整体能耗达到均衡，所有节点能够几乎同时在同一时刻死亡。针对此特点，现已提出许多节能路由协议如DD，LEACH等，这类协议在一定程度上延长网络寿命，然而，降低能量消耗策略对网络生存期优化并不充分，仅依赖该策略可能导致过多使用部分节点的能量资源，使这些节点过早失效，成为网络生存期的瓶颈，未能从能量均衡的角度合理利用网络节点的有限能量。

发明内容

本发明的目的是设计出一种时延约束的基于模糊梯度的无线传感网路由方法。本发明从能量均衡的角度设计研究路由协议，本发明的该方法开销小，满足时延约束，延长网络寿命。

本发明所要解决的是在多Sink环境下，解决路由算法中频繁使用同一路径带来的网络能量消耗不平衡的问题。

为实现本发明的目的，本发明所述时延约束的基于模糊梯度的无线传感网路由方法包括以下步骤：

步骤一，汇聚节点广播发送用于建立汇聚梯度的RINIT广播命令包；

步骤二，接收到所述RINIT广播命令包的传感节点解析RINIT广播命令包的内容，并根据所述RINIT广播命令包的内容设定或更新传感节点自身到汇聚节点的距离/跳数；

步骤三，数据源节点在内的所有中间传感节点选择离自己最近的节点作为目的Sink节点；

步骤四，利用模糊梯度模型将其满足时延约束邻节点根据到目的Sink的梯度函数进行梯度分级，并选定某等级，在被选中的等级中利用质量评价函数，选择该级中最优质量节点作为下一跳节点；

步骤五，重复步骤三、步骤四，直到传感数据传输到汇聚节点。

所述步骤二的具体实现过程为：

A1、传感节点上电启动后，若第一次收到所述RINIT广播命令包，则传感节点设定自身到发出所述RINIT广播命令包的汇聚节点的距离；

A2、若所述传感节点已经收到过所述RINIT广播命令包，则传感节点设定或更新自身到发出所述RINIT广播命令包的汇聚节点的距离，将邻居节点加入到相应满足和不满足时延约束的路由表中；

A3、判断发出所述RINIT广播命令包的生命周期是否结束，若是则停止转发所述RINIT广播命令包，若不是则继续转发所述RINIT广播命令包。

所述的步骤三中，数据传输过程中总是选择满足时延约束的最近汇聚节点作为目的Sink，传输过程中有可能改变传输的目的Sink节点。

所述步骤四的实现过程为：所述传感节点收到数据包后，首先判断自身节点的满足时延约束的邻居节点的梯度函数进行梯度分级，其次概率选定某等级，在选中的等级中利用质量评价函数，选择该级中最优质量节点作为下一跳节点。

所述RINIT广播命令包包括发送RINIT广播命令包的Sink节点的类型、源地址、最大扩散跳数、接收到RINIT广播命令包的传感节点到Sink节点的跳数/距离。

本发明的有益效果是：时延约束多Sink应用场景中，支持最短距离路由基础上提供多路径路由协议，这将避免某一区域负载过高而其它区域没有负载或负载偏低的现象，通过利用模糊，能量消耗最大的节点不是同一节点，让更多节点传输数据，保持网络负载平衡，更加均衡地利用网络节点的能量，延长整个网络的生存期。该算法是能量感知的分布式算法，满足应用需求的时延约束，其原理简单、易于实现且具有良好的伸缩性。

附图说明

图1本发明中Sink节点周期发送路由梯度建立帧（RINIT）的流程。

图2本发明节点接收到RINIT帧的处理过程。

图3本发明节点有数据发送到Sink节点处理流程。

图4本发明路由梯度建立帧RINIT帧的格式。

具体实施方式

本发明提出的一种时延约束基于模糊梯度的无线传感网路由方法，其对负载均衡路由方法的主要设计框架为：数据源节点在内的所有中间传感节点首先选择离自己最近的节点作为目的Sink节点，然后利用模糊梯度模型将其满足时延约束邻节点根据到目的Sink的梯度函数进行梯度分级，并选定某等级，在被选中的等级中利用质量评价函数，选择该级中最优质量节点作为下一跳节点。

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

一、首先本发明的系统满足以下条件的假定：

1)、所布设的N个传感器节点ns，且N个传感节点具有相同的初始能量。

2）、无线传感器网络中共有M个汇聚节点（Sink节点，用s表示）。

3）、这些传感节点和汇聚节点具有相同的无线覆盖半径且信道时对称的。

二、本发明关于最近Sink选择

1)、汇聚节点（Sink节点）以周期Tsink周期性的发送路由梯度建立帧RINIT，传感节点通过广播的方式建立到Sink节点的路由表。

2)、传输过程中总是选择到Sink距离最小的节点作为目的Sink。

3)、此表项的生存期是Sink节点发送路由梯度建立帧的N倍。

实现上述路由的技术步骤：

S2-1节点接收到路由梯度建立帧RINIT;

S2-2 判断包中到Sink节点距离是否大于节点路由表中到Sink节点的距离，若否转到S2-3，若是转到S2-4；

S2-3按数据包到Sink的时延约束分成满足约束条件的路由表和不满足约束的路由表，修改添加相应的路由表，写入到该Sink的梯度值，设置路由生存时间，生存时间到期后，删除该条表项，S2-4；

S2-4 减小该广播包的生存半径TTL，增大到Sink节点的距离以及时延梯度,判断TTL是否大于零，若是，转到S2-5，否则转到S2-6；

S2-5 广播该控制包；

S2-6 丢弃该广播包。

三、本发明关于基于模糊梯度的下一跳节点选择

1)、携带传送传感数据的节点首先将自己的邻居节点按到Sink的梯度模糊分级，利用模糊隶属度函数将邻居传感节点分为三个等级，实现了精简的高梯度集，储备资源丰富的中梯度集，以及潜在的低梯度集。

2)、传感节点将其满足时延约束的邻居节点按到目的Sink的梯度划分成低、中、高三等级，根据产生的随机数分别以概率PL，PM和PH选择这三个等级，此概率设置凸显高梯度集的优势，又能保证中低梯度集充当下一跳节点的可能。

3）、在选定的梯度集中，根据质量评价函数选取质量最优节点作为下一跳节点，其中质量评价函数根据应用需求选择相应参数的函数，如参数可以是时延、节点剩余能量等。

实现上述路由的技术步骤：

S3-1 目的Sink节点是否在节点的邻居表内，若有，转S3-8；否则，转S3-2；

S3-2 利用模糊隶属度函数，将该节点的邻居节点集中满足时延约束的节点按到Sink的梯度分为三个等级；

S3-3产生随机数R∈（0, 1）；

S3-4若R∈（0, P _L），则选择低梯度节点集,转到S3-6；否则转S3-5；

S3-5若R∈（P _L, P _L+P _M），则选择中梯度节点集，转到S3-6；否则选择高梯度集，执行S3-6；

S3-6根据质量评价函数选取质量最优节点作为数据传输的下一跳节点；

S3-7传感节点将数据发送给下一跳节点；

S3-8 数据发送给目的Sink。

现对照附图详细说明如下：

对照图1，本实例的汇聚节点（Sink节点）周期性发送路由建立帧RINIT，其帧格式如图4，其中包含该帧扩散的最大半径以及到汇聚节点的跳数。其中路由建立帧建立的扩散最大半径可以随着应用的改变而灵活配置，汇聚节点广播该帧的流程如下：

S1-1 Sink节点上电；

S1-2 设置定时器，等待其超时；

S1-3 定时器超时，发送路由建立帧RINIT，转到S1-2。

对照图2，路由建立帧的处理流程是：

S2-1 节点接收到路由建立帧RINIT;

S2-2 判断包中到Sink节点跳数是否大于节点路由表中到Sink节点的跳数，若否转到S2-3，若是转到S2-4；

S2-3 修改添加路由表，设置路由的生存时间，生存时间到期后，删除该条路由，S2-4；

S2-4 减小该广播包中的生存半径TTL，增大到Sink节点的跳数,判断TTL是否大于零，若是，转到S2-5，否则转到S2-6；

S2-5 转发该广播包；

S2-6 丢弃该广播包。

对照图3，节点接收到数据的处理流程是：

S3-1 本节点是否是Sink节点，若是，数据传输结束；否则，转S3-2；

S3-2 计算本传感节点到Sink节点的距离，选择距离最短Sink作为目的Sink T，判断T是否为空或T不等于数据原目的Sink sx，若否，转S3-3，若是，转S3-4，；

S3-3 修改数据传输的目的Sink 为T；

S3-4 目的Sink节点是否在节点的邻居表内，若有，转S3-8；否则，转S3-5；

S3-5 利用模糊隶属度函数，将节点的邻居节点的按到Sink的梯度分为三个等级；

S3-6产生随机数R∈（0, 1）；

S3-7若R∈（0, P _L），则选择低梯度节点集,转到S3-9；否则转S3-8；

S3-8若R∈（P _L, P _L +P _M），则选择中梯度节点集，转到S3-9；否则选择高梯度集，执行S3-9；

S3-9根据质量评价函数选取质量最优节点作为数据传输的下一跳节点；

S3-10传感节点将数据发送给下一跳节点；

S3-11 数据发送给目的Sink。

本发明的特点是：本发明针对无线传感器网络的传感节点能量、计算能力等受限、节点随机密集布设、汇聚节点比传感节点资源丰富的特点，在时延受限情况下，着重考虑相邻传感节点间负载均衡，有效的延长网络系统寿命，提高网络的可扩展性。在大规模无线传感网络中，汇聚节点确定相邻汇聚节点的划分区域后，通过本发明所述方法使在相邻汇聚节点区域中的传感节点可以改变节点感知数据传输到的目的汇聚节点，传感节点可一跳或多跳到达变更后的目的汇聚节点。

Claims

1.一种时延约束的基于模糊梯度的无线传感网路由方法，其特征在于所述路由方法包括以下步骤：

步骤五，重复步骤三、步骤四，直到传感数据传输到汇聚节点；

步骤二的具体实现过程为：

A3、判断发出所述RINIT广播命令包的生命周期是否结束，若是则停止转发所述RINIT广播命令包，若不是则继续转发所述RINIT广播命令包；

步骤三中，数据传输过程中总是选择满足时延约束的最近汇聚节点作为目的Sink，传输过程中有可能改变传输的目的Sink节点；

步骤四的实现过程为：所述传感节点收到数据包后，首先判断自身节点的满足时延约束的邻居节点的梯度函数进行梯度分级，其次概率选定某等级，在选中的等级中利用质量评价函数，选择该级中最优质量节点作为下一跳节点；

RINIT广播命令包包括发送RINIT广播命令包的Sink节点的类型、源地址、最大扩散跳数、接收到RINIT广播命令包的传感节点到Sink节点的跳数/距离。