CN102271377A - 基于能量收集技术的无线传感器网络两跳多路径路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于能量收集技术的无线传感器网络两跳多路径路由方法，所述无线传感器网络包括基站和多个节点，每个所述节点均包括无线传感器，所述节点还包括为所述无线传感器补充能量的能量收集装置，其特征在于：其采用的转发标准为：1选择距离目的节点最近的节点转发；2选择到达目的节点最短距离的节点进行转发；3根据节点间距离、剩余能量、能量补给速率、消耗速率，选择效果最佳的节点进行转发。本发明所达到的有益效果是：引入了节点睡眠调度机制并从环境中采集能量，以延长网络寿命；根据不同的需求和环境，设计了基于节点间距离、路径最短、节点能量水平的三种利用两跳邻居节点信息贪婪转发机制，兼顾数据传输的可靠性、实时性，避免路由空洞。

Description

基于能量收集技术的无线传感器网络两跳多路径路由方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络领域，尤其涉及一种基于能量收集技术的无线传感器网络两跳多路径路由方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)，由于其高度的学科交叉性和广泛的应用前景受到世界各地学术界和工业界的高度关注。无线传感器网络被广泛应用于许多领域来处理敏感的信息，应用场景包括军事、工业、家庭、医疗、海洋等环境的监测等诸多领域。WSNs节点的能量、处理能力、通信能力十分有限，易因能量耗尽而死亡，这就要求WSNs在提供一定服务的条件下尽可能降低节点能源消耗，提高网络的生命周期。而且网络节点多部署于无人维护、条件恶劣的环境当中，且大多数情况下传感节点都是一次性使用，能量问题成为了制约无线传感器网络生存时间的重要问题。研究如何从环境中有效地采集和储存能源能量的收集方法越来越受到研究者的重视。几年来，科学家进行了一些研究，取得了一些进展，其中利用太阳能收集器成为了研究的热点。鉴于无线传感器网络应用于特殊场合时，电源不可更换，为了克服远程无线传感器网络面临的电池工作时间短的问题，美国Millennial Net公司已经将其i-Bean无线技术与来自新兴公司Ferro Solutions的“能量获得(energy harvesting)”技术结合在一起。现有的采能技术已经能为节点提供适量的能量补给，从而使得WSN中节点的能量水平相应地起伏变化，而目前已有的地理路由协议虽然能较好地符合WSNs协议设计的目标，但都未能考虑节点的能量补给问题，所以需要针对节点能够通过周围的环境(如太阳能、车辆或桥梁的振动等)实现能量的采集的WSNs，提出了一种具有能量收集技术的无线传感器网络地理路由协议。

经对现有文献检索发现，相关文献如下：

1.I.Stojmenovic在2001年《Transactions on Parallel andDistributed Systems》中的“Loop-free hybridsingle-path/flooding routing algorithms with guaranteeddelivery for wireless networks”的一文，提出将传统依赖于单跳邻居信息的地理路由GEDIR扩展到两跳GEDIR-2，对比发现基于两跳邻节点信息的地理路由有助于提高数据包的成功发送率等性能。

2.A.Kansal在2003年于国际低功耗电子学与设计年会上发表了“An  environmental energy harvesting framework for sensornetworks”一文，首次提出了一种传感器网络从周围环境中获取能量的分布式架构，使系统能够更加有效地利用外界能源，很好地补充了睡眠模式和基于剩余能量的调度机制。基于此架构的路由研究表明该架构能够利用外部能源，有效延长了网络生命周期。

3.T.Voigt于2003年在“The 28th Annual IEEE Conferenceon Local Computer Networks(LCN)”发表了“Utilizing solar powerin wireless sensor networks”一文，设计了两种基于太阳能的路由协议，并通过仿真模拟结果发现两种基于太阳能的路由协议显示了显著的节能效果。

4.Lei Shu在《Telecommunication Systems》中发表了“TPGF：geographic routing in wireless multimedia sensor networks”一文，提出针对无线多媒体传感器网络的TPGF多路径协议，利用节点的一跳邻居节点信息发现路由，避免了局部优化问题，并可以有效发现最短路径、降低路由时延，并且实现了在路由空洞存在的情况下路由的发现。但是对网络能耗这一因素尚未考虑。

5.Zhuxiu Yuan于2010年名为“Insights on Energy Consumptionof the CKN Sleep Scheduling Algorithm in Wireless SensorNetworks”的一篇论文中提出了网络节点以占空比调度睡眠的机制来延长网络寿命EC-CKN的算法。并将节点的剩余能量水平作为判断是否睡眠的标准，避免部分节点过度消耗而失效造成的网络失效。

综上所述，虽然地理路由研究取得了很大进展并且在越来越多的应用中表现出较好性能，但还有一些问题有待于进一步研究：

1.由于能量在无线传感网中的重要性，各国学者提出了各种基于能量感知、全网优化、延长整个网络寿命的各种协议，但都未充分考虑到无线传感节点采用能量采集技术作为能量更新和补充的手段的情况，必须设计与之相应的网络协议，才能达到无线传感节点永久寿命与无线传感网络永久使用的最终目的。

2.传统地理路由大多依赖于单跳邻居节点信息来进行数据转发。然而研究表明，基于两跳或多跳邻居信息的路由可以获得更好的性能。因此我们假设每个节点都能获取其两跳邻居信息进行路由。

3.基于不同的度量标准在中选择下一跳节点，所得到的路由算法具有不同的性能。传统做法是选取距离目的节点最近的节点转发，从而使到达目的节点时跳数最少，但是这样会造成选取的转发节点距离当前节点较远，链路的可靠性较差的情况，有必要针对不同的应用需求设计相应的转发机制。

4.传统路由算法，在地理环境因素的影响和网络节点密度低的情况下，会出现节点找不到距离目标节点更近的邻节点来作为下一跳节点的现象，即局部最优化问题，也称为路由空洞。因此需要设计出避免路由空洞的新型算法。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷和空白，本发明提供了一种基于能量收集和算法更优的两跳多路径路由方法的无线传感器网络。

为了达到上述目的，本发明建立了一种基于能量收集技术的无线传感器网络两跳多路径路由方法，所述无线传感器包括基站和多个节点，每个所述节点均包括无线传感器，所述节点还包括能量收集装置，所述能量收集装置为所述无线传感器补充能量，其特征在于：所述两跳多路径路由方法采用的转发标准有三种，根据实际网络的状况和测试比较的结果，选取其中最佳的方案。首先，设任意节点v_i的传输半径为r，其一跳、两跳邻居节点集分别为N_1hop(v_i)，N_2hop(v_i)，处于活动状态的一跳、两跳邻居节点集为Active_1hop(v_i)，Active_2hop(v_i)，网络中任意两节点v_i，v_j间的实际距离记为Dist_i，j。节点根据不同转发机制选择下一跳节点，已适应不同的应用需求，将该路由方法中选择下一跳节点的标准记为Optimal_nexthop。三种转发标准Optimal_nexthop为：

①Optimal_nexthop＝min{Dist_{i，destination}}，选择距离目的节点最近的节点转发。该设计是在链路可靠的情况下地理路由贪婪转发策略的原始做法，考虑到实际应用中链路的不可靠性、信道的不规则性等因素的影响，需要对此设计有进一步的改进；

②Optimal_nexthop＝min{Dist_source，i +...+Dist_{j，destination}}，选择到达目的节点最短距离的节点进行转发。该设计的目标是发现源节点到达目的节点的最短路径，从而有效减少传输时延，此设计可能造成部分节点长时间进行数据传输而失效，即“热区”的出现，易造成路由空洞现象。

③Optimal_nexthop＝max{Current_Energy*Dist_{i，destiantion}，综合考虑节点间的距离、节点剩余能量、能量补给速率、消耗速率，选择使得转发效果最佳的节点转发。

优选的，所述节点以占空比睡眠调度方法定期调节自身所处的状态，所述状态包括：睡眠和活跃。

优选的，每个节点可以获取基站和自己的一跳、两跳邻居节点的位置信息，以及一跳、两跳邻居节点的由节点剩余能量(Residual_Energy)、补给速率(Harvest_Energy)、消耗速率(Consume_Energy)。所述占空比睡眠调度方法根据以下公式估测得到的当前能量水平为Current_Energy＝αHarvest_Energy+βResidual_Energy-γConsume_Energy，其中α+β+γ＝1。然后，根据当前能量水平，节点周期性地调节自身所处状态，如果当前能量水平低于设定值时，当前节点状态设为睡眠，否则设为活跃。

优选的，两跳多路径路由方法包括路由发现阶段和路由优化阶段，所述路由发现阶段查找由源节点到基站的路径，其步骤包括：

步骤1.检查当前节点是否存在处于活跃状态的一跳邻居节点：若不存在，则由当前节点发送非确认帧，并把当前节点标记为断点，然后回退到当前节点的上一跳节点处，重复步骤1；若存在，判断基站是否在当前节点一跳范围内，若在一跳范围内，则直接建立路径，否则转入步骤2；

步骤2.判断基站是否在当前节点的两跳范围内，若在两跳范围内，则当前节点从其一跳邻居节点中根据所述转发标准选择下一跳节点作为中间转发节点；若不在当前节点的两跳范围内，则转入步骤3；

步骤3.判断当前节点是否存在处于活跃状态的一跳、两跳邻居节点：若存在，则从其一跳、两跳邻居节点选择距离基站最近的一跳或两跳邻居节点作为转发节点；若选择的转发节点为一跳节点，直接转发；若选择了选择的转发节点为两跳节点，则需从其一跳邻居节点中根据所述转发标准选择下一跳节点的转发节点；以转发节点为当前节点重复步骤1。

优选的，所述路由发现阶段查找由源节点到基站的路径后，所述路由优化阶段对该路径进行优化，其步骤包括：

步骤4.给该路径中每个节点依次分配一个递减的标签号；

步骤5.由基站通过此未优化路径反向发送确认帧至源节点，此过程中执行基于标签的路由优化过程；路径中任意节点只能将确认帧转发给与自身具有相同路径号和具有最大标签号的节点，消除路由环路组成由源节点到基站的最短路径作为优化后的路径，并清除未选中的节点上的标签号和路径序号。

优选的，所述两跳多路径路由方法还包括重复阶段，所述重复阶段重复所述路由发现阶段和路由优化阶段，从而从未选中节点上查找其他由源节点到基站的路径。通过重复进行以上路由发现阶段和路由优化阶段，即可发现多条不相交的优化路径。数据包沿此优化路径传输。

优选的，所述能量收集装置采用太阳能取电、温差取电或依赖机械运动引发能量转换技术产生电能为所述无线传感器补充能量。太阳能取电是目前所有能量采集技术中最具有吸引力与最可能广泛应用的技术。

本发明所达到的有益效果是：对无线传感器网络的能量管理从节能与供能两个方面去解决。首先，引入了节点睡眠调度机制，减少了空闲监听的能耗，提高网络资源的利用率，尽可能延长整个网络的寿命；其次，为保证整个网络持续可靠地工作，对从环境中采集和储存能量的角度进行了研究，设计了基于能量采集的路由方法。此外，对传统地理路由存在路由空洞的缺陷，进行了全新的设计。根据不同的应用需求和应用环境，设计了基于节点间距离、路径最短、节点能量水平的三种利用两跳邻居节点信息贪婪转发的不同机制，兼顾数据传输的可靠性、实时性，避免路由空洞。

附图说明

图1为本发明的基于能量收集技术的无线传感器网络两跳多路径路由方法的流程图；

图2为本发明的基于能量收集技术的无线传感器网络两跳多路径路由方法的实例图；

图3为本发明的网络环境仿真图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的所应用的无线网络包括基站和多个节点，每个节点均包括无线传感器，节点还包括能量收集装置，本发明较佳实施例中的能量收集装置通过太阳能电池板为所述无线传感器补充能量。

如图1所示，以流程图来说明本发明的多路径路由的建立过程。当源节点有数据需要发送时，源节点首先检查其是否存在处于活动状态的一跳邻居节点。若不存在，则发送非确认帧，返回到上一跳节点，并把当前节点标记为断点；若存在，判断基站是否在当前节点一跳范围内，若在其一跳范围内，则直接建立路径，否则判断基站是否在当前节点的两跳范围内。若在两跳范围内，则当前节点需从其一跳邻居节点中寻找距离基站最近的节点作为下一跳转发节点；若不在当前节点的两跳范围内，则判断当前节点是否存在处于活动状态的一跳、两跳邻居节点。若存在，则从该一跳、两跳邻居节点中选择距离基站最近的一跳或两跳邻居节点作为下一跳节点；若选择一跳邻节点作为下一跳节点，直接转发。若选择两跳邻节点作为下一跳节点，则需从其一跳邻居节点集中根据之前设计的某一转发标准Optimal_nexthop选择某一一跳邻居节点作为中间转发节点。若Active_1hop(v_i)为空，回退到当前节点的上一跳节点处，重复路由发现过程。路径优化阶段，一旦建立源节点到基站的路由，基站发送确认帧到源节点，并对路由发现过程中出现的环路问题进行优化，释放被标记ID号的但未出现在路径中的节点，用于查找其他路径。

如图2所示，当节点a有数据包要发送到基站，且节点a在基站的两跳范围之外。节点a通过比较其处于活动状态的所有一跳与两跳邻居节点距离基站的距离，若选择了距离基站最近的两跳节点g作为其下一跳，则需要按照转发标准Optimal_nexthop选择一跳邻居节点b作为中间转发节点。

如图3所示，为本发明网络环境仿真图。对于本发明中的无线传感器网络节点及网络环境有以下假设：

网络中所有节点都是随机分布且静止不动的，除基站外所有普通节点能量均有限，但是这些节点可以通过能量收集技术从其所处的外界环境补充自身能量。节点自身以及其一跳、两跳邻节点和基站的地理位置信息可通过GPS(Global Positioning System)获取。所有节点可根据自身能量水平调节是否睡眠，如图3中黑色节点即为睡眠节点，其他节点则为活动节点。

以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.基于能量收集技术的无线传感器网络两跳多路径路由方法，所述无线传感器网络包括基站和多个节点，每个所述节点均包括无线传感器, 所述节点还包括为所述无线传感器补充能量的能量收集装置，所述无线传感器网络采用两跳多路径路由方法传输数据，其特征在于：所述两跳多路径路由方法所采用的节点间转发数据的转发标准为以下三个标准之一：

标准1）选择距离目的节点最近的节点转发；

标准2）选择到达目的节点最短距离的节点进行转发；

标准3）根据节点间的距离、节点剩余能量、能量补给速率、消耗速率，选择使得转发效果最佳的节点进行转发。

2.根据权利要求1所述的基于能量收集技术的无线传感器网络两跳多路径路由方法，其特征在于：所述节点以占空比睡眠调度方法定期调节自身所处的状态，所述状态包括：睡眠和活跃。

3.根据权利要求2所述的基于能量收集技术的无线传感器网络两跳多路径路由方法，其特征在于：所述占空比睡眠调度方法首先根据当前节点、当前节点的一跳节点和两跳节点的剩余能量、补充速率和消耗速率计算当前能量水平，如果当前能量水平低于设定值时，当前节点状态设为睡眠，否则设为活跃。

4.根据权利要求3所述的基于能量收集技术的无线传感器网络两跳多路径路由方法，其特征在于：所述两跳多路径路由方法包括路由发现阶段和路由优化阶段，所述路由发现阶段查找由源节点到基站的路径，其步骤包括：

步骤1. 检查当前节点是否存在处于活跃状态的一跳邻居节点：若不存在，则由当前节点发送非确认帧，并把当前节点标记为断点，然后回退到当前节点的上一跳节点处，重复步骤1；若存在，判断基站是否在当前节点一跳范围内，若在一跳范围内，则直接建立路径，否则转入步骤2；

步骤2.判断基站是否在当前节点的两跳范围内，若在两跳范围内，则当前节点从其一跳邻居节点中根据所述转发标准选择下一跳节点作为中间转发节点；若不在当前节点的两跳范围内，则转入步骤3；

步骤3.判断当前节点是否存在处于活跃状态的一跳、两跳邻居节点：若存在，则从其一跳、两跳邻居节点选择距离基站最近的一跳或两跳邻居节点作为转发节点；若选择的转发节点为一跳节点，直接转发；若选择了选择的转发节点为两跳节点，则需从其一跳邻居节点中根据所述转发标准选择下一跳节点的转发节点；以转发节点为当前节点重复步骤1。

5.根据权利要求4所述的基于能量收集技术的无线传感器网络两跳多路径路由方法，其特征在于：所述路由发现阶段查找到由源节点到基站的路径后，所述路由优化阶段对该路径进行优化，其步骤包括：

步骤4. 给该路径中每个节点依次分配一个递减的标签号和相同的路径号；

步骤5. 由基站通过该路径反向发送确认帧至源节点，此过程中任意节点只能将确认帧转发给与自身具有相同路径号且具有最大标签号的节点，以消除路由环路获得由源节点到基站的最短路径作为所述优化路径，并清除未选中的节点上的标签号和路径序号。

6.根据权利要求5所述的基于能量收集技术的无线传感器网络两跳多路径路由方法，其特征在于：所述两跳多路径路由方法还包括重复阶段，所述重复阶段重复所述路由发现阶段和路由优化阶段，从而从未选中节点上查找其他由源节点到基站的所述优化路径。

7.根据权利要求1所述的基于能量收集技术的无线传感器网络两跳多路径路由方法，其特征在于：所述能量收集装置采用太阳能取电、温差取电或依赖机械运动引发能量转换技术产生电能为所述无线传感器补充能量。

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