CN102740395A

CN102740395A - 一种面向移动传感器网络的自组织路由方法

Info

Publication number: CN102740395A
Application number: CN2012102393044A
Authority: CN
Inventors: 陈志�; 宝磊; 岳文静; 孙万兴; 杨萌; 张亚萍
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2012-10-17

Abstract

本发明提出的一种面向移动传感器网络的自组织路由方法，该方法对比现有按需路由方法，其创新之处在于：(1)利用层序号限制路由控制消息的广播转发，并控制传输路径的跳数；(2)在路由发现过程中根据需要任命部分成员节点充当路由节点，保证簇头间的通信联通；(3)根据路径的剩余能量、跳数、传输可靠性等因素，采取多径传输方式进行负载均衡。采用此方法，无线传感器网络的传输可靠性会比现有协议有大幅度提高，网络数据收集的效率至少比现有方法提高3倍左右。它有效地限制了路由控制消息广播和传输路径的跳数。通过监听路由请求的转发和任命路由节点，有效地保证了簇头的通信联通。多径传输的方式提高了协议在时延和可靠性方面的表现。

Description

一种面向移动传感器网络的自组织路由方法

技术领域

本发明针对分簇的移动传感器网络提出了一种按需多径的分簇路由方法，该方法能在簇头节点移动中传输数据时，进行即时路径发现，能很好地适应簇头轮换引起的网络动态变化，属于计算机网络、无线传感器网络和嵌入式的交叉技术领域。

背景技术

微电子、计算机和无线通信技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集，数据处理，和无线通信等多种功能，无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作感知，采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。如果说因特网构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络客观的感知世界，从而极大地扩展了现有网络的功能和人类认识世界的能力。因此，传感器网络被列为21世纪改变世界的十大技术之一，又被称为全球未来的三大高科技产业。

网络的迅猛发展，对于网络的使用范围越来越宽广，而集传感器技术、微机电系统技术、无线通信技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术和无线通信技术于一体的无线传感器网络就成为当今研究的热点。无线传感器网络是一个多学科交叉的综合性科学研究领域，对于其网络所分布的区域内的各种环境和检测对象的信息能够进行实吋的监控、感知和采集，并且将这些信息先进行处理，然后通过无线方式传输给监控主机或者需要使用这些信息的用户。

无线传感器网络系统包括传感器节点，汇聚节点和管理节点，传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳的进行传输，然后到达汇聚节点，用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。传感器节点由传感器模块，处理器模块，无线通信模块和能量供应模块组成。

无线传感网络是一种自组织网络，它通过路由算法以多跳的方式传送信息。路由算法在无线传感器网络中发挥着重要作用，它对各节点的能耗，寿命以及质量起着决定性的作用。建立理想路由的前提是要探测到传感器网络的拓扑结构。然而网络拓扑一般会随着网络中各节点的移动以及数量的增减发生变化，所以要在某固定时间对其进行探测，即实行周期性探测。

在无线传感器网络中，分簇是按照一定规则将网络中的节点进行分组，是一种广泛采用的拓扑控制手段。分簇后每组节点称为一个簇，包括一个簇头和多个簇成员。在大多数分簇无线传感网络中，簇成员以单跳方式将自己的传感数据发送给簇头；簇头在对其成员节点的数据进行整合之后，采用多跳方式将结果发送给基站。在这种两层数据收集模式下，一次簇头路由的失败就会导致一个簇一段时间的传感数据全部丢失，因此簇头路由在分簇无线传感网络中至关重要。

由于分簇无线传感器网络的特性，其簇头路由设计面临很多独特挑战。首先，因为在分簇无线传感网中簇头承担了更多任务，为了平衡簇头能耗，通常会进行簇头轮换，因此由簇头构成的多跳网络的拓扑是动态变化的。其次，分簇方法通常不会考虑簇头的通信联通，因此簇头构成的网络的联通性得不到保障。虽然近年来研究人员针对自组织和无线传感网提出了很多路由方法，但这些方法没有考虑簇头路由的特殊性，因此不能完全适应其需求。

在分簇无线传感网中，簇头要承担数据收集、聚合处理和簇间转发任务，因此耗能远大于簇成员节点。为了均衡网络中节点的能耗，分簇无线传感网一般按轮运行。如图1所示，每轮开始时进行簇头轮换，节点以轮流充当簇头的方式将能量开销均匀分布到各个节点，之后进行多次簇内通信和簇间路由。在分簇传输的媒体接入控制方法设计方面，簇内通信一般基于时分多址接人调度，簇头为每个成员节点分配不同的通信时隙。相邻簇之间的通信干扰一般通过两层TDMA调度或多信道来避免。簇头间的数据转发一般利用载波检测多址接人来避免信道争用。在大部分分簇无线传感网中，簇成员以单跳方式与簇头通信，因此簇内通信一般不存在路由问题。而簇头间则大都采用多跳方式进行数据传输，因此簇头路由协议不可或缺。而且，在分簇无线传感网的两层数据收集模式下，一次簇头路由的失败就会导致一个簇一段时间的传感数据全部丢失，因此簇头路由在分簇无线传感网中至关重要。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种面向移动传感器网络的自组织路由方法，鉴于分簇移动传感网的特性，其簇头路由设计面临很多独特挑战。首先，因为在分簇移动传感网中簇头承担了更多任务，为了平衡簇头能耗，通常会进行簇头轮换，因此由簇头构成的多跳网络的拓扑是动态变化的。其次，分簇方法通常不会考虑簇头的通信联通，因此簇头构成的网络的联通性得不到保障。本发明能在簇头节点需要传输数据时进行即时路径发现，能够适应簇头轮换的动态性。

技术方案：本发明针对分簇的移动传感器网络提出了一种按需多径的簇头路由方法，该方法能在簇头节点移动需要传输数据时进行即时路径发现。

一．体系结构

假设多个移动传感器节点随机均匀地分布在一个大面积区域内，其构成的网络具有如下性质：(1)所有移动传感器节点初始时具有相同的资源和能力，地位平等；(2)传感器节点和基站在部署后，无需人为维护；(3)网络在启动后采用低功耗自适应集簇分层型方法或者其他分簇方法进行分簇；(4)所有簇成员节点可以与其簇头节点直接通信；(5)簇头节点无法保证通信联通。

在此网络拓扑中移动传感器节点的状态有三种：初始状态，休眠和探听相互交替状态，探测状态。当接收到来自汇聚节点的控制信息，传感器进入探测状态。其控制信息包括帧时间以及一个时隙分配表。

二．方法流程

1.网络分层

网络分层目的是构造以基站为中心的层次结构，为网络中的所有节点分配层ID。网络启动后，基站广播层控制消息,并以广播方式转发该消息。如果节点重复收到消息，仅当它能获得更小的层的设定值时，才再次进行转发。

路由请求

步骤一：当簇头节点s需要向基站报告数据时，它向邻居节点广播路由请求，进行路由发现；

步骤二：每个簇头节点都持有自己的请求序号，并在每次进行路由请求时递增其值，请求序号和源序号一起构成该广播路由请求的唯一标识；

步骤三：中间节点i收到广播路由请求之后，检查自己是否同时满足以下三个转发条件：

1) 节点i是簇头节点；

2) 节点i没有转发过来自同一邻居节点的这个广播路由请求，即包含4个完全相同域值的广播路由请求；

3) 节点i的层序号比广播路由请求中的域值小。

条件1）使得发现的路径尽量由簇头组成，这符合分簇传输的设计初衷；条件2）和条件3）利用层序号限制了路由请求在网络中的广播，降低了路由控制消息开销，同时也限制了所发现路径的跳数；如果节点i不满足转发条件，那么丢弃该路由请求。

步骤四：若满足上述三个条件，节点i建立反向路由，记录该路由请求的源节点序号和转发该路由广播请求给它的上一跳节点序号；

步骤五：将该广播路由请求的两个即时中间值修改为自己的序号和层序号，向邻居移动节点以广播方式转发该消息；

步骤六：节点i在转发广播路由请求之后，对该消息的进一步转发进行侦听，如果在指定时间内没有比该节点拥有更小层序号的簇头节点继续转发该广播路由请求，该节点i向邻居节点广播新的控制消息。

步骤一中的广播路由请求，需在汇聚节点控制下进行，各节点在相应时隙发送及接收相关控制信息，并更新其自身路由。

步骤四中的节点i建立反向路由，记录该路由请求的源节点序号和转发该路由广播请求给它的上一跳节点序号，其方法是当基站收到广播路由请求和新的控制消息时，以单播形式向转发该请求给它的节点发送路由应答信息；中间节点将应答消息沿反向路径回传，直至到达源节点，并在此过程中建立路由。

该节点i向邻居节点广播新的控制消息的方法是：当簇头或路由节点i收到邻居节点转发的数据包时，根据数据包的源节点ID在路由表中查找路径，转发该数据包；若存在多条路径，则以路由表中前三个最小值的随机概率向路径j转发；对于关键信息，通过设置数据包内的控制位进行标识，中间节点在转发关键数据时，选择多条路径并行传输。

所述节点i的层序号比广播路由请求中的域值小，其方法是若中间节点可选的路径小于该域值，则向所有路径转发该数据，同时修改数据包内的域值，否则中间节点选择指定条数的路径，并行传输该数据包，并将其域值修改为1。

节点i建立反向路由，记录该路由请求的源节点序号和转发该路由广播请求给它的上一跳节点序号，并实时更新节点保存的路由条目的权重，方法是利用数据传输的确认字符进行数据捎带，更新路径的权重。

．路由建立

当基站收到广播路由请求和新的控制消息时，以单播形式向转发该请求给它的节点发送路由应答信息。中间节点将应答消息沿反向路径回传，直至到达源节点，并在此过程中建立路由。

数据传输

步骤一：当簇头或路由节点i收到邻居节点转发的数据包时，根据数据包的源节点ID在路由表中查找路径，转发该数据包。

步骤二：若存在多条路径，则以概率Pi,Pj向路径j转发。路由条目的权重反映了这条路径的剩余能量、跳数、传输可靠性等关键特征。在移动传感网中，多径传输方式除了负载均衡、提高网络吞吐量，还可以用来提高传输的可靠性。对于关键信息，可以通过设置数据包内的控制位进行标识。中间节点在转发关键数据时，选择多条路径并行传输，可以提高关键数据的传输可靠性。

步骤三：源节点按照数据的重要等级，可在数据包内增加路径域，指定并行传输该信息的路径数量。

步骤四：若中间节点可选的路径小于该域值，则向所有路径转发该数据，同时修改数据包内的域值，否则中间节点选择指定条数的路径，并行传输该数据包，并将其域值修改为1。

步骤五：在数据传输过程中，路径的剩余能量、传输可靠性是变化的。为了保证数据传输中各条路径的流量合理分配，节点保存的路由条目的权重需要实时更新。我们利用数据传输的确认字符进行数据捎带，更新路径的权重。其他参数的更新很简单，值得注意的是节点间链路可靠性的实时更新。由于其无线传输和多跳传输特点，无线传感网中的确认字符一般是逐跳进行的，路径的选择将根据路由表中权重最小的前三个值中以随机概率选择路径，因此两个节点之间的链路可靠性，可由前一跳节点统计它们之间的传输成功率获得。

有益效果：本发明提出了一种移动传感器网络的自组织路由方法。该方法能在簇头节点需要传输数据时进行即时路径发现，能很好地适应簇头轮换引起的网络动态性。

具体来说，本发明所述的移动传感器网络的按需多径路由方法具有如下的有益效果：

（1）本发明所述的移动传感器网络的按需多径路由方法，它有效地限制了路由控制消息广播和传输路径的跳数。

（2）本发明所述的无线传感器网络的按需多径路由方法，通过监听路由请求的转发和任命路由节点，有效地保证了簇头的通信联通。

（3）本发明所述的无线传感器网络的按需多径路由方法，多径传输的方式提高了协议在时延和可靠性方面的表现，提高了网络的生产效率。

（4）本发明所述的无线传感器网络的按需多径路由方法，根据路径的剩余能量、跳数、传输可靠性等因素，采取多径传输方式进行负载均衡。采用此方法，无线传感器网络的传输可靠性会比现有方法有大幅度提高，网络数据收集的效率至少比现有方法提高3倍左右。

附图说明

图1分簇无线传感网络一轮的运行示意图，

图2 路由建立示意图，

图3无线传感节点结构图，

图4 网络拓扑探测过程，

图5造以基站为中心的层次结构，

图6无线传感器网络的按需多径路由方法流程示意图。

具体实施方式

本发明利用移动传感节点的网络拓扑探测方法及装置,如体系结构如图3所示,网络中的节点由休眠和探听两种模式组成，以T为周期交替出现，T的值为休眠模式占用时间与探听占用时间之和。在接收其他节点传输过来的新的信息后要对原有信息进行更新。

图4显示了网络拓扑探测的过程，所有节点都处于初始状态，一旦接收到来自汇聚节点的控制信息之后，所有的节点都将呈现拓扑探测状态，也就是说即将完成一次探测，探测之后，节点将再次探听，若汇聚节点再发出控制信息，该节点也必须根据内容完成相应指令，直至探测过程宣布结束。

网络分层

网络分层操作在第一次分簇之后执行，如图5所示，其目的是构造以基站为中心的层次结构，为网络中的所有节点分配层序号。网络启动后，基站广播层控制消息。其消息只包含一个域，其值初始设置为0。其他节点第一次收到基站广播层控制消息时，将其中的域值递增l，作为自己的层序号，并以广播方式转发该消息。如果节点重复收到基站广播层控制消息，仅当它能获得更小的层时，才再次进行转发。

路由请求

(1)路由发现

本发明具体实施方式如图6所示，当某簇头节点要像基站报告数据的时候就会向邻居节点广播路由请求，进行相应的路由发现。每个簇头节点都会有自身特定的需求设定值，一旦自身进行路由请求时，该值会递增。

路由检测

当中间节点收到簇头节点发出的广播路由请求之后，会检查自身是否满足3个转发条件： (1)该节点是簇头节点。(2)该节点没有转发过来自同一邻居节点的这个广播路由请求，即包含4个完全相同域值的广播路由请求。(3)该节点的层值比广播路由中的层值小。

其中条件1使得发现的路径尽量由簇头组成，这符合分簇传输的设计初衷。条件2和条件3利用层某特定值限制了广播路由请求在网络中的广播，降低了路由控制消息开销，同时也限制了所发现路径的跳数。如果该节点不满足转发条件，那么丢弃该广播路由请求。

建立反向路由

若满足以上三个条件：该节点建立反向路由，记录该路由请求的源节点的序号和转发该广播路由请求给它的上一跳节点的序号。将该广播路由请求的的请求序号修改为自己的序号和层序号，向相近移动节点以广播方式转发该消息。该节点在转发广播路由之后，需对这一消息进行侦听。如果在指定时间内没有比该节点拥有更小层序号的簇头节点继续转发该广播路由请求，该节点向邻居节点广播另一种类型的控制消息。

新的控制消息和原广播路由请求在格式、内容上保持一致。但节点在收到新消息时的处理与原请求稍有不同，在决定是否转发新消息时，为了保证簇头通信联通，对该节点是否为簇头节点不作要求。为了防止传输路径中包含过多簇成员节点，簇成员收到新消息后先等待一个随机时延。如果在此等待期间侦听到有邻居节点转发了该消息，则自己放弃转发。否则，簇成员节点任命自己为路由节点，并转发新的控制消息。

路由建立

当基站收到广播路由请求时，以单播形式向转发该请求给它的节点发送路由应答信息。广播路由请求包含以下信息：{Source ID（初始序号），Request ID（需求序号），Intermediate ID（中间值），Er，hop—cnt，r}。其中SourceID和Request ID设置为RREQ中的对应域值，Intermediate ID设置为自己的序号，Er设置为0，hop—cnt设置为0，r设置为1。如图2所示，中间节点将请求沿反向路径回传，直至到达源节点S，并在此过程中建立路由。

数据传输

步骤三：源节点按照数据的重要等级，可在数据包内增加域，指定并行传输该信息的路径数量。

Claims

1. 一种面向移动传感器网络的自组织路由方法，其特征在于该方法所包含的步骤为：

1) 节点i是簇头节点；

3) 节点i的层序号比广播路由请求中的域值小；

条件1）使得发现的路径尽量由簇头组成，这符合分簇传输的设计初衷；条件2）和条件3）利用层序号限制了路由请求在网络中的广播，降低了路由控制消息开销，同时也限制了所发现路径的跳数；如果节点i不满足转发条件，那么丢弃该路由请求；

2.根据权利要求1所述的一种面向移动传感器网络的自组织路由方法，其特征在于步骤一中的广播路由请求，需在汇聚节点控制下进行，各节点在相应时隙发送及接收相关控制信息，并更新其自身路由。

3.根据权利要求1所述的一种面向移动传感器网络的自组织路由方法，其特征在于步骤四中的节点i建立反向路由，记录该路由请求的源节点序号和转发该路由广播请求给它的上一跳节点序号，其方法是当基站收到广播路由请求和新的控制消息时，以单播形式向转发该请求给它的节点发送路由应答信息；中间节点将应答消息沿反向路径回传，直至到达源节点，并在此过程中建立路由。

4.根据权利要求1所述的一种面向移动传感器网络的自组织路由方法，其特征在于该节点i向邻居节点广播新的控制消息的方法是：当簇头或路由节点i收到邻居节点转发的数据包时，根据数据包的源节点ID在路由表中查找路径，转发该数据包；若存在多条路径，则以路由表中前三个最小值的随机概率向路径j转发；对于关键信息，通过设置数据包内的控制位进行标识，中间节点在转发关键数据时，选择多条路径并行传输。

5.根据权利要求1所述的一种面向移动传感器网络的自组织路由方法，其特征在于所述节点i的层序号比广播路由请求中的域值小，其方法是若中间节点可选的路径小于该域值，则向所有路径转发该数据，同时修改数据包内的域值，否则中间节点选择指定条数的路径，并行传输该数据包，并将其域值修改为1。

6.根据权利要求1所述的一种面向移动传感器网络的自组织路由方法，其特征在于节点i建立反向路由，记录该路由请求的源节点序号和转发该路由广播请求给它的上一跳节点序号，并实时更新节点保存的路由条目的权重，方法是利用数据传输的确认字符进行数据捎带，更新路径的权重。