CN102883399A - 基于簇的ctp路由协议 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于簇的CTP路由协议，适用于基于多簇无线传感器网络，采用无线传感器网络的路由拓扑树方案的设计。与传统方法中只考虑不分簇或只有一个簇的研究场景不同，本发明考虑的是多簇的情形，这将更具有实际意义。采用路由定期选举的方案解决了无线传感器网络中某些节点能量消耗过快，造成无线传感器网络存活周期变短的问题。大大增加了无线传感器网络的稳定性和存活时间。本发明路由协议，兼顾性能的高效性、可靠性和有效性的保证，考虑节点在不同阶段相互之间作用性质的不同，通过建立无线传感器网络的路由拓扑树，在保证网络整体性能优化的同时，有效地延长了网络生存时间，提高了网络的能效，使得系统资源能获得高效地利用。
Description
技术领域
本发明涉及的是多簇无线传感器网络中节点的拓扑结构构建方法，具体是一种适用于多簇无线传感器网络中的基于簇的CTP路由协议，通过建立一个无线传感器网络的路由树的拓扑结构来实现无线传感器网络的本地通信（各簇内簇头节点与成员节点之间的通信）及远距离通信（各簇头结点与簇头节点的通信以及各簇头结点与汇聚节点之间的通信）。
背景技术
CTP路由协议是目前应用最广泛的TinyOS操作系统中的路由协议。其基本思想为：建立一棵汇聚树，将至少一个树根节点作为基站，当节点采集的的监测数据要传输到基站时，数据沿着收集树向上传输，当节点收到数据时，如该节点不是基站则将收到的数据转发给它的下一跳节点。当无线传感器网络中多于一个根节点时，就形成了一片森林，CTP路由协议通过选择父节点(即下一跳节点)隐式地使节点加入了其中一棵汇聚树中。该路由协议提供的是到根节点的尽力的多跳数据传输，具有保证传输可靠性的路由选择机制。CTP路由协议提供了几种提高传输可靠性的路由机制，但它仍然只是尽力传输，但其数据递送率不能保证100%。另外宽带相对有限的无线传感器网络系统不适合CTP协议，因为该路由协议在通信量相对较低的网络中比较高效。
虽然CTP协议的性能非常高，而且相比与其他协议节省了很大的能耗，但是随着节点数目的增加其数据投递率逐渐下降，实验验证节点数目达到60个时其数据率已下降到97.3%。CTP协议的数据投递率和节点数量关系如图1所示。同时随着无线传感器网络节点数目的增多，路由稳定时间也随着节点数目的增加而显著增加，如图2所示。路由稳定时间的增加使得无线传感器网络前期传输的数据不稳定，或者不能有效地传输到汇聚节点。因此基于以上状况，在大量节点的无线传感器网络中，CTP协议的性能显著地下降。
在分簇路由协议中, 网络通常被划分为簇。 所谓簇, 就是具有某种关联的网络节点集合。 每个簇由一个簇头和多个簇内成员组成, 由簇头与基站BS通信。 这类算法将整个网络划分为相连的区域。在分簇的拓扑管理机制下, 网络中的节点可以划分为簇头节点和成员节点两类。 在每个簇内, 根据一定的机制算法选取某个节点作为簇头, 用于管理或控制整个簇内成员节点, 协调成员节点之间的工作, 负责簇内信息的收集和数据的融合处理以及簇间转发。
分簇路由机制具有以下几个优点：
1、成员节点大部分时间可以关闭通信模块, 由簇头构成一个更上一层的连通网络来负责数据的长距离路由转发. 这样既保证了原有覆盖范围内的数据通信, 也在很大程度上节省了网络能量；
2、簇头融合了成员节点的数据之后再进行转发, 减少了数据通信量, 从而节省了网络能量；
3、成员节点的功能比较简单, 无须维护复杂的路由信息. 这大大减少了网络中路由控制信息的数量, 减少了通信量；
4、分簇拓扑结构便于管理, 有利于分布式算法的应用, 可以对系统变化作出快速反应, 具有较好的可扩展性, 适合大规模网络；
5、与平面路由相比, 更容易克服传感器节点移动带来的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种适用于基于多簇无线传感器网络中建立一种无线传感器网络的CTP路由协议。兼顾性能的高效性、可靠性和有效性的保证，考虑节点在不同阶段相互之间作用性质的不同，通过建立无线传感器网络的路由拓扑树，在保证网络整体性能优化的同时，有效地延长了网络生存时间，提高了网络的能效，使得系统资源能获得高效地利用。
本发明是通过以下技术方案实现的。
基于簇的CTP路由协议，其路由建立过程如下：
第一步：在一个无线传感器网络中，存在位于任意位置的汇聚节点 ，多个传感器节点任意分布在其周围，这些传感器节点根据分簇协议进行分簇，形成了M个簇的无线传感器网络，且这M个簇分别标记为C1、C2、...Ci、...CM，其中M 为正整数，i为[1, M ]范围内任一正整数，在每个簇Ci中，拥有一个簇头节点CHi，Ni个处于激活状态的簇内成员节点Ci,1、Ci,2、...Ci,j、...Ci,Ni，其中Ni为正整数，j为[1,Ni]范围内任一正整数，这样，簇Ci内的节点集表示为Ci={CHi、Ci,1、Ci,2 、...Ci,j、...Ci,Ni}，同时，在簇形成后，簇内成员节点会向簇头节点CHi发送加入簇Ci的确认信号，CHi从确认信号中获知各簇内成员节点当选为簇头节点的次数，并将各个簇内成员节点当选为簇头节点的次数广播给簇内的其他节点。各簇的簇头节点负责建立整个无线传感器网络的路由，而各簇的簇内的非簇头节点只负责。
第二步：每个簇Ci内的簇头节点CHi，向周围的邻居簇头节点广播自己的路由帧信息，每个无线传感器汇聚节点将其的ETX(期望传输值)设为0，其它所有的无线传感器网络内的各簇内的簇头节点的ETX设为一个指定的最大值。当每个簇建立完成以后，各簇的簇头节点向周围的簇头节点广播一个路由帧，并将路由帧的P位置位，该位的意义是：允许节点向节点请求路由信息，如果具有有效路由(该节点广播的路由帧的ETX字段的值不为设定的最大值则表示该节点具有有效的路由)的簇头节点收到一个P位位置置位的消息包，则表示应该传输一个路由帧。当汇聚节点的邻居簇的簇头节点在收到汇聚节点的广播后，则将汇聚节点设为本节点的父节点，将本节点的本地ETX字段设置为该节点到该节点的父节点（也就是汇聚节点）的单跳ETX值；由于自己的父节点改变，立即向周围的邻居节点广播自己的路由帧。本节点到其他节点的链路ETX值的计算方法是用链路估计(Link Estimate) 描述链路质量评估。链路估计的基本思想是节点统计一定时间内从某个邻居节点接收到的分组占该邻居节点发送往该节点的分组数量的比重。本路由协议链路估计包括两个部分：发送代价估计和接收代价估计，并用这两个值来表示链路的双向通信代价。本路由协议还综合原先的链路估计决定新的链路估计值。
节点在收到邻居节点转发来的数据分组或者来自邻居节点的路由状态广播后，都会更新从该邻居节点接收分组的计数。节点在周期性路由状态广播中包括自己到每个邻居节点的发送分组计数。以节点A为例，经过一段时间的统计后它可以得到来自邻居节点B的接收分组数目，而节点B在自己的路由状态广播中告知向节点A发送分组的数目。这二者的商就是节点A接收节点B发送的分组的成功率，用RcvEstA/B表示。公式表示如下：
RcvEstA/B=RcvCountA/SendCountB。
上面公式中的RcvCountA表示A节点接收到的节点B所发送的数据帧/路由帧的数目，SendCountB表示B节点在这个时间段内所发送的数据帧/路由帧的数目。节点A到节点B的链路ETX=RcvEstA/B*10。本步骤中以及下面所有步骤中所讲的节点如果没有特别说明都是表示每一簇的簇头节点。
第三步：无线传感器网络中的无线传感器节点接收到拥有有效路由的节点发送的路由帧，则将该节点设为自己的父节点，并将自己的ETX值设为父节点的ETX值加上本节点到父节点的链路ETX，并向周围的邻居节点广播自己的路由帧。当节点具有有效的路由之后，可以将本簇内非簇头节点定时监测到的并发送给自己的环境数据进行简单融合处理后发送到自己的父节点，当根节点接收到自己的子节点发送给自己的环境数据帧时，用以计算和子节点间的链路ETX，并将该数据帧转发给自己的父节点，直到该数据帧转发到根节点，当根节点接收到该数据帧时将该数据帧通过串口或者USB接口转发到嵌入式节点或者PC机。
第四步：无线传感器网络的路由维护过程。无线传感器节点周期性地广播路由状态信息，更新邻居节点到汇聚节点的ETX值的信息，并根据上述链路质量评估算法对每个邻居节点进行链路质量评估。当跳数更新和链路评估完成后，节点将根据新的路由表信息重新选择父节点。这时当前的父节点和所有邻居节点的地位是不相同的。只有本节点通过其他节点的整个链路的ETX值超过通过父节点的整个链路的ETX值一个阈值才改变自己的父节点。并将该ETX重新记录，然后立即向周围的邻居节点广播路由帧。由于链路质量等原因，节点的父节点可能失效。在协议中表现为链路代价的上升和丢包数的上升。当链路代价上升到超过一个阈值，以上或者一个路由更新周期内的丢包数达到最大允许数以上时，节点将认为父节点无效。立即进行路由更新，节点将选择其他节点作为父节点。选择的方法同样是在邻居表中选择跳数最小，链路质量最好的节点作为父节点。
第五步：无线传感器网络中各簇的簇头节点的重新选举。分簇路由协议虽降低了整个无线传感器网络的能耗以及增加了无线传感器网络的路由性能，分簇路由协议存在着一个显著的问题：在分簇路由协议中的簇头节点成为瓶颈，簇头节点由于转发大量的数据而很快将能量耗尽，而且如果簇头节点出现问题就会导致某些节点的数据不能传输到汇聚节点上，导致了无线传感器网络的不可靠性。为了解决该问题我们采用轮流簇头机制，每隔一个周期对簇内节点进行簇头选举，选出该簇内的一个节点作为新的簇头节点(上一次的簇头节点也可能重新当选)。该路由协议的簇头选举机制为：为了整个无线传感器网络的数据负载平衡，我们必选选择一个簇头机制使得每个节点选举为簇头节点的概率与其剩余的电量成正比，也就是说如果节点的剩余电量相比于同簇内的其他节点较少，那么该节点就不应该被选举为簇头节点，而同簇内剩余电量最多的节点之一应该被选举为簇头节点。但是获取一个节点剩余电量较为困难需要专门的工具，将这些工具绑定在随机撒播并且数量巨大的无线传感器节点上很不现实也不可能，因此我们将每个节点被选举为簇头节点的次数来估计该节点的剩余电量，节点被选举为簇头节点的次数越多，其剩余电量越少。我们将簇内每个节点都维护一个数值记录该节点被选举为簇头节点的次数，在该值最小的节点中选择一个节点作为簇头节点。
本发明的适用范围是基于多簇无线传感器网络，以提高网络能效，延长网络生存时间为目的，通过无线传感器网络的路由拓扑树方案的设计。与传统方法中只考虑不分簇或只有一个簇的研究场景不同，本发明考虑的是多簇的情形，这将更具有实际意义。我们采用路由定期选举的方案解决了无线传感器网络中某些节点能量消耗过快，造成无线传感器网络存活周期变短的问题。大大增加了无线传感器网络的稳定性和存活时间。
附图说明
图1表示的是应用CTP路由协议的无线传感器网络的数据投递率和节点数量关系。
图2表示的是应用CTP路由协议的无线传感器网络的路由稳定时间和节点数量关系。
图3表示的是12个节点的基于簇的CTP路由协议的无线传感器网络。图中白色圆圈为非簇头传感器节点，蓝色圆圈为簇头传感器节点。圆圈中的阿拉伯数字表明该节点的节点号，标明为基站的方框为基站节点。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做详细说明。
如图3所示的是，布设12个节点时应用基于簇的CTP路由协议的无线传感器网络。无线传感器网络的拓扑结构每个簇的节点数不一定相同。如图3所示，节点1、5、9是各簇的簇头节点，节点2、3、4属于节点1所在簇的非簇头节点，节点6、7、8属于节点5所在簇的非簇头节点，节点10、11、12属于节点9所在簇的非簇头节点。节点1、节点5、节点9通过CTP路由协议建立起路由拓扑树，节点2、3、4将监测到的环境数据传输到节点1，节点6、7、8将监测到的环境数据传输到节点5，节点10、11、12将监测到的环境数据传输到节点9。节点1、5、9将接收到数据进行数据融合和简单处理后通过建立的路由树将数据转发到汇聚节点。
其拓扑结构的建立方式为：
第一步：在图3所介绍的无线传感器网络中，存在位于任意位置的汇聚节点即如图3中的基站，多个传感器节点1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12任意分布在其周围，这些传感器节点根据分簇协议进行分簇，形成了3个簇的无线传感器网络，且这3个簇分别标记为C1、C2、C3，簇C1包含节点1、2、3、4，簇C2包含节点5、6、7、8，簇C3包含节点9、10、11、12。簇C1、C2、C3分别选举出其簇头节点1、5、9。簇内成员节点会向簇头节点发送加入簇的确认信号，从确认信号中获知各簇内成员节点当选为簇头节点的次数，并将各个簇内成员节点当选为簇头节点的次数广播给簇内的其他节点。各簇的簇头节点负责建立整个无线传感器网络的路由，而各簇的簇内的非簇头节点只负责。
第二步：每个簇内的簇头节点，向周围的邻居簇头节点广播自己的路由帧信息，每个无线传感器汇聚节点将其的ETX(期望传输值)设为0，其它所有的无线传感器网络内的各簇内的簇头节点的ETX设为一个指定的最大值。当每个簇建立完成以后，各簇的簇头节点向周围的簇头节点广播一个路由帧，并将路由帧的P位置位。，该位的意义是：允许节点向节点请求路由信息，如果具有有效路由(该节点广播的路由帧的ETX字段的值不为设定的最大值则表示该节点具有有效的路由)的簇头节点收到一个P位位置置位的消息包，则表示应该传输一个路由帧。当汇聚节点的邻居簇的簇头节点节点1在收到汇聚节点(基站)的广播后，则节点1将基站设为本节点的父节点，节点1将将本节点的ETX字段设置为节点1到基站的单跳ETX。并立即向周围的邻居节点广播自己的路由帧。
第三步：无线传感器网络中的无线传感器节点如节点5、节点9接收到拥有有效路由的节点即节点1发送的路由帧，节点5和节点9将节点1设为自己的父节点，并将自己的ETX值设为节点1的ETX值加上本节点到节点1的链路ETX，并向周围的邻居节点广播自己的路由帧。当节点具有有效的路由之后，可以将本簇内非簇头节点定时监测到的并发送给自己的环境数据进行简单融合处理后发送到自己的父节点，当根节点接收到自己的子节点发送给自己的环境数据帧时，用以计算和子节点间的链路ETX，并将该数据帧转发给自己的父节点，直到该数据帧转发到根节点，当根节点接收到该数据帧时将该数据帧通过串口或者USB接口转发到嵌入式节点或者PC机。
第四步：无线传感器网络的路由维护过程。无线传感器节点节点1、节点5、节点9周期性地广播路由状态信息，更新邻居节点到汇聚节点的ETX值的信息对每个邻居节点进行链路质量评估。当跳数更新和链路评估完成后，节点将根据新的路由表信息重新选择父节点。这时当前的父节点和所有邻居节点的地位是不相同的。只有本节点通过其他节点的整个链路的ETX值超过通过父节点的整个链路的ETX值一个阈值才改变自己的父节点。并将该ETX重新记录，然后立即向周围的邻居节点广播路由帧。由于链路质量等原因，节点的父节点可能失效。在协议中表现为链路代价的上升和丢包数的上升。当链路代价上升到超过一个阈值，以上或者一个路由更新周期内的丢包数达到最大允许数以上时，节点将认为父节点无效。立即进行路由更新，节点将选择其他节点作为父节点。选择的方法同样是在邻居表中选择跳数最小，链路质量最好的节点作为父节点。
第五步：无线传感器网络中各簇的簇头节点的重新选举。分簇路由协议虽降低了整个无线传感器网络的能耗以及增加了无线传感器网络的路由性能，分簇路由协议存在着一个显著的问题：在分簇路由协议中的簇头节点成为瓶颈，簇头节点由于转发大量的数据而很快将能量耗尽，而且如果簇头节点出现问题就会导致某些节点的数据不能传输到汇聚节点上，导致了无线传感器网络的不可靠性。为了解决该问题我们采用轮流簇头机制，每隔一个周期对簇内节点进行簇头选举，选出该簇内的一个节点作为新的簇头节点(上一次的簇头节点也可能重新当选)。该路由协议的簇头选举机制为：为了整个无线传感器网络的数据负载平衡，我们必选选择一个簇头机制使得每个节点选举为簇头节点的概率与其剩余的电量成正比，也就是说如果节点的剩余电量相比于同簇内的其他节点较少，那么该节点就不应该被选举为簇头节点，而同簇内剩余电量最多的节点之一应该被选举为簇头节点。但是获取一个节点剩余电量较为困难需要专门的工具，将这些工具绑定在随机撒播并且数量巨大的无线传感器节点上很不现实也不可能，因此我们将每个节点被选举为簇头节点的次数来估计该节点的剩余电量，节点被选举为簇头节点的次数越多，其剩余电量越少。我们将簇内每个节点都维护一个数值记录该节点被选举为簇头节点的次数，在该值最小的节点中选择一个节点作为簇头节点。
Claims (4)
1.一种基于簇的CTP路由协议，其路由建立过程如下：
第一步：在一个无线传感器网络中，存在位于任意位置的汇聚节点 ，多个传感器节点任意分布在其周围，这些传感器节点根据分簇协议进行分簇，形成了M个簇的无线传感器网络，且这M个簇分别标记为C1、C2、...Ci、...CM，其中M 为正整数，i为[1, M ]范围内任一正整数，在每个簇Ci中，拥有一个簇头节点CHi，Ni个处于激活状态的簇内成员节点Ci,1、Ci,2、...Ci,j、...Ci,Ni，其中Ni为正整数，j为[1,Ni]范围内任一正整数，这样，簇Ci内的节点集表示为Ci={CHi、Ci,1、Ci,2 、...Ci,j、...Ci,Ni}，同时，在簇形成后，簇内成员节点会向簇头节点CHi发送加入簇Ci的确认信号，CHi从确认信号中获知各簇内成员节点当选为簇头节点的次数，并将各个簇内成员节点当选为簇头节点的次数广播给簇内的其他节点。
2.各簇的簇头节点负责建立整个无线传感器网络的路由，而各簇的簇内的非簇头节点只负责；
第二步：每个簇Ci内的簇头节点CHi，向周围的邻居簇头节点广播自己的路由帧信息，每个无线传感器汇聚节点将其的期望传输值设为0，其它所有的无线传感器网络内的各簇内的簇头节点的期望传输值设为一个指定的最大值；当每个簇建立完成以后，各簇的簇头节点向周围的簇头节点广播一个路由帧，并将路由帧的P位置位，允许节点向节点请求路由信息，如果具有有效路由的簇头节点收到一个P位位置置位的消息包，则表示应该传输一个路由帧。
3.当汇聚节点的邻居簇的簇头节点在收到汇聚节点的广播后，则将汇聚节点设为本节点的父节点，将本节点的本地期望传输值设置为该节点到该节点的父节点的单跳期望传输值；由于自己的父节点改变，立即向周围的邻居节点广播自己的路由帧；
节点广播的路由帧的期望传输值不为设定的最大值则表示该节点具有有效的路由；
本节点到其他节点的链路期望传输值的计算方法是用链路估计描述链路质量评估；所述链路估计是，节点统计一定时间内从某个邻居节点接收到的分组占该邻居节点发送往该节点的分组数量的比重；本路由协议链路估计包括两个部分：发送代价估计和接收代价估计，并用这两个值来表示链路的双向通信代价；
节点在收到邻居节点转发来的数据分组或者来自邻居节点的路由状态广播后，都会更新从该邻居节点接收分组的计数；节点在周期性路由状态广播中包括自己到每个邻居节点的发送分组计数；某节点A，经过一段时间的统计后它可以得到来自邻居节点B的接收分组数目，而节点B在自己的路由状态广播中告知向节点A发送分组的数目；这二者的商就是节点A接收节点B发送的分组的成功率，用RcvEstA/B表示；公式表示如下：
RcvEstA/B=RcvCountA/SendCountB
其中的RcvCountA表示A节点接收到的节点B所发送的数据帧/路由帧的数目，SendCountB表示B节点在这个时间段内所发送的数据帧/路由帧的数目；
节点A到节点B的链路期望传输=RcvEstA/B*10。
4.本步骤中以及下面所有步骤中所讲的节点是指每一簇的簇头节点；
第三步：无线传感器网络中的无线传感器节点接收到拥有有效路由的节点发送的路由帧，则将该节点设为自己的父节点，并将自己的期望传输值设为父节点的期望传输值加上本节点到父节点的链路期望传输，并向周围的邻居节点广播自己的路由帧；当节点具有有效的路由之后，可以将本簇内非簇头节点定时监测到的并发送给自己的环境数据进行简单融合处理后发送到自己的父节点，当根节点接收到自己的子节点发送给自己的环境数据帧时，用以计算和子节点间的链路期望传输，并将该数据帧转发给自己的父节点，直到该数据帧转发到根节点，当根节点接收到该数据帧时将该数据帧通过串口或者USB接口转发到嵌入式节点或者PC机；
第四步：无线传感器网络的路由维护过程；无线传感器节点周期性地广播路由状态信息，更新邻居节点到汇聚节点的期望传输值的信息，并根据上述链路质量评估算法对每个邻居节点进行链路质量评估；当跳数更新和链路评估完成后，节点将根据新的路由表信息重新选择父节点；这时当前的父节点和所有邻居节点的地位是不相同的，只有本节点通过其他节点的整个链路的期望传输值超过通过父节点的整个链路的期望传输值一个阈值才改变自己的父节点，并将该期望传输重新记录，然后立即向周围的邻居节点广播路由帧；当链路代价上升到超过一个阈值以上或者一个路由更新周期内的丢包数达到最大允许数以上时，节点将认为父节点无效；立即进行路由更新，节点将选择其他节点作为父节点；选择的方法是在邻居表中选择跳数最小，链路质量最好的节点作为父节点；
第五步：无线传感器网络中各簇的簇头节点的重新选举；采用轮流簇头机制，每隔一个周期对簇内节点进行簇头选举，选出该簇内的一个节点作为新的簇头节点；簇头选举机制为：选择一个簇头机制使得每个节点选举为簇头节点的概率与其剩余的电量成正比，如果节点的剩余电量相比于同簇内的其他节点较少，那么该节点就不应该被选举为簇头节点，而同簇内剩余电量最多的节点之一应该被选举为簇头节点；将每个节点被选举为簇头节点的次数来估计该节点的剩余电量，节点被选举为簇头节点的次数越多，其剩余电量越少；将簇内每个节点都维护一个数值记录该节点被选举为簇头节点的次数，在该值最小的节点中选择一个节点作为簇头节点。
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