CN103002535A - 一种基于查询的多汇聚节点无线传感器网络路由方法 - Google Patents

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程良伦
于皓
苏海武
高锐
田刚
刘军
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Abstract

一种基于查询的多汇聚节点无线传感器网络路由方法，该方法包括如下步骤：1）在每个汇聚节点确定最佳覆盖范围值CS；2）以汇聚节点为中心建立不同规模的路由树。对未包含在树内的传感器节点则采用按需路由的方式，在有数据传输需要的时候才寻求建立一条连接到该路由树的路由。本发明属于无线网络协议技术领域，主要用于减少无线传感器网络节点建立和维护路由的能量开销，达到节约全网能量消耗、减少维护过多路由带来的能量开销的目的。

Description

一种基于查询的多汇聚节点无线传感器网络路由方法
技术领域
本发明属于无线网络协议技术领域，具体涉及了一种基于查询机制的多汇聚节点的无线传感器网络路由方法。
背景技术
受到成本和体积等因素的限制，无线传感器网络节点的处理能力、无线带宽和能源十分受限。因此为提高传感器网络的生命周期，节约能量消耗成为研究的重点。
典型的无线传感器网络如图1所示，由传感器节点（图中空心圆所示）和汇聚节点（图中实心圆所示）组成，传感器节点负责数据的采集和传输，汇聚节点负责汇总网络中传感器节点发来的数据，同时也是网络的控制节点，对网络中的传感器节点进行管理。网络中可以存在一个或多个汇聚节点。在大规模多任务的无线传感器网络中，多汇聚节点是更合理的组网方式。
无线传感器网络以检测区域和感知数据为目的，数据流主要从传感器节点流向汇聚节点。以数据为中心形成数据转发路径是一种适合无线传感器网络的路由机制，基于查询的路由协议就是基于该机制的。典型的基于查询的路由机制定向扩散（Directed diffusion，DD）机制采用周期性的兴趣扩散，建立数据传输路径以及加强路径的三个阶段，用该方法建立路由的时间和能量开销都比较大。
然而，环境干扰等诸多不确定因素不仅会改变无线传感器网络拓扑还会使已建立的链路失效。传统基于查询的路由机制在建立路由时开销越大链路失效越频繁。除此之外由于节点移动，节点故障以及新加入节点等因素，某个汇聚节点周围的网络实际情况也会发生改变。因此从汇聚节点出发遍历全网的路由方式已不再适合链路部位定的网络环境。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种针对链路时变的网络环境下，基于查询的路由机制的一种多汇聚节点无线传感器网络路由方法，能够减少路由的能量开销。
种基于查询的多汇聚节点无线传感器网络路由方法，包括以下步骤：
1）在每个汇聚节点确定最佳覆盖范围值CS；
2）以汇聚节点为中心建立不同规模的路由树。
限定每个汇聚节点的网络发布范围来建立维护一个以该汇聚节点为中心地小型路由树，从而减少网络建立和维护过多路由带来的开销，适用于链路状态不稳定的网络环境。
当各汇聚节点发布查询任务时，将按照最佳覆盖范围值CS来确定网络的发送范围。以跳数为单位来计算CS，CS=n代表网络将覆盖n跳的范围并（最多）只被转发n次。由于节点移动、节点故障以及新加入节点等因素，汇聚节点周围会产生变化。因此所述步骤1）中最佳覆盖范围值CS的值是动态更新，可反映网络规模变化的。其获得过程如下：
11）汇聚节点采用预设值发起路由建立过程；
12）汇聚节点在首次路由建立后的数据传输过程在，获取对自身周围网络的实际网络环境估计值S，该实际网络环境估计值S是汇聚节点距离各个数据源子节点的平均跳数；
13）实际网络环境估计值S与一个覆盖比例M的乘积为最佳覆盖范围值CS，即S×M=CS。
所述步骤2）以汇聚节点为中心建立不同规模的路由树是依据如下方式：根据不同的最佳覆盖范围值CS，在网络报文转发的过程中，汇聚节点建立对应的网络报文的表项，根据网络报文所携带的路径信息建立从源节点到汇聚节点的反向数据传输路径，得到路由树。其中汇聚节点是周期性的发起路由建立过程。
所述路由树以外的节点采用按需路由的方式建立一条连接到所述路由树的路由。
在汇聚节点建立起自身为中心的路由树之后当未被该树所包含的节点有数据传输需求时，节点自身将发起路由建立请求。
21）节点通信范围内没有节点属于路由树，但曾有节点进行数据传输，则节点直接向该节点发送路由建立请求；
22）为监听到自身通信范围内有节点曾进行数据传输，则节点向周围邻近节点进行泛洪以建立路由。
由于网络中存在多个汇聚节点以自身为中心所建立起来的路由树，泛洪的路由请求只需到达任何一个属于某路由树的节点即可建立路由，因此泛洪的代价远远小于传统基于查询路由泛洪网络的开销。而一旦路由建立，该节点以及该路由所经过的节点的数据包传输行为必然会被其邻居节点所监听到。则它们的邻居节点若想建立路由，直接向邻居节点发送路由建立请求。
附图说明
图1 无线传感器网络中汇聚节点的设置示意图；
图2 以一个汇聚节点为中心建立路由的示意图。
具体实施方式  
如图2所示，假设是以某个汇聚节点为中心的无线传感器网络的一部分。其中实心黑圆为汇聚节点，空心白圆为传感器节点。
1）首次建立路由时，取CS =5为初始值，汇聚节点的覆盖比例为M=40%。由于CS =5，则首次路由建立时，网络报文在5跳内传播，从而覆盖了该部分所有传感器节点，如图中所显示的外层实线圆所示。在该次路由建立后的数据传输过程中，汇聚节点有机会获知其周围实际的网络规模。
2）在下次建立路由时CS更新为2，从未网络报文在两条范围内传播，并建立路由树，如内层虚线圈所示。
建立路由后，未被包含在路由树中的节点B，C，D都将根据既定的规则，按需发起路由建立过程，并经由A建立路由完成数据传输。

Claims (5)

1.一种基于查询的多汇聚节点无线传感器网络路由方法，其特征在于包括以下步骤：
1）在每个汇聚节点确定最佳覆盖范围值CS；
2）以汇聚节点为中心建立不同规模的路由树。
2.根据权利要求1所述的基于查询的多汇聚节点无线传感器网络路由方法，其特征在于所述步骤1）最佳覆盖范围值CS是通过动态更新确定的，确定过程包括以下步骤：
11）汇聚节点采用预设值发起路由建立过程；
12）汇聚节点在首次路由建立后的数据传输过程在，获取对自身周围网络的实际网络环境估计值S，该实际网络环境估计值S是汇聚节点距离各个数据源子节点的平均跳数；
13）实际网络环境估计值S与一个覆盖比例M的乘积为最佳覆盖范围值CS，即S×M=CS。
3.根据权利要求1所述的基于查询的多汇聚节点无线传感器网络路由方法，其特征在于所述步骤2）以汇聚节点为中心建立不同规模的路由树是依据如下方式：根据不同的最佳覆盖范围值CS，汇聚节点建立对应的网络报文的表项，根据网络报文所携带的路径信息建立从源节点到汇聚节点的反向数据传输路径，得到路由树。
4.根据权利要求1所述的基于查询的多汇聚节点无线传感器网络路由方法，其特征在于所述路由树以外的节点采用按需路由的方式建立一条连接到所述路由树的路由。
5.根据权利要求1所述的基于查询的多汇聚节点无线传感器网络路由方法，其特征在于所述节点在路由树范围以外，节点自身发起路由建立请求：
21）节点通信范围内没有节点属于路由树，但曾有节点进行数据传输，则节点直接向该节点发送路由建立请求；
22）为监听到自身通信范围内有节点曾进行数据传输，则节点向周围邻近节点进行泛洪以建立路由。
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