CN103052037A - 面向具有可充电节点和单汇聚节点的无线传感网能量高效组播方案 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线网络协议技术领域，具体涉及一种面向具有可充电节点和单汇聚节点的无线传感网能量高效组播方案。该方案是一种基于网络中各个节点当前剩余能量状态及其节点属性的分布式组播树建立方法，包括通过为能量情况不同的节点设置不同的组播树构建信令TreeConstruction分组的延时转发和路径代价更新方法，和组播树建立请求响应方法，最终使组播树尽量由代价最小的路径组成，从而达到均衡、节约能量开销的目的。

Description

面向具有可充电节点和单汇聚节点的无线传感网能量高效组播方案

技术领域

本发明属于无线网络协议技术领域，具体涉及一种面向具有可充电节点和单汇聚节点的无线传感网能量高效组播方案。该方法主要用于在建立组播路由时，尽量选择能量充沛及可充电节点完成转发任务，从而达到均衡和节约网络能耗的目的。

背景技术

近些年来，无线多跳网络（无线传感器网络、移动Ad hoc网络、无线mesh网络等）领域的相关技术得到了学术界和工业界的广泛关注，并取得了迅猛的发展。

在这一领域的诸多研究方向中，尽可能的延长无线传感器网络的工作寿命成为无线传感器网络设计中的关键问题之一。由于受到成本和体积等因素的限制，大多数普通无线传感器网络节点的电池容量都十分有限且无法得到补充。为提高无线传感器网络的寿命，通过在网络中布设一部分可充电节点（如具备太阳能电池的网络节点），并设计能量高效型网络协议以利用这些节点分担较多的通信任务，在许多应用环境中收到了良好的效果，成为一种被人们普遍接受的提高网络寿命解决方案。

无线传感器网络以监测区域和感知数据为目的，网络由大量的传感器节点和少量或单个汇聚节点（SinkNode）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。汇聚节点是传感器网络的控制节点和网关，因而，它需要周期性向网络中传感器节点发送控制信息，或将从网外接收的数据转发给传感器节点。无线传感网组播路由正是针对这一通信需求而产生。设计高效节能的组播路由方案能够有利于提高汇聚节点与传感器节点间下行数据流的发送效率，同时极大的均衡和节省网络开销。

发明内容

本发明是针对无线传感器网络的一种面向具有可充电节点和单汇聚节点的无线传感网能量高效组播方案。本发明通过在建立组播路由的过程中，尽量使能量充沛及可充电节点承担转发任务，达到均衡并节省网络能量消耗的目的。

本发明要求：网络中具有三类无线节点，也称三种节点属性，其中，第一类无线节点可以从自然界获取能量，记做集合A；第二类无线节点仅通过电池供电，不可进行二次充电，记做集合N，第三类无线节点为汇聚节点，网络中有且仅有一个，记做SinkNode，SinkNode节点具有无限能量（与任何一个不可充电节点相比，汇聚节点具有非常大的能量，因此，可以认作具有无限能量，即通常这样的节点被认为具有unlimited energy）；A和N的交集为空，

；节点i的剩余能量比率记做E_i，为节点当前能量与其最大电池容量的比值。

网络的通信任务为：通过汇聚节点向网络中的多个节点的集合（记做D，

）传输一块由多个数据包组成的数据。

基于网络中各个节点当前剩余能量状态及其节点属性的分布式组播树建立方法，包括通过为能量情况不同的节点设置不同的组播树构建信令TreeConstruction分组的延时转发和路径代价更新方法，和组播树建立请求响应方法，最终使组播树尽量由代价最小的路径组成，从而达到均衡、节约能量开销的目的。

具体实施方式

（一）节点代价计算方法：

如果一个节点x属于集合N，即该节点仅靠电池供电，无法补充能量，则其代价f(x)=1/E_x，如果一个节点x属于集合A，即其为可充电节点，则如果E_x>1/2，则其代价f(x)=0，否则f(x)=1/E_x。SinkNode的代价为0。

（二）路径代价计算方法：

对于一条有向简单路径P=(s=v₁,v₂,…,v_k=t)，其中s为信源，t为信宿，则该路径的代价C(P)=∑_x∈P-{t}f(x)。

（三）组播树结构的建立方法：

步骤1：当网络中存在一个从汇聚节点SinkNode到|D|个网络节点的组播任务时，由SinkNode作为组播信源生成一个TreeConstruction消息，该消息携带以下信息：树的建立发起节点SinkNode；该次路由建立请求的标识号SessionID；该消息迄今为止所走过路径的代价C(P_SinkNode)（P_SinkNode代表到SinkNode为止的路径，C(P)代表路径P的代价），初值为0；该消息所走过路径的节点列表，初值为{SinkNode}；然后SinkNode节点向其邻居广播该消息。

步骤2：当一个普通传感器节点x从一个邻居节点y收到一个TreeConstruction消息后，它将执行以下操作：

1）如果第一次收到该消息，则本地记录与该组播相关的信息：到达本节点的路径代价C(P_y)+f(x)，（P_y代表到节点y为止的路径，C(P)代表路径P的代价）上一跳节点为y，同时启动一个定时器，定时时间的长度计算方式如下：如果x∈A, 且E_x>1/2, 则定时器时间长度为T/10，否则其长度设定为f(x)T;

2）如果定时器超时之前收到一条新的TreeConstruction消息，且其所携带的路径代价加f(x)之后小于本地存储的路径代价，则将本地记录的路径代价、上一跳信息修改成与新的TreeConstruction消息相一致，即：将本地记录的路径代价更新为“TreeConstruction消息所携带的路径代价加f(x)”，上一跳信息更新为该TreeConstruction消息的发送节点；

3）如果定时器超时，则转发该TreeConstruction消息，其中携带下述信息：路径代价计算方式如下：

如果

，则C(P_x)= C(P_y)+f(x)；

如果x∈D，则C(P_x)= f(x)；

4）转发TreeConstruction消息之后，中间节点x将不再接受与本次组播建立请求相关的TreeConstruction消息;

5）如果x∈D，当x转发完毕TreeConstruction消息之后，它将向其上一跳节点发送TreeReply消息，每个收到TreeReply消息的节点将发送该消息的节点记做为本节点的子节点，将其上一跳节点记做为其父亲节点，并向该节点继续转发该TreeReply消息，直到该消息到达一个之前曾向上转发该消息的节点或组播信源;

没有收到TreeReply消息的中间节点，在一段时间之后，其本地记录的与该组播组相关的表项将被超时删除。

组播信源收到TreeReply消息之后，就可以向下发送组播数据，树上的节点继续向下转发数据。

Claims (6)

1.一种面向具有可充电节点和单汇聚节点的无线传感网能量高效组播方法，其特征在于：网络中包括可二次充电的网络节点的集合A和不可二次充电的网络节点的集合N，还包括一个汇聚节点SinkNode，其中A和N的交集为空，

；在该网络中通过汇聚节点向网络中的多个节点集合D传输由多个数据包组成的数据块，具体实现方法为：根据网络中各个节点当前剩余能量状态及其节点属性计算各节点的节点代价和路径代价，为能量不同的节点设置不同的组播树构建信令TreeConstruction分组的延时转发和路径代价更新方法，以及组播树建立请求响应方法；其中

，|D|代表集合D的大小。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述节点代价和路径代价的计算方法为：若节点x∈N，则其节点代价f(x)=1/E_x；若节点x∈A，则如果E_x>1/2，则其节点代价f(x)=0，否则f(x)=1/E_x；汇聚节点的代价为0；对于一条有向简单路径P=(s=v₁,v₂,…,v_k=t)，则该路径的代价C(P)=∑_x∈P-{t}f(x)，其中s为信源，t为信宿，E_x为节点x的剩余能量比率。

3.根据权利要求2 所述的方法，其特征在于，其中描述的通过为能量情况不同的节点设置不同的组播树构建信令TreeConstruction分组的延时转发和路径代价更新方法，具体如下：由SinkNode作为组播信源生成一个TreeConstruction消息，然后向其邻居节点广播该信令分组，当一个节点x从其一个邻居节点y收到该TreeConstruction消息后，如果是第一次收到该消息，则本地记录与该组播会话相关的信息：到达本节点的路径代价C(P_y)+f(x)，上一跳节点为y，同时启动一个定时器；如果节点在定时器超时之前收到一条新的TreeConstruction消息，且其所携带的路径代价加f(x)之后小于本地存储的路径代价，则将本地记录的路径代价、上一跳信息修改成与新的TreeConstruction消息相一致，即：将本地记录的路径代价更新为“TreeConstruction消息所携带的路径代价加f(x)”，上一跳信息更新为该TreeConstruction消息的发送节点；如果定时器超时，则转发该TreeConstruction消息，其中携带路径代价的计算方式为：如果

，则C(P_x)= C(P_y)+f(x)；如果x∈D，则C(P_x)= f(x)，转发完毕该TreeConstruction消息之后，节点x将不再接受新的与本组播会话相关的TreeConstruction消息；P_y代表到节点y为止的路径，C(P)代表路径P的路径代价。

4.根据权利要求3 所述的方法，其特征在于，其中所描述的由SinkNode作为组播信源生成TreeConstruction消息，具体组成如下：该消息携带以下信息：树的建立发起节点SinkNode，用以标示当次建立请求的会话标识SessionID，该消息迄今为止所走过路径的代价C(P_SinkNode)，初值为0，该消息所走过路径的节点列表，初值为{SinkNode}, 然后SinkNode节点向其邻居广播该消息; P_SinkNode代表到SinkNode为止的路径。

5.根据权利要求3 所述的方法，其特征在于，其中所描述的组播树建立请求响应方法，具体如下：如果x∈D，当x转发完毕TreeConstruction消息之后，它将向其上一跳节点发送TreeReply消息，每个收到TreeReply消息的节点将发送该消息的节点记做为本节点的子节点，将其上一跳节点记做为其父亲节点，并向该父亲节点继续转发该TreeReply消息，直到该消息到达一个之前曾向上转发该消息的节点或组播信源；没有收到TreeReply消息的中间节点，在一段时间之后，其本地记录的与该组播组相关的表项将被超时删除。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：定时时间的长度计算方式如下：如果x∈A且E_x>1/2, 则定时器时间长度为T/10，否则其长度设定为f(x)T。