CN103067871A - 基于计数的无线传感网高效广播方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于计数的无线传感网高效广播方法，属于无线传感网协议设计领域。该方法结合了邻居节点转发次数、节点剩余能量和网络中存在的一些可充电节点，实现高效无线传感网广播操作，具有高效性、简单性和可扩展性。

Description

基于计数的无线传感网高效广播方法

技术领域

本发明涉及无线多跳网络（无线传感器网络、移动Ad hoc网络、无线mesh网络等）领域中高效的广播分组方法。

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（比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。

全网广播是实现无线传感网管理、控制和数据传播等任务的重要网络操作功能， 在无线传感网设计和实现中具有重要地位。传统的简单广播（simple broadcast）方法需要网络中每个节点都转发广播包一次，具有很大的冗余性，浪费了无线带宽资源，也导致了更多的传输碰撞，降低了传输可靠性。如何实现高效网络广播是实现无线传感网高效能操作的重要保证，已有高效无线传感网广播方法包括利用一跳拓扑、两跳拓扑、节点位置信息、计数、面积、距离等方法。

发明内容

本发明设计一种结合邻居转发次数、节点剩余能量和网络中存在的可充电节点实现高效能广播的方法。本发明通过在实现网络广播的过程中，尽量使能量充沛节点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并降低广播开销的目的。

本发明提供一种基于计数的无线传感网高效广播方法，在包括可充电节点和不可二次充电节点的无线传感网中，根据各个节点当前剩余能量状态、节点属性和每个分组的邻居节点已转发次数进行的分组广播。

本发明所述的无线传感网高效广播方法，优先使用可充电节点和当前剩余能量多的不可二次充电节点转发广播分组，对于一个不可二次充电节点来说，其剩余能量越小，其转发广播分组的次序越晚或不转发。

本发明所述的无线传感网高效广播方法，根据各个节点当前剩余能量状态、节点属性和邻居节点已转发某广播分组次数进行的分组广播操作，具体为：

步骤 1 ：当信源节点s有一个广播分组需要转发时，它立即将该分组转发给自己的所有邻居节点；

步骤 2 ：当一个网络节点x从邻居节点y接收到一条广播分组时，如果x¹s, x¹y, 它将执行以下操作：

1) 如果y=s，x将直接将该分组转发给自己的邻居节点，转发之后节点x将不再接受与该广播分组相关的重复分组，否则转下一步；

2) 如果节点x是第一次接收到该分组，则执行以下操作：

如果xÎA, 则启动一个转发定时器，定时器时间长度(0,T1]；否则xÎN, 则启动一个转发定时器，定时器时间长度T1+T2´(1/E_x)，然后记录节点x收到该分组的次数Num_x=1； T1、T2是预先指定的正数，T2>>T1；其中A为可充电节点和汇聚节点的集合，N为不可二次充电节点的集合，E_x为节点x当前的剩余能量比率；

在定时器超时之前，如果非第一次收到该分组，则执行以下操作：

如果xÎN, Num_x= Num_x+1，如果Num_x>K，则节点x取消本地转发定时器，且节点x未来不再需要接受、处理或转发该分组，K是和网络设置、节点分布、广播任务的可靠度要求相关的转发参数；

3) 如果转发定时器超时，则当前节点需要向邻居节点转发该分组，转发之后将不再需要接受与该广播分组相关的重复分组。

本发明有益效果：在广播过程中，以能量为依据计算节点成为转发节点的代价，通过为能量情况不同的节点设置不同的转发延时，使广播尽量由能量高的节点承担，从而达到均衡、节约能量的目的。可充电节点具有可充电特性，因此，尽量利用可充电节点实现转发功能。

具体实施方式

网络中具有多个无线节点，其中一些无线节点可以从自然界获得能量（如利用太阳能充电等），记做集合A；一些无线节点仅通过电池供电，不可进行二次充电，记做集合N。A和N的交集为空。网络中可以存在一个或多个汇聚节点。网络中每个节点均具有一个全向天线。每个节点i的剩余能量比率记做E_i（为节点具有的当前能量与最大电池容量的比值）。与不可二次充电节点相比，每个汇聚节点的能量都非常大，令其归属于集合A。

网络的通信任务为：实现信源节点到网络中其他节点的分组广播。

步骤1：当信源节点s有一个广播分组需要转发时，它立即将该分组转发给自己的所有邻居节点；

步骤2：

当一个网络节点x从邻居节点y接收到一条广播分组时，x¹s, x¹y, 它将执行以下操作：

1) 如果y=s，x将直接将该分组转发给自己的邻居节点，转发之后节点x将不再接受与该广播分组相关的重复分组，这是为了避免广播信源的邻居节点区域成为广播的瓶颈，否则转2）；

2) 如果是第一次接收到该分组，则执行以下操作：

如果xÎA, 则启动一个转发定时器，定时器时间长度(0,T1], T1是预先指定的数，如T1=200 或300毫秒；否则xÎN, 则启动一个转发定时器，定时器时间长度T1+T2´(1/E_x)，然后记录节点x收到该分组的次数Num_x=1, T2是预先指定的数, T2>>T1;

在定时器超时之前，如果非第一次收到该分组，则执行以下操作：

如果xÎN, Num_x= Num_x+1，如果Num_x>K，则节点x取消本地转发定时器，并不再需要转发该分组、也不需要再接受与该分组相关的重复分组，K是和网络设置、节点分布、广播任务的可靠度要求相关的转发参数，如K=5；

3) 如果转发定时器超时，则当前节点需要向邻居节点转发该分组，转发之后将不再接受与该广播分组相关的重复分组。

广播操作完毕。

本专利涉及的广播方法仅需要节点具有极少的信息，实现简单高效网络广播。广播的可靠性可以通过调节K的数值实现。一般来说（如，对于平面且节点均匀分布的无线传感网来说），K值越高，可靠度越高，广播开销也越大。

Claims (3)

1.一种基于计数的无线传感网高效广播方法，其特征在于：

在包括可充电节点和不可二次充电节点的无线传感网中，根据各个节点当前剩余能量状态、节点属性和每个分组的邻居节点已转发次数进行的分组广播。

2.根据权利要求1所述的无线传感网高效广播方法，其特征在于：

优先使用可充电节点和当前剩余能量多的不可二次充电节点转发广播分组，对于一个不可二次充电节点来说，其剩余能量越小，其转发广播分组的次序越晚或不转发。

3.根据权利要求1所述的无线传感网高效广播方法，其特征在于：

根据各个节点当前剩余能量状态、节点属性和邻居节点已转发某广播分组次数进行的分组广播操作，具体为：

步骤1：当信源节点s有一个广播分组需要转发时，它立即将该分组转发给自己的所有邻居节点；

步骤2：当一个网络节点x从邻居节点y接收到一条广播分组时，如果x¹s, x¹y, 它将执行以下操作：

1) 如果y=s，x将直接将该分组转发给自己的邻居节点，转发之后节点x将不再接受与该广播分组相关的重复分组，否则转下一步；

2) 如果节点x是第一次接收到该分组，则执行以下操作：

如果xÎA, 则启动一个转发定时器，定时器时间长度(0,T1]；否则xÎN, 则启动一个转发定时器，定时器时间长度T1+T2´(1/E_x)，然后记录节点x收到该分组的次数Num_x=1； T1、T2是预先指定的正数，T2>>T1；其中A为可充电节点和汇聚节点的集合，N为不可二次充电节点的集合，E_x为节点x当前的剩余能量比率；

在定时器超时之前，如果非第一次收到该分组，则执行以下操作：

如果xÎN, Num_x= Num_x+1，如果Num_x>K，则节点x取消本地转发定时器，且节点x未来不再需要接受、处理或转发该分组，K是和网络设置、节点分布、广播任务的可靠度要求相关的转发参数；

3) 如果转发定时器超时，则当前节点需要向邻居节点转发该分组，转发之后将不再需要接受与该广播分组相关的重复分组。