CN103067873A - 面向具有可充电节点和多汇聚节点的无线传感网节能组播方案 - 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多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，利用各汇聚节点均可独立作为网关接收网外数据这一特点，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多汇聚节点的无线传感网节能组播方案

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多汇聚节点的无线传感网能量高效组播方案。该方法利用各汇聚节点均可独立作为网关接收网外数据这一特点，在需要建立组播路由时，使各个汇聚节点分别发出以自己为根的组播树建立请求，在建立过程中，以能量为依据，利用网络中存在多个汇聚节点这一特点，建立起代价最小的组播树，从而达到均衡和节省网络能量消耗的目的。

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一个或多个汇聚节点（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，是传感器网络的控制节点和网关，周期性向网络中传感器节点发送控制信息，并将从网外接收到的数据转发给传感器节点。无线传感网的组播路由正是针对这一通信需求而产生。在具有多汇聚节点的传感器网络中，由于汇聚节点一般具有较强的通信能力和较充沛甚至无限的能量，可以使每个汇聚节点均作为独立的网关与网外交互，当网外有数据到达时，各汇聚节点均能独立接收数据，并以自己为根建立组播树，将数据转发给附近的传感器节点，以提高转发效率并降低传输代价，从而达到均衡和节省网络开销的目的。

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多汇聚节点的无线传感网能量高效组播方案。本发明利用各汇聚节点均可独立作为网关接收网外数据这一特点，在需要建立组播路由时，使各个汇聚节点分别发出以自己为根的组播树建立请求，在建立过程中，以能量为依据，利用网络中存在多个汇聚节点这一特点，建立起代价最小的组播树，从而达到均衡和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，网络中存在多个汇聚节点，对于第n个汇聚节点，记作SinkNode_n。汇聚节点具有无限能量（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，可以认作成为具有无限能量，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：通过网络中所有的汇聚节点向网络中的多个节点的集合（记做D，|D|>1）传输一块由多个数据包组成的数据。

在建立组播树的过程中，每个汇聚节点都会以自己为根发出组播树建立请求并广播；节点以自身能量为依据计算自己成为转发节点的代价，并以转发路径所经过的所有节点代价之和为路径代价；通过为能量情况不同的节点设置不同的发送定时器，同时利用网络中存在的多个汇聚节点，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>1/3，则其代价f(x)=0，否则f(x)= 1/E_x ²。所有汇聚节点的代价为0，即对于任意一个汇聚节点SinkNode_n，其代价f(SinkNode_n)=0。

（二）路径代价计算方法：

对于一条有向路径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到|D|个网络节点的组播任务时，所有汇聚节点均作为潜在组播信源生成一个TreeConstruction消息，每个TreeConstruction消息携带以下信息：生成该消息的汇聚节点ID：SinkNode_n；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_n})，（P_{SinkNode_n}代表到SinkNode_n为止的路径的代价，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_n}, 然后各个汇聚节点分别同时向其各自邻居节点广播自己生成的TreeConstruction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(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>1/3, 则定时器时间长度为T/10，否则其长度设定为f(x)T，T是定时器的最大取值长度，如T=1秒。

2）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。

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x

D，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（通过检查SessionID是否相同即可），无论是哪个汇聚节点发出的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。只有收到至少一个TreeReply消息的汇聚节点才能成为真正的组播信源，没有收到任何TreeReply消息的汇聚节点将不发送该组播会话的数据。

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 (5)

1.一种面向具有可充电节点和多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n个汇聚节点，记作SinkNode_n，其中A和N的交集为空， ；在该网络中同时通过一个或多个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，为汇聚节点生成TreeConstruction消息，并进行延时转发和路径代价更新，以及对组播树建立请求作出响应；其中

 , |D|>1，|D|代表集合D的大小。

2.根据权利要求1所述的组播方法，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，则其代价f(x)=1/E_x ²；若节点x∈A，则如果E_x>1/3，则其代价f(x)=0，否则f(x)=1/E_x ²；所有汇聚节点的代价为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 所述的组播方法，其特征在于，其中描述的为汇聚节点生成TreeConstruction消息，并进行延时转发和路径代价更新，具体如下：每个汇聚节点SinkNode_n均作为潜在组播信源生成一个TreeConstruction消息，然后各个汇聚节点分别同时向其各自邻居节点广播自己生成的TreeConstruction消息，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，包括：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x

 D，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将不再接受与本组播会话相关的任何汇聚节点发出的任何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 所述的组播方法，其特征在于：该TreeConstruction消息携带以下信息：生成该消息的汇聚节点ID: SinkNode_n，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_n})，初值为0，该消息所走过路径的节点列表，初值为{SinkNode_n}, 然后SinkNode_n节点向其邻居广播该消息；P_{SinkNode_n}代表到SinkNode_n为止的路径的代价。

5.根据权利要求3 所述的组播方法，其特征在于，其中所描述的为组播树建立请求响应的具体方法如下：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；只有收到至少一个TreeReply消息的汇聚节点才能成为真正的组播信源，没有收到任何TreeReply消息的汇聚节点将不发送该组播会话的数据；没有收到TreeReply消息的中间节点，在一段较短的时间之后，其本地记录的与该组播组相关的表项将被超时删除；收到TreeReply消息的汇聚节点，就可以向其子节点转发组播分组，子节点收到组播分组之后，该子节点如果仍有子节点，将继续下发该组播分组。

6. 根据权利要求3所述的组播方法，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>1/3, 则定时器时间长度为T/10，否则其长度设定为f(x)T，T是定时器的最大取值长度。