CN103179628B - 基于无线传感网节点中间件的分簇路由的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无线传感网节点中间件的分簇路由的方法，其特征在于在现有LEACH协议基础上，提出一种基于节省能量和减少延迟的改进型LEACH路由协议，以有效减小LEACH协议簇形成过程的能量消耗，对数据传输阶段功率采用动态自适应的功率控制；在簇内节点加入相应簇后，切换各自信道至各簇首指定信道，最大程度减少相邻节点的退避和等待时间。本发明所述的改进型LEACH路由协议置于传感网中间件中的网络协议栈，采用服务原语的方式，对向下的数据链路层，通过Request原语请求物理链路资源，并根据数据链路层返回的Response信息，决定更为合适的路由协议策略；本发明分别在簇首选举和自适应传输两个阶段进行了改进。

Description

基于无线传感网节点中间件的分簇路由的方法

技术领域

本发明涉及一种基于无线传感网节点中间件的分簇路由的方法，属于无线传感网络领域。

背景技术

无线传感网络是由部署在检测区域内的大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络。由于传感器节点能量、处理能力和存储能力有限，传统MANET（MobileAdHocNetworks移动自组织网络）网络中的大多数路由协议都不适合于应用在无线传感器网络环境中。因此，在传感器网络的研究和设计中，实现路由协议，并综合网络延迟、网络容量、能量限制等因素，是人们广泛关注的核心问题。

目前应用于无线传感器网络中的路由协议，主要包括平面路由协议和层次路由协议两大类。其中，在平面路由协议中，所有节点地位平等，不存在等级和层次差异，并且主要依赖广播不定向或查找路由表定向地传输数据，具有简单、易扩展、易维护的优点。典型的平面路由协议包括DD（DirectedDiffusion定向扩散）、SAR（SequentialAssignmentRouting有序分配路由）和SPIN（SensorProtocolsforInformationviaNegotiation信息协商的传感器协议）。这一类路由协议无管理节点，缺乏对能量、信道和传输数据的优化分配、管理。层次路由协议一定程度上弥补了上述不足。层次路由协议一般将全网络划分为多个簇，簇首管理簇内节点，并将数据转发到上一级路由节点。最具有代表性的是LEACH（LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy，低功耗自适应聚簇分层）协议。

特别注意的是，LEACH协议为使能量达到均衡消耗的目的，需要在整个无线传感网中进行随机选举产生簇首。为适应网络拓扑结构的变化，还需要周期性广播以实现路由重建。LEACH协议的模型中，簇首选举没有考虑节点的能量；实际上LEACH采用的周期性地全网广播对于有限的资源是一种浪费；LEACH协议本身对时间同步要求极高，因此有效地避免信道的拥堵和等待退避时间，有助于减低时间同步复杂度。

本领域的技术人员均知道，通用中间件用于屏蔽底层硬件、网络平台复杂性及异构性，可以减小用户高层应用需求与网络复杂性差异，优化系统的资源管理，增加程序执行的可预见性。由于标准接口对于可移植性和标准协议对于互操作性的重要性，通用中间件已成为许多标准化工作的主要部分。中间件提供的程序接口定义了一个相对稳定的高层应用环境，不管底层硬件和操作系统存在多少差异，只要将中间件升级更新，并保持对外接口定义不变，便可以给用户提供一个统一的运行平台和友好开发环境，有利于加快传感网大规模产业化发展步伐。

在无线传感网络路由协议中，考虑能量均衡和节约，是有效提高路由协议鲁棒性的重要手段之一。据报道，在CN201010176658.X专利中，运用能量优先的节点分簇方法。即当全网部署完毕后，基站通过发送广播信号，启动网络中所有节点运行；网络中每个启动节点计算自身成为簇首的阈值；将网络中剩余能量大于或等于网络平均能量且生成的随机数小于阈值的节点选做簇首；簇首广播簇首消息，附近节点依靠临近原则，加入相应簇，成为对应的簇成员并获得簇首分配的TDMA（TimeDivisionMultipleAddress，时分多址）时隙。该方法在网络生存时间上，其性能明显好于LEACH协议。然而，该技术同原有的LEACH协议相同，在簇建立过程中，可能造成簇首分布不均或集中在全网某一角落，无法建立完整无线传感网的拓扑结构。

在无线传感网络路由协议中，为了尽量延长节点的工作时间，延长网络各部分的寿命是网络鲁棒性的重要体现。在CN201010195667.3专利中，提出了利用能量相对较大的节点固定担当簇首，形成静态簇，并通过建立簇内数据转发路径的方法解决网络第一个节点死亡时间到网络最后一个节点死亡时间跨度长的问题。该方法不需要添加任何硬件设备，在网络能量消耗一样的情况下，较LEACH协议减小了网络平均每轮的能耗。所提供的方法虽然避免了每轮簇建立的能量消耗，但是对于网络中节点移动、簇首意外被破坏等情况，不具有任何优势，而且又降低了无线传感网的稳定性。同时，较大能量的静态簇首节点对节点电池提出了更高的要求。

综合以上技术背景及现有技术的缺点，所述的分簇路由方法可有效降低LEACH路由协议在簇形成阶段的能量消耗；降低LEACH路由协议在路由重建中的能量消耗；减少等待退避时间，减少传输延迟，减轻性能对时间同步性能的依赖。此外，为实现更好的通用性，并可以与多种MAC（介质访问控制）层协议、多种应用环境协同工作，同时保持路由协议的相对独立、可移植性，本方法所述的路由协议将作为无线传感网节点中间的一个模块。从而引导出本发明的构思。

发明内容

针对低功耗传感网节点中间件协议栈中的路由协议模块，本发明的目在于提出基于无线传感网节点中间件的分簇路由的方法是一种节省能量和减小延迟的改进型LEACH路由协议（ImprovedLEACHBasedontheEnergyEfficientandMinimumDelay，LEACH-EEMD）方法。所述的改进型路由协议的方法是在现有LEACH协议基础上，一方面有效地减小LEACH协议簇形成过程中的能量消耗，并且对数据传输阶段功率采用动态自适应的功率控制，从而在网络稳定和能量优化之间取得最优配置；另一方面，在簇内节点加入相应簇后，切换各自信道至各簇首指定信道，最大程度上减少相邻节点由于信道拥挤而发生的退避和等待时间。

所述的方法中低功耗传感网节点中间件网络协议模块位于无线传感网操作系统抽象和中间件管理器之间，向上向下提供标准化网络协议接口和API（Applicationprograminterface，应用程序界面）调用函数，并支持参数列表配置。该模块实现无线传感网网络层路由协议，完成传感节点、路由节点组网、邻居管理、路由管理、流量控制及拥塞避免等功能，同媒体接入控制层、传输层等其他部分完整构成网络协议栈。本方法所述的改进型LEACH路由协议，具有对网络拓扑变化快速反应能力、自适应调整功耗、优化簇首选举过程等特点。

所述的分簇路由方法的选举模型以传统随机模型为基础，综合考虑全局和局部网络的能量情况，明显降低簇形成中能量消耗，同时采用类似于蜂窝网络的信道分配，减少了延迟时间，降低了LEACH路由协议对时间同步的苛刻要求。

本发明提供的具体的技术方案是：

在无线传感网中，所有传感器节点将本地采集的数据通过射频按照某种约定的格式和关系，发送至目的节点——汇聚节点，整个网络形成了以汇聚节点为跟节点的树状拓扑。每个传感器节点都采用中间件结构，传感器节点中间件位于硬件和软件支撑之上，位于应用层之下。网络路由协议位于协议栈，协议栈的API接口按照中间件服务原语形式进行封装，从一定程度上，协议栈具备中间件的基本特征。因此，网络协议栈可以作为一个中间件的模块，最大程度满足不同平台和应用环境的要求。本发明中分簇路由方法在现有LEACH协议基础上，有效减少能量消耗和传输延迟。路由协议模块在中间件的系统中的作用可参考图1。

本发明中所述的改进型LEACH路由协议是在满足以下条件的系统模型基础上提出：

定义节点区域为O，N个无线传感器节点随机分布，节点大部分时间处于休眠状态，并周期性醒来发送数据。该系统的模型可简化为：

1)节点空间分布等密度且随机；

2)每个节点具有唯一的ID，且初始物理状态相同（电池能量，设备状态，周围电磁环境）；

3)所有节点同构对等，无线传输能力相同，发射功率可控；

4)每个节点均具备组建簇能力，具备感知自身剩余能量能力；

5)所有节点在相邻节点的通信范围内，无孤立点；

本发明将改进型LEACH路由协议有效地置于传感网中间件中的网络协议栈，采用服务原语的方式，对向下的数据链路层，通过Request原语请求物理链路资源，并根据数据链路层返回的Response信息，决定更为合适的路由协议策略；对向上的传输层、表示层和应用层，通过接收上层下发的Request请求，在不同的时刻针对不同的需求配置响应的路由和返回数据。这样基于中间件思想的体系，具有更好的通用性和可移植性。

本发明基于节省能量和减少延迟的思想，通过最大限度节省簇建立和维护过程中的能量消耗，实现了全网簇首选举、半网簇首选举和簇内选举，在保证网络拓扑鲁棒性基础上，降低了能量消耗。

本发明采用动态自适应的功率控制，该机制根据簇内传感节点到簇首节点的距离，保证接收功率恒定的情况下，动态调整发送功率，使节点能量在传输中得到最优化使用。

本发明采用动态自适应的信道选择机制，在簇内节点通过TDMA时隙发送避免传输延迟的基础上，使相邻簇的信道不同，保证了相邻簇的节点在各自在传输范围内的情况下，也不会互相干扰，避免不必要的拥堵退避时间，更加全面的减少了传输延迟。

附图说明

图1为低功耗传感网节点中间件体系架构图；

图2为簇首节点选举的概率-距离函数；

图3为LEACH路由协议初始簇形成流程图；

图4为簇首重选机制（半网选举、簇内选举）；

图5为改进型LEACH帧格式。

具体实施方式

本发明将改进型LEACH路由协议有效地置于传感网中间件中的网络协议栈，采用服务原语的方式，对向下的数据链路层，通过Request原语请求物理链路资源，并根据数据链路层返回的Response信息，决定更为合适的路由协议策略；对向上的传输层、表示层和应用层，通过接收上层下发的Request请求，在不同的时刻针对不同的需求配置响应的路由和返回数据。这样基于中间件结构的体系，具有更好的通用性和可移植性。

改进型LEACH路由协议分别在簇首选举和自适应传输两个阶段进行了改进。

1)簇首选举策略

簇首选举策略包括全网簇首选举、半网簇首选举和簇内簇首选举。

首先，在改进型LEACH路由进行全网簇首选举时，使节点剩余能量大、汇聚节点附近或者位于最远节点和汇聚节点之间空间的节点优先成为簇首。定义节点剩余能量率函数为：

$E_p\left(i\right)=\frac{E_r\left(i\right)}{E_a}$

其中，E_r(i)表示节点的当前剩余能量；E_a表示节点所在簇的平均能量。

如前所述，在网络初始化阶段，汇聚节点以广播方式向全网所有节点发送一个消息，节点根据收到信号的强度计算自身到汇聚节点的近似距离d_i，并将自身ID和d_i发送给汇聚节点，是汇聚节点掌握一个包含全网信息的节点id域距离的对照表。

簇首节点的概率-距离函数，如图2簇首节点选举的概率-距离函数所示；

定义距离因子λ为：

$\mathrm{\λ}=\frac{|d_n-d_{\mathrm{avg}}|}{d_{\max }}\·\frac{d_n-d_{\min }}{d_{\mathrm{avg}}}{e}^{\frac{-{(d_n-d_{\mathrm{avg}})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}$

$d_{\mathrm{avg}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{N-1}{d}_n}{N}$

${\mathrm{\σ}}^2=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(d_n-d_{\mathrm{avg}})}^2$

其中，d_avg、d_min、d_max分别表示网络中节点到汇聚节点的平均距离，最小距离和最大距离。结合节点能量剩余率和距离因子，现定义新的簇首选举阈值函数：

$T\left(n\right)=\frac{p}{1-p\×\left(r\mathrm{mod}(1/p)\right)}\·E_p\left(n\right)-\mathrm{\δ\λ}$

由于在簇首选举中，能量是首要考虑的因素，因此改进型LEACH路由使剩余能量高的节点优先于剩余能量低的节点当选为簇首，并且在能量消耗大致相同时，选取距离汇聚节点更近的节点、分布于最远节点和汇聚节点间的节点承担簇首数据转发任务。为更好权衡能量优先和距离优先，选举函数中引入加权因子δ，其值随着网络规模和应用场景的不同而不同。

图3为一般的LEACH路由建立过程，即初始簇的形成过程。这里的簇首选举过程，由全网选举完成。以上实现了第一次全网簇首选举和拓扑初始状态建立过程。

其次，在进行第一次全网簇首选举后，每一轮计算所有簇的簇内平均能量E_avg1、E_avg2、…、E_avgn，其中K是簇的数量，平均簇能量E_a为：

$E_a=\frac{E_{\mathrm{avg}1}+E_{\mathrm{avg}2}+\·\·\·+E_{\mathrm{avgK}}}{K}$

其中任意簇k和E_a的比值θ_k为：

${\mathrm{\θ}}_k=\frac{E_{\mathrm{avgk}}}{E_a}$

当θ_k小于某个阈值时，此簇通过簇首发起半网簇首选举信息，该信息中包含簇内平均能量。收到号召信息的相邻簇首比较自身簇内平均能量，若自身簇内平均能量超过号召信息中簇内平均能量一个安全范围η，则该簇首响应半网重选号召，否则丢弃。当完成响应后，进行半网选举的簇中所有节点将按照全网选举的规则进行重选，其距离因子和剩余能量率规则与全网选举中相同。改进型LEACH路由协议的半网选举，簇内选举机制过程如图4所描述。

最后，全网每个周期的簇首完成选举后，各个簇进入稳定的数据传输阶段。考虑如下的一种情况，在一个周期内，由于某个簇首的能量消耗明显高于其他簇首（可能由于簇首距离汇聚节点较远），那么如果不适时地重新选举簇首，该簇会因为簇首节点的死亡而脱离全网拓扑，网络中就会出现路由洞。相反，对于消耗能量较少的簇首，其簇内节点的能量消耗一般也较少，如果频繁地进行半网、全网选举，将会带来额外的能量消耗。因此，基于上述情况的考虑，在改进型LEACH路由协议中，当簇首的能量小于簇内能量的平均值E_avg，簇首将挑选簇内能量最大的节点作为新的簇首，并向其他簇内成员广播此消息，簇内节点根据广播消息修改响应的簇首指向。特别注意的是，当簇内能量最大节点不唯一时，将考虑距离因子λ作为进一步的参考条件。

2)自适应传输

分簇完成以后，网络进入稳定的数据传输阶段。簇内传感节点根据簇首分配的时隙定期发送传感器数据。考虑一个簇内节点到其簇首节点距离与发生功率的关系。在自由空间中，发射机附近的功率衰减服从r^-2的规律，远距离除的功率随着距离的增大呈指数衰减。若存在干扰，衰减速度将大大增加。因此，根据发射机与接收机间距离和信道质量，动态地调整发射功率，对于保证传输质量和功耗具有重要意义。

Lfs(dB)=32.44+20lgD(km)+20lgF(MHz)

Lfs是传输损耗，D为距离，F为载波频率。利用该模型，现定义功率控制因子γ。

$\mathrm{\γ}=\frac{P_s-\mathrm{Lfs}}{P_R}=\frac{P_S-\{32.44+20\mathrm{lgD}\left(\mathrm{km}\right)+20\mathrm{lgF}\left(\mathrm{MHz}\right)\}}{P_R}$

其中P_R为簇首接收的标准功率。P_S为各个簇内传感节点的发送功率，D为传感节点到簇首节点的距离。

自适应的功率控制要求簇首节点接收功率恒定，各传感节点在感知与簇首距离后，动态调整发射功率P_S，使得功率控制因子γ不低于阈值γ₀。γ₀需要根据不同的传输环境和传输质量要求确定。自适应的功率控制减少了较大功率对于近距离传输的能量浪费，同时也降低相邻节点间的干扰，减少系统传输延迟时间。

此外，对经典LEACH路由协议进行分析，同一簇的节点被分配TDMA时隙，有效避免了同一簇内多个节点造成信道拥堵。但是，相邻簇之间的节点，有可能分配的时隙位置相同，导致相邻簇的簇内节点信道拥堵，干扰正常的数据收发。如果采用了CSMA（CarrierSenseMultipleAccess载波侦听多路访问）技术，退避时间造成的传输延迟将不能被忽视。总结以上情况，如何避免相邻簇间节点的干扰，是解决问题的关键。

因此，本发明中改进型LEACH路由协议将借鉴移动通信中蜂窝网络的机制，采用动态的信道分配。簇首在发送各自的TDMA时隙时，数据帧中附加约定的信道C_i。信道编号C_i与簇首ID绑定，避免重复。在不同的簇建立好并进入稳定的数据传输后，簇内节点按照约定的信道C_i同簇首进行数据通信。这样最大限度避免信道拥堵。其中，改进型的LEACH路由协议帧格式如图5所示，在基本的MAC层帧格式，网络层帧格式基础上，添加信道索引编号和TDMA时隙，实现上述的改进功能。

总之，本发明基于节省能量和减少延迟的思想，通过最大限度节省簇建立和维护过程中的能量消耗，实现了全网簇首选举、半网簇首选举和簇内选举策略，在保证网络拓扑鲁棒性基础上，降低了能量消耗。

本发明采用动态自适应的功率控制，该机制根据簇内传感节点到簇首节点的距离，保证接收功率恒定的情况下，动态调整发送功率，使节点能量在传输中得到最优化使用。

本发明采用动态自适应的信道选择机制，在簇内节点通过TDMA时隙发送避免传输延迟的基础上，使相邻簇的信道不同，保证了相邻簇的节点在各自在传输范围内的情况下，也不会互相干扰，避免不必要的拥堵退避时间，更加全面的减少了传输延迟。

Claims (5)

1.基于无线传感网络节点中间件的分簇路由的方法，其特征在于在现有LEACH协议基础上，提出一种基于节省能量和减少延迟的改进型LEACH路由协议，以有效减小LEACH协议簇形成过程的能量消耗，对数据传输阶段功率采用动态自适应的功率控制；在簇内节点加入相应簇后，切换各自信道至各簇首指定信道，最大程度减少相邻节点的退避和等待时间，改进型LEACH路由协议是在①通过最大限度节省簇建立和维护过程中的能量消耗，实现了全网簇首选举、半网簇首选举和簇内簇首选举，在保证网络拓扑鲁棒性基础上，降低了能量消耗；②自适应传输两阶段进行改进；

其中，①所述的全网簇首选举、半网簇首选举和簇内簇首选择，包括以下三个步骤：

首先，在改进型LEACH路由进行全网簇首选举时，使节点剩余能量大、汇聚节点附近或者位于最远节点和汇聚节点之间空间的节点优先成为簇首；所述的节点剩余能量率函数为：

其中，E_r(i)表示节点的当前剩余能量；E_a表示节点所在簇的平均能量；

在网络初始化阶段，汇聚节点以广播方式向全网所有节点发送一个消息，节点根据收到信号的强度计算自身到汇聚节点的近似距离d_i，并将自身ID和d_i发送给汇聚节点，使汇聚节点掌握一个包含全网信息的节点id域距离的对照表；

在簇首选举中，首要考虑能量因素，改进型LEACH路由使剩余能量高的节点优先于剩余能量低的节点当选为簇首，并且在能量消耗大致相同时，选取距离汇聚节点更近的节点、分布于最远节点和汇聚节点间的节点承担簇首数据转发任务；为更好权衡能量优先和距离优先，选举函数中引入加权因子δ，其值随着网络规模和应用场景的不同而不同；

其次，在进行第一次全网簇首选举后，每一轮计算所有簇的簇内平均能量E_avg1、E_avg2、…、E_avgk，其中K是簇的数量，平均簇能量E_a为：

其中任意簇k和E_a的比值θ_k为：

当θ_k小于某个阈值时，通过簇首发起半网簇首选举信息，信息中包含簇内平均能量；收到号召信息的相邻簇首比较自身簇内平均能量，若自身簇内平均能量超过号召信息中簇内平均能量一个安全范围，则该簇首响应半网重选号召，否则丢弃；当完成响应后，进行半网选举的簇中所有节点将按照全网选举的规则进行重选，其距离因子和剩余能量率规则与全网选举中相同；

最后，全网每个周期的簇首完成选举后，各个簇进入稳定的数据传输阶段；在改进型LEACH路由协议中，当簇首的能量小于簇内能量的平均值E_avg，簇首将挑选簇内能量最大的节点作为新的簇首，并向其他簇内成员广播此消息，簇内节点根据广播消息修改响应的簇首指向；

②所述的自适应传输是根据簇内传感节点到簇首节点的距离，在保证接收功率恒定的情况下，动态调整发送功率，使节点能量在传输中得到最优化使用；

③所述的基于无线传感网络节点中间件是一种位于硬件和软件支撑之上，位于应用层之下；网络路由协议位于协议栈，协议栈的API接口按照中间件服务原语形式进行封装，网络协议栈作为一个中间件的模块，最大程度满足不同平台和应用环境的要求，每个传感器节点都采用中间件结构。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述改进型LEACH路由协议借鉴移动通信中蜂窝网络的机制，采用动态的信道分配；簇首在发送各自的TDMA时隙时，数据帧中附加约定的信道C_i；信道编号C_i与簇首ID绑定，避免重复；在不同的簇建立好并进入稳定的数据传输后，簇内节点按照约定的信道C_i同簇首进行数据通信；最大限度避免信道拥堵。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于改进型的LEACH路由协议的帧格式是在基本的MAC层帧格式，网络层帧格式基础上，添加信道索引编号和TDMA时隙。

4.按权利要求1所述的方法，其特征在于在所述的无线传感网中，所有传感器节点将本地采集的数据通过射频按照某种约定的格式和关系，发送至目的节点——汇聚节点，整个网络形成了以汇聚节点为跟节点的树状拓扑。

5.按权利要求1或4所述的方法，其特征在于所述的改进型LEACH路由协议置于传感网中间件中的网络协议栈，采用服务原语的方式，对向下的数据链路层，通过Request原语请求物理链路资源，并根据数据链路层返回的Response信息，决定更为合适的路由协议策略；对向上的传输层、表示层和应用层，通过接收上层下发的Request请求，在不同的时刻针对不同的需求配置响应的路由和返回数据。