CN103414632B - 一种带状无线传感器网络数据路由方法 - Google Patents

一种带状无线传感器网络数据路由方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向配电网监测的带状无线传感器网络数据路由方法，针对配电网的特点，节点密集，规模大，数量量多，监测实时性要求高，设计了一种基于梯度的多优先级的快速定向路由算法。本发明针对不同数据采用多优先级服务策略同时引入权力函数机制来选择最优下一跳路由节点，使得兼顾消息的优先级与网络的负载均衡。有效地减少了传输实时数据的延时，并且为网络提供了很好的能量有效性。更适合于带状拓扑，采集密集实时数据的大规模部署的无线传感器网络（WSN）。

Description

一种带状无线传感器网络数据路由方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络数据路由领域，更具体地，涉及一种面向配电网监测的带状无线传感器网络数据路由方法。
背景技术
针对配电网智能监测的应用需求和走廊带状环境特征，构建实时可靠、自治高效的带状异构传感器网络具有十分重要意义。基于配电网的带状拓扑传感器网络具有传感器节点密集，规模大，量大的特点，因此设计合理的数据路由方法对于传感器网络的构建具有重要意义。
现有技术对于带状传感器网络路由方法的研究较少，主要是基于链状拓扑结构。马用功，唐飞龙.传感器网络中基于链状的分簇路由算法[J]微计算机信息200925（6-1）：140-147公开了一种通过链状分簇的路由方式，来实现快速路由，但其链状分簇太过理想化，不利于实际应用。张君艳，朱永利，李丽芬等.长链型无线传感器网络QoS路由优化的研究[J]计算机应用研究201027(7):2720-2723同样是以输电线路的传感器网络为研究对象，以网络带宽、时延、跳数、收包率作为链路约束，以蚁群算法为技术方法，寻找最优路径，其网络抽象模型不够精确，考虑因素较多，对于优先级较高的紧急信号的效率不够理想。
现有技术是将配电网的传感器网络抽象为链状，这样的拓扑抽象不够精确，另外是路由实时性以及能耗均衡性考虑的不够充分，有的实现起来尚有许多问题。针对带状传感器网络的独有拓扑特征，将其应用于配电网的传感器监测网络，其重点研究对象是对于消息传输的实时性以及能耗均衡问题。
发明内容
为了克服现有带状无线传感器网络密集实时数据采集所存在的传送实时数据时延长，传送大量密集数据能耗大的问题，本发明提出一种面向配电网监测的带状无线传感器网络数据路由方法，采用该方法能够减少传输实时数据的延时，并为网络提供了很好的能量有效性。
本发明所提出的网络拓扑结构为带状，是一类横截面为矩形或者近似矩形、纵深距离L远大于横截面的宽D和高H(D≥H)的半封闭式地理空间，用二元组将窄长空间表示为<(D×H)，L>。由于带状的无线传感器网络受地理条件的限制，节点之间协作完成各个区域的监测监控任务，并通过多跳的方式将信息发送至Sink节点。受地理特征的限制和室外温度、湿度的影响，窄长封闭空间中无线通信的质量差，关键节点能量消耗快、传感器节点故障率高、由多跳路由所引起的网络延时大，这些可靠性问题都给带状无线传感器网络的应用带来极大挑战。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种带状无线传感器网络数据路由方法，包括：
传感网络分簇，依据节点剩余能量以及分布密度分簇；
基于泛洪方式，广播信息，Sink节点S在一端发送高度广播信息D，通过泛洪方式扩散，初次接收到该包的节点都将广播一次该消息，用以使消息能到达区域中的每个节点，每一次转发，将其标志路由信息加1，表示路由跳数，也称为本路径中离sink的距离高度H，每个接收到标志信息的节点记录自身的距离高度H(i)；泛洪方式完成后，每个节点知晓自身的高度H(i)；
下一跳路由维护，即建立梯度；每个节点广播一个包含自身高度的消息，收到广播包的节点N(i)将自身高度信息H(i)以及剩余能量信息P(i)包含在确认信息中发送给源节点；源节点通过收到的确认信息获知邻节点到自身的梯度值，所述梯度值是指两个相邻节点间的高度差；
选择最优节点作为下一跳路由节点；
拥塞控制策略；依据数据优先级来设定节点竞争周期大小，提高优先级节点的竞争力。
用于配电网监测的传感器网络其拓扑结构一般为带状，且规模较大。由于传感器节点传输距离有限，往往通过多跳实现远距离传输，这种带状拓扑更容易形成能量空洞，而拓扑控制的优劣对于网络负载均衡有着较强的联系。因此针对配电网的传感器网络构建的能耗均衡分簇拓扑结构一般应具备以下特点：
1)生产簇头节点分布合理，间距合适；
2)当簇头节点能量不足时，可以通过算法重新选择，保证负载均衡以及网络连通性。
所述传感网络分簇，是指节点通过计算邻居节点平均剩余能量选举簇头。
在选举簇头时，其应满足以下3个条件：
簇头剩余的能量较多，能够保证簇内和簇间的数据交换；簇头节点能够方便实现簇内广播，簇内节点位于簇头最大通信半径内；簇头节点间距离合适，保证通信传递。
假设某节点N(c)可以收到n个其他节点信息，其中k个节点能量大于这n个节点的平均剩余能量值Eavr，且存在节点N(i)有Ei>Eavr及时，N(c)可以成为簇头节点。Ei表示节点N(i)的当前能量值，d(c,i)表示节点N(c)与节点N(i)之间距离。
在拓扑维护阶段，簇头节点需对簇内的拓扑进行维护。簇头节点在维护时与簇内节点交换信息，收集簇内节点剩余能量信息，当簇头剩余能量Erest(i)低于簇内节点平均剩余能量Eavr时，则簇头发起选举簇头指令，选取新的簇头节点后，交出其簇头权力。新的簇头节点要求位于簇内中央位置，保证位于由与其距离小于的范围内。新簇头节点选取的步骤为：
步骤1：原簇头节点向周围节点广播一个簇头选举命令。
步骤2：簇内节点接收到信息后，向簇头节点汇报自身位置以及剩余能量信息。簇头节点判断节点与本簇头节点距离是否小于剩余能量Erest(i)是否高于平均剩余能量Eavr；若满足则加入候选簇头节点集合内。当整个簇内节点查询完毕后，依据候选节点的剩余能量以及位置设置不同权值，然后簇头节点依据权值随机选取集合中某一候选节点作为下一轮簇头节点，最后当前簇头节点向簇内发送簇头节点更换命令。
在以上分析的基础上，分析分簇算法执行过程。假设有m+1个簇头，t为设定的建簇信息采集时间，为第j个簇头，0≤j≤m，0≤cj≤n。
所述下一跳路由维护是通过梯度值，建立一个节点下一跳路由的候选节点集合T。
所述选择最优节点作为下一跳路由节点的方式为：对于紧急消息，则采集节点将信息沿着梯度最大方向转发，上游或下游转发数据包总是沿着梯度最大的路径方向进行转发，从而使得数据传输的总跳数最小；对于一般信息，则兼顾传感器节点能耗均衡，在下一跳路由选择过程中，综合考虑节点自身剩余能量P(i)，梯度值G(i)以及消息优先级p。
所述选择路由下一跳时综合考虑节点自身剩余能量P(i)，梯度值G(i)以及消息优先级p；具体通过权力函数来选择，其权力函数为：J=w1P′(i)+w2G′(i),i∈T；其中J表示节点权力值，P′(i)和G′(i)分别为归一化后的剩余能量值与梯度值。w1和w2为剩余能量值与梯度的权值，i表示节点序号数，T表示作为下一跳路由的候选节点集合。依据消息优先级p来设定，当消息优先级高时，将w1设小，w2设大。
所述作为下一跳路由的候选节点集合T包含6～8个邻居节点。
若在某一时刻，网络对某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就会下降，造成拥塞，当网络中的许多资源同时发生拥塞，网络的性能就要明显变差，整个网络的吞吐量将随着输入负荷的增大而下降。网络拥塞不仅将造成数据传输的不可靠，而且还会带来巨大的能量开销。
基于优先级的退避规则：规则为优先级高的数据包赋予较多的信道竞争次数，同时为优先级低的数据包设计相对少的信道竞争次数，当异常事件发生时，没有监测到事件的传感器节点在竞争很少的次数后即退出竞争。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明所提出的一种带状无线传感器网络数据路由方法，依据剩余能量构建簇头节点间距合适，分布密度均匀的簇头节点。依据网络拓扑结构，构建高度和梯度值，使得信息兼顾能量效率的情况下沿着梯度值最大的方向转发，提高信息的实时性，满足配电网中的应用需求。结合优先级和剩余能量通过权力函数公式来选择下一跳节点。有效地解决了带状传感器网络实时性高以及能耗大的问题。针对海量数据传输容易造成数据拥塞，提出了基于优先级的拥塞避免机制。与已有的链状以及类似带状的传感器网络数据传输相比较，其实时性和网络生命周期都有明显优势。
附图说明
图1是本发明的配电网传感器网络节点示意图。
图2是本发明的带状传感器网络拓扑图。
图3是本发明的簇头节点所处范围示意图。
图4是本发明的分簇算法流程图。
图5是本发明的自适应路由选择示意图。
图6是本发明的基于优先级的退避规则流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述，但本发明的实施方式并不限于此。
本发明所提出的网络拓扑结构为带状，是一类横截面为矩形或者近似矩形、纵深距离L远大于横截面的宽D和高H(D≥H)的半封闭式地理空间，用二元组将窄长空间表示为<(D×H)，L>，如图1所示。
由于带状的无线传感器网络，如图2的带状传感器网络拓扑图，是受地理条件的限制，节点之间协作完成各个区域的监测监控任务，并通过多跳的方式将信息发送至Sink节点。受地理特征的限制和室外温度、湿度的影响，窄长封闭空间中无线通信的质量差，关键节点能量消耗快、传感器节点故障率高、由多跳路由所引起的网络延时大，这些可靠性问题都给带状无线传感器网络的应用带来极大挑战。
本实施例对一种无线传感器网络数据路由方法的具体实现过程进行详细的说明。本实例设置节点采集量为实时温度数据，实验参数设置为：节点数目为300，带状传感器网络长度为150m*20m。无线信道的速率为20Kbps，休眠节点占用时隙4ms，活动节点占用时隙8ms，数据包长度为512字节，缓冲区容量为120个包，数据包初始化为每秒12个包（12P/S），数据优先级等级分为5级，由感知节点定义。运行时间500s，具体步骤如下：
分簇阶段：簇节点计算周围节点的平均能量Eavr。然后依据以下方式构建不同的簇。
1)分簇阶段
在选举簇头时，其应满足以下3个条件：
簇头剩余能量较多，能够保证簇内和簇间的数据交换；簇头节点能够方便实现簇内广播，簇内节点位于簇头最大通信半径内；簇头节点间距离合适，保证通信传递。
假设某节点N(c)可以收到n个其他节点信息，其中k个节点能量大于这n个节点的平均剩余能量值Eavr，且存在节点N(i)有Ei>Eavr及时，N(c)可以成为簇头节点。Ei表示节点N(i)的当前能量值，d(c,i)表示节点N(c)与节点N(i)之间距离。簇头节点所处范围为图3所示。
2)维护阶段
在拓扑维护阶段，簇头节点需对簇内的拓扑进行维护。簇头节点在维护时与簇内节点交换信息，收集簇内节点剩余能量信息，当簇头剩余能量Erest(i)低于簇内节点平均剩余能量Eavr时，则簇头发起选举簇头指令，选取新的簇头节点后，交出其簇头权力。新的簇头节点要求位于簇内中央位置，保证位于由与其距离小于的范围内。新簇头节点选取的步骤为，如图4所示：
步骤1：原簇头节点向周围节点广播一个簇头选举命令。
步骤2：簇内节点接收到信息后，向簇头节点汇报自身位置以及剩余能量信息。簇头节点判断节点与本簇头节点距离是否小于剩余能量Erest(i)是否高于平均剩余能量Eavr。若满足则加入候选簇头节点集合内。当整个簇内节点查询完毕后，依据候选节点的剩余能量以及位置设置不同权值，然后簇头节点依据权值随机选取集合中某一候选节点作为下一轮簇头节点，最后当前簇头节点向簇内发送簇头节点更换命令。
在以上分析的基础上，分析分簇算法执行过程。假设有m+1个簇头，t为设定的建簇信息采集时间，为第j个簇头，0≤j≤m，0≤cj≤n。
路由选择阶段，如图5所示：
第一步：初始化网络：假设N(i)为传感器汇聚节点i，其中0≤i≤n。
第二步：基于泛洪方式，广播信息。Sink节点S在一端发送高度广播信息D，将通过洪泛方式扩散，初次接收到该包的节点都将广播一次该消息，以使消息能到达区域中的每个节点。每一次转发，将其标志路由信息加1，表示跳数，或者表示离sink的距离高度H。每个接收到标志信息的节点记录自身的距离高度H(i)。洪泛方式完成后，每个节点知晓自身的高度H(i)。
第三步：下一跳路由维护（建立梯度）。每个节点广播一个包含自身高度的消息（Msg,packet），收到广播包的节点N（i）将自身高度信息H(i)以及剩余能量信息P(i)包含在确认信息（AckMsg，packet）发送给源节点。源节点通过收到的确认信息可以获知邻节点到自身的梯度值（两个相邻节点间跳数的差被称为梯度）。在本实施例中每个节点通过梯度机制选择6～8个邻居节点作为下一跳路由的候选节点集合T。
第四步：选择最优节点作为下一跳路由节点。对于紧急消息，则要求采集节点将信息沿着梯度最大方向转发。上游或下游转发数据包总是沿着梯度最大的路径方向进行转发，从而使得数据传输的总跳数最小。对于一般信息，则需要兼顾传感器节点能耗均衡。因此在下一跳路由选择过程中，需要综合考虑节点自身剩余能量P(i)，梯度值G(i)以及消息优先级p。
假设权力函数J，计算下一跳路由候选节点集合中的节点的权力函数，权力函数最大值节点当选为下一跳路由节点。
J=w1P′(i)+w2G′(i),i∈T
其中P′(i)和G′(i)分别为归一化后的剩余能量值与梯度值。w1和w2为剩余能量值与梯度的权值，依据消息优先级p来设定，当消息优先级高时，将w1设小，w2设大。T为下一跳候选节点集合。w1和w2依据数据优先级等级在[0,1]之间取值，优先级最高时取值为0。
拥塞避免阶段：若在某一时刻，网络对某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就会下降，造成拥塞，当网络中的许多资源同时发生拥塞，网络的性能就要明显变差，整个网络的吞吐量将随着输入负荷的增大而下降。网络拥塞不仅将造成数据传输的不可靠，而且还会带来巨大的能量开销。
基于优先级的退避规则，如图6所示：规则为优先级高的数据包赋予较多的信道竞争次数，同时为优先级低的数据包设计相对少的信道竞争次数，当异常事件发生时，没有监测到事件的传感器节点在竞争很少的次数后即退出竞争。
以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种带状无线传感器网络数据路由方法，其特征在于，所述方法包括：
传感网络分簇，依据节点剩余能量以及分布密度分簇；
基于泛洪方式，广播信息，Sink节点S在一端发送高度广播信息D，通过泛洪方式扩散，初次接收到该高度广播信息D的节点都将广播一次该高度广播信息D，用以使消息能到达区域中的每个节点，每一次转发，将其标志路由信息加1，表示为路由跳数，也称为本路径中离sink的距离高度H，每个接收到标志信息的节点记录自身的距离高度H(i)；泛洪方式完成后，每个节点知晓自身的高度H(i)；
下一跳路由维护，即建立梯度；每个节点广播一个包含自身高度的消息，收到广播包的节点N(i)将自身高度信息H(i)以及剩余能量信息P(i)包含在确认信息中发送给源节点；源节点通过收到的确认信息获知邻节点到自身的梯度值，所述梯度值是指两个相邻节点间的高度差，T(i-j)＝H(i)-H(j)，其中T(i-j)表示N(i)与N(j)之间梯度，H(i)表示自身高度值；选择最优节点作为下一跳路由节点；
拥塞控制策略；依据数据优先级来设定节点竞争周期大小，提高优先级节点的竞争力；
所述传感网络分簇，是指节点通过计算邻居节点平均剩余能量选举簇头；
所述下一跳路由维护是通过相邻节点之间的梯度值建立一个节点下一跳路由的候选节点集合T；
所述选择最优节点作为下一跳路由节点的方式为：对于紧急消息，则采集节点将信息沿着梯度最大方向转发，上游或下游转发数据包总是沿着梯度最大的路径方向进行转发，从而使得数据传输的总跳数最小；对于一般信息，则兼顾传感器节点能耗均衡，在下一跳路由选择过程中，综合考虑节点自身剩余能量P(i)，梯度值G(i)以及消息优先级p。
2.根据权利要求1所述的带状无线传感器网络数据路由方法，其特征在于，所述选择路由下一跳时综合考虑节点自身剩余能量P(i)，梯度值G(i)以及消息优先级p；具体通过权力函数来选择，其权力函数为：J＝w1P′(i)+w2G′(i),i∈T；其中J表示节点权力值，P′(i)和G′(i)分别为归一化后的剩余能量值与梯度值；w1和w2为剩余能量值与梯度的权值，i表示节点序号数，T表示作为下一跳路由的候选节点集合。
3.根据权利要求1或2所述的带状无线传感器网络数据路由方法，其特征在于，所述作为下一跳路由的候选节点集合T包含6～8个邻居节点。
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