CN103686916A - 一种基于剩余能量和期望传输次数的工业无线传感网多路径数据传输方法 - Google Patents
一种基于剩余能量和期望传输次数的工业无线传感网多路径数据传输方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于无线网络协议技术领域，具体涉及一种基于剩余能量和期望传输次数的工业无线传感网多路径数据传输方法。该机制主要用于在数据传输过程中使数据发送节点选择能量较充沛且传输开销较低的节点成为下一跳节点，从而达到节约、均衡网络能量消耗的目的。该机制要求网络由多个传感器节点、单个sink节点组成，每个传感器节点具有有限的电量，sink节点具有不受约束的电量。具体方法是网络基于剩余能量等级建立多个最小期望传输次数路径，节点在转发数据时，在较高剩余能量的转发节点中选择最小期望传输次数的节点作为下一跳转发节点，或者选择剩余能量最高的转发节点作为分组的下一跳节点，直至数据到达汇聚节点。
Description
技术领域
本发明属于无线网络协议技术领域，具体涉及一种基于剩余能量和期望传输次数的工业无线传感网多路径数据传输方法。该机制主要用于在数据传输过程中使数据发送节点选择能量较充沛且传输开销较低的节点成为下一跳节点，从而达到节约、均衡网络能量消耗的目的。
背景技术
近些年来，无线传感器网络领域的相关技术因其广泛的应用得到了学术界和工业界的广泛关注，并取得了迅猛的发展。
在设计无线传感网时，必须考虑到无线传感器存在自己的限制。由于在实际应用中，受到成本和体积等因素的限制，无线传感网的网络节点其处理能力、无线带宽和电池容量通常是有限的。节点的能量在大多数的情况下却是无法得到补充的。如，无线传感器网络往往被部署在人们难以到达的地区以代替人对该区域进行监测，传感器节点通常配备能量有限的电池。一旦电池耗尽，节点将无法工作，而当网络中众多节点因电池耗尽而死亡时，整个网络也将无法工作，此时需要重新部署新的传感网。因此，提高网络的工作寿命常常成为网络协议设计中首要关键的问题。能量有效的网络协议设计，在保证网络性能甚至少量牺牲非关键性能的同时最大限度地节约并均衡网络能耗，已成为研究的一个重点问题。
网络设计中一般很难同时最优化网络生命周期以及路由能量消耗。研究工作主要在某一性能指标限制下优化另一性能指标，或是利用较低控制开销实现网络生命周期和路由能耗的良好折中。但是这些研究一般基于单路径，不能够很好地适应网络动态变化或是应用要求的变化。基于多路径的路由协议一般需要更多的控制开销，且可能要求多路径之间具有不相交等特性，使多路径的建立更加困难。本发明旨在提出一种综合优化剩余能量以及传输能耗的多路径路由方法。
发明内容
本发明是针对无线多跳网络的一种基于剩余能量和期望传输次数的多路径路由协议。本发明目的是设计一种路由协议可以在保持能量均衡的情况下，尽可能减小能量消耗。
本发明中的无线传感器网络由无线传感器节点和Sink节点组成，无线传感器节点负责数据的收集和传输，Sink节点用于数据汇集并上传给远程控制端（如通过Internet、移动通信网等方式），并对网络中的传感器节点进行管理和控制。
本发明的技术方案的主要思想是：无线传感网建立基于剩余能量和期望传输次数的梯度信息，数据在传输过程中，可以在剩余能量较高的邻居节点中选择期望传输次数最小的邻居作为转发节点。通过这种机制，可以减少每次数据传输的能量消耗并均衡节点间的能量消耗，同时每个节点都维护了多条路径，提高传输可靠性。
本发明涉及的网络组成如下：网络中存在多个传感器节点、一个sink节点，每个节点配备有无线天线，每个传感器节点具有有限的电量，sink节点具有不受限制的电量。
具体实施方式
网络运行一般分为两个阶段，在网络部署完成后会进入初始配置阶段，该阶段进行网络同步，收集必要的路由信息建立路由表等等；初始配置阶段完成后，网路进入数据传输阶段，节点根据路由表选择下一跳转发节点，通过逐跳传输将数据汇报给sink节点。
在初始配置阶段，网络首先建立路由所需的梯度信息及路由表。有别于其他路由协议仅基于单一转发策略建立单路径路由信息，为了提高网络的生命周期，本发明基于节点的剩余能量和期望传输次数（ETX）建立多路径。其中某节点的ETX是该节点到达sink节点的期望传输次数，如节点s沿着路径path(s,sink)到达sink的ETX计算公式如下
ETX(s)= 
(1)
其中(ij)是路径path(s,sink)上的链路，q(ij)则是链路(ij)的链路质量，即链路成功传输率。
基于节点的剩余能量和期望传输次数（ETX）建立多路径的具体方法如下。
1) 首先对每个传感器节点根据其剩余能量进行非均匀量化分级。设Emax为节点电池容量，则具体分级方法为：第1级：(0, Emax/10], 第2级：(Emax/10, Emax/4], 第3级： (Emax/4, Emax/2], 第4级： (Emax/2, Emax]。
2) 网络中所有节点维护一个路由表，包含基于各个能量级别的从汇聚节点到每个传感器节点的最小ETX路径。例如节点i其路由表格式如下。
| 第1级 | 第2级 | 第3级 | 第4级 |
| Nexthop1(i) | Nexthop2(i) | Nexthop3(i) | Nexthop4(i) |
| ETX1(i) | ETX2(i) | ETX3(i) | ETX4(i) |
其中Nexthopk(i)是针对能量第k级的下一跳节点，ETXk(i)是相应的最小期望转发次数。初始时，所有节点路由表中的下一跳节点设为NULL，相应的ETX值设为￥。
3) 从sink节点开始，全网广播一个INTEREST分组，INTEREST中包含本节点的ID， 能量级别Elevel以及路由表中所有能量级别对应的ETX值。如节点i的INTEREST分组格式如下
| ID(i) | Elevel(i) | ETX1(i) | ETX2(i) | ETX3(i) | ETX4(i) |
sink节点的INTEREST分组则初始化为
| sink | 4 | 0 | 0 | 0 | 0 |
4) 每个中间节点i，收到Interest分组时更新自己的路由信息并在随机时间后转发自己的Interest分组。更新步骤如下。若节点i收到节点j 的Interest分组，检验分组中包含的ETX值，对于任何0<k≤Elevel(j)，若ETXk(j)+ 1/q(ij) < ETXk(i)，则节点i更新路由信息 ETXk(i)= ETXk (j)+ 1/q(ij)，且设置Nexthopk(i) =j，其中q(ij)是链路(ij)的链路质量。如果存在某一（或某几个）能量级别上的到达sink节点的ETX值降低了的话，节点i发起新的Interest分组转发，即：将路由表中能量等级小于等于节点i的能量级别的ETX值转发给自己的邻居节点——那些能量级别高于节点i的能量级别的ETX值被认定为无穷，即：不存在通过节点i且能量级别高于“节点i的能量级别”到达sink节点的路径。
5) 通过这种Interest分组扩散，所有节点都建立基于能量级别的梯度信息，并记录了基于各能量级别的路径。
6) 为及时捕捉节点的剩余能量变化，节点需要实时的更新路由信息。当节点i的能量消耗至能量等级发生变化后，节点会广播新的Interest分组，包含自己新的能量等级和ETX值，接收到的节点j将按照步骤2）更新自己的路由信息。
7) 为保障网络中节点的能耗均衡，以及适应网络的动态变化，路由信息需要周期性的更新。每隔T（如T=3天）时间，根据上述步骤2)重新建立网络节点的基于各个能量级别的梯度信息。
从以上步骤可以看出本发明中路由信息建立所需的额外开销较低，与传统的基于ETX最小路径路由相比，仅加入了能量级别的信息，即可达到低能耗且能耗均衡的效果。
在数据传输阶段，节点会根据邻居节点的剩余能量级别及相应的ETX进行转发决策。本发明提出两种可选方案。
方法1：
以均衡网络剩余能量为首要目标，在数据转发过程中，数据分组发送节点在路由表中选择能量级别最高的下一跳执行分组转发；收到分组的节点继续执行这一转发原则，直到分组到达sink节点。
方法2：
为综合优化剩余能量均衡和转发次数，数据分组发送节点在所有非第一级能量级别路径中，选择ETX最小的下一跳节点，作为分组的下一跳节点；如果非第一级能量级别的下一跳节点集合为空，则选择第一级能量级别的下一跳节点作为分组的下一跳节点；收到分组的节点继续执行上述转发原则，直到分组到达sink节点。
Claims (4)
1.一种基于剩余能量和期望传输次数的工业无线传感网多路径数据传输方法，其特征在于：A) 建立基于剩余能量和端到端期望传输次数的从各个传感器节点到sink节点的梯度和多路径，B) 基于上述步骤建立的多路径、剩余能量信息和端到端期望传输次数信息，执行分组逐跳转发，C)网络中由多个传感器节点、一个sink节点组成，每个节点配备有无线天线，每个传感器节点具有有限的电量，sink节点具有不受限制的电量。
2.根据权利要求1 所述的基于剩余能量和期望传输次数建立多路径路由方法，其特征在于，步骤A)中所述的建立基于剩余能量和期望传输次数的从各个传感器节点到sink节点的梯度和多路径，具体步骤如下：
每个传感器节点根据自己的剩余能量进行非均匀量化分级：第1级：(0, Emax/10], 第2级：(Emax/10, Emax/4], 第3级： (Emax/4, Emax/2], 第4级： (Emax/2, Emax]，其中Emax为节点电池容量；
网络从sink节点开始扩散Interest包， Interest包中包含包转发节点的ID， 包转发节点的能量级别Elevel、以及各个能量级别对应的从该包转发节点到达sink节点的期望传输次数值，其中未包含的能量级别的期望传输次数值为无穷；
每个中间节点，收到Interest分组时更新自己的路由信息并在随机时间后转发自己的Interest分组：若节点i收到节点j 的Interest分组，检验分组中包含的期望传输次数ETX值，对于任何0<k≤Elevel(j)，若ETXk(j)+ 1/q(ij) < ETXk(i)，则节点i更新路由信息 ETXk(i)= ETXk (j)+ 1/q(ij)，且设置节点i基于能量级别k到达sink的下一跳为j，即Nexthopk(i) =j，其中Elevel(j)是节点j的能量等级，q(ij)是链路(i，j)的链路传输成功率，ETXk(i)是节点i基于能量等级k的从i到sink节点的路径ETX值，其初值为无穷；如果存在某能量级别上的到达sink节点的ETX值降低的话，节点i发起新的Interest分组转发操作，然后将路由表中能量等级小于等于节点i自己的能量级别的ETX值转发给自己的邻居节点；
通过这种Interest分组扩散，所有节点都建立基于各个能量级别的到达sink节点的梯度信息，并记录基于各能量级别的下一跳信息；
为及时捕捉节点的剩余能量变化，节点需要实时的更新路由信息：当节点的能量消耗至能量等级发生变化后，节点会广播新的Interest分组，包含自己新的能量等级和ETX值，接收到的节点将按照步骤2）更新自己的路由信息；
sink节点每隔T时间，根据上述步骤2)，重新建立网络中各个节点的基于各个能量级别的梯度信息。
3.根据权利要求1、2之一 所述的基于剩余能量和期望传输次数的工业无线传感网多路径数据传输方法，其中基于所述多路径、剩余能量和端到端期望传输次数信息，执行分组逐跳转发的特征在于：数据分组发送节点在路由表中选择能量级别最高的下一跳执行分组转发；收到分组的节点继续执行这一转发原则，直到分组到达sink节点。
4.根据权利要求1、2之一 所述的基于剩余能量和期望传输次数的工业无线传感网多路径数据传输方法，其中基于多路径、剩余能量和端到端期望传输次数信息，执行分组逐跳转发的特征在于：分组发送节点在所有非第一级能量级别路径中，选择ETX最小的下一跳节点，作为分组的下一跳节点，如果其非第一级能量级别的下一跳节点集合为空，则选择第一级能量级别的下一跳节点作为分组的下一跳节点，收到分组的节点继续执行上述转发原则，直到分组到达sink节点。
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| CN103906166A (zh) * | 2014-04-04 | 2014-07-02 | 西北工业大学 | 一种基于人工势场的无线传感器网络路由方法 |
| CN104980990A (zh) * | 2014-04-08 | 2015-10-14 | 中国科学院声学研究所 | 用于新能源无线传感器网络的势场路径搜索方法 |
| CN110515329A (zh) * | 2019-08-08 | 2019-11-29 | 深圳市海博思科技有限公司 | 一种烧烤测温的方法、测温主机、移动终端以及电子设备 |
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