CN103702386A

CN103702386A - 无线传感器网络综合k-覆盖调度跨层定向扩散路由协议

Info

Publication number: CN103702386A
Application number: CN201410012782.0A
Authority: CN
Inventors: 熊庆旭; 杨正东
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: CN103702386B

Abstract

本发明首先提供一种新的无线传感器网络中的K-覆盖判定算法；随后将节点剩余能量引入覆盖调度中，考虑节点的剩余能量，提供一种新的分布式K-覆盖调度算法；通过节点能耗关系提供了综合分布式K-覆盖调度与路由的跨层设计方法，并具体提供了一种新的综合K-覆盖调度的定向扩散路由协议。在新的定向扩散路由协议的梯度调整过程中，加入了节点覆盖程度参数，增大了覆盖冗余度大的节点作为中间转发节点的概率，进一步平衡节点的能耗。仿真结果显示，新的跨层定向扩散路由协议的能耗远低于原来的定向扩散路由协议，以及与典型调度算法相结合的定向扩散路由协议。

Description

无线传感器网络综合K-覆盖调度跨层定向扩散路由协议

技术领域

本发明属于无线传感器网络支撑和网络技术领域，同时也是两个技术领域的交叉综合。

背景技术

节点覆盖是无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)三大支撑技术之一。WSN通常由大量节点密集分布组成，节点布设存在较大的冗余度。对于正常完成网络的应用任务，并不需要所有节点均处于工作状态。因此在满足覆盖要求的情况下，将节点分为若干不相交的节点集合，也叫覆盖集，一个时间段只需要一个覆盖集处于工作状态即可。对于多个不同的覆盖集，依据某种规则调度使用，称之为覆盖调度。

在WSN的某些应用中，对节点采集的数据具有特别的要求，例如数据采集的准确性和精度，或某个节点或区域出现情况的重要性例如有毒物资泄漏的监控，对节点或区域采用多个传感器进行感应检测，并采集数据。这便是所谓的K-覆盖，即不少于K个节点同时感应检测某个地点或区域。相比而言，WSN中K-覆盖问题的研究相对较少。

多数WSN覆盖调度方法仅从节点的感应和通信覆盖角度来考虑覆盖集的构造和调度，没有充分考虑节点的剩余能量即覆盖集的生存期的问题。另外目前性能较好的覆盖调度算法主要是集中式调度方法，例如公认为效果最好的MCLC(Most-Constrained Least-Constraining)算法便是集中式算法。本发明提供一种新的分布式K-覆盖判定算法；结合节点的剩余能量进行覆盖集的调度；从路径上传感器节点能耗的角度建立路由与覆盖调度的关系，并将覆盖调度的因素直接作为路由选择的依据之一，提供了综合K-覆盖调度跨层定向扩散路由协议。

发明内容

本发明的目的是提供无线传感器网络分布式K-覆盖调度算法，并与路由技术相结合，提供综合路由和K-覆盖调度的跨层设计方法以及具体的新的定向扩散路由协议。

为便于说明本发明的内容，首先给出本发明中涉及的基本概念。

1..邻居：节点s_i的邻居节点集定义为

N(_i)={s_j|0<d(s_i,s_j)<2R_s,i≠j,s_j∈S}

其中d(s_i,s_j)表示节点s_i和节点s_j之间的欧几里德距离，R_s为节点的感知半径。图1给出了s_i邻居节点的图示。

2.节点赞助覆盖区域：节点的有效覆盖区域内，设存在一个区域，区域中任一点只被相同的一组邻居节点覆盖，则称该区域为节点的一个赞助覆盖区域。

图2给出了中心节点区域划分和边界区域节点区域划分，从图2中可以得知节点s_i和s_j的所有赞助覆盖区域只被相同的一组邻居节点覆盖到。

3.节点状态：

Ready-on-duty:节点接受邻居节点广播的Hello数据包并广播自身的Hello数据包，这个数据包含节点的位置信息、当前能量和ID。

On-duty：当不满足覆盖休眠条件时，作为工作节点。

Ready-to-off：当满足覆盖休眠条件时候，准备进入休眠状态。

Off-duty：当满足覆盖休眠条件时，节点处于休眠状态。

下面说明本发明的技术方案：

步骤1K-覆盖判定

设节点s_i的邻居节点集合为N(i)={N_i1,…N_iK},

为节点s_i与s_j的有效覆盖区域的交集，

1：对于每一个在N(i)中的节点N_j，遍历

中所有点，

1-1：若该点未被覆盖：

1-1-1：若不存在一个区域覆盖该点，增加一个新区域；

1-1-2：否则，将该点加入到相应的新区域；

1-2：若该点属于已有的覆盖区域：

1-2-1：若没有相对于已有区域的新区域包含此点，增加新区域，加此点到新区域；

1-2-2：否则，将此点加到相应的新区域；

2：对于所有的新区域：

2-1：增加所有覆盖此区域的所有邻居节点到该区域的节点链表；

2-2：增加新区域到的区域覆盖链表；

3：找到s_i的处于工作状态邻居节点N(i)；

4：根据s_i已知赞助覆盖区域集合F_i，判断F_i中的每一个赞助覆盖区域是否被N(i)中的节点K-覆盖。若是，则s_i的感知区域被K-覆盖，若否，则s_i的感知区域没有被K-覆盖。

步骤2覆盖调度

1：对于每个节点s_i，广播由节点的位置信息、当前能量和ID组成的Hello信息包；

2：s_i收集邻居信息，构造邻居集合N(i)；

3：若赞助覆盖区域集合F_i中的每一个赞助覆盖区域未被N(i)中的节点K-覆盖，则s_i成为On-duty节点；

4：否则：

4-1：s_i成为Ready-to-off节点；

4-2：s_i退避T_iw后广播一个Off消息；

4-3：等待T_off后，根据收到邻居的Off消息，更新N(i)；

4-4：若F_i中的每一个赞助覆盖区域被N(i)中的节点K-覆盖，s_i成为Off-duty节点

4-5：否则，s_i成为On-duty节点。

步骤3跨层路由

1：执行步骤1和2的算法，选出工作组节点；

2：Sink节点广播Interest；

3：中间节点根据Interest到达的先后，确定返回上一跳节点的梯度值，最先到达的梯度值最大，依次递减；

4：每次依据最大梯度值选取下一跳节点，由源节点逐跳返回数据；

5：节点根据覆盖调度算法中得出的冗余度确定其梯度变化的阈值，

5-1：设节点S_i覆盖冗余度为N，N可由每次覆盖调度过程中所获取的邻居节点信息计算得出。

5-2：节点每间隔T₀时间，查询自己的剩余能量。当发现剩余能量低于设定的阈值时，通知所有邻居节点降低该节点的梯度值；

5-3：随后在调整这个阈值到另一个合适的值。这个阈值由覆盖冗余度N决定，设阈值为1/N+1，即新阈值为原阈值的1/N+1，初始阈值为初始能量的1/N+1。

6：数据收集阶段，一轮时间满时，转入到第1步，循环执行。

本发明的有益效果：本发明首先提供一种新的K-覆盖判定算法；随后将节点剩余能量引入覆盖调度中，考虑节点剩余能量的不足，提供一种新的分布式K-覆盖调度算法；通过节点能耗最终提供了综合分布式K-覆盖调度与路由的跨层设计方法，并具体提供了一种新的跨K-覆盖的定向扩散路由协议。仿真结果显示，新的跨层路由协议的能耗远低于经典的定向扩散路由协议，以及与典型的NSSS(Node Self-Scheduling Scheme)调度算法相结合的定向扩散路由协议。

附图说明

图1是节点s_i的邻居节点图示说明；

图2是节点赞助覆盖区划分图示说明；

图3是K-覆盖判定算法的伪代码；

图4是K-覆盖调度算法的伪代码；

图5是覆盖调度过程中节点状态转换图；

图6是跨层路由设计中路由与覆盖调度的时序图。

具体实施方式

步骤1K-覆盖判定

假设各个节点预先知道其所有邻居节点位置，首先各节点执行赞助覆盖区域划分的算法，将有效覆盖区域划分为各赞助覆盖区域，各赞助覆盖区域包含覆盖本区域邻居节点列表。图3提供了K-覆盖判定算法第1、2两步赞助覆盖区域划分的伪代码。下面进一步加以解释说明。

1：在执行覆盖判定之前，单个节点的有效覆盖区域需要根据邻居节点信息划分为若干赞助覆盖区域，当节点的邻居节点集不发生变化，则该节点的赞助覆盖区域也将不会发生变化，这样在算法具体执行过程中当未有新的邻居节点加入时，节点的赞助覆盖区域划分算法无需重复执行，可以有效地降低算法复杂度。

2：每个节点算法执行之后，都包含一个本节点赞助覆盖区域的链表，同时每个赞助覆盖区域也包含一个覆盖该赞助覆盖区域的邻居节点链表。

在将有效覆盖区域划分为各赞助覆盖区域后，进行K-覆盖判定：

3：找到s_i的处于工作状态邻居节点N(i)；

步骤2覆盖调度

在本发明算法中，一个节点有四种状态:“Ready-on-duty”、“Ready-to-off"、“On-duty”、“Off-duty”四种状态。在算法的开始，所有的节点都处于Ready-on-duty状态。每一次节点调度都分成两个子阶段：邻居节点发现阶段和评估阶段。图4提供了覆盖调度算法的伪代码。下面进一步加以说明。

1：在邻居节点发现阶段中，一开始节点必须向在其通信半径范围内的其它节点广播一个Hello数据包，为了使得只有邻居节点能够收到Hello数据包，设置通信半径为感知半径的两倍，这样可以尽量减少广播Hello数据包时发生冲突。Hello信息包由节点的位置信息、当前能量和ID组成。各节点接受邻居节点的信息包。然后，节点设置一个记时器等待其邻居节点的Hello数据包。当记时器触发，节点就可得到其邻居节点信息，并构造邻居集合N(i)。

2：在完成邻居节点信息收集之后进入评估阶段。在这个阶段中，节点根据K-覆盖判断算法来决定自己应该处于哪一种状态。在满足被邻居节点K-覆盖的节点中，为了使得能量小的节点优先成为Off-duty节点，引入了一个基于节点能量考虑的退避时间T_iw。T_iw大小由节点s_i自身电量与邻居节点电量关系决定，节点按照收到的邻居节点的能量从小到大依次排序。假设节点s_i处在第k位，总的邻居节点个数为N，则T_iw为

T_w为最大退避时间，这样使得能量少的节点具有更大的休眠几率，从而达到能耗均衡的目的。

图5提供了调度过程中节点状态的转换图，对此加以具体说明。

1：由于本算法是分布式的，两个不同的节点是同时根据各自的信息判断自己应该处于哪个状态，有可能会发生两个互为邻居的节点同时都进入Off-duty状态，而使得区域没有被k-覆盖，产生覆盖盲区。

2：为了避免此种情况的发生，在评估阶段的开始，节点等待基于能量考虑的退避时间T_iw后，如果节点符合进入Off-duty状态的条件，它会向邻居节点发送一个Off信息。由于这条信息只向邻居节点发送，所以开销不大。然后，那些等待一个较长退避时间T_iw的节点，就可以知道其邻居节点更早做出了决定，并且进入了Off-duty状态。

3：然后这个节点可以在其邻居节点集合N(i)中删除上述节点的信息，并重新判断。这样保证节点能量大的节点优先处于工作状态。

4：在一个节点关闭其感知和通信部件之前，其必须等待一段时间T_off来监听其邻居节点发送过来的Off数据包。如果在这段时间内没有接收到信息，那么关闭它是安全的。如果在这段时间内接收到一条或者多条信息，那就需要删除相应的邻居节点，重新判断是否被邻居节点k-覆盖，如果是则进入Off-duty状态，否则进入On-duty状态。

步骤3跨层路由

图6提供了跨层路由中路由与覆盖调度的时序图。下面具体说明。

1：调度机制将网络生存周期分成若干轮。每一轮中，包含一个自调度阶段、路由建立阶段和感知阶段。在自调度阶段，节点将根据K-覆盖判决算法判断是否满足休眠条件。符合休眠条件的节点将关闭其通信和感知单元以节省能量。其它不满足休眠条件的节点在感知阶段承担通信和感知任务。为了最小化自调度阶段的能量消耗，路由建立阶段和感知阶段工作时间应该远大于自调度阶段工作时间。

2：在DD路由协议的路由梯度调整过程中，加入了节点覆盖程度参数，具体体现在步骤3的第5步中。从而使得覆盖冗余度大的节点能够作为路由选择中的中间转发节点的几率加大，承担更多的数据传输任务，进一步平衡各节点在覆盖调度过程中所引起的能量不均衡消耗。

Claims

1.一种无线传感器网络K-覆盖判定方法，其特征是：

设节点s_i的邻居节点集合为N(i)={N_i1,…N_iK},

为节点s_i与s_j的有效覆盖区域的交集，

1：对于每一个在N(i)中的节点N_j，遍历

中所有点，

1-1：若该点未被覆盖：

1-1-1：若不存在一个区域覆盖该点，增加一个新区域；

1-1-2：否则，将该点加入到相应的新区域；

1-2：若该点属于已有的覆盖区域：

1-2-2：否则，将此点加到相应的新区域；

2：对于所有的新区域：

2-2：增加新区域到的区域覆盖链表；

3：找到s_i的处于工作状态邻居节点N(i)；

2.基于节点剩余能量的无线传感器网络K-覆盖调度算法，其特征是：

1)对于每个节点s_i，广播由节点的位置信息、当前能量和ID组成的Hello信息包；

2)s_i收集邻居信息，构造邻居集合N(i)；

3)若赞助覆盖区域集合F_i中的每一个赞助覆盖区域未被N(i)中的节点K-覆盖，s_i成为On-duty节点；

4）否则：

4-1）s_i成为Ready-to-off节点；

4-2）s_i退避T_iw后广播一个Off消息；

4-3）等待T_off后，根据收到邻居的Off消息，更新N(i)；

4-4）若F_i中的每一个赞助覆盖区域被N(i)中的节点K-覆盖，s_i成为Off-duty节点

4-5）否则，s_i成为On-duty节点。

3.结合权利要求1和权利要求2算法的跨层定向扩散路由协议，其特征是：

1)执行权利要求1和权利要求2的算法，选出工作组节点；

2)Sink节点广播Interest；

3)中间节点根据Interest到达的先后，确定返回上一跳节点的梯度值，最先到达的梯度值最大，依次递减；

4)每次依据最大梯度值选取下一跳节点，由源节点逐跳返回数据；

5)节点根据覆盖调度算法中得出的冗余度确定其梯度变化的阈值，

5-1)设节点S_i覆盖冗余度为N，N可由每次覆盖调度过程中所获取的邻居节点信息计算得出。

5-2)节点每间隔T₀时间，查询自己的剩余能量。当发现剩余能量低于设定的阈值时，通知所有邻居节点降低该节点的梯度值；

5-3)随后在调整这个阈值到另一个合适的值。这个阈值由覆盖冗余度N决定，设阈值为1/N+1，即新阈值为原阈值的1/N+1，初始阈值为初始能量的1/N+1。

6)数据收集阶段，一轮时间满时，转入到第1步，循环执行。