CN103796236B - 一种基于cstf模型的分层多路径wsn更新方法 - Google Patents

Abstract

一种基于CSTF模型的分层多路径WSN更新方法，其包括如下步骤，S1：基于期望跳数网络分层算法构建分层多路径WSN；S2：设定所述分层多路径WSN中节点剩余能量阀值，剩余能量阀值小于所述节点剩余能量阀值或者路由表为空的节点退出所述分层多路径WSN；S3：网络运行一定时间或发生意外事件后，基于CSTF模型的网络更新机制更新所述分层多路径WSN，以保证网络信息在可靠链路上传输。

Description

一种基于CSTF模型的分层多路径WSN更新方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及分层无线传感器网络的建立、更新和维护模型，具体是一种基于期望跳数的分层算法，并且引入CSTF模型和能量阈值对网络进行及时更新和实时维护，可用于提高网络的可靠性，延长网络寿命。

背景技术

无线传感器网络是由大量微型传感器节点以无线通信的方式构成的以数据为中心的多跳自组织网络，其作用是感知、采集和处理网络覆盖的地理区域内感知对象的信息，然后发送给基站。

随着无线通信技术和微电子技术的快速发展，传感器节点变得更小、成本功耗更低，并且拥有计算和通信的能力。因此，无线传感器网络已经变成了研究的热点问题。无线传感器网络是一种非基础设施的网络，它是通过部署大量的传感器节点而组成的。但是由于传感器大多由能量有限的电池供电，节点间的通信通过多跳的方式进行可以降低节点的能量消耗。无线传感器网络主要应用在收集监测特殊环境的信息，例如：军事、环境监控、商业、健康护理等领域。传感器节点监测环境或目标，并通过无线通信技术将数据发送给SINK节点。通过分析数据可以得到目标的情况。然而，由于传感器硬件的设计，WSN受到许多资源的限制，像计算能力小、内存小，能量有限等。

由于无线传感器网络通常被部署在一个开放的不受保护的区域中，容易受到环境、信号干扰、节点失效等因素的影响，网络在信息传递的过程中可能会丢失数据包，为此，提高WSN数据传输可靠性也成为了重要的研究课题。传统的确认-重传机制在一定程度上可以提高网络传输数据的可靠性，但是容易造成能量消耗过度，网络过早瘫痪。多路径传输机制成为了提高WSN可靠性的重要策略之一，如SMR、AOMDV、ARAMA等路由协议，但是，过多的冗余数据容易造成网络堵塞，浪费能量。为了减少冗余数据包的个数，一种最小跳数分层算法被提出，在最小跳数分层网络中，数据包始终沿着信源节点到SINK节点之间的最短路进行传输，这样往往造成最短路上的节点能量迅速消耗，影响网络寿命。为此，基于能量感知的分层多路径传输机制允许数据包在同层节点之间传输，但在冗余数据包有限的情况下，网络的可靠性得不到保障。另外，网络编码作为一种新型的编码方式，成为了提高网络可靠性，减低能量消耗的重要方法。

由于WSN节点能量有限，并且通常被部署在恶劣环境中，随时都有可能发生的意外事件（如狂风、暴雨、信号干扰等），这样往往会影响部分链路的数据传输质量；另外，随着网络工作时间的增长，一些节点可能会出现过早能量耗尽的情况。从而减低整个网络的可靠性。

以上这些缺陷限制了无线传感器网络的性能，网络在不能及时获知故障链路或无效节点的情况下，势必导致网络不能进行可靠的数据传输。

发明内容

本发明的目的在于克服上述分层网络的技术不足，提供一种基于期望跳数的分层算法，并且通过引入网络更新和维护机制，保障网络数据传输的可靠性。

本发明提供一种基于CSTF模型的分层多路径WSN更新方法，其包括如下步骤，

S1：基于期望跳数网络分层算法构建分层多路径WSN；

S2：设定所述分层多路径WSN中节点剩余能量阀值，剩余能量阀值小于所述节点剩余能量阀值或者路由表为空的节点退出所述分层多路径WSN；

S3：网络运行一定时间或发生意外事件后，基于CSTF模型的网络更新机制更新所述分层多路径WSN，以保证网络信息在可靠链路上传输。

在上述技术方案的基础上，将剩余能量阀值小于所述节点剩余能量阀值或者路由表为空的节点退出所述分层多路径WSN的网络信息。

在上述技术方案的基础上，所述基于期望跳数网络分层算法包括：

(1)初始化：在面积为S=L×L的平面区域内，随机抛撒M个无线传感器节点，SINK节点及信源节点位于所述平面区域对角线的两个顶点处，假设h，l分别表示节点到SINK节点的跳数和距离，SINK节点s设置h_s=0，其他节点设置h=∞；

(2)SINK节点广播带有h_s=0的路由建立信息，其邻居节点u收到所述路由建立信息后，将所述路由建立信息加入到路由表中，并广播带有h_u=1的路由建立信息；

(3)网络中任一节点v收到节点u的路由建立信息后：

a)若l_v≤l_u，节点v不作任何处理；

b)若l_v>l_u，节点v将节点u添加到包含h_u的路由表中，并计算当前路由表中所有下一跳节点到SINK节点跳数的期望值E_next，更新h_v=rand(E_next)+1，其中rand(E_next)是将E_next四舍五入取整，然后广播带有h_v的路由建立信息；

(4)如此继续执行步骤(3)，最终信源节点确定其到SINK节点的期望跳数h，建立基于期望跳数的分层网络。

在上述技术方案的基础上，所述基于CSTF模型的网络更新机制包括：

SINK节点有序地广播n个验证信息x₁,x₂,…,x_n，每个验证信息都包含总验证信息个数及自身编号；假设网络节点保存有一个1到n的向量，如果节点接收到第i个验证信息，则节点将向量的第i个元素标记为S，否则标记为F；

若网络中任一节点u收到其转发节点v的m个验证信息后，产生如下的序列

其中∑r_i=m，∑r_i+k-1=n，0≤r_i≤m，i=1,2,…,k。

在上述技术方案的基础上，若节点u在总未成功接收信息个数达到f之前，连续成功接收信息数目达到s个，则认为该链路可靠的，否则认为该链路不可靠。

在上述技术方案的基础上，

1)若节点u验证其到节点v之间的链路是可靠的，则节点u同样广播n个有序的验证信息x′₁,x′₂,…,x′_n；

2)否则，节点u从其路由表中删除节点v，若其路由表不为空，即存在可靠链路的转发节点，则节点u更新其到SINK节点的期望跳数，并广播验证信息；否则广播退出网络信息，进行网络维护；

如此继续，直到信源节点确定其到SINK节点的期望跳数h′，并根据多路径传输机制更新其发送数据包副本的个数N′

其中，e为信道失效率，r为期望达到的网络可靠性，h′为信源节点更新后的到SINK节点的跳数。

在上述技术方案的基础上，所述网络维护机制包括：

假设每个节点都设置能量阈值E₀=E_Tx(k)+E_Rx(k)，其中E_Tx(k)、E_Rx(k)分别为节点传输、接收大小为kbit数据包所需的能耗：

E_Tx(k)=k(E_elec+E_ampd^γ)

E_Rx(k)=kE_elec

其中，E_elec为传感器节点接收或发送每比特数据的能量消耗，E_amp为放大信号所消耗的能量；d为发送数据的距离；γ为路径损耗系数，取值范围为[2,4]；

当网络中的任一节点u的剩余能量E_l(u)<E₀或者其路由表为空时，广播退出网络信息，若节点v收到该信息，节点v检查自身路由表：

1)若节点v的路由表中不含有节点u，节点v忽略该信息；

2)若节点v的路由表中含有节点u，则节点v从其路由表中删除节点u，并计算当前下一跳节点的期望跳数E′_next，然后更新h′_v=rand(E′_next)+1。如果h′_v≠h_v，节点v广播h′_v，如果节点v的路由表为空，则节点v广播退出网络信息。

在上述技术方案的基础上，网络中的任一节点收到退网信息后，同样执行以上步骤1)及步骤2)信源节点更新其到SINK节点的期望跳数h′，并根据多路径传输机制更新其发送数据包副本的个数N′。

相对于现有技术，本发明具有如下的优点：

(1)本发明适用于多种拓扑的无线传感器网络，在动态的网络情况下(链路变化、节点移动)可以通过网络维护、更新保障网络可靠性。

(2)本发明中提出的基于CSTF模型的网络更新机制，避免了网络节点失效或者链路不可靠造成的网络传输信息丢失的问题，具有较高的鲁棒性。

(3)本发明中提出的基于基于期望跳数的分层算法，适用于大型无线传感器网络，具有良好的可扩展性。

附图说明：

图1是本发明的总流程图；

图2是分层WSN结构示意图；

图3是基于最小跳数的分层网络示例图；

图4是基于期望跳数的分层网络示例图；

图5是本发明与现有技术的网络可靠性在不同信道失效率下的比较图；

图6是本发明与现有技术的网络寿命在不同信道失效率下的比较图；

图7是本发明与现有技术的网络可靠性在意外事件发生下的比较图；

图8是本发明与现有技术的网络寿命在意外事件发生下的比较图。

具体实施方式：

结合上述附图，本发明提出的分层无线传感器网络可靠传输机制，该机制包括各部分具体实施方式如下：请参考图1本发明流程图。

1.基于期望跳数的网络分层算法：

基于最小跳数分层算法建立的分层网络，如图2所示。图2为网络中任一节点v基于最小跳数分层算法建立的路由表示意图，它是由下一跳节点u及其到SINK节点的最小跳数h_u构成。图3为基于最小跳数分层算法建立的分层网络，该网络包括一个汇聚节点s，一个信源节点g和6个中继节点{a,b,c,d,e,f}。

在基于最小跳数分层算法建立的分层网络中，数据总是在信源节点与SINK节点之间的最短路上传输。这样，往往造成最短路上的节点能量迅速消耗，导致网络瘫痪。如图3所示，信源节点g向SINK节点s发送数据包的路径仅有两条：g→e→a→s和g→f→b→s，而且节点c、d均不能参与数据包传输，造成能量浪费。

本发明提出的基于期望跳数分层算法具体实现步骤如下：

(1)初始化：在面积为S=L×L的平面区域内，随机抛撒M个无线传感器节点，SINK节点及信源节点位于对角线的两个顶点处。假设h，l分别表示节点到SINK节点的跳数和距离，SINK节点s设置h_s=0，其他节点设置h=∞；

(2)SINK节点广播带有h_s=0的路由建立信息，其邻居节点u收到信息后，将其加入到路由表中，并广播带有h_u=1的路由建立信息；

(3)网络中任一节点v收到节点u的信息后做如下处理：

a)若l_v≤l_u，节点v不作任何处理；

b)若l_v>l_u，节点v将节点u添加到包含h_u的路由表中，并计算当前路由表中所有下一跳节点到SINK节点跳数的期望值E_next，更新h_v=rand(E_next)+1，其中rand(E_next)是将E_next四舍五入取整，然后广播带有h_v的路由建立信息；

(4)如此继续执行步骤(3)，最终信源节点确定其到SINK节点的期望跳数h，建立基于期望跳数的分层网络。

图4即为基于期望跳数算法建立的分层网络。信源节点g到SINK节点的传输路径有6条，分别为g→e→a→s、g→e→d→c→a→s、g→e→d→c→b→s、g→f→b→s、g→f→d→c→b→s和g→f→d→c→a→s，这样，网络中的所有节点都可以参与数据传输，从而均衡网络负担。

2.网络更新机制：

本发明将CSTF模型引进到无线传感器网络中，具体过程如下：

首先，SINK节点有序地广播n个验证信息x₁,x₂,…,x_n，每个验证信息都包含总验证信息个数及自身编号；假设网络节点保存有一个1到n的向量，如果节点接收到第i个验证信息，则节点将向量的第i个元素标记为S，否则标记为F；

若网络中任一节点u收到其转发节点v的m个验证信息后，产生如下的序列

其中∑r_i=m，∑r_i+k-1=n，0≤r_i≤m，i=1,2,…,k。根据CSTF模型（在总未成功接收信息个数达到f之前，连续成功接收信息数目达到s个，则认为该链路是可靠的，否则认为该链路是不可靠的），节点u判断其到节点v的链路是否可靠；

1)若节点u验证其到节点v之间的链路是可靠的，节点u同样广播n个有序的验证信息x′₁,x′₂,…,x′_n；

2)否则，节点u从其路由表中删除节点v，若其路由表不为空，即存在可靠链路的转发节点，则节点u更新其到SINK节点的期望跳数，并广播验证信息；否则广播退出网络信息，进行网络维护；

如此继续，直到信源节点确定其到SINK节点的期望跳数h′，并依此确定其发送数据包副本的个数N′。

3.网络维护机制：

随着网络工作时间的增长，网络中的部分节点将会由于能量消耗过度而失效，从而影响网络传输的可靠性。为此，本发明提出的网络维护机制具体实现如下：

首先，假设每个节点都设置能量阈值E₀=E_Tx(k)+E_Rx(k)，其中E_Tx(k)、E_Rx(k)分别为节点传输、接收大小为kbit数据包所需的能耗：

E_Tx(k)=k(E_elec+E_ampd^γ)

E_Rx(k)=kE_elec

其中，E_elec为传感器节点接收或发送每比特数据的能量消耗，E_amp为放大信号所消耗的能量；d为发送数据的距离；γ为路径损耗系数，取值范围为[2,4]。

当网络中的任一节点u的剩余能量E_l(u)<E₀或者其路由表为空时，广播退出网络信息，若节点v收到该信息，节点v检查自身路由表：

1)若节点v的路由表中不含有节点u，节点v忽略该信息；

2)若节点v的路由表中含有节点u，则节点v从其路由表中删除节点u，并计算当前下一跳节点的期望跳数E′_next，然后更新h′_v=rand(E′_next)+1。如果h′_v≠h_v，节点v广播h′_v，如果节点v的路由表为空，则节点v广播退出网络信息。

网络中的任一节点收到退网信息后，同样执行以上步骤。最终，信源节点更新其到SINK节点的期望跳数h′，并依此确定需要发送数据包副本个数N′。网络维护机制可以有效避免网络失效节点对网络可靠性的影响。

本发明的效果可以通过以下仿真实验结果进行进一步的说明。

1.仿真条件：

在面积为S=100×100的平面区域内，随机抛撒100个无线传感器节点，SINK节点和信源节点分别位于监测区域对角线的两个端点。主要仿真参数如下表。

表1仿真参数表

2.仿真内容及仿真结果：

仿真1，对本发明与现有基于最小跳数分层算法在不同网络信道失效率的情况下进行仿真比较，仿真结果如图5和图6。从图5和图6中可以看出本发明在不同信道失效率的情况下具有较高的可靠性，并且网络能够成功传输更多的数据包。这是因为本发明充分利用了网络节点，有效均衡了网络负载。

仿真2，对本发明与现有基于最小跳数分层算法在监测区域内发生意外事件的情况下进行仿真比较，仿真结果如图7和图8。从图7和图8中可以看出在发生意外事件后，本发明仍然可以使网络保持较高的可靠性，并且成功传输较多的数据包。这是因为在意外事件发生以后，如果不及时对网络进行更新，网络的部分链路质量降低，所以网络传输的可靠性必然下降，若采用本发明的网络更新机制及时对网络进行更新，剔除链路质量较差的路径，从而保障网络的可靠性。

以上所述仅为本发明的验证实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明技术思想下所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于CSTF模型的分层多路径WSN更新方法，其特征在于：其包括如下步骤，

S1：基于期望跳数网络分层算法构建分层多路径无线传感器网络WSN；

S2：设定所述分层多路径无线传感器网络WSN中节点剩余能量阈值，节点剩余能量小于所述节点剩余能量阈值或者路由表为空的节点退出所述分层多路径WSN；

S3：网络运行一定时间或发生意外事件后，基于启动验证试验模型CSTF模型的网络更新机制更新所述分层多路径无线传感器网络WSN，以保证网络信息在可靠链路上传输。

2.根据权利要求1所述的一种基于CSTF模型的分层多路径WSN更新方法，其特征在于：所述基于期望跳数网络分层算法包括：

(1)初始化：在面积为S＝L×L的平面区域内，随机抛撒M个无线传感器节点，SINK节点及信源节点位于所述平面区域对角线的两个顶点处，假设h，l分别表示节点到SINK节点的跳数和距离，SINK节点s设置h_s＝0，其他节点设置h＝∞；

(2)SINK节点广播带有h_s＝0的路由建立信息，其邻居节点u收到所述路由建立信息后，将所述路由建立信息加入到路由表中，并广播带有h_u＝1的路由建立信息；

(3)网络中任一节点v收到节点u的路由建立信息后：

a)若l_v≤l_u，节点v不作任何处理；

b)若l_v＞l_u，节点v将节点u添加到包含h_u的路由表中，并计算当前路由表中所有下一跳节点到SINK节点跳数的期望值E_next，更新h_v＝rand(E_next)+1，其中rand(E_next)是将E_next四舍五入取整，然后广播带有h_v的路由建立信息；

(4)如此继续执行步骤(3)，最终信源节点确定其到SINK节点的期望跳数h，建立基于期望跳数的分层网络。

3.根据权利要求1所述的一种基于CSTF模型的分层多路径WSN更新方法，其特征在于：所述网络更新机制包括：

SINK节点有序地广播n个验证信息x₁,x₂,…,x_n，每个验证信息都包含总验证信息个数及自身编号；假设网络节点保存有一个1到n的向量，如果节点接收到第i个验证信息，则节点将向量的第i个元素标记为S，否则标记为F；

若网络中任一节点u收到其转发节点v的m个验证信息后，产生如下的序列

其中∑r_i＝m，∑r_i+k-1＝n，0≤r_i≤m，i＝1,2,…,k。

4.根据权利要求3所述的一种基于CSTF模型的分层多路径WSN更新方法，其特征在于：若节点u在总未成功接收信息个数达到f之前，连续成功接收信息数目达到s个，则认为该链路可靠的，否则认为该链路不可靠；

1)若节点u验证其到节点v之间的链路是可靠的，则节点u同样广播n个有序的验证信息x′₁,x′₂,…,x′_n；

2)否则，节点u从其路由表中删除节点v，若其路由表不为空，即存在可靠链路的转发节点，则节点u更新其到SINK节点的期望跳数，并广播验证信息；否则广播退出网络信息，进行网络维护；

如此继续，直到信源节点确定其到SINK节点的期望跳数h′，并根据多路径传输机制更新其发送数据包副本的个数N′

$N^{\&prime;}=\frac{ln(1-r)}{ln(1-{\left(1-e\right)}^{h^{\&prime;}})}$

其中，e为信道失效率，r为期望达到的网络可靠性，h′为信源节点更新后的到SINK节点的跳数。

5.根据权利要求4所述的一种基于CSTF模型的分层多路径WSN更新方法，其特征在于：所述网络维护机制包括：

假设每个节点都设置剩余能量阈值E₀＝E_Tx(k)+E_Rx(k)，其中E_Tx(k)、E_Rx(k)分别为节点传输、接收大小为kbit数据包所需的能耗：

E_Tx(k)＝k(E_elec+E_ampd^γ)

E_Rx(k)＝kE_elec

其中，E_elec为传感器节点接收或发送每比特数据的能量消耗，E_amp为放大信号所消耗的能量；d为发送数据的距离；γ为路径损耗系数，取值范围为[2,4]；

当网络中的任一节点u的剩余能量E_l(u)＜E₀或者其路由表为空时，广播退出网络信息，若节点v收到该信息，节点v检查自身路由表：

1)若节点v的路由表中不含有节点u，节点v忽略该信息；

2)若节点v的路由表中含有节点u，则节点v从其路由表中删除节点u，并计算当前下一跳节点的期望跳数E′_next，然后更新h′_v＝rand(E′_next)+1。如果h′_v≠h_v，节点v广播h′_v，如果节点v的路由表为空，则节点v广播退出网络信息。

6.根据权利要求5所述的一种基于CSTF模型的分层多路径WSN更新方法，其特征在于：网络中的任一节点收到退网信息后，执行步骤1)及布置2)，信源节点更新其到SINK节点的期望跳数h′，并根据多路径传输机制更新其发送数据包副本的个数N′。