CN104010337A - 一种rfid无线传感器网络路由协议 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种RFID无线传感器网络路由协议，该协议以WSN路由协议为基础，由于RFID无线传感器网络与WSN之间存在不同特点使得WSN路由协议无法直接应用到RFID无线传感器网络中。本发明根据RFID的特点将影响RFID路由协议的节点剩余能量、节点缓存和节点周围的标签数等因素进行综合考虑。将这些因素进行量化，并赋给各因素一定的权值，本发明的RFID无线传感器网络路由协议能够更好地适应RFID无线传感器网络的需要。

Description

一种RFID无线传感器网络路由协议

技术领域

本发明涉及RFID无线传感器网络技术领域，具体涉及一种RFID无线传感器网络路由协议。

背景技术

WSN(Wireless sensor network)和RFID(Radio frequencyidentification)两种技术的发展趋势是将两者融合产生一种复杂的性能更加优越的网络。这种网络能够充分发挥WSN和RFID两种技术的优势，满足更多实际应用的需求。这两种技术的融合面临很多挑战，其中之一就是缺少符合融合之后的网络实际特点的路由协议。针对这个需求目前还没有很好的解决方法，大多数学者的研究重点还是放在WSN路由协议的设计和改进上，然而传统的WSN路由协议并不能很好地满足RFID无线传感器网络的要求。

RFID无线传感器网络与传统的WSN有着较大的区别，例如：RFID无线传感器网络中存在两个层次的网络通信。一是电子标签和阅读器节点之间的通信，电子标签之间不能够通信；二是阅读器节点之间的通信。阅读器节点收集电子标签内的信息类似于WSN中的传感器节点收集周围环境的信息，阅读器节点之间的相互通信类似于WSN中传感器之间的通信。由于RFID网络中的阅读器节点不仅要收集周围环境的信息，又要对通信范围内的标签进行读写操作，而读写标签的操作会消耗节点的能量且占用缓存等资源。

目前的路由协议仍然只是根据传统的WSN来设计，它们并没有考虑RFID无线传感器网络的上述特点。卢旭在文献[卢旭.RFID无线传感器网络路由协议研究.广东技术师范学院学报(自然科学版).2011,32(2)]中提出了RFID网络和WSN网络的区别，但是仍然只是简单地将WSN路由协议应用到RFID网络中。路由协议没有充分考虑RFID网络中节点周围标签对路由协议的影响，所以这种路由协议并不能完全满足RFID网络的需求。

发明内容

本发明为了解决当前缺乏专门针对RFID网络特点而设计的路由协议，在充分考虑影响RFID路由协议的各种因素的基础上对WSN路由协议进行适当的改进，提出一种RFID无线传感器网络路由协议，以满足RFID网络的需求，具体技术方案如下。

一种RFID无线传感器网络路由协议，所述RFID无线传感器网络由具有无线传感器功能的RFID阅读器节点和RFID标签组成，该协议基于WSN路由协议，其中RFID阅读器节点的作用相当于WSN中的无线传感器节点，RFID阅读器节点(以下简称节点)将数据传递到汇聚节点是通过节点之间的数据多跳传输来完成的，远离汇聚节点的节点需要借助中间节点的中转将数据传输到汇聚节点，节点在选择中转节点的时候根据下式在靠近汇聚节点的邻节点中选出权值W最小的节点担任中转节点，

$W=\mathrm{\α}*B_w+\mathrm{\β}*(1-\frac{E_{\mathrm{cur}}}{E_{\mathrm{ini}}})+(1-\mathrm{\α}-\mathrm{\β})*\frac{N_{\mathrm{pkt}}}{N_{\mathrm{ave}}},$

其中，节点的能量因子为E_cur为节点的剩余能量，E_ini为节点的初始能量；α和β是计算时节点的缓存和能量因素权值，节点的带宽因子B_w为L为节点缓存大小，n为已占用的缓存大小；节点周围的标签数因子为N_pkt为下一跳节点周围的标签个数，N_ave为平均下一跳节点标签个数。

上述协议中，无线传感器节点即RFID阅读器节点具有如下性质：①汇聚节点远离传感区域；②节点具有相同且有限的初始能量和数据处理能力：③节点的位置在配置后固定不变；④节点周期性地将收集到的数据传输到汇聚节点；⑤相同的数据在两个节点间的双向传递消耗的能量是相同的；⑥节点能根据接收到的信号强度的判断出到对方的距离，并根据这个距离来调整节点的发射功率；⑦节点具有唯一地址。

上述协议中，当节点发送kbit数据到距离为d的节点时消耗的能量以用下式来计算：

$E_{\mathrm{Tx}}(k,d)=E_{\mathrm{elec}}\left(k\right)+E_{\mathrm{Tx}-\mathrm{amp}}(k,d)=\left\{\begin{array}{cc}k*E_{\mathrm{elec}}+k*{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{fs}}*d^2& d\≤d_0\\ k*E_{\mathrm{elec}}+k*{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{mp}}*d^4& d>d_0\end{array}\right.---\left(1\right)$

节点接收kbit的数据消耗的能量为：

E_Rx(k)＝E_elec(k)＝k*E_elec    (2)，

其中E_elec为无线收发电路消耗的能量；E_Tx-amp表示放大器消耗的能量；d为两个节点之间的距离；ε_fs和ε_mp分别为自由空间模型和多路径衰减模型下放大器消耗的能量；假设每个簇头将消耗E_DA的能量来进行数据融合，即处理器接收到数据后进行数据融合的能量消耗为E_DA，E_DA的大小根据处理器的不同而不同。这样就能得到节点接收到数据后消耗的总能量。

该协议中的网络分层由汇聚结点以设定的功率发送一个分层消息开始；接收到该分层消息的节点将自己标记为距离汇聚结点的一跳节点，然后将分层消息中的跳数加1后传递给邻节点；邻节点如果是第一次接收到分层消息则将消息中包含的跳数作为自己距离汇聚节点的跳数，然后加1再发送给它的邻节点，如果节点不止一次收到分层消息，则将自己保存的跳数与当前接收到的分层消息中的跳数相比较，只有当前接收到的分层消息中的跳数小于自己保存的跳数时才将距离汇聚节点的跳数改为当前接收到的分层消息中的跳数，否则直接忽略接收到的分层消息；一直重复进行上述过程直到所有节点都确定好了自己距离汇聚节点的跳数；节点根据距离汇聚节点的跳数来判断自己所属的层数。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明在WSN路由协议的基础上综合考虑了阅读器节点的剩余能量、节点的缓存大小和周围的标签数量对路由协议的影响，将这些因素进行量化，并赋给各因素一定的权值，然后综合起来考虑它们对路由协议的影响，从而得到更加符合RFID无线传感器网络的路由协议。仿真结果表明本发明的路由协议可以在保证网络的生命周期的基础上，减少网络的丢包率近20％，从而更好地满足RFID无线传感器网络的要求。

附图说明

图1为网络分层和簇头的选择流程图。

图2为中转节点的选择流程图。

图3为是实验仿真结果图。

具体实施方式

以上内容已经对本发明作了清楚完整的说明，以下再结合附图对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。若有未特别说明的判断或计算过程，可参照常规技术进行。

本实施方式的内容包括：确定影响路由协议的因素、量化和综合等环节。

设定网络模型：假定N个传感器节点均匀地分布在一个M*M的正方形区域内，并且传感器节点具有以下几点性质：①汇聚节点远离传感区域；②节点具有相同且有限的初始能量和数据处理能力；③节点的位置在配置后固定不变；④节点周期性地将收集到的数据传输到汇聚节点；⑤通信是对称的即相同的数据在两个节点间的双向传递消耗的能量是相同的；⑥节点可以根据接收到的信号强度大致的判断出到对方的距离，并根据这个距离来调整节点的发射功率；⑦节点具有唯一地址。

网络模型中节点的能量消耗采用下面的无线通信模型进行计算。当节点发送kbit数据到距离为d的节点时消耗的能量可以用下式来计算：

$E_{\mathrm{Tx}}(k,d)=E_{\mathrm{elec}}\left(k\right)+E_{\mathrm{Tx}-\mathrm{amp}}(k,d)=\left\{\begin{array}{cc}k*E_{\mathrm{elec}}+k*{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{fs}}*d^2& d\≤d_0\\ k*E_{\mathrm{elec}}+k*{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{mp}}*d^4& d>d_0\end{array}\right.---\left(1\right)$

节点接收k bit的数据消耗的能量为：

E_Rx(k)＝E_elec(k)＝k*E_elec    (2)

其中E_elec为无线收发电路消耗的能量；E_Tx-amp表示放大器消耗的能量，其大小和传输的数据大小、两节点之间的距离有关；d为两个节点之间的距离；ε_fs和ε_mp分别为自由空间模型和多路径衰减模型下放大器消耗的能量；假设每个簇头将消耗E_DA的能量来进行数据融合。

协议中网络分层由sink节点(汇聚结点)以一定的功率发送一个分层消息开始。接收到该分层消息的节点将自己标记为距离sink节点的一跳节点，然后将跳数加1后传递给邻节点。邻节点如果是第一次接收到分层消息则将消息中包含的跳数作为自己距离sink节点的跳数，然后加1再发送给它的邻节点。如果节点不止一次收到分层消息，则将自己保存的跳数与当前接收到的分层消息中的跳数相比较，只有当前接收到的分层消息中的跳数小于自己保存的跳数时才将距离sink节点的跳数改为当前接收到的分层消息中的跳数，否则直接忽略接收到的分层消息。一直重复进行上述操作直到所有节点都确定好了自己距离sink节点的跳数，节点根据距离汇聚节点的跳数来判断自己所属的层数。

由于RFID无线传感器网络与WSN有不同的特点。RFID无线传感器网络是由具有无线传感器功能的RFID阅读器节点RS(readerwireless sensor)和RFID标签组成。其中RS节点的作用相当于WSN中的无线传感器节点，但是RS节点除了WSN中节点具有的感知环境参数的功能外还多了一项读RFID标签的功能。由于读标签需要消耗很多能量和占用带宽资源，所以应该在WSN路由协议基础上进行修改，以适应RFID无线传感器网络的特点。本发明将阅读器节点周围的RFID标签数和节点缓存占用率也作为RS节点进行数据传输时选择下一跳节点的因素，也就是在选择下一跳转发节点的时候综合考虑下一跳节点的能量、缓存占用率、节点周围的标签数等信息。中转的选择流程如图2所示。

节点的能量因子为其中E_cur为节点的剩余能量，E_ini为节点的初始能量；节点的带宽因子B_w为其中L为节点缓存大小，n为已占用的缓存大小；节点周围的标签数因子为

其中N_pkt为下一跳节点周围的标签个数，N_ave为平均下一跳节点标签个数。综合上述因子以后，本发明使用下式来选择下一跳转发节点：

$W=\mathrm{\α}*B_w+\mathrm{\β}*(1-\frac{E_{\mathrm{cur}}}{E_{\mathrm{ini}}})+(1-\mathrm{\α}-\mathrm{\β})*\frac{N_{\mathrm{pkt}}}{N_{\mathrm{ave}}}---\left(3\right)$

其中α和β是计算上式时的缓存和能量因素权值(α和β的最优值本领域技术人员能由仿真实验确定)。

节点将数据传递到sink节点是通过节点之间的数据多跳传输来完成的，远离sink的节点需要借助中间节点的中转才能将数据传输到sink节点。节点在选择中转节点的时候就是根据上式在靠近sink节点的邻节点中选出权值W最小的节点担任中转节点，也就是选择剩余缓存大、剩余能量多、周围标签数较少的节点作为中转节点。通过上式可以选择出适当的节点来均衡网络中的能耗和负载，从而延长网络的生命周期、减少数据的丢包率。

最后，为了验证本发明提出的选择下一跳路由节点的方法对路由协议性能的改善，在matlab平台上进行了仿真。仿真实验使用的参数如下表：

表1仿真实验参数

仿真实验结果如图3所示，由图3可以看出本发明算法丢包量的增加速度要小于DD算法。随着运行时间的增加有些节点因为能量耗尽死亡，从而产生的数据会减少丢包量将不会继续增加。由于本发明增加考虑了RFID无线传感器网络中的标签因素和节点缓存的因素对其路由协议的影响，有效地平衡了网络的负载。由于数据转发过程中选择的中转节点的能量、带宽等资源相对充足，所以可以避免数据重传带来的能量消耗，从而可以大幅改善算法的丢包问题。

仿真结果表明本发明的路由协议可以在保证网络的生命周期的基础上，减少网络的丢包率近20％，改善RFID网络的性能。

Claims (4)

1.一种RFID无线传感器网络路由协议，所述RFID无线传感器网络由具有无线传感器功能的RFID阅读器节点和RFID标签组成，该协议基于WSN路由协议，其中RFID阅读器节点的作用相当于WSN中的无线传感器节点，RFID阅读器节点将数据传递到汇聚节点是通过节点之间的数据多跳传输来完成的，远离汇聚节点的节点需要借助中间节点的中转将数据传输到汇聚节点，其特征在于节点在选择中转节点的时候根据下式在靠近汇聚节点的邻节点中选出权值W最小的节点担任中转节点：

$W=\mathrm{\α}*B_w+\mathrm{\β}*(1-\frac{E_{\mathrm{cur}}}{E_{\mathrm{ini}}})+(1-\mathrm{\α}-\mathrm{\β})*\frac{N_{\mathrm{pkt}}}{N_{\mathrm{ave}}},$

其中，节点的能量因子为E_cur为节点的剩余能量，E_ini为节点的初始能量；α和β是计算时节点的缓存和能量因素权值，节点的带宽因子B_w为L为节点缓存大小，n为已占用的缓存大小；节点周围的标签数因子为N_pkt为下一跳节点周围的标签个数，N_ave为平均下一跳节点标签个数。

2.根据权利要求1所述的一种RFID无线传感器网络路由协议，其特征在于无线传感器节点即RFID阅读器节点具有如下性质：①汇聚节点远离传感区域；②各节点具有相同且有限的初始能量和数据处理能力：③节点的位置在配置后固定不变；④节点周期性地将收集到的数据传输到汇聚节点；⑤相同的数据在两个节点间的双向传递消耗的能量是相同的；⑥节点能根据接收到的信号强度判断出到对方即发送节点的距离，并根据这个距离来调整节点的发射功率；⑦节点具有唯一地址。

3.根据权利要求1所述的一种RFID无线传感器网络路由协议，其特征在于当节点发送kbit数据到距离为d的节点时消耗的能量：

$E_{\mathrm{Tx}}(k,d)=E_{\mathrm{elec}}\left(k\right)+E_{\mathrm{Tx}-\mathrm{amp}}(k,d)=\left\{\begin{array}{cc}k*E_{\mathrm{elec}}+k*{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{fs}}*d^2& d\≤d_0\\ k*E_{\mathrm{elec}}+k*{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{mp}}*d^4& d>d_0\end{array}\right.---\left(1\right)$

节点接收kbit的数据消耗的能量为：

E_Rx(k)＝E_elec(k)＝k*E_elec    (2)，

其中E_elec为无线收发电路消耗的能量；E_Tx-amp表示放大器消耗的能量；d为两个节点之间的距离；ε_fs和ε_mp分别为自由空间模型和多路径衰减模型下放大器消耗的能量。

4.根据权利要求1所述的一种RFID无线传感器网络路由协议，其特征在于该协议中的网络分层过程包括：由汇聚结点以设定的功率发送一个分层消息开始；接收到该分层消息的节点将自己标记为距离汇聚结点的一跳节点，然后将分层消息中的跳数加1后传递给邻节点；邻节点如果是第一次接收到分层消息则将消息中包含的跳数作为自己距离汇聚节点的跳数，然后加1再发送给它的邻节点，如果节点不止一次收到分层消息，则将自己保存的跳数与当前接收到的分层消息中的跳数相比较，只有当前接收到的分层消息中的跳数小于自己保存的跳数时才将距离汇聚节点的跳数改为当前接收到的分层消息中的跳数，否则直接忽略接收到的分层消息；一直重复进行上述过程直到所有节点都确定好了自己距离汇聚节点的跳数；节点根据距离汇聚节点的跳数来判断自己所属的层数。