CN104320821A - 一种异频无线传感器网络中的初始组网与路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种异频无线传感器网络中的初始组网与路由方法，在多个异频基站存在的条件下，普通节点通过轮询侦听与消息交互，同时实现初始组网与路由，完成网络在无人干预下的自组织运行，从而为普通节点与异频基站的组网提供一种高效、快速的手段。同时，采用逆向路由方法，在网络中的传感数据向基站汇聚提供支持。本发明将轮询侦听与逆向路由学节相结合，能够有效地解决存在多个异频基站的条件下，无线传感器网络的初始组网问题；同时将路由建立与节点初始入网有机地结合在一起，所生成的路径能够为后续的传感数据收集汇聚以及基站向普通节点下发指令提供保障；而路由路径根据网络拓扑变化动态更新，支持具有移动性的无线传感器网络。

Description

一种异频无线传感器网络中的初始组网与路由方法

技术领域

本发明属于无线网络技术领域，具体为一种异频无线传感器网络中的初始组网与路由方法，应用于具有多个工作频率且随机投放在监测区域的无线传感器网。

背景技术

无线传感器网络是由一组传感器节点和基站构成的一类无线多跳网络。传感器节点负责收集所在区域内的信息，并通过多跳方式将数据传递给基站；基站则负责分析和处理来自网络中各节点的数据。

在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方，传感器节点的位置往往不能预先确定，节点之间的相互邻居关系也不能预先获知。例如，通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人类不可到达的危险的区域。因而无线传感器网络具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自组织地形成多跳转发的通信系统。

为了减少冲突，网络中的基站可以采用不同的工作频率。网络在布设前，各基站预先设置一个工作频率。然而，由于基站位置的不可预知性，网络拓扑的随机性，不能预先为普通节点设置固定的工作频率。为此，目前已有了一些分簇方法：

1)低能耗分簇方法(参见文献：W.R.Heinzelman,A.Chandrakasan and H.Balakrishnan.Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless MicrosensorNetworks.33rd Hawaii International Conference on System Sciences,Hawaii,USA,2000)。该方法的基本思想是在全网范围内周期性随机选取簇首，未选举成为簇首的节点选择最近的相邻簇首加入簇。在该方法中，簇首的周期性随机选举使得网络中每个节点都可以周期性担任簇首，从而使得网络能耗均衡；另外，簇首的数据融合处理能够减少网络中冗余数据信息，降低数据传输开销。

2)权重分簇方法(参见文献：M.Chatterjee,S.K.Das and D.Turgut.WCA:AWeighted Clustering Algorithm for Mobile Ad Hoc Networks.Cluster Computing Journal,2002,vol.5,no.2,pp.193-204)。该方法是一种经典的基于节点度的分簇方法。该方法将节点的度、收发能量和剩余能量作为选举簇首的依据，并限制形成分簇的大小(簇节点数过大时，簇内通信将消耗大量能量)以节省能量消耗。该方法比先前提出的分簇算法考虑得更为全面，并且通过实验证明，性能也更加优越。该方法的主要缺点是分簇初始化前，它需要获取节点的权重，要求每个节点向网络中扩散自己信息，并保存其他所有的节点信息，大量的计算和通信开销导致其分簇开销较大。簇首在完成汇聚和转发功能的过程中，分簇的开销也会导致其能量消耗过快而过快死亡，导致网络拓扑的不稳定。

3)定向天线分簇方法(参见文献：Y.C.Chen and C.Y.Wen.Distributed ClusteringWith Directional Antennas for Wireless Sensor Networks.IEEE Sensors Journal,2013.vol.13,no.6,pp.2166-2180)。该方法适用于采用定向天线的无线传感器网络中的分簇。该方法旨在减少协议开销，并保证网络的连通性。该方法采用了随机等待时钟、局部判决等手段，提高分簇性能。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种异频无线传感器网络中的初始组网与路由方法，在多个异频基站存在的条件下，普通节点通过轮询侦听与消息交互，同时实现初始组网与路由，完成网络在无人干预下的自组织运行，从而为普通节点与异频基站的组网提供一种高效、快速的手段。同时，采用逆向路由方法，在网络中的传感数据向基站汇聚提供支持。

本发明中异频无线传感器网络的初始组网与路由方法的原理：

网络中存在两类节点：基站和普通节点。其中，基站具有的无线接口具有固定工作频率，采用半双工方式进行无线信道的访问；普通节点的无线接口能够在系统所使用的频率集上进行动态切换，也采用半双工方式进行无线信道的访问。网络中的各节点被随机投放于监测区域内，并开机启动。

各基站在各自的工作频率上周期性广播入网通告消息。基站附近还未入网的普通节点周期性地切换工作频率，侦听广播入网通告消息。当未入网节点收到入网通告消息后，将工作频率锁定在当前频率上，并向基站发送入网请求消息。基站收到入网请求消息后，向未入网节点应答入网确认消息。收到入网确认消息后，节点完成入网过程。已入网节点转发入网通告消息。由此，从基站附近的节点开始，随着更多节点的入网，入网通告消息逐渐扩散到全网，完成网络的初始组网过程。

节点在接收到入网通告消息后，学习以对应基站为目的节点的逆向路由。即将发送入网通告消息节点作为上一跳节点，以路径长度为标准，选择到达基站的最短路径。并在网络初始组网完成时，形成多颗以基站为根的最短路由树。节点发送的入网请求消息将沿该路由树递交到对应的基站。同样，节点在收到入网请求消息时，也学习以发送请求消息的节点为目的节点的逆向路由，即将发送入网请求消息节点作为上一跳节点，以路径长度为标准，选择到达请求节点的最短路径。同样，也形成多颗以基站为根的最短路由树，且与上述最短路由树路径方向相反。

本发明中异频无线传感器网络的初始组网与路由方法的主要特点包括：

1、支持具有多个异频基站的无线传感器网络初始组网。

2、通过入网通告消息，节点入网过程从多个异频基站附近开始，逐渐扩散到全网。

3、通过逆向路由学习，在入网过程同时建立树型路由，支持后续数据汇聚与信令发布。

4、支持具有移动性的无线传感器网络。

5、支持基站和普通节点的动态入网与出网。

本发明的技术方案为：

所述一种异频无线传感器网络中的初始组网与路由方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：入网通告：

入网通告过程包括入网通告消息的发送、入网通告消息的接收以及入网通告消息的转发三个过程：

入网通告消息的发送：

各基站在开机启动后，在设定的工作频率上以周期T_a发送入网通告消息；各基站维护一个消息序列号，在每次发送入网通告消息时，该序列号的值加1；入网通告消息包括<基站地址>、<发送节点地址>、<与基站的间距>以及<序列号>；其中，<发送节点地址>设置为基站地址；<与基站的间距>设置为0；<序列号>设置为基站所维护的消息序列号的值；然后，基站以广播方式发送入网通告消息；

入网通告消息的接收：

普通节点在入网前以周期CT_a轮询系统各工作频率，其中参数C＞1；当普通节点收到入网通告消息后，锁定当前工作频率，并将<序列号>值进行缓存；如果入网通告消息中的<序列号>不大于缓存中的序列号值，表明该入网通告消息重复接收，不再处理，否则，按如下方式进行处理：

采用入网通告消息更新路由表项，将下一跳地址设置为<发送节点地址>的值，并将到基站的距离设置为<与基站的间距>的值加1；如果节点未入网，那么节点基于所学路由表项，以单播方式向基站发送入网请求消息；

入网通告消息的转发：

已入网普通节点收到入网通告消息后，如果该入网通告消息非重复接收，那么对该入网通告消息进行转发：首先，将<发送节点地址>设置为本节点地址，<与基站的间距>的值加1；然后，将该入网通告消息以广播方式发送出去；

步骤2：入网请求：

入网请求过程包括入网请求消息的发送、入网请求消息的接收以及入网请求消息的转发三个过程：

入网请求消息的发送：

未入网普通节点收到入网通告消息后，以单播方式向对应基站发送入网请求消息：入网请求消息包括<基站地址>、<请求节点地址>、<发送节点地址>、<接收节点地址>、<与请求节点的间距>；其中，<请求节点地址>和<发送节点地址>都设置为本节点地址，<接收节点地址>设置为路由表项中下一跳地址，<与请求节点的间距>设置为0；

入网请求消息的接收：

节点在收到入网请求消息后，学习以<请求节点地址>为目的地址的路由表项，将下一跳地址设置为<发送节点地址>的值，并将到目的节点的距离设置为<与请求节点的间距>的值加1；

如果本节点地址与<基站地址>相同，那么执行入网确认过程；如果本节点不是基站，且地址与<接收节点地址>相同，那么执行入网请求消息的转发；否则，丢弃该入网请求消息；

入网请求消息的转发：

普通节点收到入网请求消息后，如果不丢弃，那么本节点根据已经学习到的以基站为目的节点的路由，向基站转发该入网请求消息：首先，将<发送节点地址>设置为本节点地址，<接收节点地址>设置为路由表项中下一跳地址，<与请求节点的间距>的值加1；然后，将该入网请求消息以单播方式发送出去；

步骤3：入网确认：

入网确认过程包括入网确认消息的发送、入网确认消息的接收以及入网确认消息的转发三个过程：

入网确认消息的发送：

基站收到未入网普通节点的入网请求消息后，以单播方式向该请求节点发送入网确认消息；入网确认消息包括<基站地址>、<请求节点地址>、<发送节点地址>、<接收节点地址>、<与基站的间距>；其中，<基站地址>和<发送节点地址>都设置为本基站地址，<请求节点地址>设置为发送入网请求消息的节点地址，<接收节点地址>设置为路由表项中下一跳地址，<与基站的间距>设置为0；

入网确认消息的接收：

节点在收到入网确认消息后，学习以<基站地址>为目的地址的路由表项，将下一跳地址设置为<发送节点地址>的值，并将到目的节点的距离设置为<与基站的间距>的值加1；

如果本节点地址与<请求节点地址>相同，那么节点完成入网确认过程，正式加入网络；如果本节点与<请求节点地址>不同，但与<接收节点地址>相同，那么执行入网确认消息的转发步骤；否则，丢弃该入网确认消息；

入网确认消息的转发：

普通节点收到入网确认消息后，如果不丢弃，那么本节点根据已经学习到的以请求节点为目的节点的路由，转发该入网请求消息：首先，将<发送节点地址>设置为本节点地址，<接收节点地址>设置为路由表项中下一跳地址，<与基站的间距>的值加1；然后，将该入网确认消息以单播方式发送出去；

步骤4：入网维持：

分为普通节点入网维持、普通节点出网、基站出网三个过程：

普通节点入网维持：

已入网普通节点以周期T_q，向基站发送入网请求消息；

普通节点出网：

如果基站在KT_q时间内没有收到已入网节点的任何消息，则表示该节点出网，其中，参数K＞1；基站将包含该节点的路由表项删除；

基站出网：

如果已入网节点在LT_a时间内没有收到对应基站的任何消息，则表示该基站已经出网，其中，参数L＞1；节点将包含该基站的路由表项删除，回到未入网状态，并依入网通告过程中的入网通告消息接收过程进行操作。

有益效果

本发明与传统的无线传感器网络组网方法相比，将轮询侦听与逆向路由学节相结合，即考虑了异频基站对初始组网的影响，又考虑了后续数据汇聚与信令发布的路由需求，能够有效地解决存在多个异频基站的条件下，无线传感器网络的初始组网问题；并且将节点初始入网过程中实现了同时完成了节点频率的选择与基站接入；同时将路由建立与节点初始入网有机地结合在一起，所生成的路径能够为后续的传感数据收集汇聚以及基站向普通节点下发指令提供保障；而路由路径根据网络拓扑变化动态更新，支持具有移动性的无线传感器网络；最后本发明也支持基站与普通节点的动态入网与出网。

附图说明

图1普通节点运行的状态图。

图2入网通告消息的接收与处理的过程。

图3入网请求消息的接收与处理过程。

图4入网确认消息的接收与处理过程。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

系统包含多个基站和多个普通节点，每个基站的工作频率可以不同。通过飞行器播撒等方式，将上述节点随机地布设于监测区域内，并构成一个无线传感器网络。网络在开机启动后，采用本发明中所述方法完成初始组网与路由建立。普通节点通过所建立的路由路径，将所收集的传感数据汇集到对应基站。基点也能通过所建立的路由路径，向与之关联的普通节点发布控制指令。

具体的过程如下：

步骤1：入网通告：

入网通告过程包括入网通告消息的发送、入网通告消息的接收以及入网通告消息的转发三个过程。

入网通告消息的发送：

各基站在开机启动后，在设定的工作频率上以周期T_a发送入网通告消息；各基站维护一个消息序列号，在每次发送入网通告消息时，该序列号的值加1；入网通告消息包括<基站地址>、<发送节点地址>、<与基站的间距>以及<序列号>；其中，<发送节点地址>设置为基站地址；<与基站的间距>设置为0；<序列号>设置为基站所维护的消息序列号的值；然后，基站以广播方式发送入网通告消息。

入网通告消息的接收：

普通节点在入网前以周期CT_a轮询系统各工作频率，其中参数C＞1；当普通节点收到入网通告消息后，锁定当前工作频率，并将<序列号>值进行缓存；如果入网通告消息中的<序列号>不大于缓存中的序列号值，表明该入网通告消息重复接收，不再处理，否则，按如下方式进行处理：

采用入网通告消息更新路由表项，将下一跳地址设置为<发送节点地址>的值，并将到基站的距离设置为<与基站的间距>的值加1；如果节点未入网，那么节点基于所学路由表项，以单播方式向基站发送入网请求消息。

入网通告消息的转发：

已入网普通节点收到入网通告消息后，如果该入网通告消息非重复接收，那么对该入网通告消息进行转发：首先，将<发送节点地址>设置为本节点地址，<与基站的间距>的值加1；然后，将该入网通告消息以广播方式发送出去。

步骤2：入网请求：

入网请求过程包括入网请求消息的发送、入网请求消息的接收以及入网请求消息的转发三个过程。

入网请求消息的发送：

未入网普通节点收到入网通告消息后，向对应基站发送入网请求消息。由于在入网通告过程中，普通节点已经学习到了以基站为目的节点的路由，因而未入网普通节点将以单播方式向基站发送入网请求消息。入网请求消息包括<基站地址>、<请求节点地址>、<发送节点地址>、<接收节点地址>、<与请求节点的间距>；其中，<请求节点地址>和<发送节点地址>都设置为本节点地址，<接收节点地址>设置为路由表项中下一跳地址，<与请求节点的间距>设置为0。

入网请求消息的接收：

节点在收到入网请求消息后，学习以<请求节点地址>为目的地址的路由表项。将下一跳地址设置为<发送节点地址>的值，并将到目的节点的距离设置为<与请求节点的间距>的值加1。

如果本节点地址与<基站地址>相同，那么执行入网确认过程；如果本节点不是基站，且地址与<接收节点地址>相同，那么执行入网请求消息的转发；否则，丢弃该入网请求消息。

入网请求消息的转发：

普通节点收到入网请求消息后，如果不丢弃，那么本节点根据已经学习到的以基站为目的节点的路由，向基站转发该入网请求消息：首先，将<发送节点地址>设置为本节点地址，<接收节点地址>设置为路由表项中下一跳地址，<与请求节点的间距>的值加1；然后，将该入网请求消息以单播方式发送出去。

步骤3：入网确认：

入网确认过程包括入网确认消息的发送、入网确认消息的接收以及入网确认消息的转发三个过程。

入网确认消息的发送：

基站收到未入网普通节点的入网请求消息后，向该请求节点发送入网确认消息。由于在入网请求过程中，基站已经学习到了以请求节点为目的节点的路由，因而基站将以单播方式向请求节点发送入网确认消息。入网确认消息包括<基站地址>、<请求节点地址>、<发送节点地址>、<接收节点地址>、<与基站的间距>；其中，<基站地址>和<发送节点地址>都设置为本基站地址，<请求节点地址>设置为发送入网请求消息的节点地址，<接收节点地址>设置为路由表项中下一跳地址，<与基站的间距>设置为0。

入网确认消息的接收：

节点在收到入网确认消息后，学习以<基站地址>为目的地址的路由表项。将下一跳地址设置为<发送节点地址>的值，并将到目的节点的距离设置为<与基站的间距>的值加1；

如果本节点地址与<请求节点地址>相同，那么节点完成入网确认过程，正式加入网络；如果本节点与<请求节点地址>不同，但与<接收节点地址>相同，那么执行入网确认消息的转发步骤；否则，丢弃该入网确认消息；

入网确认消息的转发：

普通节点收到入网确认消息后，如果不丢弃，那么本节点根据已经学习到的以请求节点为目的节点的路由，转发该入网请求消息：首先，将<发送节点地址>设置为本节点地址，<接收节点地址>设置为路由表项中下一跳地址，<与基站的间距>的值加1；然后，将该入网确认消息以单播方式发送出去。

步骤4：入网维持：

分为普通节点入网维持、普通节点出网、基站出网三个过程：

普通节点入网维持：

已入网普通节点以周期T_q，向基站发送入网请求消息；

普通节点出网：

如果基站在KT_q时间内没有收到已入网节点的任何消息(包括入网通告、入网请求、入网确认以及数据消息)，则表示该节点出网，其中，参数K＞1；基站将包含该节点的路由表项删除；

基站出网：

如果已入网节点在LT_a时间内没有收到对应基站的任何消息，则表示该基站已经出网，其中，参数L＞1；节点将包含该基站的路由表项删除，回到未入网状态，并依入网通告过程中的入网通告消息接收过程进行操作。

这样随着节点能量的消耗，网络在工作一段时间后，将出现节点出网。本发明中所述方法能够在普通节点出网时，维持网络中的路由；并在基站出网时，实现普通节点的重入网。

在网络运行过程中，例如在一部分节点耗尽能量时，还可以向网络中补充投放新的基站和普通节点。本发明中所述方法能够在增加新基站和普通节点时，动态地适应网络拓扑的变化，实现新节点的入网与路由建立。

Claims (1)

1.一种异频无线传感器网络中的初始组网与路由方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：入网通告：

入网通告过程包括入网通告消息的发送、入网通告消息的接收以及入网通告消息的转发三个过程：

入网通告消息的发送：

各基站在开机启动后，在设定的工作频率上以周期T_a发送入网通告消息；各基站维护一个消息序列号，在每次发送入网通告消息时，该序列号的值加1；入网通告消息包括<基站地址>、<发送节点地址>、<与基站的间距>以及<序列号>；其中，<发送节点地址>设置为基站地址；<与基站的间距>设置为0；<序列号>设置为基站所维护的消息序列号的值；然后，基站以广播方式发送入网通告消息；

入网通告消息的接收：

普通节点在入网前以周期CT_a轮询系统各工作频率，其中参数C＞1；当普通节点收到入网通告消息后，锁定当前工作频率，并将<序列号>值进行缓存；如果入网通告消息中的<序列号>不大于缓存中的序列号值，表明该入网通告消息重复接收，不再处理，否则，按如下方式进行处理：

采用入网通告消息更新路由表项，将下一跳地址设置为<发送节点地址>的值，并将到基站的距离设置为<与基站的间距>的值加1；如果节点未入网，那么节点基于所学路由表项，以单播方式向基站发送入网请求消息；

入网通告消息的转发：

已入网普通节点收到入网通告消息后，如果该入网通告消息非重复接收，那么对该入网通告消息进行转发：首先，将<发送节点地址>设置为本节点地址，<与基站的间距>的值加1；然后，将该入网通告消息以广播方式发送出去；

步骤2：入网请求：

入网请求过程包括入网请求消息的发送、入网请求消息的接收以及入网请求消息的转发三个过程：

入网请求消息的发送：

未入网普通节点收到入网通告消息后，以单播方式向对应基站发送入网请求消息：入网请求消息包括<基站地址>、<请求节点地址>、<发送节点地址>、<接收节点地址>、<与请求节点的间距>；其中，<请求节点地址>和<发送节点地址>都设置为本节点地址，<接收节点地址>设置为路由表项中下一跳地址，<与请求节点的间距>设置为0；

入网请求消息的接收：

节点在收到入网请求消息后，学习以<请求节点地址>为目的地址的路由表项，将下一跳地址设置为<发送节点地址>的值，并将到目的节点的距离设置为<与请求节点的间距>的值加1；

如果本节点地址与<基站地址>相同，那么执行入网确认过程；如果本节点不是基站，且地址与<接收节点地址>相同，那么执行入网请求消息的转发；否则，丢弃该入网请求消息；

入网请求消息的转发：

普通节点收到入网请求消息后，如果不丢弃，那么本节点根据已经学习到的以基站为目的节点的路由，向基站转发该入网请求消息：首先，将<发送节点地址>设置为本节点地址，<接收节点地址>设置为路由表项中下一跳地址，<与请求节点的间距>的值加1；然后，将该入网请求消息以单播方式发送出去；

步骤3：入网确认：

入网确认过程包括入网确认消息的发送、入网确认消息的接收以及入网确认消息的转发三个过程：

入网确认消息的发送：

基站收到未入网普通节点的入网请求消息后，以单播方式向该请求节点发送入网确认消息；入网确认消息包括<基站地址>、<请求节点地址>、<发送节点地址>、<接收节点地址>、<与基站的间距>；其中，<基站地址>和<发送节点地址>都设置为本基站地址，<请求节点地址>设置为发送入网请求消息的节点地址，<接收节点地址>设置为路由表项中下一跳地址，<与基站的间距>设置为0；

入网确认消息的接收：

节点在收到入网确认消息后，学习以<基站地址>为目的地址的路由表项，将下一跳地址设置为<发送节点地址>的值，并将到目的节点的距离设置为<与基站的间距>的值加1；

如果本节点地址与<请求节点地址>相同，那么节点完成入网确认过程，正式加入网络；如果本节点与<请求节点地址>不同，但与<接收节点地址>相同，那么执行入网确认消息的转发步骤；否则，丢弃该入网确认消息；

入网确认消息的转发：

普通节点收到入网确认消息后，如果不丢弃，那么本节点根据已经学习到的以请求节点为目的节点的路由，转发该入网请求消息：首先，将<发送节点地址>设置为本节点地址，<接收节点地址>设置为路由表项中下一跳地址，<与基站的间距>的值加1；然后，将该入网确认消息以单播方式发送出去；

步骤4：入网维持：

分为普通节点入网维持、普通节点出网、基站出网三个过程：

普通节点入网维持：

已入网普通节点以周期T_q，向基站发送入网请求消息；

普通节点出网：

如果基站在KT_q时间内没有收到已入网节点的任何消息，则表示该节点出网，其中，参数K＞1；基站将包含该节点的路由表项删除；

基站出网：

如果已入网节点在LT_a时间内没有收到对应基站的任何消息，则表示该基站已经出网，其中，参数L＞1；节点将包含该基站的路由表项删除，回到未入网状态，并依入网通告过程中的入网通告消息接收过程进行操作。