CN104363628A - 一种基于信息高速通道的无线传感网跨层路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于信息高速通道的无线传感网跨层路由方法，其工作过程是由不断交替的两个阶段组成的，这两个阶段分别为通道搭建期和数据传输期；通道搭建期完成高速信息通道的搭建，且通道搭建期的时长要远远小于数据传输期的时长；在数据传输期内所有节点之间进行正常的业务数据传输。所述通道搭建期整体分为三个阶段，首先Sink节点完成网络整体拓扑的探测，获取节点分布情况以及能量、性能等参数；然后通过计算选取出适合的节点形成稳定的高速信息通道，并且告知这些节点被选取为高速通道节点；最后由各个高速通道节点依次向周边邻居节点广播自己的身份，网络中普通节点根据这些广播信息计算出一个进入信息通道的最佳入口节点。

Description

一种基于信息高速通道的无线传感网跨层路由方法

技术领域

本发明涉及一种基于信息高速通道的无线传感网跨层路由方法。

背景技术

传统的自组织网络中通过路由发现来找到通往目的节点(Sink节点)的合适路径，大量的路由发现消息分组占用了部分网络资源，使得网络性能有所下降；众多节点搜寻的路径纷繁复杂、相互交错，使得大量信息分组交互时容易形成网络拥塞状况。远端节点(距离Sink节点较远的节点)的分组到达Sink节点往往要经历一个漫长的路径，会导致时延过长甚至不能容忍。

发明内容

本发明涉及一种基于信息高速通道的无线传感网跨层路由方法，在无线传感器网络中，工作过程是由不断交替的两个阶段组成的，这两个阶段分别为通道搭建期和数据传输期；通道搭建期和数据传输期交错进行；通道搭建期完成高速信息通道的搭建，并且通道搭建期的时长要远远小于数据传输期的时长；在数据传输期内所有节点之间进行正常的业务数据传输；

所述通道搭建期整体分为三个阶段，首先Sink节点完成网络整体拓扑的探测，获取节点分布情况以及能量、性能等参数；然后通过计算选取出适合的节点形成稳定的高速信息通道，并且告知这些节点被选取为高速通道节点；最后由各个高速通道节点依次向周边邻居节点广播自己的身份，网络中普通节点根据这些广播信息计算出一个进入信息通道的最佳入口节点。

本发明采用的方法能保证所有节点在低能耗状态下能实现比较高的能量利用效率和网络性能，并且能有效降低远端节点发送的分组到达Sink节点的时延。

附图说明

通过参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其它方面及优点将变得更加易于清楚，在附图中：

图1为本发明的网络的时序结构示意图；

图2为本发明的网络拓扑示例示意图。

具体实施方式

在下文中，现在将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。

在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。

本发明设计了一种基于信息高速通道的无线传感网跨层路由方法，通过计算选举出合适的传感器节点形成一条或多条从远端到达Sink节点端的信息分组快速传递路径－－信息高速通道，从而能有效降低大型无线传感器网络中远端节点发送的分组到达Sink节点的时延，提高吞吐量和稳定性。

本发明设计的网络协议由两个大时期组成－－通道搭建期和数据传输期。在通道搭建期，本发明采用一种基于能量与性能参数的高速通道搭建方法，从而能形成一条或多条稳定的高速信息通道。在数据传输期，所有节点进行正常的网络交互。

具体方法如下：

一、网络时序结构

本发明中，无线传感器网络的工作过程是由不断交替的两个阶段组成的，这两个阶段分别为通道搭建期和数据传输期。通道搭建期和数据传输期交错进行；通道搭建期完成高速信息通道的搭建，并且通道搭建期的时长要远远小于数据传输期的时长；在数据传输期内所有节点之间进行正常的业务数据传输。

通道搭建期整体分为三个阶段。首先Sink节点完成网络整体拓扑的探测，获取节点分布情况以及能量、性能等参数；然后通过计算选取出适合的节点形成稳定的高速信息通道，并且告知这些节点被选取为高速通道节点；最后由各个高速通道节点依次向周边邻居节点广播自己的身份，网络中普通节点根据这些广播信息计算出一个进入信息通道的最佳入口节点。

二、通道搭建期

本发明中的通道搭建期采用一种基于邻居发现与距离值、能量参数计算的高速通道搭建方法。

1、整体探测期

首先Sink节点会广播一个网络探测报文，其中有一个距离字段，Sink节点生成报文时初始值为0，每经过一跳距离值增加1。所有节点首次收到探测报文后就记录下其中的距离值并将此报文继续转发出去。如若重复收到探测报文，则将信收到报文中的距离值与之前记录的距离值相比：若新报文中值更小，则删除之前记录的距离值和并记录下新报文中的距离值，然后将此报文继续转发出去；若相同或比记录值大或者此探测报文的TTL值为0则丢弃。

至此完成对所有节点的距离分组，为了让高速通道能尽量向远处延伸，本发明设计方法为每一个距离分组中的所有节点只有一个能入选同一条高速通道。这样就能保证每条高速通道的每一跳都是向网络中距Sink节点的远端建立的。

经过一段时间后，所有节点都能获取到自己距Sink节点最小的距离值。此时每个节点会进行邻居发现，并与发现的所有邻居节点交换距离值信息，把所有邻居节点的个数与每个邻居节点的距离值都记录下来。

到此整体探测期完成。

2、通道形成期

邻居节点探测完成之后，所有节点会将自身的能量值E、距离值D、所有邻居节点的距离之和S发送至Sink节点。其中

$S_i=\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{M}_j$

S_i表示第i号节点的所有邻居节点距离值之和，M_j该i号节点的第j个邻居节点的距离值，k表示该i号节点拥有邻居节点数目。

Sink节点收到之后，会根据能量值E、距离值D以及邻居节点距离之和S计算出每个节点的权重值P

$P_i=\frac{E_i}{\sqrt{D_i}}\×\mathrm{\α}+S_i\×\mathrm{\β}$

Pi表示第i号节点的权重值，E_i表示第i号节点的能量值，D_i表示第i号节点的距离值，S_i表示第i号节点的所有邻居节点距离值之和；α和β是控制系数，由网络规模大小控制，网络规模越大，α值越小。网络中节点总数为n

$\begin{array}{c}\mathrm{\α}=\frac{1}{\sqrt{n}}\\ \mathrm{\α}+\mathrm{\β}=1\end{array}$

由权重值P公式可以看出，当节点距离值越小时，节点优先级确定因素中能量因素的影响越大，因为一般数据都朝向Sink节点汇聚，越靠近Sink节点数据传输量就越大，那么就越需要大量的能量，邻居节点数目因素的影响次之。当节点距离值越大，那么此时就需要在充足能量基础上，拥有越多的邻居节点以发挥出高速通道最大的效用，并且当S_i值越大时，表示此路线越朝向远离Sink节点方向。

所有节点的P_i值都会在各节点信息传送至Sink节点时计算出来并与节点信息一起保存在拓扑表中。此时所有节点构成一个带有权值的无向图，本发明设计的基于邻居发现与距离值、能量参数计算的高速通道搭建方法规定：1、所有的高速通道中相同距离值的节点有且只有一个；2、选取出来的高速通道节点要组成一条可以连通Sink节点的链路；3、优先选取通道权值L小的通道。4、通道节点个数m为全网所有节点中最大距离值D_max-1。

$L=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i$

其中L为此高速通道的优先权值，m为通道节点个数，P为此通道中节点的优先权值。根据每条符合条件的路径计算出其权重值L，选取L值大的路径即为高速信息通道的最佳线路。

3、通告期

高速通道选取完成之后，Sink节点会向这些通道节点发送通道节点任命信息。距离值为1的即为1号通道节点，距离值为2的即为2号通道节点，以此类推。首先Sink节点会将任命信息发送给1号通道节点，1号节点收到后立刻发出广播通告信息给周围邻居节点告知自己成为1号通道节点，邻居节点收到后也继续转发；所有节点仅接收并转发一次同一通道节点的通告信息，重复收到或者TTL值为0就丢弃。1号通道节点通告完成后所有节点都可以知道去往此通道节点的合适路径。然后1号通告节点将任命信息发送至下一个2号通道节点，2号通道节点进行通告。后面所有通道节点进行相同操作，直到所有通道节点都完成通告。

此时所有普通节点都知晓通往每个通道节点的距离与合适路径，普通节点会选择距离自己最近的通道节点进行信息发送，再由通道节点将信息快速发送至Sink节点。

当最后一个通道节点完成通告时，发送一个通道完成报文至Sink节点，所有通道节点收到会立刻转发给下一通道节点并向邻居节点广播此报文，告知所有节点通道完成可以开始正常工作。

至此通告期完成，高速通道搭建完毕。通道搭建期结束，网络进入数据传输期。

示例：网络拓扑如图2所示，Sink节点收到所有节点的信息之后会形成一个网络的整体拓扑结构，根据节点能量值、周围邻居节点数目、距Sink节点的跳数计算得出一个最佳路径。假若所有节点能量相同，其中n0为Sink节点，1、5、6为1跳节点，2、7、10、11、12为2跳节点，3、8、13、15、16、17为3跳节点、4、9、14、19、20、21、22、23、24为4跳节点。其中最远跳数为4，那么通道选取3个节点，我们从每一个相同距离节点中选取1个节点组成高速通道。

在能量及其它参数相同的情况下，在1跳节点中可以选择6号节点，2跳节点中为7、11、12，3跳节点中为8、13、16、17、18；我们可以形成多条高速通道，例如0～6～12～18、0～6～11～17、0～6～7～8等等。但这其中L值最大的为0～6～12～18。

选取结束之后，Sink节点将会发送消息给这些节点，6为1号通道节点，12为2号通道节点，18为3号通道节点。进入通告期，从6号节点开始，依次广播报文通告自己的信息，周围节点接收到之后记录下通往此入口节点最小跳数的路径。如果有信息要发送至Sink节点则直接通过最近的并且跳数最小的入口节点发送。如7号节点距1跳入口节点和2跳入口节点都为1跳的距离，会优先选择1跳入口节点。

三、数据传输期

数据传输期则进行正常的网络交互。所有节点MAC层均按照802.11中的RTS/CTS信道预约机制。

普通节点采取阶段性睡眠模式进行工作以节省能量，在固定周期内进行睡眠-工作模式交替。

通道节点采取激发工作模式。待激发状态中，节点每隔很短时间就监听一次信道，约为10个请求报文发送时长，监听时间非常非常短，大约为2个请求报文RTS发送的时长；如果有信息则进入工作模式直到信息传输完成。完成一次传输之后继续监听一次信道，时间也为2个请求报文发送的时长，如果没有消息就继续进入待激发状态，有消息需要发送则继续发送。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于信息高速通道的无线传感网跨层路由方法，其特征在于：

工作过程是由不断交替的两个阶段组成的，这两个阶段分别为通道搭建期和数据传输期；通道搭建期和数据传输期交错进行；通道搭建期完成高速信息通道的搭建，并且通道搭建期的时长要远远小于数据传输期的时长；在数据传输期内所有节点之间进行正常的业务数据传输；

所述通道搭建期整体分为三个阶段，首先Sink节点完成网络整体拓扑的探测，获取节点分布情况以及能量、性能等参数；然后通过计算选取出适合的节点形成稳定的高速信息通道，并且告知这些节点被选取为高速通道节点；最后由各个高速通道节点依次向周边邻居节点广播自己的身份，网络中普通节点根据这些广播信息计算出一个进入信息通道的最佳入口节点。

2.如权利要求1所述的一种基于信息高速通道的无线传感网跨层路由方法，其特征在于：

所述通道搭建期采用一种基于邻居发现与距离值、能量参数计算的信息高速通道搭建方法，具体步骤如下：

(1)、整体探测期

首先Sink节点会广播一个网络探测报文，其中有一个距离字段，Sink节点生成报文时初始值为0，每经过一跳距离值增加1；所有节点首次收到探测报文后就记录下其中的距离值并将此报文继续转发出去；如若重复收到探测报文，则将信收到报文中的距离值与之前记录的距离值相比：若新报文中值更小，则删除之前记录的距离值和并记录下新报文中的距离值，然后将此报文继续转发出去；若相同或比记录值大或者此探测报文的TTL值为0则丢弃；

至此完成对所有节点的距离分组，为了让高速通道能尽量向远处延伸，每一个距离分组中的所有节点只有一个能入选同一条高速通道；

经过一段时间后，所有节点都能获取到自己距Sink节点最小的距离值；此时每个节点会进行邻居发现，并与发现的所有邻居节点交换距离值信息，把所有邻居节点的个数与每个邻居节点的距离值都记录下来；

到此整体探测期完成；

(2)、通道形成期

邻居节点探测完成之后，所有节点会将自身的能量值E、距离值D、所有邻居节点的距离之和S发送至Sink节点；其中

$S_i=\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{M}_j$

S_i表示第i号节点的所有邻居节点距离值之和，M_j该i号节点的第j个邻居节点的距离值，k表示该i号节点拥有邻居节点数目；

Sink节点收到之后，会根据能量值E、距离值D以及邻居节点距离之和S计算出每个节点的权重值P

$P_i=\frac{E_i}{\sqrt{D_i}}\×\mathrm{\α}+S_i\×\mathrm{\β}$

P_i表示第i号节点的权重值，E_i表示第i号节点的能量值，D_i表示第i号节点的距离值，S_i表示第i号节点的所有邻居节点距离值之和；α和β是控制系数，由网络规模大小控制，网络规模越大，α值越小；网络中节点总数为n

$\mathrm{\α}=\frac{1}{\sqrt{n}}$

α+β＝1

所有节点的P_i值都会在各节点信息传送至Sink节点时计算出来并与节点信息一起保存在拓扑表中；此时所有节点构成一个带有权值的无向图，所述高速通道搭建方法中：1、所有的高速通道中相同距离值的节点有且只有一个；2、选取出来的高速通道节点要组成一条可以连通Sink节点的链路；3、优先选取通道权值L小的通道；4、通道节点个数m为全网所有节点中最大距离值D_max-1；

$L=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i$

其中L为此高速通道的优先权值，m为通道节点个数，P为此通道中节点的优先权值；根据每条符合条件的路径计算出其权重值L，选取L值大的路径即为高速信息通道的最佳线路；

(3)、通告期

高速通道选取完成之后，Sink节点会向这些通道节点发送通道节点任命信息；距离值为1的即为1号通道节点，距离值为2的即为2号通道节点，以此类推；首先Sink节点会将任命信息发送给1号通道节点，1号节点收到后立刻发出广播通告信息给周围邻居节点告知自己成为1号通道节点，邻居节点收到后也继续转发；所有节点仅接收并转发一次同一通道节点的通告信息，重复收到或者TTL值为0就丢弃；1号通道节点通告完成后所有节点都可以知道去往此通道节点的合适路径；然后1号通告节点将任命信息发送至下一个2号通道节点，2号通道节点进行通告；后面所有通道节点进行相同操作，直到所有通道节点都完成通告；

此时所有普通节点都知晓通往每个通道节点的距离与合适路径，普通节点会选择距离自己最近的通道节点进行信息发送，再由通道节点将信息快速发送至Sink节点；

当最后一个通道节点完成通告时，发送一个通道完成报文至Sink节点，所有通道节点收到会立刻转发给下一通道节点并向邻居节点广播此报文，告知所有节点通道完成可以开始正常工作；

至此通告期完成，高速通道搭建完毕；通道搭建期结束，网络进入数据传输期。

3.如权利要求2所述的一种基于信息高速通道的无线传感网跨层路由方法，其特征在于：

数据传输期进行正常的网络交互，所有节点MAC层均按照802.11中的RTS/CTS信道预约机制；

普通节点采取阶段性睡眠模式进行工作以节省能量，在固定周期内进行睡眠-工作模式交替；

通道节点采取激发工作模式；待激发状态中，节点每隔很短时间就监听一次信道，约为10个请求报文发送时长，监听时间非常非常短，大约为2个请求报文RTS发送的时长；如果有信息则进入工作模式直到信息传输完成；完成一次传输之后继续监听一次信道，时间也为2个请求报文发送的时长，如果没有消息就继续进入待激发状态，有消息需要发送则继续发送。