CN104994558A - 无线认知传感器网络中基于事件驱动的分簇路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线认知传感器网络中基于事件驱动的分簇路由方法，属于无线传感器网络技术领域。该方法将网络中的认知节点和源感知节点分离，源感知节点不再承担频谱感知功能，只负责源感知，而认知节点则负责频谱感知；认知节点和源感知节点组成分簇拓扑结构，由认知节点担任簇首，负责簇结构的建立，收集簇内成员的数据，经融合处理后发送给汇聚点；源感知节点和其他认知节点作为簇内成员，认知节点和源感知节点相互分离、紧密结合、协调地工作。本发明提供的一种无线认知传感器网络中基于事件驱动的分簇路由方法，解决了认知功能带来的额外能耗和处理要求与传感器节点有限资源的矛盾，解决了CRSN高成本实现与其低成本实现要求的矛盾。

Description

无线认知传感器网络中基于事件驱动的分簇路由方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种无线认知传感器网络中基于事件驱动的分簇路由方法。

背景技术

现有的WSN大都工作在无需授权的工业、科学、医学频段(Industrial Scientific Medical，ISM)。这些公用频段正随着各种新的无线通信技术的兴起(如Wifi、蓝牙、Wimax、Zigbee等)而变得日益拥挤，导致工作于ISM频段的各种无线设备之间的干扰日趋严重。有研究表明在同时工作时，IEEE 802.11网络会明显降低802.15.4/Zigbee网络的性能，因而工作在ISM频段的异构无线通信系统共存问题已成为WSN继续发展的瓶颈。

根据美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)的一份报告，基于现有频谱管理政策，绝大部分已经分配的频谱无论是在时间上还是空间上都利用不足，仅在15％至85％之间。鉴于认知无线电(Cognitive Radio，CR)能够通过利用动态频谱分配技术极大地提高频谱利用率，一些研究人员在WSN中引入CR技术，即在每个传感器上都装载一个具有认知功能的设备，伺机利用暂未使用的频谱段，以缓解WSN频谱极度紧张的局面以及解决多个异构无线通信系统(WSN)共存导致的相互干扰问题。这种在传感器节点上装载CR设备的WSN称为认知无线传感器网络(Cognitive RadioSensor Network，CRSN)。

在无线传感器网络中采用认知无线电技术，使传感器网络节点可以实时感知周围环境中的频谱信息，获取可用频谱资源，在通信过程中能够动态选择未被占用的频谱资源来完成通信过程。这样，不仅能缓解公用频段的拥挤状况，并且可提高网络对空闲频谱的利用率，增加节点可选的工作带宽；由于节点可以动态地去选择空闲信道工作，减少了节点因竞争信道而带来的等待和冲突，因此可以提高网络的吞吐量并缩短网络的通信时延。与传统WSN相比，CRSN在动态频谱接入、并发数据的伺机信道使用、适应性地降低能耗、多个异构WSN的重叠部署、不同频谱管理政策下工作方面拥有巨大的优势，具有重大应用价值和远大的发展前景，也被认为是下一代WSN。

然而，在CRSN中的传感器节点额外增加了频谱感知、频谱切换等功能，极大消耗了传感器节点本已受限的能量和处理能力；另外，无线认知传感器节点处理能力有限，常常需要多个传感器节点进行协作频谱感知然后通过协调器融合判决，他们之间感知信息的相互交流也导致了大量的能耗。这些由认知功能带来的额外的能耗和处理要求与传感器节点固有的资源约束产生了巨大的矛盾，极大地增加了功率高效的认知传感器节点的设计难度，将极大地缩短了CRSN生存时间，阻碍CRSN发展与应用。

现有的无线传感器网络的分簇路由协议有很多，其中最基本的就是LEACH路由算法，其他的如LEACH-C，LEACH-C和LEACH-F，TEEN，HEED，EEUC等路由算法，都是在LEACH算法的基础上提出并且改进的。

一方面，现有的无线传感器网络都工作在无需授权的公用频段，这些公用频段正随着各种新的无线通信技术的兴起(如Wifi、蓝牙、Wimax、Zigbee等)而日益拥挤。公用频段的异构无线系统共存问题已成为制约无线传感器网络发展的瓶颈问题。另一方面，传统的无线传感器网络所用频谱是固定分配的，且对于无线传感器节点来说，通信和处理资源相当有限，因而在一些特定的频谱资源使用较为紧张的环境中，传感器网络将很难正常工作，没有考虑频谱感知和频谱管理等方面的问题，更容易导致各种设备之间的干扰和信息传输时的拥挤问题。

现有的CRSN分簇路由协议如DSAC，CogLEACH等，其设计前提是所有节点都为无线认知传感器节点，都具有认知功能，在此基础上提出的分簇路由算法。

现有的CRSN分簇路由协议的前提是所有的传感器节点都具有认知功能。一方面所有的CRSN节点都进行频谱感知，频谱切换等功能，极大消耗了传感器节点本已受限的能量和处理能力，而CRSN传感器节点处理能力有限，常常需要多个传感器节点进行协作频谱感知然后通过协调器融合判决(认知传感器节点与协调器交互过程繁琐：节点触发—网络协调器控制—节点感知—协调器融合信息判断、分配—节点接受信道、发送数据)，他们之间感知信息的相互交流也导致了大量的能耗。另一方面，CR接收机的灵敏度远高于普通传感器节点所用的接收机，因而其生产成本也高于普通接收机，在每个传感器节点上都装载一个CR接收机，显而易见极大地增加了认知传感器节点的生产成本，进而增加了低成本认知传感器节点的设计难度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无线认知传感器网络中基于事件驱动的分簇路由方法，将认知功能与源感知节点分离，源感知节点不再承担频谱感知功能，只负责源感知，而认知节点则负责频谱感知；认知节点和源感知节点相互分离而又紧密结合、协调地工作。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

无线认知传感器网络中基于事件驱动的分簇路由方法，传感器网络中包括认知节点、普通传感器节点和汇聚节点，分簇路由方法包括以下几个步骤：

步骤1)确定簇的合格点，选择若干认知节点和普通传感器节点作为该簇的合格点；

步骤2)确定簇首，在簇的合格点中，选取一个认知节点作为簇首，其余的认知节点和普通传感器节点作为簇内成员节点；

步骤3)建立簇，簇首节点选出共有的信道C_iq并广播；

步骤4)簇的路由，簇内成员节点将采集的信息传输至簇首节点，簇首节点对数据进行信息融合，然后传输至汇聚节点。

进一步，所述步骤1)具体包括以下步骤：

步骤1-1)事件检测，节点检测到目标事件后，开始形成簇，该节点为事件检测节点，事件检测节点为簇的合格点；

步骤1-2)事件检测节点将EFC-REQ消息通过公共控制信道发送给其单跳邻居节点；

步骤1-3)单跳邻居节点接收到EFC-REQ消息的节点后，判断自身是否是簇的合格点；

步骤1-4)若该单跳邻居节点是簇的合格点，则继续发送EFC-REQ消息至它的单跳邻居节点；

步骤1-5)重复步骤1-3)至步骤1-4)直到EFC-REQ消息传输至汇聚节点。

进一步，所述步骤1-3)单跳邻居节点接收到EFC-REQ消息的节点后，若该单跳邻居节点为认知节点，则该单跳邻居节点为簇的合格点，否则该邻居节点判断自身到汇聚节点的距离是否比EFC-REQ消息发送节点到汇聚节点的距离近，若是，该单跳邻居节点为簇的合格点。

进一步，所述步骤2)具体包括以下步骤：

步骤2-1)簇的合格点中所有认知节点均为候选簇首，所有候选簇首进行频谱感知；

步骤2-2)每个候选簇首节点均以同样的功率发送竞选簇首的广播消息，各个候选簇首节点收到广播消息后构建其广播范围内的候选邻簇首集合s_i.S_CH，

s_i.S_CH＝{s_j|s_j为候选簇首，d(s_i，s_j)＜R₀}

其中，R₀为广播半径；

步骤2-3)若候选簇首节点s_i是s_i.S_CH中可用信道数量最多的节点，节点s_i成为簇首；s_i广播竞选获胜的消息，告知其他节点s_i成为簇首节点；

步骤2-4)若节点s_i不是s_i.S_CH中可用信道数量最多的节点，节点si收到节点s_j获胜的消息且s_j∈s_i.S_CH，则s_i退出竞选并广播退出消息，加入其邻簇首中的可用信道数最多，且距离自身最近的节点，成为其非簇首的认知节点，帮助其簇首进行频谱感知。

进一步，所述步骤3)具体包括以下步骤：

步骤3-1)节点s_i为簇首，所有节点从睡眠状态唤醒，s_i向全网广播其竞选获胜的消息，所述消息包括ID和可用信道列表；

步骤3-2)节点s_j收到簇首竞选获胜的消息，向节点s_i发送其ID和可用信道；所述节点s_j为s_i的非簇首认知节点；

步骤3-3)s_i记录所有范围内非簇首认知节点ID和可用信道，从中选择出共有的信道C_iq并广播；

步骤3-4)普通传感器节点选择簇内接收信号强度最大的簇首加入，并发送加入消息通知该簇首。

进一步，簇首节点为簇中每个节点分配向其传递数据的时间点，然后簇内成员节点将采集到的数据传输到簇首节点，簇首节点对簇中所有节点所采集的数据进行信息融合后再传送至汇聚节点。

本发明的有益效果在于：本发明提供的无线认知传感器网络中基于事件驱动的分簇路由方法，将认知功能与传感器节点分离，传感器节点不再承担频谱感知功能，只负责源感知，而认知功能则搬移至CRSN中的其他专用节点，由这些专用节点负责频谱感知。该路由协议解决了两方面的问题。一方面解决了在WSN网络中公用频段随着各种新的无线通信技术的兴起频谱稀缺，而WSN分簇路由协议没有考虑频谱感知和频谱管理等问题；另一方面，解决了在CRSN分簇路由协议中，所有节点都进行频谱感知，频谱切换等功能的能量消耗过大以及每个传感器节点都配备认知设备所带来的生产设备成本较高的问题。针对事件驱动型分簇路由协议的特殊要求，本发明很好的解决了均衡网络能量消耗，延长网络生命周期以及QoS等方面的问题，对突发事件的监测有很好的实用价值。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明所述方法的流程图；

图2为簇的合格点确定示意图；

图3为簇首确定流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提供的一种无线认知传感器网络中基于事件驱动的分簇路由方法，传感器网络包括认知节点、普通传感器节点和汇聚节点，所述普通传感器节点不承担频谱感知功能，只负责源感知；所述认知节点具备认知功能，负责频谱感知。基于事件驱动的分簇路由方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1)确定簇的合格点，选择若干认知节点和普通传感器节点作为该簇的合格点；

步骤1-1)事件检测；只有当一个事件发生时簇形成，通过事件触发分簇路由协议。确定合格节点的第一个步骤是事件检测。节点检测到目标事件后，该节点为事件检测节点，事件检测节点为簇的合格点。

步骤1-2)事件检测节点将合格聚类请求消息(EFC REQ)通过公共控制信道发送给其单跳邻居节点。

步骤1-3)单跳邻居节点接收到EFC-REQ消息的节点后，判断自身是否是簇的合格点，确定它们是否加入集群；

若该单跳邻居节点为认知节点，则该单跳邻居节点为簇的合格点，否则该邻居节点判断自身到汇聚节点的距离是否比EFC-REQ消息发送节点到汇聚节点的距离近，若是，该单跳邻居节点为簇的合格点。

如图2所示，只有符合条件的节点才发送请求给他们的邻居节点。例如，节点1发送EFC请求到邻居2，3，和4如图1所示。然而，节点2，3，4到汇聚节点(sink)的距离都大于节点1到sink的距离，节点4为认知节点，所以节点2，3不是合格节点而节点4成为合格节点。节点5的邻居节点为6，7。节点7更接近于sink节点所以在合格区域内；节点6同属于节点4，5的邻居节点，相较于4更近于sink，所以也成为合格节点。

步骤1-4)若该单跳邻居节点是簇的合格点，则继续发送EFC-REQ消息至它的单跳邻居节点；

步骤1-5)重复步骤1-3)至步骤1-4)直到EFC-REQ消息传输至汇聚节点。

步骤2)确定簇首，在簇的合格点中，选取一个认知节点作为簇首，其余的认知节点和普通传感器节点作为簇内成员节点；

步骤2-1)簇的合格点中的所有认知节点均为候选簇首，所有认知节点进行频谱感知；

步骤2-2)每个候选簇首节点均以同样的功率发送竞选簇首的广播消息，如图2所示，各个候选簇首节点收到广播消息后构建其广播范围内的候选邻簇首集合s_i.S_CH，

s_i.S_CH＝{s_j|s_j为候选簇首，d(s_i，s_j)＜R0}

其中，R₀为广播半径；每个候选簇首广播簇首竞选消息，消息的内容包括节点的ID，可用信道列表和当前的剩余能量。各个候选簇首收到广播消息后构建其邻簇首集合。当s_i.S_CH构建完成后，节点做出其是否担任簇首的决策。

步骤2-3)若候选簇首节点s_i是s_i.S_CH中可用信道数量最多的节点，节点s_i成为簇首；s_i广播竞选获胜的消息，告知其他节点s_i成为簇首节点；

步骤2-4)若节点s_i不是s_i.S_CH中可用信道数量最多的节点，节点s_i收到节点s_j获胜的消息且s_j∈s_i.S_CH，则s_i退出竞选并广播退出消息，加入其邻簇首中的可用信道数最多，且距离自身最近的节点，成为其非簇首的认知节点，帮助其簇首进行频谱感知。

步骤3)建立簇，簇首节点选出共有的信道C_iq并广播；

步骤3-1)节点s_i为本轮簇首，所有节点从睡眠状态唤醒，s_i向全网广播其竞选获胜的消息，所述消息包括ID和可用信道列表，C_i为节点所感测到的空闲信道；

步骤3-2)节点s_j收到簇首竞选获胜的消息，向节点s_i发送其ID和可用信道；所述节点s_j为s_i的非簇首认知节点；、

步骤3-3)s_i记录所有范围内非簇首认知节点ID和可用信道，从中选择出大多数非簇首认知节点与自身所共有的信道C_iq并广播；

步骤3-4)普通WSN节点选择簇内通信代价最小亦即接收信号强度最大的簇首加入，发送加入消息通知该簇首。

步骤4)簇的路由，簇首节点采用TDMA方式为簇中每个节点分配向其传递数据的时间点，然后簇内成员节点将采集到的数据传输到簇首节点，簇首节点对簇中所有节点所采集的数据进行信息融合后再传送至汇聚节点。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.无线认知传感器网络中基于事件驱动的分簇路由方法，其特征在于：传感器网络中包括认知节点、普通传感器节点和汇聚节点，分簇路由方法包括以下几个步骤：

步骤1)确定簇的合格点，选择若干认知节点和普通传感器节点作为该簇的合格点；

步骤2)确定簇首，在簇的合格点中，选取一个认知节点作为簇首，其余的认知节点和普通传感器节点作为簇内成员节点；

步骤3)建立簇，簇首节点选出共有的信道C_iq并广播；

步骤4)簇的路由，簇内成员节点将采集的信息传输至簇首节点，簇首节点对数据进行信息融合，然后传输至汇聚节点。

2.根据权利要求1所述的无线认知传感器网络中基于事件驱动的分簇路由方法，其特征在于：所述步骤1)具体包括以下步骤：

步骤1-1)事件检测，节点检测到目标事件后，开始形成簇，该节点为事件检测节点，事件检测节点为簇的合格点；

步骤1-2)事件检测节点将EFC-REQ消息通过公共控制信道发送给单跳邻居节点；

步骤1-3)单跳邻居节点接收到EFC-REQ消息的节点后，判断自身是否是簇的合格点；

步骤1-4)若该单跳邻居节点是簇的合格点，则继续发送EFC-REQ消息至它的单跳邻居节点；

步骤1-5)重复步骤1-3)至步骤1-4)直到EFC-REQ消息传输至汇聚节点。

3.根据权利要求2所述的无线认知传感器网络中基于事件驱动的分簇路由方法，其特征在于：所述步骤1-3)单跳邻居节点接收到EFC-REQ消息的节点后，若该单跳邻居节点为认知节点，则该单跳邻居节点为簇的合格点，否则该邻居节点判断自身到汇聚节点的距离是否比EFC-REQ消息发送节点到汇聚节点的距离近，若是，该单跳邻居节点为簇的合格点。

4.根据权利要求1所述的无线认知传感器网络中基于事件驱动的分簇路由方法，其特征在于：所述步骤2)具体包括以下步骤：

步骤2-1)簇的合格点中所有认知节点均为候选簇首节点，所有候选簇首节点进行频谱感知；

步骤2-2)每个候选簇首节点均以同样的功率发送竞选簇首的广播消息，各个候选簇首节点收到竞选簇首的广播消息后构建其广播范围内的候选邻簇首集合s_i·S_CH，

s_i·S_CH＝{s_j|s_j为候选簇首，d(s_i，s_j)＜R₀}

其中，R₀为广播半径；

步骤2-3)若候选簇首节点s_i是s_i·S_CH中可用信道数量最多的节点，节点s_i成为簇首；s_i广播竞选获胜的消息，告知其他节点s_i成为簇首节点；

步骤2-4)若节点s_i不是si_·S_CH中可用信道数量最多的节点，节点s_i收到节点s_j获胜的消息且s_j∈s_i.S_CH，则s_i退出竞选并广播退出消息，加入其邻簇首中的可用信道数最多，且距离自身最近的节点，成为其非簇首的认知节点，帮助其簇首节点进行频谱感知。

5.根据权利要求1所述的无线认知传感器网络中基于事件驱动的分簇路由方法，其特征在于：所述步骤3)具体包括以下步骤：

步骤3-1)节点s_i为簇首，所有节点从睡眠状态唤醒，s_i向全网广播其竞选获胜的消息，所述竞选获胜的消息包括ID和可用信道列表；

步骤3-2)节点s_j收到簇首竞选获胜的消息，向节点s_i发送其ID和可用信道；所述节点s_j为s_i的非簇首认知节点；

步骤3-3)s_i记录所有范围内非簇首认知节点ID和可用信道，从中选择出共有的信道C_iq并广播；

步骤3-4)普通传感器节点选择簇内接收信号强度最大的簇首加入，并发送加入消息通知该簇首。

6.根据权利要求1所述的无线认知传感器网络中基于事件驱动的分簇路由方法，其特征在于：簇首节点为簇中每个节点分配向其传递数据的时间点，然后簇内成员节点将采集到的数据传输到簇首节点，簇首节点对簇中所有节点所采集的数据进行信息融合后再传送至汇聚节点。