CN105873163B - 一种能量优化的无线传感器网络路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能量优化的无线传感器网络路由方法，该方法包括以下步骤：网络中待传输数据节点确定自身是否为有向无环图成员节点；当待传输数据节点为无环图成员节点时，节点直接向其所在无环图的Sink节点发送数据；当待传输数据节点不为无环图成员节点时，节点向其周围邻居节点通过增长式多播发送路由请求；若查找到Sink节点或无环图成员节点，则Sink节点或有向无环图成员节点针对收到的路由请求回复一个路由响应信息；网络中待传输数据节点根据路由响应信息选择一个Sink节点进行数据发送。本方法能够在多移动Sink节点存在的情况下，有效的减少路由消息的发送并实现网络中待传输数据节点与Sink节点之间的数据通信，延长了网络寿命。

Description

一种能量优化的无线传感器网络路由方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种能量优化的无线传感器网络路由方法。
背景技术
IPv6无线传感网中，由于RPL树形路由协议的影响，使得网络中靠近Sink节点的节点将面临更多的数据传输任务，随着频繁的到Sink节点的数据传输，越靠近Sink节点的节点，其能耗就越快，最终造成Sink节点周围出现能量空洞。因此，平衡网络的能耗将是延长IPv6无线传感网生存周期的一项重要的技术。
现有技术中，多个Sink节点通过随机的进行移动并在小范围内组成路由拓扑完成网络数据的收集。其中路由拓扑内的节点直接将数据传输给Sink节点，路由拓扑之外的节点通过Sink节点查找后，将需要发送的数据传输给Sink节点。
然而该方法具有以下缺点：路由拓扑之外的节点在进行Sink节点查找时，是通过泛洪式广播的方式进行，能量消耗较大。且当路由拓扑之外的节点查找到Sink节点并进行数据传输时，此Sink节点有可能已经移动到另一个位置，从而造成了数据的丢失。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能量优化的无线传感器网络路由方法，该方法能够实现低能耗的网络节点对Sink节点的查找，保证节点数据传输的成功性，同时可以降低网络能耗开销，保证数据传输的可靠性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种能量优化的无线传感器网络路由方法，该方法包括以下步骤：
S1：网络节点确定自身是否为有向无环图的成员节点；
S2：当待传输数据节点为无环图成员节点时，节点直接向其所在无环图的Sink节点发送数据；
S3：当待传输数据节点不为无环图成员节点时，节点向其周围邻居节点通过增长式多播发送路由请求，若增长式多播达到最大跳数仍未找到Sink节点或有向无环图成员节点则广播路由请求至整个网络；
S4：若通过增长式多播查找到Sink节点或无环图成员节点，则Sink节点或有向无环图成员节点针对收到的路由请求回复一个路由响应信息；
S5：网络中待传输数据节点根据路由响应信息选择一个Sink节点进行数据发送。
进一步，在步骤S3中，所述节点通过增长式多播发送路由请求之前，还包括节点为增长式多播预设一个最大跳数；所述增长式多播达到最大跳数时，若最后收到此路由请求的节点不为有Sink节点或无环图成员节点则丢弃此路由请求信息，并向原路由请求节点返回一个路由查找失败消息。
进一步，在步骤S3中，所述增长式多播，具体包括以下步骤：
S31：节点确定邻接值最大的邻居节点，将路由请求信息发送给此节点，所述邻接值为节点一跳范围内的邻居节点数；
S32：邻接值最大的邻居节点确定其自身邻居节点中邻接值最大的两个邻居节点并转发路由请求至这个两个邻居节点；
S33：邻接值最大两个邻居节点确定其自身邻居节点中邻接值最大的三个邻居节点，并转发路由请求至这三个邻居节点；
S34：节点按照此规则依次转发路由请求至其邻居节点直到达到最大多播跳数或已找到Sink节点或无环图成员节点。
进一步，所述节点选择邻接值最大的节点进行转发路由请求时，应选择除去路由请求来源节点之外的其他邻居节点；若节点的邻居节点数小于应转发的节点数，则转发路由请求到节点的所有邻居节点。
进一步，在步骤S4中，Sink节点或有向无环图成员节点针对收到的路由请求回复一个路由响应信息，所述路由信息包括Sink节点的移动信息和Sink节点在当前有向无环图的剩余停留时间以及Sink节点到源路由请求节点的跳数。
进一步，在步骤S5中，所述网络中待传输数据节点根据路由响应信息选择一个Sink节点进行数据发送，具体包括：
S51：节点筛选出Sink节点剩余停留时间大于传输时间的节点；
S52：节点在筛选出的节点中选择Sink节点到自身跳数最小的Sink节点进行数据发送。
进一步，在步骤S51中，所述传输时间为Sink节点到源路由请求节点的跳数乘以平均每跳传输时间。
进一步，所述网络中待传输数据节点根据路由响应信息选择一个Sink节点进行数据发送之前，还包括：所述节点在发送路由请求信息后应等待T时间以收集T时间内返回的路由信息。
进一步，所述节点等待时间T应根据网络情况设定，且若节点在T时间内未收到任何响应信息，节点应再次通过增长式多播发送路由请求信息。
本发明的有益效果在于：本发明所提供的方法能够在多移动Sink节点存在的情况下，有效的减少路由消息的发送并实现网络中待传输数据节点与Sink节点之间的数据通信，延长了网络寿命。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明实施例中能量优化的无线传感器网络路由方法的网络拓扑示意图；
图2为根据本发明实施例的能量优化的无线传感器网络路由方法的示意性流程图；
图3为本发明实施例中增长式多播的流程图；
图4为本发明所述的能量优化的无线传感器网络路由方法的流程图。
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。
本发明实施例中提供的技术方案，应用的网络拓扑如图1所示，移动Sink节点在限定跳数的范围内通过RPL协议建立一个有向无环图，属于有向无环图的成员节点直接向Sink节点发送数据，有向无环图之外的节点通过查找Sink节点或有向无环图成员节点从而向Sink节点发送数据。移动Sink节点在停留一段时间后，会移动到另一个位置，通过RPL协议建立新的有向无环图。
图2是根据本发明实施例的能量优化的无线传感器网络路由方法的示意性流程图。本实施例的能量优化的无线传感器网络路由方法应用于IPv6无线传感网中，具体的，如图2所示，本发明实施例可包含如下步骤：
步骤101、网络节点确定自身是否为有向无环图的成员节点。
由于移动Sink节点只在一定跳数范围内维持一个有向无环图，且网络中有多个移动Sink节点，网络由多个有向无环图组成。故网络中部分节点属于有向无环图，而另一部分节点则在有向无环图之外。根据节点是否曾已经加入到有向无环图中判断节点是否为有向无环图的成员节点。
步骤102、当待传输数据节点为无环图成员节点时，节点直接向其所在无环图的Sink节点发送数据。
当待传输数据节点为有向无环图成员节点时，节点直接将数据发送给父节点，父节点再向上一直发送给Sink节点。
步骤103、当待传输数据节点不为无环图成员节点时，节点向其周围邻居节点通过增长式多播发送路由请求，若增长式多播达到最大跳数仍未找到Sink节点或有向无环图成员节点则广播路由请求至整个网络。
当待传输数据节点不为无环图成员节点时，节点需查找Sink节点以将数据发送给Sink节点，其中增长式多播具体步骤如图3所示。当增长式多播达到最大跳数且最后一跳的节点不为Sink节点或有向无环图成员节点时，最后一跳节点丢弃此路由请求信息并向源路由请求节点回复一个查找失败信息，源节收到此查找失败信息后则直接广播路由请求信息至整个网络。
步骤104、若通过增长式多播查找到Sink节点或无环图成员节点，则Sink节点或有向无环图成员节点针对收到的路由请求回复一个路由响应信息。
收到路由请求信息的Sink节点或无环图成员节点向源路由请求节点回复一个路由响应信息，路由响应信息包含Sink节点在当前无环图的停留时间以及此Sink节点到源路由请求节点的跳数。
步骤105、网络中待传输数据节点根据路由响应信息选择一个Sink节点进行数据发送。
源节点根据路由响应信息首选筛选出Sink节点停留时间大于传输时间的路径。然后源节点在筛选出的节点中选择Sink节点到自身跳数最小的Sink节点进行数据发送。其中传输时间为Sink节点到源路由请求节点的跳数乘以平均每跳传输时间。
本实施例中，节点多播路由请求后应等待T时间，以收集更多的路由信息，从而在收到的路由消息中根据节点的移动信息和到Sink节点的路径长短选择更优的Sink节点进行数据交互。
本实施例提供的能量优化的无线传感器网络路由方法，可在节点进行移动Sink节点或无环图成员节点查找时，对节点的查找路径进行定向的控制，从减小了因节点泛洪式广播查找引起的较大的能耗开销。节点与移动Sink节点进行数据交互时，可选择路径最小且在节点的发送周期内不会移动的Sink节点进行数据交互，从而减小了因为Sink节点移动引起的丢包。
图3为本发明实施例中增长式多播的流程图。如图3所示，本发明实施例中增长式多播包含如下步骤：
步骤201、节点确定其邻居节点中邻接值最大的邻居节点，并将路由请求信息发送给此节点。
节点的邻接值为节点自身的邻居节点数，网络中每一个节点都可以有一个邻接值。节点选择邻接值最大的邻居节点进行路由请求信息的转发，使得节点在查找Sink节点或无环图成员节点时具有更大的几率查找到Sink节点或无环图成员节点。
步骤202、收到此路由请求信息的节点确定其自身邻居节点中邻接值最大的两个邻居节点并发送路由请求信息至这个两个邻居节点。
节点在选择邻接值最大的邻居节点时，应选择除源路由请求节点之外的其他邻居节点。从而避免当路由请求来源节点邻接值最大时，节点又将路由请求信息发送回路由请求来源节点的情况。
步骤203、收到此路由请求信息的两个节点确定其自身邻居节点中邻接值最大的三个邻居节点，并多播路由请求至这三个邻居节点。收到路由请求的节点按此规则分别进行多播。
节点在发送此路由请求信息时，将当次多播时选择的邻居节点数加入到路由请求信息中。收到路由请求信息的节点在多播路由请求时，在选择邻接值最大的邻居节点数时，在上一次多播选择的邻居节点数上加一，以在节省能量的基础上扩大Sink节点或无环图成员节点的查找范围。
步骤204、增长式多播达到最大跳数或已找到Sink节点或无环图成员节点。
当增长式多播达到最大跳数时，且最后一跳节点不为Sink节点或无环图成员节点时，节点直接将路由请求信息丢弃。若在查找的过程中，查找到Sink节点或无环图成员节点，Sink节点或无环图成员节点停止转发路由请求信息并返回路由响应信息给源路由发送节点。
本实施例中的增长式多播通过对节点的路由请求信息多播路径进行定向的控制，增大了节点查找到Sink节点或无环图成员节点的几率。并减少路由请求信息的发送数量，减小节点在查找Sink节点或无环图成员节点时的能耗。
图4是本发明实施例提供的能量优化的无线传感器网络路由方法的流程图。
步骤301、源节点有数据要发送。
步骤302、确定此源节点是否为任一无环图的成员节点。若此源节点为无环图成员节点则执行步骤308；若此源节不为任一无环图成员节点，则执行步骤303。
步骤303、源节点为增长式多播预设一个最大跳数。
步骤304、增长式多播查找Sink节点或无环图成员节点。
步骤305、判断增长式多播是否找到Sink节点或无环图成员节点。若找到Sink节点或无环图成员节点，则执行步骤306；若没有找到Sink节点或无环图成员节点，则执行步骤309。
步骤306、源节点发送路由请求后等待T时间，在T时间内是否收到多个路由响应消息。若在T时间内收到多个路由响应信息，则执行步骤307；若在T时间内只收到一个路由响应信息，则执行步骤308。
步骤307、源节点选择Sink节点停留时间大于传输时间且到Sink节点跳数最小的路径。
步骤308、源节点发送数据到Sink节点。
步骤309、判断增长式多播的多播跳数是否达到最大跳数。若未达到最大，则执行步骤304；若达到最大，则执行步骤310。
步骤310、源节点广播路由请求至整个网络。
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 (8)

1.一种能量优化的无线传感器网络路由方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：网络节点确定自身是否为有向无环图的成员节点；Sink节点在限定跳数的范围内通过RPL协议建立一个有向无环图，属于有向无环图的成员节点直接向Sink节点发送数据，有向无环图之外的节点通过查找Sink节点或有向无环图成员节点从而向Sink节点发送数据；移动Sink节点在停留一段时间后，会移动到另一个位置，通过RPL协议建立新的有向无环图；
S2：当网络节点为有向无环图成员节点时，网络节点直接向其所在有向无环图的Sink节点发送数据；
S3：当网络节点不为有向无环图成员节点时，网络节点向其周围邻居节点通过增长式多播发送路由请求，若增长式多播达到最大跳数仍未找到Sink节点或有向无环图成员节点则广播路由请求至整个网络；
在步骤S3中，所述增长式多播，具体包括以下步骤：
S31：网络节点确定邻接值最大的邻居节点，将路由请求信息发送给此网络节点，所述邻接值为网络节点一跳范围内的邻居节点数；
S32：邻接值最大的邻居节点确定其自身邻居节点中邻接值最大的两个邻居节点并转发路由请求至这个两个邻居节点；
S33：邻接值最大两个邻居节点确定其自身邻居节点中邻接值最大的三个邻居节点，并转发路由请求至这三个邻居节点；
S34：网络节点按照此规则依次转发路由请求至其邻居节点直到达到最大多播跳数或已找到Sink节点或有向无环图成员节点；
S4：若通过增长式多播查找到Sink节点或有向无环图成员节点，则Sink节点或有向无环图成员节点针对收到的路由请求回复一个路由响应信息；
S5：网络中的网络节点根据路由响应信息选择一个Sink节点进行数据发送。
2.根据权利要求1所述的一种能量优化的无线传感器网络路由方法，其特征在于：在步骤S3中，所述网络节点通过增长式多播发送路由请求之前，还包括网络节点为增长式多播预设一个最大跳数；所述增长式多播达到最大跳数时，若最后收到此路由请求的网络节点不为Sink节点或有向无环图成员节点则丢弃此路由请求信息，并向原路由请求节点返回一个路由查找失败消息。
3.根据权利要求1所述的一种能量优化的无线传感器网络路由方法，其特征在于：所述网络节点选择邻接值最大的网络节点进行转发路由请求时，应选择除去路由请求来源网络节点之外的其他邻居节点；若网络节点的邻居节点数小于应转发的节点数，则转发路由请求到网络节点的所有邻居节点。
4.根据权利要求1所述的一种能量优化的无线传感器网络路由方法，其特征在于：在步骤S4中，Sink节点或有向无环图成员节点针对收到的路由请求回复一个路由响应信息，所述路由响应信息包括Sink节点的移动信息和Sink节点在当前有向无环图的剩余停留时间以及Sink节点到源路由请求节点的跳数。
5.根据权利要求1所述的一种能量优化的无线传感器网络路由方法，其特征在于：在步骤S5中，所述网络中的网络节点根据路由响应信息选择一个Sink节点进行数据发送，具体包括：
S51：网络节点筛选出Sink节点剩余停留时间大于传输时间的Sink节点；
S52：网络节点在筛选出的Sink节点中选择Sink节点到自身跳数最小的Sink节点进行数据发送。
6.根据权利要求5所述的一种能量优化的无线传感器网络路由方法，其特征在于：在步骤S51中，所述传输时间为Sink节点到源路由请求节点的跳数乘以平均每跳传输时间。
7.根据权利要求6所述的一种能量优化的无线传感器网络路由方法，其特征在于：所述网络中的网络节点根据路由响应信息选择一个Sink节点进行数据发送之前，还包括：所述网络节点在发送路由请求信息后应等待T时间以收集T时间内返回的路由信息。
8.根据权利要求7所述的一种能量优化的无线传感器网络路由方法，其特征在于：所述网络节点等待时间T应根据网络情况设定，且若网络节点在T时间内未收到任何响应信息，网络节点应再次通过增长式多播发送路由请求信息。
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