CN110324875A - 一种基于节点中心性的无线传感器网络能耗均衡路由方法 - Google Patents

一种基于节点中心性的无线传感器网络能耗均衡路由方法 Download PDF

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Abstract

一种基于节点中心性的无线传感器网络能耗均衡路由方法，利用网络拓扑发现消息进行节点局部信息获取，利用获取的局部信息，包括邻居到汇聚节点最短路径长度及可用来评估节点在网络中连通重要性的节点中心性估计值，进行最短传输及能耗均衡的综合考虑进行数据路由选路。由于无线传感器网络多应用于特殊环境，传感器节点携带不可再生的有限能量或能量补充极为有限，本发明提出的路由方法可在最小化全网转发量与平均各节点能耗间取得均衡，避免个别节点过早死亡，提高网络整体可用寿命。

Description

一种基于节点中心性的无线传感器网络能耗均衡路由方法
技术领域
本发明涉及一种基于节点中心性的无线传感器网络能耗均衡路由方法，尤其适用于能耗敏感的无线传感器网络信息收集应用中。
背景技术
无线传感器网络是一种特殊的分布式自组织无线网络，在空间探测、工业制造、智能家居、农业生产、军事作战等领域发挥出越来越重要的作用。在无线传感器网络中传感器节点需采集信息通过路由协议回传至汇聚节点。而传感器节点，特别是在极端的信息采集环境下，携带不可再生的有限能量或能量补充极为有限，路径选择策略作为节点能耗的最主要影响因素，为提高无线传感器网络平均寿命，避免部分节点收发频繁导致过早耗尽能源的情况，路由方法需在传输路径选择时考虑个体能耗。
当前无线传感器信息采集路由算法或采用无线自组网中的经典路由算法如DSDV(目的序列距离矢量路由)，AODV(按需平面距离矢量路由)，DSR(动态源路由)等。这些算法在月面这种能耗极为敏感环境中存在问题：DSDV是被动路由，节点需全程维护路由表，计算及通信代价高；AODV与DSR是主动路由，有需求时才进行路径寻找，但AODV需周期性广播hello消息维护邻居列表，DSR寻路消息包含整个路径信息，且要求节点进行记录，开销在部分无线传感器网络环境下不可接受。
目前有一些针对无线传感器网络提出的优化路由协议：基于gossip、拓扑树、分层、基于地理位置、基于传输能耗、基于QoS等，这些算法或针对节能考虑不足，或考虑以最低能耗传输最大数据，但缺少针对节点间能耗平衡设计，使网络中节点转发任务不均，产生个别节点能量过早耗尽情况。部分研究人员逐渐关注到网络节点的能耗均衡问题，如根据自身能量状况决定是否接受数据、使用能量平衡性为评价指标，路由设计采用选择能量较多的区域进行数据转发，平均各区域的节点能量。但该类方法需统计各区域的能量，在实际应用中通信及计算代价太高。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于节点中心性的无线传感器网络能耗均衡路由方法，能以少量的额外通信代价和计算量，在最小化网络发送量与平均转发任务量间进行折中，提高网络整体寿命。
本发明的技术解决方案是：一种基于节点中心性的无线传感器网络能耗均衡路由方法，包括步骤如下：
(1)网络初始化时，汇聚节点广播路由探测消息，广播路由探测消息完成后，汇聚节点记录的消息时序号加1，进入步骤(2)；如果当前汇聚节点只广播了一次路由探测消息，则等待网络最长的最短路径传播时间后，再次进行路由探测消息广播；所述路由探测消息包括：消息时序号，消息发送节点号，距离汇聚节点最短路径长度以及本节点的中心性值；
(2)传感器节点接收到当前路由探测消息后，将当前路由探测消息中的消息时序号与传感器节点自身记录的历史探测消息的消息时序号进行对比：
如果当前路由探测消息中的消息时序号大于历史探测消息的消息时序号，则更新历史探测消息的消息时序号为当前路由探测消息的消息时序号，记录传感器节点自身到汇聚节点的最短路径长度为当前路由探测消息中的最短路径长度加1，清空邻居表并在其中加入表项：{当前路由探测消息中的节点号、当前路由探测消息中的最短路径长度加1、当前路由探测消息中的节点中心性值}，将当前路由探测消息更新为{消息时序号，传感器节点自身节点号，传感器节点到汇聚节点的最短路径长度，传感器节点自身节点中心性值与当前路由探测消息中节点中心性值的较大者}，然后将传感器节点自身节点中心性值归0，最后广播更新后的消息，进入步骤(6)；
如果当前路由探测消息中的消息时序号不大于传感器节点自身记录的时序号，则转至步骤(3)；
(3)判断传感器节点自身邻居表中是否有当前路由探测消息中的节点号对应表项：如果有，则进入步骤(5)，否则，判断传感器节点自身记录的最短路径长度加2是否等于当前路由探测消息中的最短路径长度：如果不等，则进入步骤(4)；否则，传感器节点自身节点中心性值加1，进入步骤(4)；
(4)在传感器节点自身邻居表中增加当前路由探测消息对应表项：{当前路由探测消息的节点号，当前路由探测消息的最短路径跳数，当前路由探测消息的节点中心性值}；进入步骤(5)；
(5)丢弃当前路由探测消息，进入步骤(6)；
(6)当传感器节点接收到邻居发来的数据消息时或当传感器自身需向汇聚节点发送消息时，计算选路参考值为步骤(2)或步骤(4)中记录的邻居最短路径跳数与节点中心性值的调和平均值，选择对应选路参考值最小的邻居节点作为下一跳进行路由。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)现有方法在平均节点能耗方面多通过选择高剩余能量节点的方法来实现，这就需要时刻为邻居广播自身能量状态；本发明通过对比邻居最短跳数估算节点自身中心性，代表节点在网络传输中的连通重要性，将此作为选路的一个依据，使得数据转发传输任务均衡分布，避免个别最短路径上的重要节点承担过多转发任务而过早死亡。
(2)不同于现有的分簇方案需要进行簇头选举及簇维护，增加额外通信计算开销，本发明利用汇聚节点的路由探测消息，在网络中最长的最短路径跳数内完成各节点对邻居的局部信息收集，获取自身至汇聚节点的最短路径方向及该路径任务量大小估计，以此构建路由表。本发明节点不需要保存大量的路径信息，只需通过邻居选路参考值，每次选择具有最小值邻居作为下一跳，存储开销小。
(3)不同于现有考虑节点介数中心性的路由方法通过洪泛广播各节点信息来构建全局网络拓扑，本发明考虑网络中节点的介数中心性计算需获知全网拓扑，代价太大，因此以邻居的少量局部信息估计相对节点中心性值，代表节点在转发过程中的重要性，以此作为选路依据。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为一个网络拓扑示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1所示，一种基于节点中心性的无线传感器网络能耗均衡路由方法，包括步骤如下：
(1)网络初始化时，汇聚节点广播路由探测消息，广播路由探测消息完成后，汇聚节点记录的消息时序号加1，进入步骤(2)；如果当前汇聚节点只广播了一次路由探测消息，则等待网络最长的最短路径传播时间后，再次进行路由探测消息广播；所述路由探测消息包括：消息时序号，消息发送节点号，距离汇聚节点最短路径长度以及本节点的中心性值；
其中节点中心性定义为：对于无向图G＝(V,E)，V是节点的集合，E是边的集合，节点v的中心性为nst(v)为节点s到节点t经过节点v的最短路径数。
(2)传感器节点接收到当前路由探测消息后，将当前路由探测消息中的消息时序号与传感器节点自身记录的历史探测消息的消息时序号进行对比：
如果当前路由探测消息中的消息时序号大于历史探测消息的消息时序号，则更新历史探测消息的消息时序号为当前路由探测消息的消息时序号，记录传感器节点自身到汇聚节点的最短路径长度为当前路由探测消息中的最短路径长度加1，清空邻居表并在其中加入表项：{当前路由探测消息中的节点ID、当前路由探测消息中的最短路径长度加1、当前路由探测消息中的节点中心性值}，将当前路由探测消息更新为{消息时序号，传感器节点自身ID，传感器节点到汇聚节点的最短路径长度，传感器节点自身节点中心性值与当前路由探测消息中节点中心性值的较大者}，然后将传感器节点自身节点中心性值归0，最后广播更新后的消息，进入步骤(6)；
如果当前路由探测消息中的消息时序号不大于传感器节点自身记录的时序号，则转至步骤(3)；
(3)判断传感器节点自身邻居表中是否有当前路由探测消息中的ID域对应表项：如果有，则进入步骤(5)，否则，判断传感器节点自身记录的最短路径长度加2是否等于当前路由探测消息中的最短路径长度：如果不等，则进入步骤(4)；否则，传感器节点自身节点中心性值加1，进入步骤(4)，原因为：
记表示节点i接收到k发来的拓扑发现消息中记录的到汇聚节点最短跳数，表示节点i自身记录的到汇聚节点的最短跳数，表示节点k自身记录的到汇聚节点的最短跳数；如果节点i的邻居表中存在一邻居节点k有因为节点k为节点i的邻居，故因此有即节点i为节点k到汇聚节点最短路径的一个上游，根据节点中心性的定义，节点i的节点中心性值需加1。
(4)在传感器节点自身邻居表中增加当前路由探测消息对应表项：{当前路由探测消息的节点ID，当前路由探测消息的最短路径跳数，当前路由探测消息的节点中心性}；进入步骤(5)；
(5)丢弃当前路由探测消息，进入步骤(6)；
(6)当传感器节点接收到邻居发来的数据消息时或当传感器自身需向汇聚节点发送消息时，计算选路参考值为步骤(2)或步骤(4)中记录的邻居最短路径跳数与节点中心性值的调和平均值，选择对应选路参考值最小的邻居节点作为下一跳进行路由。
实施例：
图2给出一个简单的实施网络拓扑示意，在该网络上，本发明实施后各节点构建的邻居表为：
各节点周期性向汇聚节点回传自身传感器探测数据进行选路时，选择路表中H值最小的节点为下一跳。如对于节点2选择数据转发或数据发送时，在邻居1和3间会选择1为目标，因为到节点3虽然也是最短路径，但该路径上节点最大中心性为3，大于经过1的最短路径，因此选择1为目标节点有助于降低节点3的转发任务量，平均节点1和3的能耗。
以此网络为实施例，设节点一次发送需能量为1单位，节点初始能量为35单位，那么本发明产生的路由可在保证所有节点与汇聚节点间链路连通条件下正常运行12个周期；而按照传统最短路径转发10个周期后节点3能量将耗尽，节点4成为孤岛，网络出现非连通分支。
本发明说明书中未详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于节点中心性的无线传感器网络能耗均衡路由方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)网络初始化时，汇聚节点广播路由探测消息，广播路由探测消息完成后，汇聚节点记录的消息时序号加1，进入步骤(2)；
(2)传感器节点接收到当前路由探测消息后，将当前路由探测消息中的消息时序号与传感器节点自身记录的历史探测消息的消息时序号进行对比：
如果当前路由探测消息中的消息时序号大于历史探测消息的消息时序号，则更新历史探测消息的消息时序号为当前路由探测消息的消息时序号，记录传感器节点自身到汇聚节点的最短路径长度为当前路由探测消息中的最短路径长度加1，清空邻居表并在其中加入表项，更新当前路由探测消息，然后将传感器节点自身节点中心性值归0，最后广播更新后的消息，进入步骤(6)；
如果当前路由探测消息中的消息时序号不大于传感器节点自身记录的时序号，则转至步骤(3)；
(3)判断传感器节点自身邻居表中是否有当前路由探测消息中的节点号对应表项：如果有，则进入步骤(5)，否则，判断传感器节点自身记录的最短路径长度加2是否等于当前路由探测消息中的最短路径长度：如果不等，则进入步骤(4)；否则，传感器节点自身节点中心性值加1，进入步骤(4)；
(4)在传感器节点自身邻居表中增加当前路由探测消息对应表项；进入步骤(5)；
(5)丢弃当前路由探测消息，进入步骤(6)；
(6)当传感器节点接收到邻居发来的数据消息时或当传感器自身需向汇聚节点发送消息时，计算选路参考值为步骤(2)或步骤(4)中记录的邻居最短路径跳数与节点中心性值的调和平均值，选择对应选路参考值最小的邻居节点作为下一跳进行路由。
2.根据权利要求1所述的一种基于节点中心性的无线传感器网络能耗均衡路由方法，其特征在于：步骤(1)中，如果当前汇聚节点只广播了一次路由探测消息，则等待网络最长的最短路径传播时间后，再次进行路由探测消息广播。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于节点中心性的无线传感器网络能耗均衡路由方法，其特征在于：所述路由探测消息包括：消息时序号，消息发送节点号，距离汇聚节点最短路径长度以及本节点的中心性值。
4.根据权利要求3所述的一种基于节点中心性的无线传感器网络能耗均衡路由方法，其特征在于：步骤(2)中，邻居表中加入的表项为：{当前路由探测消息中的节点号、当前路由探测消息中的最短路径长度加1、当前路由探测消息中的节点中心性值}。
5.根据权利要求4所述的一种基于节点中心性的无线传感器网络能耗均衡路由方法，其特征在于：步骤(2)中，更新后的当前路由探测消息为{消息时序号，传感器节点自身节点号，传感器节点到汇聚节点的最短路径长度，传感器节点自身节点中心性值与当前路由探测消息中节点中心性值的较大者}。
6.根据权利要求5所述的一种基于节点中心性的无线传感器网络能耗均衡路由方法，其特征在于：步骤(4)中，在传感器节点自身邻居表中增加的当前路由探测消息对应表项为：{当前路由探测消息的节点号，当前路由探测消息的最短路径跳数，当前路由探测消息的节点中心性值}。
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