CN112867084A - 一种能量高效的数据相关感知无线传感网机会路由协议 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线传感网机会路由协议领域，具体涉及一种能量高效的数据相关感知无线传感网机会路由协议，该协议面向节点密集部署的无线传感器网络，利用无线信道的广播特性和随机丢失特性、不同传感节点感知数据之间的空间相关性、以及各节点的剩余能量信息，在此基础上进行高效机会路由和数据融合，以期压缩数据冗余、延长网络寿命、提升网络吞吐量。

Description

一种能量高效的数据相关感知无线传感网机会路由协议

技术领域

本发明属于无线传感网机会路由协议领域，具体涉及一种能量高效的数据相关感知无线传感网机会路由协议。该协议主要是利用无线信道的广播特性和随机丢失特性、感知数据的空间相关性、以及各节点的剩余能量信息，在此基础上进行高效机会路由和数据融合，延长网络寿命，提升网络吞吐量。

背景技术

机会路由能够很好地适应无线传感器网络的信道质量波动性，并提供良好的传输可靠性和高吞吐量网络性能，因而受到学术界和业界的广泛关注。在ExOR方法(S.Biswasand R.Morris，“ExOR：Opportunistic multi-hop routing for wireless networks，”Comput.Commun.Rev.，vol.35，no.4，pp.133-144，2005)中，源节点欲向目的节点发送数据，它首先选择到目的节点的最短ETX路径小于自身的节点作为备选转发节点，这些节点组成备选转发节点集，并依据其到目的节点的距离设置优先级，距离目的节点越近，优先级越高。在数据分组中携带了各备选转发节点ID，并以优先级顺序排列。源节点成批地广播数据分组，收到分组的邻居节点按优先级的次序转发数据，优先级高的节点转发过的数据，若被优先级较低的备选转发节点听到后，该低优先级节点将不再转发这些数据分组，而是发送本地存储且较高优先级节点尚未成功发送的数据分组。每个备选转发节点按此方式转发，直到目的节点接收到大部分数据分组为止，其余数据包按照传统的最短路由方式转发。ExOR方法的问题在于备选转发节点集的选择和优先级设置未考虑感知数据的空间相关性和各节点的剩余能量信息，导致网络中一些距离目的节点近的节点因承担过多的数据发送或转发任务而耗尽能量，降低了网络寿命。

本发明中的协议充分利用了无线信道的广播特性和随机丢失特性、感知数据的空间相关性、以及各节点的剩余能量信息，在此基础上进行高效机会路由和数据融合，延长网络寿命，提升网络吞吐量。

发明内容

本发明涉及一种能量高效的数据相关感知无线传感网机会路由协议(除非特殊声明，以下简称“该协议”或“本协议”)，其特征在于：传感器读数之间存在空间相关性、传感器节点能量有限、无线信道具有广播特性和随机丢失特性，主要包括：一种梯度构建方法、一种基于数据融合度的期望传输代价计算方法、下一跳备选转发节点选择方法、备选节点之间的优先排序方法、基于优先级的确认方法。

该协议面向的应用场景和网络环境如下：无线传感网由一个汇聚节点和N个传感器节点组成，N≥2，每个节点配备一部全向天线，每个节点可以与其通信范围内的节点通信，每个传感器节点由能量有限的干电池供电，网络中有M个节点需要向汇聚节点上报其数据，0＜M≤N，M的值以及具体需要汇报数据的传感器节点可由应用直接指定，也可由某种算法计算得出。协议实现过程中，假定分组传输成功率过低的链路不可用，如低于给定阈值20％，即认为这样的链路不存在，这一阈值称为最小允许链路传输成功率。链路分组传输成功率可以通过周期性统计控制消息/数据分组的传输成功率来获得。协议实施过程中，假定网络中数据传输量较小，传输冲突忽略不计，传输丢失是由于信道干扰引起的。

下面将一一说明本专利涉及的各个组成部分，包括：梯度构建方法、基于数据融合度的期望传输代价计算方法、下一跳备选转发节点选择方法、备选节点之间的优先排序方法、基于优先级的确认方法。

1)梯度构建方法

汇聚节点构造一个兴趣分组，它包含以下信息：

·汇聚节点ID；

·需要上报的传感器节点LIST。如果考虑到分组大小限制，这些ID不能直接封装到一个兴趣分组中，则可以使用N-bit位图：bi＝1表示传感器节点i是一个汇报传感器，而b_i＝0表示传感器节点i是一个无需上报传感器节点。这种方式，标记每个节点的状态只需要1比特信息，但需要为网络中的所有传感器节点预先分配连续的网内编号；

·当前节点(如a)到汇聚节点的ETX(Expected Transmission Count)值，记为ETX_a，sink，初值为0，即汇聚节点到自己的ETX值为0；

·当前节点到汇聚节点的最小ETX路径上，最靠近当前节点的需要上报数据的传感器节点的ID，初值为null，以及当前节点到该节点的ETX值，记为ETX_rep，初始值为无穷大，即尚不存在；

然后，汇聚节点立即向全网广播该兴趣分组。网络中一个传感器节点，如i，当其从一个邻居节点，如j，接收到第一个这样的兴趣分组时，首先将自己到汇聚节点的ETX值更新为收到的分组中包含的ETX_j，sink+ETX_ij，ETX_ij代表链路(i，j)的ETX值，然后本地暂存该分组之后并推迟该兴趣分组的转发，具体延迟时间的长短与ETX_ij的值成正比，具体计算方法如下：

DeferTime＝ETX_ij/ETX_max×T

其中T是允许的最大推迟时间，ETX_max是最小链路传输成功率对应的ETX值，T是一个系统参数，如T＝30毫秒。

推迟期间，如果当前节点i从另一个具有较小ETX值的邻居k也收到一个兴趣分组，更确切的说，指ETX_k，sink+ETX_ik＜ETX_j，sink+ETX_ij成立，那么当前节点到汇聚节点的下一跳节点更换为k，并更新其到汇聚节点的ETX值以及本地推迟计时器的时长，如果计数器超时，当前节点更新ETX_i，sink和ETX_rep的值后，将转发该兴趣分组，之后将忽略任何后续收到的兴趣分组这样，每个传感器节点只需要转发一次兴趣分组。

2)基于数据融合度的期望传输代价计算方法

节点b收到已压缩分组pkt时，按下述公式计算这个分组的ETC值：

其中size(pkt)是已压缩分组的大小，ETX_b是b到汇聚节点的ETX值，energy_b是节点b的剩余能量，ETC_b是b到汇聚节点的期望传输成本(Expected Transmission Cost)。

当节点b收到由另一个节点a生成的原始数据分组pkt时，a可以是节点b的直接邻居，也可以是间接邻居，节点b按如下方式计算这个分组的ETC值：

·b是一个需要上报的传感器节点：在这种情况下，它可以利用自己的读数来压缩接收到的原始数据分组(需要注意的是，是否真的在节点b执行压缩，取决于它是否能在机会路由中的下一跳竞争中胜出)，假设b的读数与a生成的原始数据分组之间的数据融合度为f_ab。然后b的ETC价值计算如下：

其中(1-f_ab)×size(pkt)是原始数据分组被b压缩后的大小；

·b是一个无需上报的传感器节点：在这种情况下，节点b没有资格执行数据融合，但仍然可以竞争转发机会。这种情况下，如果选择节点b进行转发，那么节点b是否有资格充当该(原始)数据分组的转发者，还取决于未来下游节点数据融合的可能性。假设从节点b到汇聚节点的最短ETX路径上的下一个上报传感器节点为b′，那么b的ETC计算如下：

其中ETX_bb′是从b到b′的ETX值，在最坏的情况下，从节点b到汇聚节点的最短ETX路径上可能不存在这样的节点b′，如果是，节点b假设下游不存在融合机会，它将使用公式(1)进行本地ETC计算。

3)下一跳备选转发节点选择方法

每个传感器节点采用到汇聚节点的ETX值作为路由测度在其直接邻居中选择一组备选转发节点通往汇聚节点，即那些直接邻居中，ETX小于发送方的传感器才有资格被选为备选转发节点。此外，为了便于MAC层的协调，选取的备选转发节点必须可组成一个最大团。在这样一个团中，每个节点都可以在MAC层上直接侦听到彼此的传输。

4)备选节点之间的优先排序方法

根据ETC值对备选转发节点集合中的节点进行优先级排序，ETC值越小的优先级越高。

5)基于优先级的确认与转发方法

·每个数据分组传输之后紧随着k个小时槽，其中k表示为发送方选择的备选转发节点的数量，并且一个小时槽的持续时间刚好可以将一个ACK控制分组发送回发送方；

·一个节点在接收到一条数据分组后，如果该节点不是发送节点的备选转发节点，则直接丢弃该分组；如果接收节点是发送接的一个备选转发节点，且如果没有任何具有更高优先级的备选转发节点向发送方发送ACK分组的话，该接收节点需要在为其分配的小时槽中向数据分组发送方发送ACK分组，其他备选转发节点在收到该ACK后将退出转发机会竞争并丢弃该数据分组，发送ACK的节点将继续向sink转发该数据分组，如果需要执行数据融合的话，当前节点会在执行完数据融合之后再继续转发；

·如果发送节点在给定时间内没有收到ACK分组，将重新发送该分组，直到收到一个ACK为止。

本发明中的协议充分利用了无线信道的广播特性和随机丢失特性、感知数据的空间相关性、以及各节点的剩余能量信息，在此基础上进行高效机会路由和数据融合，延长网络寿命，提升网络吞吐量。

Claims (7)

1.一种能量高效的数据相关感知无线传感网机会路由协议，其特征在于：传感器读数之间存在空间相关性，传感器节点能量有限，无线信道具有广播特性和随机丢失特性，主要包括：梯度构建方法、基于数据融合度的期望传输代价计算方法、下一跳备选转发节点选择方法、备选节点之间的优先排序方法、基于优先级的确认与转发方法。

2.根据权利要求1所述的能量高效的数据相关感知无线传感网机会路由协议，其特征在于：无线传感网由一个汇聚节点和N个传感器节点组成，N≥2，每个节点配备一部全向天线，每个节点可以与其通信范围内的节点通信，每个传感器节点由能量有限的干电池供电，网络中有M个节点需要向汇聚节点上报其数据，0<M≤N，M的值以及具体需要汇报数据的传感器节点可由应用直接指定或由某种算法计算得出，协议实现过程中，假定分组传输成功率过低的链路不可用，即，如果低于一定阈值，认为这样的链路不存在，这一阈值称为最小允许链路传输成功率，链路分组传输成功率可以通过周期性统计控制消息/数据分组的接收成功率来获得，协议实施过程中，假定网络中数据传输量较小，传输冲突忽略不计，传输丢失是由于信道干扰引起的。

3.根据权利要求1或2所述的能量高效的数据相关感知无线传感网机会路由协议，其特征在于：所述梯度构建方法，具体如下：

汇聚节点构造一个兴趣分组，它包含以下信息：

·汇聚节点ID；

·需要上报的传感器节点LIST，如果考虑到分组大小限制，所述传感器节点ID信息不能直接封装到一个兴趣分组中，而应使用N-bit位图：b_i＝1表示传感器节点i是一个汇报传感器，而b_i＝0表示传感器节点i是一个无需上报传感器节点，以这种方式标记每个节点的状态只需要1比特信息，但需要为网络中的所有传感器节点预先分配连续的网内编号；

·当前节点a到汇聚节点的ETX值，记为ETX_a，sink，初值为0，即汇聚节点到自己的ETX值为0；

·当前节点到汇聚节点的最小ETX路径上，最靠近当前节点的需要上报数据的传感器节点的ID，初值为null，以及当前节点到该节点的ETX值，记为ETX_rep，初始值为无穷大，即尚不存在；

然后，汇聚节点立即向全网广播该兴趣分组，网络中一个传感器节点i，当其从一个邻居节点j，接收到第一个这样的兴趣分组时，首先将自己到汇聚节点的ETX值更新为收到的分组中包含的ETX_j，sink+ETX_ij，ETX_ij代表链路(i，j)的ETX值，然后本地暂存该兴趣分组之后并推迟该分组的转发，具体延迟时间的长短与ETX_ij的值成正比，具体计算方法如下：

DeferTime＝ETX_ij/ETX_max×T，

其中T是允许的最大推迟时间，是一个系统参数，ETX_max是最小链路传输成功率对应的ETX值；

推迟期间，如果当前节点i从另一个具有较小ETX值的邻居k也收到一个兴趣分组，更确切的说，指ETX_k，sink+ETX_ik＜ETX_j，sink+ETX_ij成立，那么当前节点到汇聚节点的下一跳节点更换为k，并更新其到汇聚节点的ETX值以及本地推迟计时器的时长，如果计数器超时，当前节点更新ETX_i，sink和ETX_rep的值后，将转发该兴趣分组，之后将忽略任何后续收到的兴趣分组。

4.根据权利要求1、2或3所述的能量高效的数据相关感知无线传感网机会路由协议，其特征在于：所述基于数据融合度的期望传输代价的计算方法，具体如下：

节点b收到已压缩分组pkt时，按下述公式计算所述分组的ETC值：

其中size(pkt)是已压缩分组的大小，ETX_b是b到汇聚节点的ETX值，energy_b是节点b的剩余能量，ETC_b是b到汇聚节点的期望传输成本；

节点b收到由另一个节点a生成的原始数据分组pkt时，a可以是节点b的直接邻居，也可以是间接邻居，节点b按如下方式计算这个分组的ETC值：

·b是一个需要上报的传感器节点：在这种情况下，它可以利用自己的读数来压缩接收到的原始数据分组，假设b的读数与a生成的原始数据分组之间的数据融合度为f_ab，然后b的ETC价值计算如下：

其中(1-f_ab)×size(pkt)是原始数据分组被b压缩后的大小；

·b是一个无需上报的传感器节点：在这种情况下，节点b没有资格执行数据融合，但仍然可以竞争转发机会，如果选择节点b进行转发，那么节点b是否有资格充当该原始数据分组的转发者，还取决于未来下游节点数据融合的可能性，假设从节点b到汇聚节点的最短ETX路径上的下一个上报传感器节点为b’，那么b的ETC计算如下：

其中ETX_bb’是从b到b’的ETX值，在最坏的情况下，从节点b到汇聚节点的最短ETX路径上可能不存在这样的节点b’，如果是这样的话，节点b假设下游不存在融合机会，它将使用公式(1)进行本地ETC计算。

5.根据权利要求1-3任一所述的能量高效的数据相关感知无线传感网机会路由协议，其特征在于：所述下一跳备选转发节点的选择方法，具体如下：

每个传感器节点采用到汇聚节点的ETX值作为路由测度在其直接邻居中选择一组备选转发节点通往汇聚节点，即那些直接邻居中，ETX小于发送方的传感器才有资格被选为备选转发节点，此外，为了便于MAC层的协调，选取的备选转发节点必须可组成一个最大团，在这样一个团中，每个节点都可以在MAC层上直接侦听到彼此的传输。

6.根据权利要求1-5任一的能量高效的数据相关感知无线传感网机会路由协议，其特征在于：一种备选节点之间的优先排序方法，具体如下：

根据ETC值对备选转发节点集合中的节点进行优先级排序，ETC值越小的优先级越高。

7.根据权利要求1-6任一所述的能量高效的数据相关感知无线传感网机会路由协议，其特征在于：所述基于优先级的确认与转发方法，具体如下：

·每个数据分组传输之后紧随着k个小时槽，其中k表示为发送方选择的备选转发节点的数量，并且一个小时槽的持续时间刚好可以将一个ACK控制分组发送回发送方；

·一个节点在接收到一条数据分组后，如果该节点不是发送节点的备选转发节点，则直接丢弃该分组；如果接收节点是发送接的一个备选转发节点，且如果没有任何具有更高优先级的备选转发节点向发送方发送ACK分组的话，该接收节点需要在为其分配的小时槽中向数据分组发送方发送ACK分组，其他备选转发节点在收到该ACK后将退出转发机会竞争并丢弃该数据分组，发送ACK的节点将继续向sink转发该数据分组，如果需要执行数据融合的话，当前节点会在执行完数据融合之后再继续转发；

·如果发送节点在给定时间内没有收到ACK分组，将重新发送该分组，直到收到一个ACK为止。