CN1719803A - 可扩展大规模传感器网络多尺度路由修正方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明是可扩展大规模传感器网络多尺度路由修正方法及应用。本方法是：将簇路由和泛洪路由结合起来，包括基于簇和泛洪的路由机制、基于时间调度的休眠机制、基于最佳覆盖约束、基于故障节点和基于网络能量平衡的路由进行修正的方法，其实现过程包括网络组织、初始头节点的产生及分布式网络的形成、路由修正。本方法用于大规模可扩展传感器动态网络和自治中间件服务代理，自治管理中间件服务和能量平衡、最优覆盖约束和故障节点判别、时间调度节能休眠机制方面、非先验知识不确定性度量和分布式簇内协同算法数据融合的路由修正。本发明能够对可扩展大规模传感器网络多尺度路由进行修正，并且实用性强，应用广泛。

Description

可扩展大规模传感器网络多尺度路由修正方法及应用

技术领域

本发明涉及传感器网络新技术领域，特别涉及一种可扩展大规模传感器网络多尺度路由修正方法及应用。

背景技术

由于传感器网络资源严格受限的特点，传统网络路由技术并不能直接运用到传感器网络中，此外传感器网络的研究正在从被动监测形式到自管理、自配置、自组织的智能网络的转变，而对于无人干涉的大规模传感器网络的路由修正和节点性能评价是自治体系的关键技术，它决定了传感器网络的自组织管理和自治策略，并且直接影响着传感器网络的整体性能和生命周期。这是可靠、高效智能传感器网络的关键问题。

由于传感器网络的特点、应用和结构需求，路由协议分为四类：以数据为中心的、分等级的、基于位置的、基于网络流的协议。

1.以数据为中心的路由协议

这类协议是基于查询和对目标数据的命名之上的，通过数据融合减少重复的数据传送。它和传统的基于地址的路由有显著的差异。SPIN(Sensor Protocol for Information viaNegotiation即基于协商的传感器网络协议)是第一种以数据为中心的自适应路由协议；定向扩散协议(Directed Diffusion)：网络节点用一组属性值来命名它所生成的数据，当sink节点(槽节点)发出查询时，用属性的组合定义一个兴趣消息，并将之逐级扩散至全网；在这过程中通过反向建立一个梯度场来建立数据传送的路径。后来出现了很多基于定向扩散的协议，如Rumor Routing(基于闲聊的路由)、Gradient-Based Routing(基于梯度的路由)，或者与定向扩散思路相同的协议如COUGAR(康奈尔大学研制的一个测试感知数据查询技术性能的COUGAR系统，提出了在传感器网络上计算聚集函数的容错和可扩展算法，并探索了把传感器网络表示为数据库的思想，探讨了如何把分布式查询处理技术应用于感知数据查询的处理)。

2.分层的路由协议

分层次路由协议是让节点参与特定的节点集群内的多跳通信，集群首领再进行数据融合，减少向sink节点传送的消息数量，从而达到节省能量和提高可扩展性的目的。典型的集群形成基于节点的能量储备及节点同集群首领的接近程度。LEACH(Low-EnergyAdaptive Clustering Hierarchy即低功耗自适应聚类路由)是传感器网络中最早的分层次路由协议之一。它的主要思想是基于接收信号的强度来形成集群，使用本地集群首领作为到sink节点的路由器。通过随机选择聚类首领，平均分担中继通信业务来实现节点能耗的平衡。LEACH中的思想激发了许多分层次路由协议，如阀值敏感的能量有效性传感器网络路由协议(Threshold-sensitive Energy Efficient sensor Network protocol，简称TEEN & ATEEN)，基于链的能源有效性协议(Power-Efficient Gathering in SensorInformation Systems，简称PEGASIS)等等。

3.基于位置的路由协议

很多路由协议需要节点的位置信息，用来计算节点之间距离，从而预估计能量消耗。基于位置的路由协议利用位置信息传送数据到指定区域而不是整个网络，来降低能耗。这方面的协议主要是来源于移动Ad—hoc(特别)网络，设计时考虑了节点的移动性。但是它们在节点移动性很少或者根本不移动的情况下也非常适用。这方面的代表协议有MECN(Minimum-Energy Communication Network最小能量通信网络)& SMECN(SmallMinimum-Energy Communication Network最小通信能量网络)、GEAR(Geographical andEnergy-Aware Routing基于地理信息和能量有效性路由)。

4.基于网络流的路由协议

基于网络流的路由协议的目标是在实现路由功能的同时满足一些网络QoS要求。这类路由协议在建立传感器网络的路由路径的同时，考虑端对端的时延约束。这类路由协议有Maximum Lifetime Energy Routing(基于能量约束的最大生命周期路由)、MaximumLifetime Data Gathering(基于信息获取的最大生命周期路由)等。

诸多约束条件决定了传感器路由是高度动态的，且受到诸多不确定因素的影响。因此有必要对路由进行修正。路由的修正是建立在节点性能评价和决策的基础上的，即建立在节点不确定性的行为评价的基础上的，这也是自治、自修复、自管理的智能体系的需求。虽然国外某些大学和研究机构对基于Bayesian网络的方法、神经网络的方法等进行了研究，但经典的概率方法不能捕捉非先验知识，这对不确定性度量的客观性有影响。

路由修正有分布式和集中式两种方法。集中式适用于较小规模、静态的传感器网络；分布式能够基于簇内协同计算代价和通信代价平衡，同时为避免集中式方法的缺点和适应自组织的智能体系的要求，使证据推理、识别框架的粗化(避免证据的组合爆炸)和快速方法的实现成为可能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种可扩展大规模传感器网络多尺度路由修正方法及应用。本发明提供的是一种新的路由修正方法，基于簇内协同计算代价和通信代价的平衡，避免集中式路由修正方法的缺点，适应自组织智能体系的要求；并且运用证据理论来解决非先验知识同构传感器节点性能评价和路由修正的问题，不仅对不确定性的度量更客观，同时使证据推理框架粗化和快速的实现成为可能。本方法适用于大规模动态传感器网络。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提供的技术方案是一种无人干涉可扩展大规模传感器网络多尺度路由修正自治中间件服务方法-路由修正方法，具体是：将簇路由和泛洪路由结合起来，包括基于簇和泛洪机制、基于时间调度的休眠机制、基于最佳覆盖约束、基于故障节点和基于网络能量平衡的路由进行修正的方法，其前提是：在组网之初通过直接设定簇的大小来产生头节点从而形成簇，在初始路由建立过程中利用旧路由的信息来实现路由更新；在泛洪过程中利用广播序列号控制广播信息的泛滥，即在路由请求的过程中，只对第一次接收到的广播做出反应，而对重复接收的路由广播不予继续传递。

上述修正方法的实现过程如下，包括：

(1)网络组织过程：

基于有效泛洪和聚类的由基站节点发起的路由方法的实现，执行过程如下：传感器网络节点布置到监测环境中以后，由基站节点发起路由请求。

基站附近的节点接收到这个请求以后就记录基站节点为数据传送的下一跳目标节点，并再次将此广播向网络内扩散。

收到此广播的另一批节点同样以各自接收到的广播的源节点为数据传送的下一跳目标节点，并继续向网络更远处传递此广播；所有节点以第一次接收到的广播中的源节点为目标节点，而不理会其他路由请求广播，以保证其目标节点总是最接近基站的节点。

(2)初始头节点的产生及分布式网络的形成过程：

在组网过程中同步实现第一批头节点的产生，其按照实际需要的疏密程度来布置节点，即设定一个最小邻居节点数n，以便在形成簇的时候易于定义簇的规模。

在路由请求广播扩散至全网的过程中，每个节点都将收到来自所有邻居的广播，由此得到邻居节点的数目，当邻居节点数等于n的时候，此节点成为头节点，并发送头节点声明广播。

按此规律，当组网过程完成时，网络就被分成了最小规模为n个节点的大小不一的簇，至此，分布式网络形成。

(3)路由修正

采用基于节点可靠性、冗余度评价、网络能量平衡和休眠机制的路由修正方法，即：

首先是路由修正信息的获取。组网后，先进行网络Qos(服务质量)评价，若低于阀值，就分别进行头节点可靠性以及一般节点冗余度的判别；当头节点经过可靠性计算得到的值低于阈值Tn为0.8～0.9时就发送重新选举头节点的申请广播，而一般节点在冗余度的评价后得知自己是冗余节点时就发送休眠广播。

本发明提供的方法涉及：大规模可扩展传感器动态网络自治管理中间件服务和能量平衡的路由修正；最优覆盖约束和故障节点的路由修正；时间调度节能休眠机制方面的路由修正；非先验知识不确定性度量，分布式簇内协同计算，自治管理中间件服务，以及自治中间件服务代理等。

本发明具有以下主要有益效果：

其一.由于将泛洪路由和簇路由结合起来，更适用于动态传感器网络。

其二.分层多尺度传感器网络管理机制提供了自治管理中间件服务，簇内的通信代价低，分布式的数据融合和簇内的协同计算代价比集中式代价小。

其三.能够实现基于故障节点的路由自修复、自配置和自管理，从而有效的延长网络的生命周期，提高网络的“鲁棒性”。

其四.能够实现基于最优覆盖约束的路由修正。

其五.能够实现基于能量平衡的路由修正。在分层多尺度管理体系中，实现传感器网络的能量分布的平衡，提高网络的“鲁棒性”延长网络生命周期。

其六.能够实现基于时间调度节能休眠机制方面的路由修正。休眠机制可以有效的节约能量和延长网络的生命周期。

其七.能够实现非先验知识不确定性度量。提高网络的“鲁棒性”、在有敌对节点的环境中提高网络安全性。

可扩展大规模传感器网络中的不确定性度量是路由修正的前提和理论基础。由于资源受限的特点和工作环境的不可预知性，导致传感器节点状态的不确定性是一种非先验知识的不确定性，在路由修正的方法中本发明首先引入证据理论(Evidences Theory)，这种方法在传感器网络领域未曾有过相关报道；与经典的统计方法Bayesian方法不同，证据理论对非确定性的度量不需要先验知识，不确定性度量更客观。

其八.簇内的通信代价较低，分布式协同计算和簇内通信代价的平衡，有效地延长了传感器网络的生命周期。由于证据组合算法的复杂度是成指数增加的，因此本发明采用分布式的方法，设计分层的路由修正机制和簇内的数据融合，能够大幅度降低证据的组合算法的复杂度，最终实现簇内有向的信任函数推理网，既高效、客观的度量非先验知识的不确定性，又避免了集中式算法组合“爆炸”的问题。

总之，本发明由于结合了泛洪和聚类的路由方案，同时在具体实施中对其进行了改进，因此能够对可扩展大规模传感器网络多尺度路由进行修正，并且实用性强，应用广泛。

附图说明

图1泛洪和簇路由相结合的路由框图。

图2传感器网络多尺度分层结构逻辑图。

图3具有反馈的自治代理框图。

图4证据理论有向推理网络框图。

图5传感器网络节点与路由修正服务中间件结构框图。

图6路由实现与网络组织流程图。

图7路由修正信息流程图。

图8路由修正流程图。

具体实施方式

本发明运用证据理论，从基于时间调度的休眠机制的路由修正、基于时间调度的休眠机制的路由修正、基于最佳覆盖约束的路由修正、基于故障节点的路由修正和基于网络能量平衡的路由修正等几个方面考虑路由修正的问题。

证据理论是描述非先验知识不确定性证据的有效工具，且比经典的概率方法更客观。簇内分布式组合可以避免证据组合“爆炸”，易于实现证据的快速组合和快速算法。

泛洪法是传统的路由方法，其原理是源节点有数据要传送到目的节点时，首先将数据副本发送给自己的每一个邻居节点，每一个邻居节点又将此副本传送给各自的所有邻居节点(除了源节点)，如此进行下去，直到将数据传送给目标节点为止，因此泛洪法存在信息爆炸和信息重叠等问题；而聚类方法也称为分布式的路由方法，已在背景技术中介绍过，它将网络分成若干部分，每一部分由一个簇头节点管理，负责收集信息和进行数据融合。

本发明正是结合了泛洪和聚类的思想而产生的，但是在具体实施中对其进行了改进：

(1)在泛洪过程中利用广播序列号控制了广播信息的泛滥，即在路由请求的过程中只对第一次接收到的广播做出反应，而对重复接收的路由广播不予继续传递。这大大减少了冗余广播的传递和处理，节省了能量。

(2)相对LEACH等传统聚类方法而言简化了聚类过程，通过直接设定簇的大小来产生头节点从而形成簇，这在组网之初大大缩短了建立路由的时间，并且节约了网络开销。

在修正路由的时候有效利用旧路由的信息来实现路由更新，即在初始路由建立过程中获取的路由信息在路由需要修正的时候被再次使用，这样就充分利用了已有的路由资源，并且可以快速地完成路由修正。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

一、可扩展大规模传感器网络多尺度路由修正方法

该方法将簇路由和泛洪路由结合起来，是基于簇和泛洪路由机制、基于时间调度的休眠机制、基于最佳覆盖约束、基于故障节点和基于网络能量平衡的路由进行修正的方法，其前提是：在组网之初通过直接设定簇的大小来产生头节点从而形成簇，在初始路由建立过程中利用旧路由的信息来实现路由更新；在泛洪过程中利用广播序列号控制广播信息的泛滥，即在路由请求的过程中，只对第一次接收到的广播做出反应，而对重复接收的路由广播不予继续传递。

上述修正方法的实现过程如下，包括：

(1)网络组织过程：

由基于有效泛洪和聚类的由基站节点发起的路由方法来实现(BS-station drivenroutingprotocol)，其执行过程如下(见图6)：

传感器网络节点布置到监测环境中以后，由基站节点发起路由请求。

基站附近的节点接收到这个请求以后就记录基站节点为数据传送的下一跳目标节点，并再次将此广播向网络内扩散。

收到此广播的另一批节点同样以各自接收到的广播的源节点为数据传送的下一跳目标节点，并继续向网络更远处传递此广播；所有节点以第一次接收到的广播中的源节点为目标节点，而不理会其他路由请求广播，以保证其目标节点总是最接近基站的节点。

(2)初始头节点的产生及分布式网络的形成过程：

如图2所示：第一批头节点的产生是在组网过程中同步实现的，本发明是按照自己需要的传感器网络密度来布置节点的，即设定一个最小邻居节点数，以便在形成簇的时候易于定义簇的规模，假定最小邻居节点数为n，n是自然数。

在路由请求广播扩散至全网的过程中，每个节点都将收到来自所有邻居的广播，由此得到邻居节点的数目，当邻居节点数等于n的时候，此节点成为头节点，并发送头节点声明广播。

按此规则，当组网过程完成时，网络就被分成了最小规模为n个节点的大小不一的簇，至此分布式网络形成。

(3)路由修正：

在完成传感器网络的组网以后，网络开始运行，随之将产生能量的消耗，节点的软硬件故障所带来的节点工作失常，以及由节点移动带来的网络拓扑的变化，那么部分节点的原始路由必然会无效，此时需要按下述方法及时进行路由修正，以维持网络的正常运行。

采用基于节点可靠性、冗余度评价、网络能量平衡和休眠机制的路由修正方法。

在传感器网络中，能量平衡是一个重要指标，它影响了全网寿命，单个节点乃至单个簇的能量消耗状态将直接影响整个网络的运行时间，而基于节点的可靠性和冗余度的路由修正方法正是从这一出发点来考虑的，并设计出如图3所示的基于反馈的传感器节点自管理框架。包括剩余能量，软件故障和硬件后得到自己的故障等的综合指标的可靠性，都将直接影响节点的生存时间；而节点冗余度的路由修正方法是从能源节约方面来考虑的，是基于数据采集区域的最小所需节点数来实现的，它通过让冗余节点休眠的方式，排除了不必要的能量消耗，进而使得全网的能耗处于平稳的高效的状态。

参见图7、图8，该路由修正方法的实现前提是：首先是路由修正信息的得到，组网后，先进行网络Qos评价，若低于阀值，就分别进行头节点可靠性以及一般节点冗余度的判别；当头节点经过可靠性计算得到的值低于阈值Tn时就发送重新选举头节点的申请广播，而一般节点在冗余度的评价后得知自己是冗余节点时就发送休眠广播。Tn根据具体应用有所不同，一般为0.8～0.9。

上述路由修正的具体过程是(参见图8)：

(1)接收到头节点的申请广播后，按照以下步骤进行：

a.查询路由表，判断自己当前状态是否为头节点。

b.若是，不作操作；若不是，查询路由表中头节点。

c.若是发送申请广播的头节点，则查询是否有备用头节点。

d.若有备用头节点，就选择第一个备用头节点为当前头节点。

e.若没有备用头节点，则选择邻居节点为头节点。

f.若当前头节点不是发送申请广播的头节点，则不作操作。

(2)接收到休眠广播后，按照以下步骤进行：

a.查询自己的下一跳目标节点，若是，则发送休眠广播，并继续查询路由表邻居节点ID，同时将查询到的第一个ID作为下一跳目标ID。

b.若不是，则不作操作。

本发明的簇内节点行为可靠性评价如图4所示：

簇内节点分别获取多源信息，通过簇内的信息广播和节点信息的协同处理实现证据的组合，最终实现基于多源信息的网络节点性能评价。

二、可扩展大规模传感器网络多尺度路由修正方法的应用

1.用于大规模可扩展传感器动态网络。

针对大规模可扩展传感器动态网络，本发明基于簇和泛洪机制的路由方法，将泛洪路由和簇路由结合起来(见图1)，更适用于大规模动态传感器网络。

2.用于自治管理中间件服务。

簇内的通信代价低，分布式的数据融合和簇内的协同计算代价比集中式代价小。从逻辑上分为几个层次，形成分层的树状结构(见图2)，每个父节点负责管理其子节点，在无人干涉的情况下，对于大规模传感器网络这种结构易于实现高效分布式的路由修正算法，提供传感器网络自治管理中间件服务。

3.用于能量平衡的路由修正。

4.用于最优覆盖约束的路由修正。

在网络生命周期内，基于簇内协同计算和最优约束覆盖，实现基于最优覆盖约束的路由的自配置和自管理。

5.用于故障节点判别的路由修正。

在网络生命周期内的演化过程中，由簇内有向证据推理自治管理中间件服务，实现基于故障节点的路由的自修复、自配置和自管理。

6.用于时间调度节能休眠机制方面的路由修正。

7.用于非先验知识不确定性度量的路由修正。

8.用于分布式簇内协同算法数据融合的路由修正。

采用分布式的方法设计分层的路由修正机制和簇内的数据融合。

9.用于传感器网络自治中间件服务代理。

如图5所示，在传感器节点上安装嵌入式操作系统，构架路由修正软件中间件，实现基于嵌入式系统软件中间件路由修正服务代理。

Claims (10)

1.一种可扩展大规模传感器网络多尺度路由修正方法，其特征是将簇路由和泛洪路由结合起来，包括基于簇和泛洪的路由机制、基于时间调度的休眠机制、基于最佳覆盖约束、基于故障节点和基于网络能量平衡的路由进行修正的方法，其前提是：在组网之初通过直接设定簇的大小来产生头节点从而形成簇，在初始路由建立过程中利用旧路由的信息来实现路由更新；在泛洪过程中利用广播序列号控制广播信息的泛滥，即在路由请求的过程中，只对第一次接收到的广播做出反应，而对重复接收的路由广播不予继续传递，

上述修正方法的实现过程如下，包括：

(1)网络组织过程：

由基于有效泛洪和聚类的由基站节点发起的路由方法来实现，其执行过程如下：

传感器网络节点布置到监测环境中以后，由基站节点发起路由请求，

基站附近的节点接收到这个请求以后就记录基站节点为数据传送的下一跳目标节点，并再次将此广播向网络内扩散，

收到此广播的另一批节点同样以各自接收到的广播的源节点为数据传送的下一跳目标节点，并继续向网络更远处传递此广播；所有节点以第一次接收到的广播中的源节点为目标节点，而不理会其他路由请求广播，以保证其目标节点总是最接近基站的节点，

(2)初始头节点的产生及分布式网络的形成过程：

在组网过程中同步实现第一批头节点的产生，其按照实际需要的疏密程度来布置节点，即设定一个最小邻居节点数n，以便在形成簇的时候易于定义簇的规模，

在路由请求广播扩散至全网的过程中，每个节点都将收到来自所有邻居的广播，由此得到邻居节点的数目，当邻居节点数等于n的时候，此节点成为头节点，并发送头节点声明广播，n为自然数，

按此规律，当组网过程完成时，网络就被分成了最小规模为n个节点的大小不一的簇，至此，分布式网络形成，

(3)路由修正：

采用基于节点可靠性、冗余度评价、网络能量平衡和休眠机制的路由修正方法，即：

首先是路由修正信息的得到，组网后，先进行网络服务质量评价，若低于阀值，就分别进行头节点可靠性以及一般节点冗余度的判别；当头节点经过可靠性计算得到的值低于阈值Tn为0.8～0.9时就发送重新选举头节点的申请广播，而一般节点在冗余度的评价后得知自己是冗余节点时就发送休眠广播。

2.根据权利要求1所述的可扩展大规模传感器网络多尺度路由修正方法，其特征在于路由修正的具体实现：

(1)接收到头节点的申请广播后，按照以下步骤进行：

查询路由表，判断自己当前状态是否为头节点，若是，不作操作，

若不是，查询路由表中头节点，

若是发送申请广播的头节点，则查询是否有备用头节点，

若有备用头节点，就选择第一个备用头节点为当前头节点；若没有备用头节点，则选择邻居节点为头节点，

若当前头节点不是发送申请广播的头节点，则不作操作，

(2)接收到休眠广播后，按照以下步骤进行：

查询自己的下一跳目标节点，

若是，发送休眠广播的节点，并继续查询路由表邻居节点ID，同时将查询到的第一个ID作为下一跳目标ID，

若不是，则不作操作。

3.根据权利要求1所述的可扩展大规模传感器网络多尺度路由修正方法，其特征在于簇内节点行为可靠性评价方法。

4.一种将权利要求1或2或3所述的可扩展大规模传感器网络多尺度路由修正方法用于大规模可扩展传感器动态网络。

5.一种将权利要求1或2或3所述的可扩展大规模传感器网络多尺度路由修正方法用于自治管理中间件服务和能量平衡的路由修正，即：从逻辑上将多尺度传感器网络分为几个层次，形成分层的树状结构，每个父节点负责管理其子节点，在无人干涉的情况下，对于大规模传感器网络管理机制即分层多尺度管理体系中提供自治管理中间件服务；在分层多尺度管理体系中，实现传感器网络的能量分布的平衡。

6.一种将权利要求1或2或3所述的可扩展大规模传感器网络多尺度路由修正方法用于最优覆盖约束和故障节点判别的路由修正，即：在网络生命周期内，基于簇内协同计算和最优约束覆盖，实现基于最优覆盖约束的路由的自配置和自管理；在网络生命周期内的演化过程中，由簇内有向证据推理自治管理中间件服务，实现基于故障节点的路由的自修复、自配置和自管理。

7.一种将权利要求1或2或3所述的可扩展大规模传感器网络多尺度路由修正方法用于时间调度节能休眠机制方面的路由修正。

8.一种将权利要求1或2或3所述的可扩展大规模传感器网络多尺度路由修正方法用于非先验知识不确定性度量的路由修正。

9.一种将权利要求1或2或3所述的可扩展大规模传感器网络多尺度路由修正方法用于分布式簇内协同算法数据融合的路由修正，即：采用分布式的方法设计分层的路由修正机制和簇内的数据融合，实现分布式簇内协同计算。

10.一种将权利要求1或2或3所述的可扩展大规模传感器网络多尺度路由修正方法用于自治中间件服务代理，即：在传感器节点上安装嵌入式操作系统，构架路由修正软件中间件，实现自治中间件服务代理。

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