CN1929420A

CN1929420A - 基于跳数的无线传感器网络广播路由方法

Info

Publication number: CN1929420A
Application number: CNA2006100963669A
Authority: CN
Inventors: 张在琛; 余旭涛; 毕光国
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2007-03-14

Abstract

基于跳数的无线传感器网络广播路由方法是一种应用于无线传感器网络的路由方法，属于无线通信和信息传播技术领域。该方法的Sink节点首先发送广播包，并设包中携带的跳数信息为0，无线传感器节点根据收到的广播包中的跳数信息，确定自己距Sink节点的跳数，并根据需要更新、转发广播包；各无线传感器节点有数据要发送时，在数据包中写入自己的跳数值，此数据包在网络中传播时，各无线传感器节点将包中的跳数值和自己的跳数值比较，决定是否更新包中的跳数值和转发此数据包。方法的执行主要体现在传感器节点中，使得无线传感器网络节点只需进行简单的处理，就能完成对网络中数据包的路由，同时保证路由的健壮性、有效性和可扩展性。

Description

基于跳数的无线传感器网络广播路由方法

技术领域

本发明是一种应用于无线传感器网络的路由方法，属于无线通信和信息传播

技术领域。

背景技术

无线传感器网络是指由大量传感器节点籍由无线通信的方式组成的信息传播网络，在军事、工业、交通、安全、医疗、家庭和办公环境等众多场合有着非常广泛的应用，是目前国内外研究和应用的热点技术之一。

无线传感器网络的基本特点包括：无线传感器网络节点众多，节点一般由电池供电、能量有限，单个节点处理能力弱，网络拓扑结构变化大，无线通信链路不稳定等。这些使得无线传感器网络需要有适应其自身特点的无线路由算法。在无线传感器网络中，路由一般是多跳的，即信息需要经过多次转发，才能到达接收节点。如何保证网络的健壮性、可扩展性，同时减少网络的能量消耗，都是无线传感器网络路由算法需要解决的关键问题。

研究者已提出了多种无线传感器网络路由方法[J.N.Al-Karaki and A.E.Kamal，“Routing techniques in wireless sensor networks：A survey，”IEEEWireless Communications，Dec.2004，pp.6-28.]。可以将这些算法分为单路径算法和多路径算法两大类。其中多路径算法有助于提高网络的健壮性，较适合于在网络拓扑结构和连通性经常变化的无线传感器网络中应用。已提出的协议中，梯度广播(GRAdient Based，GRAB)方法[F.Ye，G.Zhong，S.Lu，and L.Zhang，“Gradient broadcast：A robust data delivery protocol for largescale sensor networks，”Wireless Networks，Vol.11，No.3，May 2005，pp.285-298.]是一种典型的多路径路由算法。GRAB算法的基本思路是根据各传感器节点到数据收集(Sink)节点所需的能量，确定各传感器节点的梯度值。当数据包在网络中传播时，每个收到此数据包的传感器节点通过比较自己的梯度值和数据包中携带的能量信息，决定是否转发此数据包。每个产生数据包的传感器节点还赋予该数据包一个信用(Credit)值，通过调节Credit值及其在数据包传播过程中的分配，可以调节多路径的扩散程度和扩散方式。与其它的无线传感器网络路由算法相比，GRAB算法的特点是其采用了隐式路由，即由传感器节点动态地决定数据包的传播，而不是建立和保持数据产生节点到Sink节点的明确路径；同时，数据包传播的多条路径是交错的，而不是互相分离的。这些特点使得GRAB协议实现较简单、健壮性强，在各种网络条件下，都有比较稳定、良好的性能。

无线传感器网络的节点一般要求成本极低、功耗极小，因而其处理能力也很弱。包括GRAB在内的已经提出的无线传感器网络协议，对节点处理能力的要求还是较高，限制了无线传感器网络节点成本和功耗的降低以及应用领域的扩大。

发明内容

技术问题：本发明针对现有无线传感器网络路由协议比较复杂，对节点处理能力要求较高的问题，提出一种基于跳数的无线传感器网络广播路由方法，使得无线传感器网络节点只需进行简单的处理，就能完成对网络中数据包的路由，同时保证路由的健壮性、有效性和可扩展性。

技术方案：本发明提出一种基于跳数的无线传感器网络路由方法，这里的跳数，与GRAB算法中梯度的作用相似，即用来引导包在网络中的传播。但采用跳数代替GRAB算法中能量的梯度，可以使得算法在保持好的性能的同时，显著减小复杂度。

网络中有一个Sink节点和众多的无线传感器节点。无线传感器节点采集自身周围的信息，将其写入数据包中，以多跳的方式向Sink节点发送。Sink节点收集无线传感器节点发来的信息，进行处理。每个节点都有一个无线发送通道和一个无线接收通道，发送或转发包即指从此无线发送通道将包发出；收到包即指从此无线接收通道收到包。

方法的执行过程为：Sink节点首先发送广播包，并设包中携带的跳数信息为0，无线传感器节点根据收到的广播包中的跳数信息，确定自己距Sink节点的跳数，并根据需要更新、转发广播包；各无线传感器节点有数据要发送时，在数据包中写入自己的跳数值，此数据包在网络中传播时，各无线传感器节点将包中的跳数值和自己的跳数值比较，决定是否更新包中的跳数值和转发此数据包。方法的执行主要体现在传感器节点中，其具体在计算机中处理的方法流程为(如图1所示)。

无线传感器节点开始启动后，即进行初始化，进入空闲状态，此时本节点跳数设为一个预先选定的最大值。如果无线传感器节点收到一个包，则首先判断此包是从Sink节点发来的广播包还是从其它无线传感器节点发来的数据包。如果是广播包，则通过包的序号判断此包是否是新到达的，或者包中携带的跳数信息是否小于本节点的跳数值。如果两者都不成立，则将收到的包丢弃，然后回到空闲状态。如果两者中至少一项成立，则更新本节点跳数，即将本节点的跳数更新为包中携带的跳数值加。如果收到的广播包不是新到达的，则回到空闲状态，否则节点用新的自身跳数值更新包中的跳数值，并把此包转发出去，然后回到空闲状态。如果无线传感器节点收到的是数据包，则节点首先看本节点的跳数值是否有效。如果跳数值是初始的最大值，则为无效；如果小于最大值，则为有效。如果跳数值无效，则将收到的数据包丢弃，返回空闲状态。如果跳数值有效，则再看包中携带的跳数信息是否大于本节点的跳数值，如果没有大于，则丢弃数据包，返回空闲状态；否则将数据包中携带的跳数值更新为本节点的跳数值，并转发此包，然后回到空闲状态。如果在空闲状态，无线传感器节点采集到信息并需要发送，则节点首先判断本节点的跳数值是否有效，如果无效，则回到空闲状态；如果有效，则产生包含需发送信息的数据包，将包的跳数设为本节点跳数，并发送此数据包，然后回到空闲状态。

有益效果：本发明提出的基于跳数的无线传感器网络广播路由算法，与已有的无线传感器网络路由算法相比，具有以下优点：

●算法复杂度低，执行过程简单，无线传感器节点不需要维护和更新路由表，对每一个收到的包，只需根据其跳数信息和序列号，进行简单的判断，即可完成路由的过程，因此，算法对硬件的要求很低，节省能量消耗；

●采用多路径路由和广播算法，可靠性高、健壮性强，适应于无线传感器网络拓扑结构和无线链路状态经常变化的情况；

●与GRAB算法相比，不需要使用Credit值和能量信息，不需进行较为复杂的计算，就能够实现多路径路由；

●与一般广播算法相比，可扩展性好，支持高密集和大范围的无线传感器网络；

●对无线传感器节点天线的方向图没有要求，支持各种定向天线和全向天线，应用面广。

附图说明

图1是本发明无线传感器节点算法流程图。

图2是本发明广播包的传播和无线传感器节点跳数确定过程示意图。

图3是本发明数据包的传播过程示意图。其中A、B、F、D、E、F、G、H、为节点。

具体实施方式

下面以图2和图3的简单网络为例，说明本发明方法的具体执行过程，其中图2为广播包的传播和无线传感器节点跳数确定的过程，图3为图2执行完成之后，即无线传感器节点跳数确定之后，一个数据包从无线传感器节点发出到到达Sink节点的过程。图中三角形表示Sink节点，圆形表示无线传感器节点，节点中的字母为节点的名称，节点边带下划线的文字说明了节点的跳数值。带箭头的线表示包的传播，其中实线箭头表示被转发或利用的包，虚线箭头表示被丢弃的包，箭头上标明了包中携带的跳数值。一个包同时到达数个节点，则用数个箭头而不是一个箭头表示。各个包的发出以及图2中各个无线传感器节点跳数的确定，不一定是同时发生的，但在图中没有进行区分。

图2中，开始时，Sink节点A的跳数为0，其它节点的跳数为预设的一个最大值。Sink节点发送广播包，包中携带的跳数信息也为0。Sink节点旁边的节点B、C、D收到此广播包。因为包中的跳数比它们自己的跳数值小，所以这些节点将它们自己的跳数更新为1，并将广播包中的跳数信息更新为1，再转发广播包。各节点在转发时，会进行载波侦听和随机延时，以防止包的相互碰撞。以节点C为例，它转发的广播包会被节点A、B、F、D收到。此时，节点F的跳数值还为初始的最大值，因此节点F将其跳数值更新为2，并转发广播包，而其它三个节点A、B、D通过比较C发出的广播包中携带的跳数值和其本身的跳数值，都将收到的包丢弃。广播包在网络中其它地方的传播过程类似。最后，网络中每个节点都收到广播包，并以此确定自己的跳数值，其中节点B、C、D的跳数为1，节点E、F、G的跳数为2，H的跳数为3。

图3中，节点G产生一个数据包，将其自身的跳数值2写入数据包，并发送到网络中。节点D、F、H收到此数据包。通过比较数据包中的跳数值与自身的跳数值，节点F和H将收到的包丢弃，而节点D将数据包中的跳数值更新为1，然后转发此数据包。节点A、C、G收到此转发的数据包，通过比较跳数信息，节点C和G将丢弃此数据包，而节点A，即Sink节点，将最终收到此数据包。

Claims

1.一种基于跳数的无线传感器网络广播路由方法，其特征在于网络中有一个Sink节点和众多无线传感器节点，节点通过其本身的跳数值和包中携带的跳数值进行路由，节点的跳数值为节点距Sink节点的跳数，包中的跳数值为最近发送或转发此包的节点的跳数值；其具体步骤为：

1.)无线传感器节点开始启动后，即进行初始化，进入空闲状态，此时本节点跳数设为一个预先选定的最大值，

2.)如果无线传感器节点收到一个包，则首先判断此包是从Sink节点发来的广播包还是从其它无线传感器节点发来的数据包，如果是广播包，则通过包的序号判断此包是否是新到达的，或者包中携带的跳数信息是否小于本节点的跳数值，

3.)如果两者都不成立，则将收到的包丢弃，然后回到空闲状态，如果两者中至少一项成立，则更新本节点跳数，即将本节点的跳数更新为包中携带的跳数值加1，

4.)如果收到的广播包不是新到达的，则回到空闲状态，否则节点用新的自身跳数值更新包中的跳数值，并把此包转发出去，然后回到空闲状态，

5.)如果在步骤2)中，无线传感器节点收到的是数据包，则节点首先看本节点的跳数值是否有效，如果跳数值是初始的最大值，则为无效；如果小于最大值，则为有效；如果跳数值无效，则将收到的数据包丢弃，返回空闲状态，如果跳数值有效，则再看包中携带的跳数信息是否大于本节点的跳数值，如果没有大于，则丢弃数据包，返回空闲状态；否则将数据包中携带的跳数值更新为本节点的跳数值，并转发此包，然后回到空闲状态，

6.)如果在空闲状态，无线传感器节点采集到信息并需要发送，则节点首先判断本节点的跳数值是否有效，如果无效，则回到空闲状态；如果有效，则产生包含需发送信息的数据包，将包的跳数设为本节点跳数，并发送此数据包，然后回到空闲状态。