一種基於cstf模型的分層多路徑wsn更新方法
2023-05-23 17:35:36 1
一種基於cstf模型的分層多路徑wsn更新方法
【專利摘要】一種基於CSTF模型的分層多路徑WSN更新方法，其包括如下步驟，S1：基於期望跳數網絡分層算法構建分層多路徑WSN；S2：設定所述分層多路徑WSN中節點剩餘能量閥值，剩餘能量閥值小於所述節點剩餘能量閥值或者路由表為空的節點退出所述分層多路徑WSN；S3：網絡運行一定時間或發生意外事件後，基於CSTF模型的網絡更新機制更新所述分層多路徑WSN，以保證網絡信息在可靠鏈路上傳輸。
【專利說明】—種基於CSTF模型的分層多路徑WSN更新方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於無線傳感器網絡【技術領域】，涉及分層無線傳感器網絡的建立、更新和維護模型，具體是一種基於期望跳數的分層算法，並且引入CSTF模型和能量閾值對網絡進行及時更新和實時維護，可用於提高網絡的可靠性，延長網絡壽命。
【背景技術】
[0002]無線傳感器網絡是由大量微型傳感器節點以無線通信的方式構成的以數據為中心的多跳自組織網絡，其作用是感知、採集和處理網絡覆蓋的地理區域內感知對象的信息，然後發送給基站。
[0003]隨著無線通信技術和微電子技術的快速發展，傳感器節點變得更小、成本功耗更低，並且擁有計算和通信的能力。因此，無線傳感器網絡已經變成了研究的熱點問題。無線傳感器網絡是一種非基礎設施的網絡，它是通過部署大量的傳感器節點而組成的。但是由於傳感器大多由能量有限的電池供電，節點間的通信通過多跳的方式進行可以降低節點的能量消耗。無線傳感器網絡主要應用在收集監測特殊環境的信息，例如:軍事、環境監控、商業、健康護理等領域。傳感器節點監測環境或目標，並通過無線通信技術將數據發送給SINK節點。通過分析數據可以得到目標的情況。然而，由於傳感器硬體的設計，WSN受到許多資源的限制，像計算能力小、內存小，能量有限等。
[0004]由於無線傳感器網絡通常被部署在一個開放的不受保護的區域中，容易受到環境、信號幹擾、節點失效等因素的影響，網絡在信息傳遞的過程中可能會丟失數據包，為此，提高WSN數據傳輸可靠性也成為了重要的研究課題。傳統的確認-重傳機制在一定程度上可以提高網絡傳輸數據的可靠性，但是容易造成能量消耗過度，網絡過早癱瘓。多路徑傳輸機製成為了提高WSN可靠性的重要策略之一，如SMR、AOMDV, ARAMA等路由協議，但是，過多的冗餘數據容易造成網絡堵塞，浪費能量。為了減少冗餘數據包的個數，一種最小跳數分層算法被提出，在最小跳數分層網絡中，數據包始終沿著信源節點到SINK節點之間的最短路進行傳輸，這樣往往造成最短路上的節點能量迅速消耗，影響網絡壽命。為此，基於能量感知的分層多路徑傳輸機制允許數據包在同層節點之間傳輸，但在冗餘數據包有限的情況下，網絡的可靠性得不到保障。另外，網絡編碼作為一種新型的編碼方式，成為了提高網絡可靠性，減低能量消耗的重要方法。
[0005]由於WSN節點能量有限，並且通常被部署在惡劣環境中，隨時都有可能發生的意外事件(如狂風、暴雨、信號幹擾等)，這樣往往會影響部分鏈路的數據傳輸質量；另外，隨著網絡工作時間的增長，一些節點可能會出現過早能量耗盡的情況。從而減低整個網絡的可靠性。
[0006]以上這些缺陷限制了無線傳感器網絡的性能，網絡在不能及時獲知故障鏈路或無效節點的情況下，勢必導致網絡不能進行可靠的數據傳輸。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在於克服上述分層網絡的技術不足，提供一種基於期望跳數的分層算法，並且通過引入網絡更新和維護機制，保障網絡數據傳輸的可靠性。
[0008]本發明提供一種基於CSTF模型的分層多路徑WSN更新方法，其包括如下步驟，
[0009]S1:基於期望跳數網絡分層算法構建分層多路徑WSN ；
[0010]S2:設定所述分層多路徑WSN中節點剩餘能量閥值，剩餘能量閥值小於所述節點剩餘能量閥值或者路由表為空的節點退出所述分層多路徑WSN ；
[0011]S3:網絡運行一定時間或發生意外事件後，基於CSTF模型的網絡更新機制更新所述分層多路徑WSN，以保證網絡信息在可靠鏈路上傳輸。
[0012]在上述技術方案的基礎上，將剩餘能量閥值小於所述節點剩餘能量閥值或者路由表為空的節點退出所述分層多路徑WSN的網絡信息。
[0013]在上述技術方案的基礎上，所述基於期望跳數網絡分層算法包括:
[0014](1)初始化:在面積為S=LXL的平面區域內，隨機拋撒M個無線傳感器節點，SINK節點及信源節點位於所述平面區域對角線的兩個頂點處，假設h，1分別表示節點到SINK節點的跳數和距離，SINK節點s設置hs=0，其他節點設置h=∞；
[0015](2)51爾節點廣播帶有113=0的路由建立信息，其鄰居節點u收到所述路由建立信息後，將所述路由建立信息加入到路由表中，並廣播帶有hu=l的路由建立信息；
[0016](3)網絡中任一節點V收到節點u的路由建立信息後:
[0017]a)若Iv≤Iu,節點V不作任何處理；
[0018]b)若lv>lu,節點V將節點u添加到包含hu的路由表中，並計
[0019]算當前路由表中所有下一跳節點到SINK節點跳數的期望值Enext,更新hv=rand(Enext)+1，其中rand(Enext)是將Enext四捨五入取整，然後廣播帶有hv的路由建立信息；
[0020](4)如此繼續執行步驟(3)，最終信源節點確定其到SINK節點的期望跳數h，建立基於期望跳數的分層網絡。
[0021]在上述技術方案的基礎上，所述基於CSTF模型的網絡更新機制包括:
[0022]SINK節點有序地廣播η個驗證信息X1, X2，…，χη,每個驗證信息都包含總驗證信息個數及自身編號；假設網絡節點保存有一個I到η的向量，如果節點接收到第i個驗證信息，則節點將向量的第i個元素標記為S,否則標記為F ；
[0023]若網絡中任一節點u收到其轉發節點V的m個驗證信息後，產生如下的序列
[0024]
【權利要求】
1.一種基於CSTF模型的分層多路徑WSN更新方法，其特徵在於:其包括如下步驟， 51:基於期望跳數網絡分層算法構建分層多路徑WSN ； 52:設定所述分層多路徑WSN中節點剩餘能量閥值，剩餘能量閥值小於所述節點剩餘能量閥值或者路由表為空的節點退出所述分層多路徑WSN ; 53:網絡運行一定時間或發生意外事件後，基於CSTF模型的網絡更新機制更新所述分層多路徑WSN，以保證網絡信息在可靠鏈路上傳輸。
2.根據權利要求1所述的一種基於CSTF模型的分層多路徑WSN更新方法，其特徵在於:將剩餘能量閥值小於所述節點剩餘能量閥值或者路由表為空的節點退出所述分層多路徑WSN的網絡信息。
3.根據權利要求1所述的一種基於CSTF模型的分層多路徑WSN更新方法，其特徵在於:所述基於期望跳數網絡分層算法包括: (1)初始化:在面積為s= LXL的平面區域內，隨機拋撒M個無線傳感器節點，SINK節點及信源節點位於所述平面區域對角線的兩個頂點處，假設h，I分別表示節點到SINK節點的跳數和距離，SINK節點s設置hs = O，其他節點設置h ; (2)SINK節點廣播帶有hs = O的路由建立信息，其鄰居節點u收到所述路由建立信息後，將所述路由建立信息加入到路由表中，並廣播帶有hu = I的路由建立信息； (3)網絡中任一節點V收到節點u的路由建立信息後: a)若Iv≤Iu,節點V不作任何處理； b)若Iv> Iu,節點V將節點u添加到包含hu的路由表中，並計算當前路由表中所有下一跳節點到SINK節點跳數的期望值Enext,更新hv = rand(Enext)+1,其中rand(Enext)是將Enext四捨五入取整，然後廣播帶有hv的路由建立信息； (4)如此繼續執行步驟(3)，最終信源節點確定其到SINK節點的期望跳數h，建立基於期望跳數的分層網絡。
4.根據權利要求1所述的一種基於CSTF模型的分層多路徑WSN更新方法，其特徵在於:所述網絡更新機制包括: SINK節點有序地廣播η個驗證信息Xl，X2,…，χη,每個驗證信息都包含總驗證信息個數及自身編號；假設網絡節點保存有一個I到η的向量，如果節點接收到第i個驗證信息，則節點將向量的第i個元素標記為S,否則標記為F ； 若網絡中任一節點u收到其轉發節點V的m個驗證信息後，產生如下的序列
5.根據權利要求3所述的一種基於CSTF模型的分層多路徑WSN更新方法，其特徵在於:若節點u在總未成功接收信息個數達到f之前，連續成功接收信息數目達到s個，則認為該鏈路可靠的，否則認為該鏈路不可靠。
6.根據權利要求4所述的一種基於CSTF模型的分層多路徑WSN更新方法，其特徵在於: I)若節點u驗證其到節點V之間的鏈路是可靠的，則節點u同樣廣播η個有序的驗證信息 X' I, 2，...，χ/ η ； 2)否則，節點u從其路由表中刪除節點V，若其路由表不為空，即存在可靠鏈路的轉發節點，則節點u更新其到SINK節點的期望跳數，並廣播驗證信息；否則廣播退出網絡信息，進行網絡維護； 如此繼續，直到信源節點確定其到SINK節點的期望跳數h'，並根據多路徑傳輸機制更新其發送數據包副本的個數N'
7.根據權利要求1所述的一種基於CSTF模型的分層多路徑WSN更新方法，其特徵在於:所述網絡維護機制包括: 假設每個節點都設置能量閾值Etl = Etx (k)+Ekx (k)，其中Etx (k)、Ekx (k)分別為節點傳輸、接收大小為kbit數據包所需的能耗:
8.根據權利要求6所述的一種基於CSTF模型的分層多路徑WSN更新方法，其特徵在於:網絡中的任一節點收到退網信息後，執行步驟I)及步驟2)，信源節點更新其到SINK節點的期望跳數h'，並根據多路徑傳輸機制更新其發送數據包副本的個數N'。
【文檔編號】H04W84/18GK103796236SQ201310671567
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年12月11日 優先權日:2013年12月11日
【發明者】馮海林, 李亞龍, 劉昊 申請人:西安電子科技大學