基於能量感知的無線傳感器網絡機會路由方法
2023-05-27 02:52:11 2
專利名稱：基於能量感知的無線傳感器網絡機會路由方法
技術領域：
本發明屬於無線網絡協議技術領域，具體涉及一種基於能量感知的無線傳感器網 絡機會路由方法。
背景技術：
無線傳感器網絡領域內的技術發展中，儘可能的延長無線傳感器網絡的工作壽命 成為無線傳感器網絡設計中的關鍵問題之一。由於受到成本和體積等因素的限制，無線傳 感器網絡節點的處理能力、無線帶寬和電池容量都十分有限。同時，節點的能量在大多數的 情況下是無法得到補充的。為了提高無線傳感器網絡的壽命，網絡中每個節點的能量均衡 問題已成為研究的重點問題。無線傳感器網絡以監測區域和感知數據為目的，網絡由大量的傳感器節點和少量 匯聚(sink)節點組成，傳感器節點負責數據的採集和傳輸，sink節點負責匯總網絡中傳感 器節點發來的數據，同時也是網絡的控制節點，對網絡中的傳感器節點進行管理。通常，大 量的傳感器節點會被隨機布撒在監測區域的內部和周圍，無線信道的廣播特性使得某節點 的一次分組轉發可能被周圍多個節點收到。因而，區域中每一次數據傳輸都總可能有不止 一個的節點能夠成為潛在的下一跳節點，從而提供多個潛在的傳輸路徑。傳統的確定性路 由方式，在數據傳輸前先建立一條端到端的節點序列，然後在每次分組轉發時，先確定一個 下一跳節點，再執行鏈路層轉發。這種方式持續使用某一特定序列內的節點進行數據傳輸， 沒有利用冗餘節點分擔負載，易造成網絡能耗的不均衡。機會路由是一種充分利用信道廣播特性的路由方式。通過潛在轉發節點競爭、自 主智能判斷等機制進行下一跳節點的選擇，使數據傳輸任務在備選節點中協調分擔，有助 於均衡能耗，提高網絡投遞率等。研究機會路由算法來提升網絡性能已經成為當前傳感器 網絡協議研究中的一個熱點。機會路由的主要問題包括如何選擇備選轉發節點、如何為各 備選節點分配轉發優先級等。選擇有針對性的度量標準來衡量備選節點，對網絡的性能有 至關重要的影響。
發明內容
本發明旨在發明一種針對無線傳感器網絡的基於能量感知的機會路由方法。本發明的技術方案是在無線傳感器網絡中，當有數據傳輸需要時，首先建立一條 源到目的的最短路徑；之後，節點將其自身的鄰節點集與其在最短路徑上的下兩跳節點的 鄰節點集的交集中的節點作為本次數據發送的備選轉發節點；然後以備選集中各節點的能 量情況來確定節點轉發數據包的優先級，繼而通過MAC層基於RTS-CTS的控制包應答方式 對備選節點進行協調，完成數據傳輸。本發明的路由方法，主要用於在數據傳輸過程中使能量較充沛的節點成為下一跳 節點，通過這種機制，可以均衡節點間的負載，從而達到均衡全網能量消耗的目的。
圖1備選節點選擇示意圖。圖2節點發送CTS時的時槽長度設置示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的說明。本發明是在無線傳感器網絡的機會路由機制中，以節點的能量情況作為依據來判 定備選節點集裡節點轉發數據包的優先級，從而均衡網絡節點能耗。當有數據傳輸需要時，首先建立一條源到目的的最短路徑。之後，節點會將其自身 的鄰節點集與其在最短路徑上的下兩跳節點的鄰節點集的交集中的節點作為本次數據發 送的備選轉發節點。然後以備選集中各節點的能量情況來確定節點轉發數據包的優先級， 繼而通過MAC層基於RTS-CTS的控制包應答方式對備選節點進行協調，完成數據傳輸。備選節點集的確定
如何確定備選轉發節點集是機會路由機制中的關鍵問題。在本發明中，確定備 選轉發節點集的方法是當有數據傳輸任務時，首先建立一條源到目的節點的最短 路徑。則該條路徑中的所有節點以及它們的一跳鄰居，均可能成為備選轉發節點集 中的節點。對某個節點而言，其自身的鄰節點集與其在最短路徑上的下兩跳節點的 鄰節點集的交集中的節點，即為本次數據發送的備選轉發節點，換言之，節點與其在 最短路徑上的下兩跳節點的共同鄰居即為備選轉發節點。公式化表示為設ViR 表i節點的鄰居節點集，j節點是i節點在最短路徑上的下一跳節點，k節點是j節 點的下一跳節點，即k節點為i節點的下兩跳節點。則節點i的轉發備選集Si為
Si=ViI Vjl Vt。之所以必須是三個節點的共同鄰居是避免可能出現一種情況某節點是
i與j共同鄰居但卻位於k的通信範圍之外，則該節點一旦被i選擇為轉發節點，它很可能 依然必須經由j來到達k，或不得不選擇過於繞遠的路徑，從而造成了能量和時間的浪費。 實例如附圖1所示。圖中，當源節點S有數據要發送給目的節點D時，首先以常規方式建立 一條S到D的最短路由，該條路由的節點序列為SAB⑶，與ABC這三個中繼節點僅一跳距離 的節點，均有可能成為備選轉發集中的節點。對於A而言，其與B和C的共同鄰居E、F即為 A可選擇的備選轉發節點。而節點G只在A和B的通信範圍內，一旦成為轉發節點，則依然 需要依靠B與C通信，故其不能被選擇為備選節點。具體實現如下在最短路由建立後，使節點通過報文交換了解到其一跳鄰居情況， 並建立相應的鄰居表。處於最短路由上的節點將自己的鄰居情況以分組的形式在最短路徑 上的兩跳內傳播。收到該分組的節點建立對應的表項來記錄自己的兩跳鄰節點集。通過這 種方式，每個節點都能夠知道自己兩跳內的鄰居節點情況，繼而求交集得出節點自身的備 選轉發節點。備選節點轉發優先級的確定及協調
備選轉發節點集確定以後，需要給予各個備選節點不同的轉發優先級來協調各個節 點。本發明中節點間的協調通過MAC層基於RTS-CTS的控制包應答方式，有數據發送請求 的節點首先廣播RTS，備選節點收到後依照優先級回送CTS，一旦數據包發送節點收到第一 個CTS後，它就會選擇這個發送CTS的節點作為轉發節點，同時為數據包的轉發預約了無線信道；其它備選轉發節點聽到數據發送後停止發送CTS。具體的協議實現如下首先，在節點交換鄰居信息的同時，通過在信息中包含各節 點的能量情況，使節點可以獲知鄰居節點的能量狀況，並依據該情況，對鄰居節點進行一個 能量排位。當某節點需要發送數據包時，首先廣播RTS，該RTS中包含各備選轉發節點所對 應的能量排位；在備選轉發節點收到RTS後，以接收RTS的時間下沿為起點，按各自排位所 確定地優先級，依次在屬於自己的時槽內回送CTS;時槽的劃分可以採用全網時間同步的 方式，也可採用從RTS時間下沿開始各節點分別計時的方法(具體方法為排位號乘以單個 時槽長度);時槽長度！；㈣的設置必須略大於從節點開始發送CTS到首個數據包抵達的時間 長度，如圖2所示。這樣的設置是為了避免因隱藏終端所帶來的碰撞如圖1，E與F並不在 彼此的通信範圍內，無法偵聽到對方發送的CTS。假設F優先級靠後，若E已經發送CTS，且 A開始發送數據給E，則F只有在等待了大於Tsl。t的時間後，才可能因聽到A發來的數據包 而抑制自己發送CTS，從而避免了碰撞。選擇基於RTS-CTS的控制包應答方式是因為與機會路由中其他常見的基於ACK分 組應答方式和數據包應答模式相比，基於RTS-CTS的控制包應答方式可以通過相對較小的 控制分組開銷，使更少的節點參與數據分組的接收和發送，從而最大限度的節省節點的能
耗 ο
權利要求
1.基於能量感知的無線傳感器網絡機會路由方法，其特徵在於在無線傳感器網絡 中，當有數據傳輸需要時，首先建立一條源到目的的最短路徑；之後，節點將其自身的鄰節 點集與其在最短路徑上的下兩跳節點的鄰節點集的交集中的節點作為本次數據發送的備 選轉發節點；然後以備選集中各節點的能量情況來確定節點轉發數據包的優先級，繼而通 過MAC層基於RTS-CTS的控制包應答方式對備選節點進行協調，完成數據傳輸。
2.根據權利要求1所述的基於能量感知的無線傳感器網絡機會路由 方法，其特徵在於確定備選轉發節點集的方法是，設Vi代表i節點的鄰居 節點集，j節點是i節點在最短路徑上的下一跳節點，k節點是j節點的下 一跳節點，即k節點為i節點的下兩跳節點，則節點i的轉發備選集Si為 S1^V1I Vj I Vt。
3.根據權利要求1所述的基於能量感知的無線傳感器網絡機會路由方法，其特徵在 於，所述節點間的協調通過MAC層基於RTS-CTS的控制包應答方式節點在發送數據包之前 首先發送RTS，該RTS中包含各備選轉發節點對應的能量排位；備選轉發節點按優先級分時 槽回送CTS ；—旦數據包發送節點收到第一個CTS後，它就會選擇這個發送CTS的節點作為 轉發節點，同時為數據包的轉發預約了無線信道；其它備選轉發節點聽到數據發送後停止 發送CTS。
4.根據權利要求3所述的基於能量感知的無線傳感器網絡機會路由方法，其特徵在 於節點在分時槽回送CTS時，時槽長度必須略大於從節點開始發送CTS到首個數據包抵達 的時間長度，以避免因隱藏終端所帶來的碰撞。
全文摘要
本發明揭示了一種基於能量感知的無線傳感器網絡機會路由方法，屬於無線網絡協議技術領域。具體方法是在無線傳感器網絡中，當有數據傳輸需要時，首先建立一條源到目的的最短路徑。之後，節點會將其自身的鄰節點集與其在最短路徑上的下兩跳節點的鄰節點集的交集中的節點作為本次數據發送的備選轉發節點。然後以備選集中各節點的能量情況來確定節點轉發數據包的優先級，繼而通過MAC層基於RTS-CTS的控制包應答方式對備選節點進行協調，完成數據傳輸。本發明主要用於在數據傳輸過程中使能量較充沛的節點成為下一跳節點，從而達到均衡全網能量消耗的目的。
文檔編號H04W40/10GK102083164SQ20111004776
公開日2011年6月1日 申請日期2011年2月28日 優先權日2011年2月28日
發明者王嶔, 趙壯, 高雪 申請人:無錫泛聯物聯網科技股份有限公司