無線傳感網絡基於節點負載均衡的分布式路由方法

2023-10-05 04:12:44

專利名稱：無線傳感網絡基於節點負載均衡的分布式路由方法
技術領域：
本發明屬於網絡優化技術領域，具體涉及一種基於全新綜合路由尺度(Route Scale, RS)的無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks, WSN)分布式路由方法。
背景技術：
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSN)是一種無基礎設施的網絡，它由一組傳感器節點以無線自組織方式構成，其目的是協作感知、採集和處理網絡覆蓋地理區域中感知對象的信息，並對這些數據進行處理，最終將這些信息傳送到需要的用戶，而這就要求WSN具備長期可靠的數據匯聚功能。數據匯聚技術是將多份數據或信息進行處理，組合出更有效、更符合用戶需求的數據的過程。數據匯聚是數據傳輸的路由問題，是WSN的核心技術之一。在文獻[Shio Kumar Singh,M P Singh,and D K Singh,「Routing Protocols in Wireless Sensor Networks-A Survey」，IJCSES Vol. 1，No. 2，November 2010 ；]中總結了當前 WSN 中的常見路由協議，大多以Ad hoc路由協議為基礎,針對不同的應用場景定製而成,缺乏一般場景適應性。由於 WSN與傳統的無線網絡不同，網絡中的數據流要遠遠大於控制流，其節點的計算能力、無線帶寬和電池容量有限，周圍複雜環境條件的變化、網絡節點的失效和新節點的加入導致WSN 網絡拓撲結構不斷變化。大多數路由協議很難適應快速變化的網絡拓撲結構，造成位於核心位置的局部節點負載過重和能量過度消耗，大大縮減了 WSN的工作壽命。由於瓶頸節點限制了整體吞吐量，數據丟包現象嚴重。在面向數據匯聚的應用中，網絡工作壽命和傳輸可靠性是首要追求目標。本發明因此而來。

發明內容
本發明提出了一種適合一般數據匯聚場景的分布式路由算法，在保證WSN數據傳輸可靠性的同時，提高網絡負載整體的均衡度，有效提高網絡整體吞吐量和延長了 WSN的工作壽命，簡單高效。為了解決現有技術中的這些問題，本發明提供的技術方案如下—種無線傳感網絡基於節點負載均衡的分布式路由方法，其特徵在於所述方法包括以下步驟(I)所有節點按周期T1發送路由廣播報文，將節點自身的路由信息發送給鄰居節佔.(2)節點根據接收到的路由廣播報文，更新自身的鄰居節點列表；(3)節點根據鄰居節點列表內容，對候選父節點列表中各父節點進行信道質量 (Channel Quality, CQ)監控和節點性能(Node Capability, NC)評估；(4)每隔周期T2,節點根據鄰居節點列表計算網絡不均衡度(Network UnBalanced, NUB)，根據信道質量CQ值和節點性能NC值計算鏈路可靠性(LinkReliability, LR);並且基於父節點的不均衡度NUB和鏈路可靠性LR計算其對應的綜合路由尺度(Route Scale, RS)，其中 T2 < T1 ；(5)節點需要發送數據時，根據候選父節點列表中各父節點的綜合路由尺度動態選擇最佳路由；當父節點頻繁切換時，重複步驟(I)至步驟(5)實現網絡路由信息的周期性更新。優選的，所述方法步驟⑴中使用的路由信息報文格為〈節點號ID，路由更新次數 C，節點到Sink節點的跳數Η0Ρ，網絡不均衡度NUB〉。優選的，所述方法步驟(I)中無線傳感網絡初始化時，所有節點C = O、NUB = 1， Sink節點的HOP = 0，其餘節點HOP值為無窮大。優選的，所述方法步驟(2)中更新自身的鄰居節點列表步驟是根據報文中HOP和本地路由表HOP值的大小比較結果來進行的；如果廣播報文中HOP小於當前節點HOP值，則將該節點存放入候選父節點列表，否則放入子節點列表。優選的，所述方法步驟(2)中節點的負載不均衡度NUB等於以其為根的子樹所包含的節點數之和，其中葉子節點的NUB為1，內部節點的NUB為其所有直接孩子NUB值的和 +1，整個網絡的負載不均衡度NUB為網絡中所有節點的NUB值之和。優選的，所述方法步驟(3)中候選父節點列表中每一個候選父節點按式(I)計算它的CQ值
權利要求
1.一種無線傳感網絡基於節點負載均衡的分布式路由方法，其特徵在於所述方法包括以下步驟(1)所有節點按周期T1發送路由廣播報文，將節點自身的路由信息發送給鄰居節點；(2)節點根據接收到的路由廣播報文，更新自身的鄰居節點列表；(3)節點根據鄰居節點列表內容，對候選父節點列表中各父節點進行信道質量 (Channel Quality, CQ)監控和節點性能(Node Capability, NC)評估；(4)每隔周期T2,節點根據鄰居節點列表計算網絡不均衡度(NetworkUnBalanced, NUB)，根據信道質量CQ值和節點性能NC值計算鏈路可靠性(Link Reliability, LR);並且基於父節點的不均衡度NUB和鏈路可靠性LR計算其對應的綜合路由尺度(Route Scale, RS)，其中 T2CT1 ；(5)節點需要發送數據時，根據候選父節點列表中各父節點的綜合路由尺度動態選擇最佳路由；當父節點頻繁切換時，重複步驟(I)至步驟(5)實現網絡路由信息的周期性更新。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於所述方法步驟(I)中使用的路由信息報文格為〈節點號ID，路由更新次數C，節點到Sink節點的跳數Η0Ρ，網絡不均衡度NUB〉。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於所述方法步驟(I)中無線傳感網絡初始化時，所有節點c=0、NUB=I, Sink節點的Η0Ρ=0，其餘節點HOP值為無窮大。
4.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於所述方法步驟(2)中更新自身的鄰居節點列表步驟是根據報文中HOP和本地路由表HOP值的大小比較結果來進行的；如果廣播報文中HOP小於當前節點HOP值，則將該節點存放入候選父節點列表，否則放入子節點列表。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於所述方法步驟(2)中節點的負載不均衡度 NUB等於以其為根的子樹所包含的節點數之和，其中葉子節點的NUB為1，內部節點的NUB 為其所有直接孩子NUB值的和+1，整個網絡的負載不均衡度NUB為網絡中所有節點的NUB 值之和。
6.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於所述方法步驟(3)中候選父節點列表中每一個候選父節點按式(I)計算它的CQ值CQ = (1 HCQm-)+ fiHCQ) CD；其中信道質量值表示節點和父節點之間一跳數據傳輸的成功率，CQ是預測當前的全局信道質量值，CQpm代表之前已經獲得的全局信道質量值，@是最近十次數據傳輸成功率的平均值，以和均為可調節的常數因子且滿足漢+ #=1'以鄭[111];當進行下一輪預測開始時，CQpm取當前的CQ值參與運算，依次進行後續信道質量值的預測。
7.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於所述方法步驟(3)中候選父節點列表中每一個候選父節點按式(II)計算它的NC值 其中表示節點到Sink節點的跳數，MF—表示整個WSN中各節點到Sink節點的最大跳數。
8.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於所述方法步驟(4)中鏈路可靠性LR值通過式(III)進行計算
9.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於所述方法步驟(5)中當節點要發送數據時，從父節點候選列表中選擇RS最小的節點作為此次數據發送的父節點，並監控此次數據發送狀態。
10.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於所述方法步驟(5)中節點在候選父節點之間是否進行頻繁切換通過路由切換敏感因子#來判斷；當#滿足式(V)時進行路由切換，否則不進行路由切換
全文摘要
本發明公開了一種無線傳感網絡基於節點負載均衡的分布式路由方法，使用全新綜合衡量路由性能的路由尺度，基於局部信息實現動態路由決策，在保證無線傳感器網絡數據傳輸可靠性的同時，使網絡整體負載分配均衡化，延長無線傳感器網絡的工作壽命，同時提高了網絡的數據吞吐量，為無線傳感器網絡路由選擇提供了一種簡單有效的方法。
文檔編號H04W28/08GK102595505SQ201210063110
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月12日 優先權日2012年3月12日
發明者徐宏力, 謝杰濤, 郭偉傑, 黃劉生 申請人:中國科學技術大學蘇州研究院