专利名称：基于梯度的混合无线传感器网络路由方法
技术领域：
本发明属于无线传感器网络路由协议领域。具体涉及一种在移动采集节点和固定 采集节点共存的无线传感器网络中建立数据汇报路径的方法。
背景技术：
无线传感器网络中，无线传感器节点既是信息产生的终端，又是路由的节点—— 负责为其他无线传感器节点转发数据。无线传感器节点具有通信范围有限、能量有限等特 性。引入移动采集节点(mobile sink)可以有效均衡网络中的流量分布，降低固定采集节 点(sink)临近区域传感器节点的数据转发压力，提高无线传感器网络性能。另一方面，固 定采集节点sink的存在可以确保在最坏情况下，传感器节点具备数据上传通道。在不引起 混淆的情况下，本专利中，我们称固定采集节点sink和移动采集节点(mobile sink)共存 的无线传感器网络为混合无线传感器网络。因此，设计面向固定sink和移动sink共存的无线传感器网络，设计高效混合路由 协议具有重要的意义。现有技术中，对于混合无线网络的路由协议已有所注意。如我国学者田克，在2010 年6月发表的论文《高效无线多跳网络路由协议的研究》中，提出了一种基于轨迹的路由方 法基于移动sink轨迹的无线传感网路由协议TRAIL，这种协议面向轻载移动无线传感网。 TRAIL协议有机结合了随机行走和基于轨迹的数据包转发机制，具有实现简单、数据采集路 径维护开销低等优点。TRAIL协议包括轨迹生成、基于轨迹的数据转发、路径学习、轨迹刷 新以及随机行走几个主要组成部分。TRAIL既可以用于单sink传感网，也可以用于多sink 传感网。另外，文中还提出了基于锚节点的维诺划分方法此方法针对无线传感网络中部 署一个或多个移动采集节点(mobile sink)来进行数据收集的应用场景。该方法使用动态 维诺划分机制来维持传感器节点到离自己最近的sink的最短路径，协议通过动态锚节点 选择机制来稳定屏蔽sink节点在小范围内的移动，从而降低协议控制开销。协议设计过程 中还引入了中继机制和sink邻居节点直接上报机制。这种方法能够大大减少路由刷新次数、提高转发效率和数据投递成功率。另一方面，有一种针对这种混合无线网络的梯度概念，引入梯度概念。如Directed Diffusion方法网络中的每个固定sink周期性向网络广播hterest包(记做hterest-I 包)。每个^terest包携带发起节点ID、梯度信息(也就是所走过的路径的跳数信息)—— 初值为0，sink的梯度为0。Interest-I包在网络中扩散过程中，每走一跳，梯度信息加1。 Interest-I包所走过的距离就是收到该包的传感器节点的梯度值。如果一个传感器节点 收到多个hterest-Ι包，则选择其中梯度值最小的一个作为自己的梯度值。对于一个特定 的hterest-I包，每个传感器节点只需最多转发一次。如果一个传感器节点当前存储的梯 度值小于收到的Interest-〗所携带的梯度值，将不再继续转发收到的hterest-I包—— 这一机制可以使得每个传感器节点都属于与自己最邻近的固定sink的维诺簇(Voronoi
3Cluster)。
发明内容
本发明面向移动sink节点(或称移动sink)和固定sink节点(或称固定sink) 共存的混合无线传感器网络，目的是设计能充分发挥梯度作用的简易而高效的路由协议。为达上述目的，本发明设计了一种基于无线传感器网络的梯度的路由方法。本发明的传感器网络中，有包括无线传感器节点、固定sink节点、移动sink节 点。首先，固定sink节点建立基于跳数的传感器节点梯度；
然后，移动sink节点和传感器节点进行邻居维护；移动sink节点将自己邻居传感器节 点中，接收信号最强的节点作为自己的锚节点；
第三，移动sink节点判定自己的移动级别，然后在广播的HELLO包中标记自身的移动 状态；
第四，结合固定sink节点在传感器网络中建立的梯度信息，以及移动sink的移动状 态，局部建立面向移动sink的数据汇报路径，并进行路径动态刷新； 最后，传感器节点按照以下顺序进行数据转发
(1)如果它有一个sink作为其邻居节点(无论固定sink还是移动sink)，它都将直接 将分组发送给该sink邻居节点；当它有多个这样的邻居时，可以随机从中选择一个进行数 据发送；
(2)如果一个传感器节点同时具有固定sink节点和移动sink节点的梯度信息，它从中 选择梯度最小的方向进行数据发送；收到该分组的节点将持续上述过程。优选本发明步骤四的基于梯度的路径刷新方法，移动sink节点将自己的速度判 定为高、中、低三级，路径刷新采用三级刷新
I、高速移动sink情况高速移动中的sink节点并不发送hterest包；
II、中低速移动sink此类sink将周期性向自己指定的锚节点发送hterest包(记做 Interest-II包)，锚节点将继续广播该Interest-II包，移动sink根据自身移动速率级别 分别确定广播范围，中速移动sink的广播范围为K1，低速移动sink广播范围为K2，如Kl=2 跳，Κ2=3跳。II (dhterest-II包的广播范围是那些与锚节点梯度相同(相对固定sink而 言)，并且是那些有下游节点采用自己作为到达固定sink上一跳的传感器节点。即梯度相 同但身为叶子(leaf)的传感器节点不需转发Interest-II包。这一操作的结果是将在相 对固定sink梯度相同的等高线上广播移动sink的interest信息。II (b)如果hteret-II包上记录的到达移动sink的梯度大于本传感器节点到达 固定sink的梯度，该传感器节点也将不再继续转发该Interest-II包。II (c)如果锚节点的梯度为1的情况，锚节点不需要广播hterest-II包。因为 这种情况下，作为固定sink的邻居传感器节点不需要绕着固定sink来向移动sink转发数 据。利用本发明的路由方法，可以在传感器节点和sink节点之间建立优化数据汇报 路径，并充分利用移动sink的移动性，优化网络性能，并有效抑制路径建立过程中的协议 开销。
具体实施例方式本发明面向的传感器网络中含有无线传感器节点、固定sink节点、移动sink节 点。无线传感器节点不能移动，采用全向天线进行无线通信，并且通信范围有限，传感器节 点采集的数据需要汇报到sink节点，再由sink节点发送到管理节点，这一汇报，既可以汇 报到固定sink，也可以汇报到移动sink。首先，建立梯度，本发明中固定sink节点将按照Directed Diffusion法，建立基 于跳数的传感器节点梯度。然后，进行邻居维护，基于移动sink节点的邻居维护方法
移动sink:移动sink周期性(如每次3秒)发送HELLO包，包中记录自身ID、HELLO包 编号(递增的)。当移动sink在某一地点停留较长时间后(即长时间邻居传感器节点没有变 化或变化非常少时)，移动sink可以大大降低HELLO包频率；而当移动sink从新侦听到较 多新的传感器节点的发送行为(如传感器节点的数据发送或信令发送)后，移动sink可以重 新恢复到较高频率的HELLO包发送行为。当移动sink发送一个分组(如一个interest包 或一条数据)后，该sink节点可以重置HELLO包发送计时器。传感器节点
收到移动sink节点发送的HELLO包的传感器节点将该移动sink视作自己的邻居节 点。当连续多次(如3次)没有收到某移动sink的HELLO包之后，一个传感器节点将不再把 该移动sink视作自己的邻居节点。当一个传感器节点接收到移动sink发送的HELLO包后，该节点将周期性发送 HELLO包(记录自身ID并维护一个递增的编号)。当一个传感器节点连续多次没有收到移动 sink的HELLO包之后，该传感器节点将不再广播HELLO包，从而恢复到正常状态。移动sink将自己邻居传感器节点中，接收信号最强的节点作为自己的锚节点；当 移动sink超出锚节点通信范围后，移动sink将从自己的邻居中再选一个新的锚节点。第三，移动sink移动速度级别判别方法
根据移动sink的邻居传感器节点的变化速率，如时间T内移动sink的不同邻居的比 例；或者GPS接收设备提供的移动速率信息。移动sink判定自己的移动级别后，将在广播的HELLO包中标记自身的移动状态。 本专利采用三级移动速度级别低速、中速、高速。设传感器节点通信半径为R，如R=50米， 移动速率< R/30为低速，速率[R/30，R/15]为中速，速率〉R/15为高速。移动速率级别可 以根据具体情况而定。高速移动中的sink节点并不发送hterest包。中低速移动sink将周期性向自己 指定的锚节点发送hterest包(记做Interest-ΙΙ包)，锚节点将继续广播该Interest-II 包。移动sink根据自身移动速率级别分别确定广播范围。中速移动sink的广播范围为 Kl，低速移动sink广播范围为K2，如Kl=2跳，Κ2=3跳。第四，基于梯度的三级式梯度刷新方法
技术领域：
本发明将结合固定sink在传感器网络中建立的梯度信息，结合移动sink的移动行为， 局部建立面向移动sink的数据汇报路径，并进行动态刷新，以期有效缩短数据汇报路径的 长度，并降低网络中的控制信令开销。值得注意的是由于移动sink的资源较为充足，统计
5过程中将不考虑移动sink发送的HELLO包数量。I、高速移动sink情况高速移动中的sink节点并不发送hterest包；
II、中低速移动sink 此类sink将周期性向自己指定的锚节点发送hterest包(记做 Interest-II包)，锚节点将继续广播该Interest-II包，移动sink根据自身移动速率级别 分别确定广播范围，中速移动sink的广播范围为K1，低速移动sink广播范围为K2，如Kl=2 跳，Κ2=3跳。II (dhterest-II包的广播范围是那些与锚节点梯度相同(相对固定sink而 言)，并且是那些有下游节点采用自己作为到达固定sink上一跳的传感器节点。即梯度相 同但身为叶子(leaf)的传感器节点不需转发Interest-II包。这一操作的结果是将在相 对固定sink梯度相同的等高线上广播移动sink的interest信息。II (b)如果hteret-II包上记录的到达移动sink的梯度大于本传感器节点到达 固定sink的梯度，该传感器节点也将不再继续转发该Interest-II包。II (c)如果锚节点的梯度为1的情况，锚节点不需要广播hterest-II包。因为 这种情况下，作为固定sink的邻居传感器节点不需要绕着固定sink来向移动sink转发数 据。通过上述机制，可以大大降低网络中控制包数量。最后，传感器节点在本发明的混合传感器网络中的数据转发机制是
对于一个传感器节点，当它有一个数据包需要转发时，它将沿以下顺序进行转发 (1)如果它有一个Sink作为其邻居节点(无论固定Sink还是移动sink)，它都将直接 将分组发送给该sink邻居节点。当它有多个这样的邻居时，可以随机从中选择一个进行数 据发送。(2)如果一个传感器节点同时具有固定sink和移动sink的梯度信息，它从中选择 梯度最小的方向进行数据发送。收到该分组的节点将持续上述过程。
权利要求
1.基于梯度的的混合无线传感器网络路由方法，所述混合无线传感器网络中，含有无 线传感器节点、固定sink节点、移动sink节点，其特征是路由方法如下首先，固定sink节点建立基于跳数的传感器节点梯度；然后，移动sink节点和传感器节点进行邻居维护；移动sink节点将自己邻居传感器节 点中，接收信号最强的节点作为自己的锚节点；步骤三，移动sink节点判定自己的移动级别，然后在广播的HELLO包中标记自身的移 动状态；步骤四，结合固定sink节点在传感器网络中建立的梯度信息，以及移动sink的移动状 态，局部建立面向移动sink的数据汇报路径，并进行路径动态刷新；最后，传感器节点按照以下顺序进行数据转发(1)如果它有一个sink作为其邻居节点(无论固定sink还是移动sink)，它都将直接 将分组发送给该sink邻居节点；当它有多个这样的邻居时，可以随机从中选择一个进行数 据发送；(2)如果一个传感器节点同时具有固定sink节点和移动sink节点的梯度信息，它从中 选择梯度最小的方向进行数据发送；收到该分组的节点将持续上述过程。
2.根据权利要求1所述的路由方法，其特征是步骤四的基于梯度的路径刷新方法是 移动sink节点将自己的速度判定为高、中、低三级，路径刷新采用三级刷新I、高速移动sink情况高速移动中的sink节点并不发送hterest包；II、中低速移动sink情况此类sink将周期性向自己指定的锚节点发送Interest-II 包，锚节点将继续广播该^iterest-II包，移动sink根据自身移动速率级别分别确定广播 范围，中速移动sink的广播范围为K1，低速移动sink广播范围为K2 ；II (a) Interest-II包的广播范围是那些与锚节点梯度相同，并且是那些有下游节点 采用自己作为到达固定sink上一跳的传感器节点，即梯度相同但身为叶子(leaf)的传感 器节点不需转发hterest-II包，在相对固定sink梯度相同的等高线上广播移动sink的 interest 信息；II (b)如果hteret-II包上记录的到达移动sink的梯度大于本传感器节点到达固定 sink的梯度，该传感器节点也将不再继续转发该hterest-II包；II (c)如果锚节点的梯度为1的情况，锚节点不需要广播hterest-II包。
3.根据权利要求2所述的路由方法，其特征是移动sink根据移动sink的邻居传感 器节点的变化速率判定自己的移动级别。
4.根据权利要求2所述的路由方法，其特征是移动sink根据GPS接收设备提供的移 动速率信息判定自己的移动级别。
5.根据权利要求1所述的路由方法，其特征是当移动sink超出锚节点通信范围后， 移动sink将从自己的邻居中再选一个新的锚节点。
全文摘要
本发明揭示了一种基于梯度的混合无线传感器网络的路由方法，该无线网络中有传感器节点、固定sink和移动sink，利用固定sink节点建立基于跳数的传感器节点梯度；移动sink节点和传感器节点进行邻居维护；移动sink节点在广播的HELLO包中标记移动状态；结合固定sink节点的梯度信息，以及移动sink的移动状态，局部建立面向移动sink的数据汇报路径，并进行三级路径动态刷新，可以直接进行数据转发。本发明在传感器节点和sink节点之间建立优化数据汇报路径，并充分利用移动sink的移动性，优化网络性能，并有效抑制路径建立过程中的协议开销。
文档编号H04W24/02GK102098709SQ20111003971
公开日2011年6月15日 申请日期2011年2月17日 优先权日2010年11月4日
发明者王嵚, 王江, 赵壮, 高雪 申请人:无锡泛联软件科技有限公司