机会路由方法、发送端和接收端无线传感器网络节点的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种机会路由方法、发送端和接收端无线传感器网络节点。所述机会路由方法包括：发送端无线传感器节点广播侦测帧；接收端无线传感器网络节点根据能够提供路由增量反馈确认帧；发送端无线传感器节点根据接收到所述确认帧的时间片，利用序列号推测算法推测接收的确认帧的时间片序列号，并在待发送的数据帧中嵌入推测的最早接收的确认帧所在的时间片序列号，并广播所述数据帧；最早反馈确认帧的接收端无线传感器节点将接收到的数据帧进行转发。本发明实施例提供的机会路由方法，发送端和接收端无线传感器网络节点有效减少了无线传感器网络中机会路由产生的重复数据包。
【专利说明】机会路由方法、发送端和接收端无线传感器网络节点
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线传感器网络【技术领域】，尤其涉及一种机会路由方法、发送端和接收端无线传感器网络节点。
【背景技术】
[0002]随着通信、传感器制造、嵌入式计算的日益成熟，大规模无线传感器网络技术迅速发展并被广泛应用到环境、国防、医疗、城市管理等诸多领域。典型的无线传感器网络由大量微型传感器节点组成，它们能够在恶劣及危险环境中迅速展开，并通过无线自组成网，不受现有有线网络基础设施的限制。感知数据通过无线通信以多跳中继方式汇集到数据处理中心。无线传感器网络使人们在任何时间、地点和环境条件下实时获取大量详实而可靠的信息。
[0003]在无线传感器网络中，由于每个节点的能量储备有限，而且用户对数据的实时性要求更高，所以降低能耗和时延是无线传感器网络研究中的最为重要的问题。利用更多的有效链路来转发数据包是实现低能耗和低时延转发的有效手段，因此，人们在无线传感器网络中采用了机会路由的算法。图1是现有技术提供的无线传感器网络中机会路由的时序图。参见图1，当发送节点以广播的方式发送数据帧102时，与之临近的、处于唤醒周期101的第一接收节点、第二接收节点以及第三接收节点都接收到了所述数据帧102。它们分别对所述数据帧102反馈确认帧103，分别对所述数据帧102再进行转发。而第四接收节点由于处于睡眠状态，没有接收到所述发送节点发送的数据帧102。也就是说，采用机会路由算法时，源节点发送的数据并不按照一条最佳的路由传输至宿节点，而是传输路径上的每个节点处进行广播，由接收到广播的处于唤醒状态的下一跳节点再进行转发。但是，现有的机会路由算法存在这样的不足，与发送节点空间上相近的节点中可能有多个在数据发送时处于唤醒状态，因此发送后的数据可能由多个空间上与发送节点相近的节点进行转发，这样就造成采用机会路由算法时，无线传感器网络中传输了大量重复的数据，无谓的耗费了网络节点的能量。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明提出一种机会路由方法、发送端和接收端无线传感器网络节点，以减少机会路由产生的重复数据包。
[0005]第一方面，本发明实施例提供了一种机会路由方法，所述方法应用于发送端无线传感器网络节点，包括:
[0006]广播侦测帧，所述侦测帧包括所述发送端无线传感器网络节点的标识以及路由等级；
[0007]接收由接收端无线传感器网络节点反馈的确认帧；
[0008]根据接收到所述确认帧的时间片，利用序列号推测算法推测接收的确认帧的时间片序列号；[0009]在待发送的数据帧中嵌入推测的最早接收的确认帧所在的时间片序列号，并广播所述数据帧。
[0010]第二方面，本发明实施例提供了一种机会路由方法，所述方法应用于接收端无线传感器网络节点，包括:
[0011]接收由发送端无线传感器网络节点广播的侦测帧，所述侦测帧包括所述发送端无线传感器网络节点的标识以及路由等级；
[0012]根据自身的路由等级以及所 述侦测帧中所述发送端无线传感器网络节点的路由等级判断是否能够提供路由增量；
[0013]若可以提供路由增量，根据时间片选择算法计算确认帧发送时间片，在所述确认帧发送时间片发送确认帧，并记录发送的确认帧的时间片序列号；
[0014]接收所述发送端无线传感器网络节点广播的数据帧，如果所述数据帧中的时间片序列号与记录的确认帧的时间片序列号相同时，则转发接收到的数据帧。
[0015]第三方面，本发明实施例提供了一种发送端无线传感器网络节点，所述发送端无线传感器网络节点包括:
[0016]侦测帧广播模块，用于广播侦测帧，所述侦测帧包括所述发送端无线传感器网络节点的标识以及路由等级；
[0017]确认帧接收模块，用于接收由接收端无线传感器网络节点反馈的确认帧；
[0018]时间片序列号推测模块，用于根据接收到所述确认帧的时间片，利用序列号推测算法推测接收的确认帧的时间片序列号；
[0019]数据帧广播模块，用于在待发送的数据帧中嵌入推测的最早接收的确认帧所在的时间片序列号，并广播所述数据帧。
[0020]第四方面，本发明实例提供了一种接收端无线传感器网络节点，所述接收端无线传感器网络节点包括:
[0021]侦测帧接收模块，用于接收发送端无线传感器网络节点广播的侦测帧，所述侦测帧包括所述发送端无线传感器网络节点的标识以及路由等级；
[0022]路由增量判断模块，用于根据自身的路由等级以及所述侦测帧中所述发送端无线传感器网络节点的路由等级判断是否能够提供路由增量；
[0023]确认帧发送模块，用于在可以提供路由增量时，根据时间片选择算法计算确认帧发送时间片，在所述确认帧发送时间片发送确认帧，并记录发送的确认帧的时间片序列号;
[0024]数据帧转发模块，用于接收所述发送端无线传感器网络节点广播的数据帧，如果所述数据帧中的时间片序列号与记录的确认帧的时间片序列号相同时，则转发接收到的数据帧。
[0025]本发明实施例提供的机会路由方法、发送端和接收端无线传感器网络节点，通过发送探测帧，接收端的无线传感器网络节点接收到探测帧后在特定的时间片反馈确认帧，发送端的无线传感器网络节点接收到多个确认帧后选择最早反馈确认帧的接收端无线传感器网络节点为下一跳无线传感器网络节点，而其他无线传感器网络节点在接收到数据帧后不进行转发，减少了无线传感器网络中机会路由产生的重复数据包，节约了无线传感器网络节点因为重复数据包的转发而耗费的能量。【专利附图】
【附图说明】
[0026]通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0027]图1是现有技术提供的无线传感器网络中机会路由的时序图；
[0028]图2是本发明第一实施例提供的机会路由方法的流程图；
[0029]图3是本发明第二实施例提供的机会路由方法的流程图；
[0030]图4是本发明第三实施例提供的机会路由方法的流程图；
[0031]图5是本发明第三实施例提供的时间片选择的示意图；
[0032]图6是本发明第四实施例提供的机会路由方法的交互过程示意图；
[0033]图7是本发明第四实施例提供的机会路由方法的时序图；
[0034]图8是本发明第四实施例提供的机会路由方法与现有机会路由方法的重复数据包数量比较结果图；
[0035]图9是本发明第五实施例提供的发送端无线传感器网络节点的结构图；
[0036]图10是本发明第六实施例提供的接收端无线传感器网络节点的结构图。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
[0038]图2示出了本发明的第一实施例。
[0039]图2是本发明第一实施例提供的机会路由方法的流程图。所述机会路由方法应用在无线传感器网络中的发送端无线传感器网络节点上。参见图2，具体的，所述机会路由方法包括:
[0040]步骤S210，广播侦测帧，所述侦测帧包括所述发送端无线传感器网络节点的标识以及路由等级。
[0041]在本实施例中，所述侦测帧是发送端无线传感器网络节点用来侦测下一跳无线传感器网络节点的帧。所述发送端无线传感器网络节点向周围的无线传感器网络节点广播所述侦测帧。临近的无线传感器网络节点接收到所述侦测帧后，向所述发送端无线传感器网络节点反馈所述侦测巾贞对应的反馈中贞。
[0042]所述侦测帧包括所述发送端无线传感器网络节点的标识以及路由等级。所述标识是用来唯一标明所述发送端无线传感器网络节点的字段，它包括在所述侦测帧中，用来将所述发送端无线传感器网络节点发送的侦测帧与其他的无线传感器网络节点发送的侦测帧区别开来。
[0043]所述路由等级是所述发送端无线传感器网络节点的参数。在对数据帧进行路由时，所述路由等级用来计算对数据帧进行转发的无线传感器网络节点能否提供路由增量，进而对进行转发的无线传感器网络节点进行选择。
[0044]步骤S220，接收由接收端无线传感器网络节点反馈的确认帧。
[0045]与所述发送端无线传感器网络节点临近的接收端无线传感器网络节点接收到所述侦测帧后，向所述发送端无线传感器网络节点反馈与所述侦测帧对应的确认帧，以通知所述发送端无线传感器网络节点已经接收到所述侦测帧。
[0046]所述确认帧包括与其对应的侦测帧的时间片序列号，以表明所述确认帧与侦测帧对应。
[0047]步骤S230，根据接收到所述确认帧的时间片，利用序列号推测算法推测接收的确认帧的时间片序列号。
[0048]由于接收端无线传感器网络节点分配了不同的路由等级，而所述接收端无线传感器网络节点会根据不同的路由等级计算反馈确认帧的时间片。因此，不同的接收端无线传感器网络节点反馈所述确认帧的时间片不同。
[0049]为了减少无线传感器网络中的重复数据包，发送端无线传感器网络节点依据在数据帧中添加时间片序列号来指定对其传输的数据帧进行转发的接收端无线传感器网络节点。在本实施例中，具体的，所述发送端无线传感器网络节点通过在数据帧中添加时间片序列号来指定最早反馈确认帧的接收端无线传感器网络节点为对其发送的数据帧进行转发的无线传感器网络节点。
[0050]在所述数据帧中添加的时间片序列号需要通过序列号推测算法确定。具体的，所述时间片序列号根据下式确定:
[0051]Kf = (Tr-Tbase)/Tslrt。[0052]其中，I；是所述发送端无线传感器网络节点接收到所述确认帧的时间，Tbase是数据的发送时间点与数据的接收时间点之间的最小差值，它被作为一个常量存储起来，Tslot是每个时间片的时间长度，Kf是计算得到的时间片序列号。
[0053]步骤S240，在待发送的数据帧中嵌入推测的最早接收的确认帧所在的时间片序列号，并广播所述数据帧。
[0054]所述发送端无线传感器网络节点根据时间片推测算法推测出所述时间片序列号后，将所述推测的时间片序列号嵌入至待发送的数据帧中，用来指定对数据帧进行转发的接收端无线传感器网络节点。然后，所述发送端无线传感器网络节点将嵌入了时间片序列号的数据帧进行广播。[0055]在待发送的数据帧中嵌入推测的时间片序列号，并广播所述数据帧可以是在缓存中的下一个数据帧中嵌入推测的最早接收的确认帧所在的时间片序列号，并广播所述下一个数据帧，也可以是在缓存中的全部数据帧中嵌入推测的最早接收的确认帧所在的时间片序列号，并广播所述全部数据帧。在缓存中的全部数据帧中嵌入推测的最早接收的确认帧所在的时间片序列号，并广播所述全部数据帧，能够减少侦测帧的发送次数，从而进一步节约无线传感器网络节点的能量。[0056]本实施例通过广播侦测帧，接收由接收端反馈的对侦测帧进行确认的所述确认帧，再根据接收所述确认帧的时间片推测时间片序列号，最好将推测的时间片序列号嵌入至所述数据帧进行广播，实现了对转发数据帧的接收端无线传感器网络节点的指定，减少了无线传感器网络中的重复数据包。
[0057]图3示出了本发明的第二实施例。
[0058]图3是本发明第二实施例提供的机会路由方法的流程图。本实施例提供的机会路由方法也应用在无线传感器网络中的发送端无线传感器网络节点上。所述机会路由方法以上述实施例为基础，进一步的，所述机会路由方法还包括，在广播数据帧之后，如果在预定时间内没有收到任何接收端无线传感器网络节点对所述数据帧反馈的确认帧，重复广播具有相同时间片序列号的数据帧。参见图3，所述机会路由方法包括: [0059]步骤S310，广播侦测帧，所述侦测帧包括所述发送端无线传感器网络节点的标识以及路由等级。 [0060]步骤S320，接收由接收端无线传感器网络节点反馈的确认帧。 [0061]步骤S330，根据接收到所述确认帧的时间片，利用序列号推测算法推测接收的确 [0062]步骤S340，在待发送的数据帧中嵌入推测的最早接收的确认帧所在的时间片序列号，并广播所述数据帧。 [0063]步骤S350，如果在预定时间内没有收到任何接收端无线传感器网络节点对所述数据帧反馈的确认帧，重复广播具有相同时间片序列号的数据帧。 [0064]在无线传感器网络中，为了保证数据传输的可靠性，接收端无线传感器网络节点在接收到发送端无线传感器网络节点发送的数据帧后，需要向发送端无线传感器网络节点反馈确认帧。所述发送端无线传感器网络节点在接收到所述数据帧对应的确认帧以后，则明确所述数据帧已经被接收端无线传感器网络节点接收。 [0065]如果在预定的时间内，所述发送端无线传感器网络节点没有收到任何接收端无线传感器网络节点反馈的确认帧，则重复广播具有相同时间片序列号的数据帧。需要说明的是，数据帧的重复广播是有次数上限的。如果发送端无线传感器网络节点重复广播所述具有相同序列号的数据帧的次数达到所述次数上限，则所述发送端无线传感器网络节点需要重新发送侦测帧。 [0066]优选的，数据帧的重复广播的次数上限是3。 [0067]本实施例通过在预定时间内没有接收到确认帧时重复广播具有相同时间片序列号的数据帧，使得在数据帧或确认帧丢失的情况下能够快速恢复正常的数据传输，增强了无线传感器网络中数据传输的可靠性。 [0068]图4及图5示出了本发明的第三实施例。 [0069]图4是本发明第三实施例提供的机会路由方法的流程图。本实施例提供的机会路由方法应用在无线传感器网络中的接收端无线传感器网络节点上。参见图4，所述机会路由方法包括: [0070]步骤S410，接收发送端无线传感器网络节点广播的侦测帧，所述侦测帧包括所述发送端无线传感器网络节点的标识以及路由等级。 [0071]在本实施例中，接收端无线传感器网络节点接收发送端无线传感器网络节点发送的侦测帧。 [0072]在无线传感器网络中，无线传感器网络节点周期性的进入休眠状态。也就是说，无线传感器网络节点以固定的周期进行休眠，以达到节约能量的目的。因此，在本实施例中，所述接收端无线传感器网络节点只在处于唤醒状态时才接收由发送端无线传感器网络节点发送的侦测帧，而在处于休眠状态时，所述接收端无线传感器网络节点不接收由所述发送端无线传感器网络节点发送的侦测帧。 [0073]步骤S420，根据自身的路由等级以及所述侦测帧中所述发送端无线传感器网络节点的路由等级判断是否能够提供路由增量。
[0074]在采用机会路由的无线传感器网络中，网络中的每一个节点都分配了固定的路由等级。所述路由等级是进行机会路由时需要使用的参数，并且不同的无线传感器网络节点具有不同的路由等级。
[0075]所述侦测帧中包括发送所述侦测帧的发送端无线传感器网络节点的路由等级。接收端无线传感器网络节点接收到所述侦测帧后，查看自身的路由等级是否高于所述发送端无线传感器网络节点的路由等级，即自身能够提供路由增量。
[0076]步骤S430，若可以提供路由增量，根据时间片选择算法计算确认帧发送时间片，在所述确认帧发送时间片发送确认帧，并记录发送的确认帧的时间片序列号。
[0077]因为发送端无线传感器网络节点发送所述侦测帧时采用广播的方式发送，因此接收到所述侦测帧的接收端无线传感器网络节点可能会有多个。为了避免因为不同的接收端无线传感器网络节点在同一时刻向所述发送端无线传感器网络节点反馈确认帧而发送冲突，各个接收端无线传感器网络节点根据时间片选择算法计算各自的确认帧发送时间片。
[0078]图5是本发明第三实施例提供的时间片选择的示意图。参见图5，所述接收端无线传感器网络节点首先使用一个哈希函数将路由增量△映射到优先级序列集中的一个序列Hsf。然后，所述接收端无线传感器网络节点把时间片划分为几个可覆盖的区域，每个区域与一块优先级序列相匹配。最后，接收端无线传感器网络节点根据优先级序列确定时间片序列。
[0079]所述接收端无线传感器网络节点的路由增量根据下式确定:
[0080]Δ = Ws-Wf。
[0081]其中，Ws表示接收端无线传感器网络节点的路由等级，其包括在所述侦测帧中。Wf表示发送端无线传感器网络节点的路由等级，△表示计算得到的路由增量。并且，如果计算得到的路由增量Λ大于路由增量上限Amax，则将所述路由增量Λ设置为路由增量上限
△ max。
[0082]然后，所述接收端无线传感器网络节点根据下式来将所述路由增量△映射至一个优先级序列Hsf:
【权利要求】
1.一种机会路由方法，应用于发送端无线传感器网络节点，其特征在于，包括: 广播侦测帧，所述侦测帧包括所述发送端无线传感器网络节点的标识以及路由等级； 接收由接收端无线传感器网络节点反馈的确认帧； 根据接收到所述确认帧的时间片，利用序列号推测算法推测接收的确认帧的时间片序列号； 在待发送的数据帧中嵌入推测的最早接收的确认帧所在的时间片序列号，并广播所述数据帧。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在待发送的数据帧中嵌入推测的最早接收的确认帧所在的时间片序列号，并广播所述数据帧包括: 在数据缓存中的下一个数据帧中嵌入推测的最早接收的确认帧所在的时间片序列号，并广播所述下一个数据帧。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在待发送的数据帧中嵌入推测的最早接收的确认帧所在的时间片序列号，并广播所述数据帧包括: 在数据缓存中的全部数据帧中嵌入推测的最早接收的确认帧所在的时间片序列号，并广播所述全部数据帧。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在待发送的数据帧中嵌入推测的时间片序列号，并广播所述数据帧之后，还包括: 如果在预定时间内没有收到任何接收端无线传感器网络节点对所述数据帧反馈的确认帧，重复广播具有相同 时间片序列号的数据帧。
5.一种机会路由方法，应用于接收端无线传感器网络节点，其特征在于，包括: 接收发送端无线传感器网络节点广播的侦测帧，所述侦测帧包括所述发送端无线传感器网络节点的标识以及路由等级； 根据自身的路由等级以及所述侦测帧中所述发送端无线传感器网络节点的路由等级判断是否能够提供路由增量； 若可以提供路由增量，根据时间片选择算法计算确认帧发送时间片，在所述确认帧发送时间片发送确认帧，并记录发送的确认帧的时间片序列号； 接收所述发送端无线传感器网络节点广播的数据帧，如果所述数据帧中的时间片序列号与记录的确认帧的时间片序列号相同时，则转发接收到的数据帧。
6.一种发送端无线传感器网络节点，其特征在于，包括: 侦测帧广播模块，用于广播侦测帧，所述侦测帧包括所述发送端无线传感器网络节点的标识以及路由等级； 确认帧接收模块，用于接收由接收端无线传感器网络节点反馈的确认帧； 时间片序列号推测模块，用于根据接收到所述确认帧的时间片，利用序列号推测算法推测接收的确认帧的时间片序列号； 数据帧广播模块，用于在待发送的数据帧中嵌入推测的最早接收的确认帧所在的时间片序列号，并广播所述数据帧。
7.根据权利要求6所述的无线传感器网络节点，其特征在于，所述数据帧广播模块具体用于: 在数据缓存中的下一个数据帧中嵌入推测的最早接收的确认帧所在的时间片序列号，并广播所述下一个数据帧。
8.根据权利要求6所述的无线传感器网络节点，其特征在于，所述数据帧广播模块具体用于: 在数据缓存中的全部数据帧中嵌入推测的最早接收的确认帧所在的时间片序列号，并广播所述全部数据帧。
9.根据权利要求7或8所述的无线传感器网路节点，其特征在于，所述无线传感器网络节点还包括: 数据帧重复广播模块，用于在待发送的数据帧中嵌入推测的时间片序列号，并广播所述数据帧之后，如果在预定时间内没有收到任何接收端无线传感器网络节点对所述数据帧反馈的确认帧，重复广播具有相同时间片序列号的数据帧。
10.一种接收端无线传感器网络节点，其特征在于，包括: 侦测帧接收模块，用于接收发送端无线传感器网络节点广播的侦测帧，所述侦测帧包括所述发送端无线传感器网络节点的标识以及路由等级； 路由增量判断模块，用于根据自身的路由等级以及所述侦测帧中所述发送端无线传感器网络节点的路由等级判断是否能够提供路由增量； 确认帧发送模块，用 于在可以提供路由增量时，根据时间片选择算法计算确认帧发送时间片，在所述确认帧发送时间片发送确认帧，并记录发送的确认帧的时间片序列号； 数据帧转发模块，用于接收所述发送端无线传感器网络节点广播的数据帧，如果所述数据帧中的时间片序列号与记录的确认帧的时间片序列号相同时，则转发接收到的数据帧。
【文档编号】H04W84/18GK103607743SQ201310643827
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】刘代波, 何源, 侯孟书, 刘云浩 申请人:无锡儒安科技有限公司