基于可控局部洪泛的移动无线传感网路由更新方法
【专利摘要】本发明属于无线传感网络协议【技术领域】，具体涉及一种面向具有移动汇聚节点的无线传感网路由更新方案。具体来说，在具有单个移动汇聚节点的无线传感网中，利用周期性重新构造全网最短路由生成树，和以移动汇聚节点当前位置所确定的锚节点为根、通过受限洪泛方式构造局部最短路径树，在此基础上实现低代价的数据实时转发。该方法充分利用了移动汇聚节点随机移动的特性，在保证数据传输可靠性和高效性的同时可以降低更新开销、延长网络寿命。
【专利说明】基于可te局部洪?之的移动无线传感网路由更新方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线传感网络协议【技术领域】，具体涉及一种面向具有移动汇聚节点的 无线传感网路由更新方案。该方案充分结合汇聚节点的移动性，通过分布式构建无线传感 网全网路由树结构和基于可控洪泛的局部路由动态更新，在保证数据传输可靠性和高效性 的同时降低路由更新开销，延长网络寿命。
【背景技术】
[0002] 近些年来，无线多跳网络（如无线传感器网络、移动Ad hoc网络、无线mesh网络 等）领域的相关组网技术得到了学术界和工业界的广泛关注，并取得了极大的发展。由于 无线传感器节点具有成本低、体积小、在部署之后不易更换电池等特点，因此节能问题是无 线传感器网络应用面临的一个主要问题。
[0003] 采用移动汇聚节点可以有效避免静态汇聚节点无线传感网中的热点区域问题。热 点区域问题是指静态汇聚节点周围的无线传感器节点需要承担全网数据的采集和转发任 务，从而成为网络中的能量瓶颈节点。已有研究显示部署移动汇聚节点代替静态汇聚节点 可以避免能量瓶颈节点的过度使用，延长数倍的网络寿命。
[0004] 移动汇聚节点的移动性会导致目标传感网的拓扑结构发生难以预测的改变、数据 传输路径失效，导致传统面向静态汇聚节点设计的路由协议无法应用于具有移动汇聚节点 的无线传感器网络中。由于在具有移动汇聚节点的无线传感器网络需要额外的信令机制来 更新和维护信源传感器节点到移动汇聚节点的路由信息和路由结构，如何降低动态维护网 络路由结构的开销的同时保证数据传输的可靠性和高效性成为了移动无线传感网协议设 计的关键。
【发明内容】
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[0005] 本发明是一种无线传感器网络路由建立和更新方案。该方案主要用于具有移动汇 聚节点的无线传感网中，根据移动汇聚节点的位置来确定锚节点，并周期性地建立以变化 的指定节点为根的最短路径生成树T进而确定数据转发的路径。随着移动汇聚节点位置的 变化，动态确定其所关联的锚节点，并根据锚节点在树T上的位置及周围拓扑结构，通过局 部洪泛方式动态局部更新树T的局部结构，从而有效约束每个传感器节点到达移动汇聚节 点的路径长度同时有效控制控制信令开销。
[0006] 网络结构组成
[0007] 无线传感器网络由多个固定无线传感器节点和一个移动汇聚节点组成，移动汇聚 节点可以采用任意移动方式在无线传感网部署区域内移动。
[0008] 周期性建立全网数据路由生成树
[0009] 本发明的特征是在一棵已有的全网数据路由生成树上进行局部更新来构成最新 的数据路由树。为延长网络寿命，该数据路由树会进行周期轮换。预先设定替换最短路径 树的周期为t r_d，如tr_d为1个小时或1天。在每个周期开始时，网络随机选择或网络管 理员按某种规则指定网络中的一个传感器节点作为T的树根节点。该根节点通过全网洪泛 方式来建立最短路径生成树。网络中各个节点到该根节点的路径长度的初始值为+ 〇〇,开 始时根节点向其邻居节点发送广播报文信息，邻居节点在收到该消息后更新根节点到自己 的路径长度并继续转发消息。每条消息携带该发送节点到根节点当前的路径长度信息。通 过节点间报文信息的交换,每个非根节点i都可能学习到多条来自根节点的信息，则其从 中选择最小的，并作为其到其到根节点的最短路径长度，并将转发该报文的节点作为具父 节点，记做Ai。每当路径长度或父节点\发生变化时，节点i都会广播一条信息通知其邻 居节点。我们记第1个周期选择的根节点为 Ul，相应的数据路由生成树记为Κ;。根节点发 送的广播消息中同时会携带一个序列号，该序列号在每轮数据路由生成树建立时，值加1， 具有新序号的路径信息会取代旧的路径信息，从而完成数据路由生成树的更新。
[0010] 锚节点选择和维护
[0011] 在移动汇聚节点移动过程中会选择某个邻居传感器节点作为自己的锚节点。锚节 点的作用是暂时担任网络中汇聚节点的角色，并将数据转发给移动汇聚节点。初始时，移动 汇聚节点会选择邻居节点中信号强度最大的传感器节点作为首个锚节点，并进行首次局部 路由更新。每次移动汇聚节点更换锚节点，需要重新进行一次局部路由更新。局部路由更 新的
[0012] 为了降低路由更新的频率、减小路由更新开销，本发明采用了锚节点链维护机制。 记节点V为初始锚节点，它的邻居节点集记为NBR(V)。当移动汇聚节点一定时间内（如3 秒）未收到v的ACK包，它推断到v的链路已断。记当前时间为 tl，此时移动汇聚节点的邻 居节点集为NBR(MS，，其中MS代表移动汇聚节点，如果AW?(MS, ?〇ηΛ^?(ν)*0，即当 前邻居中存在锚节点ν的邻居。则选择其中信号功率值最大的节点作为ν的第一个从锚节 点，并记为Vp Vl向V发送NOTIFY消息，建立锚节点链，之后ν收到的数据包均转发给 Vi， 然后再转发给移动汇聚节点。如果此时则移动汇聚节点从其周 围邻居节点中重新选择信号功率值最大的节点作为新的初始锚节点。当移动汇聚节点在t2 时间移动出从锚节点v!的通信范围外后，它将从NBR(MS，t2) n NBR(Vl)选择新的从锚节点 v2。移动汇聚节点同理可以建立更多的从锚节点，则v与它的从锚节点Vl，…，％构成一条 锚节点链。锚节点链上的最后一个节点需要周期性地发送ACK包，以向移动汇聚节点通告 两者之间的相邻性。当k值大于K时，则移动汇聚节点需要从自己的邻居节点中选择新的 锚节点，K+1表示锚节点链的长度（g卩：包含初始锚节点 v)。如κ = 4,则锚节点链的长度 为K+1 = 4+1 = 5。每次更换锚节点，锚节点都需要向全网最短路径树7'^的根节点发送一 个通告消息，收到该消息的节点都需要本地记录收到该消息的邻居节点作为其到达移动汇 聚节点的父节点。
[0013] 局部洪泛路由更新
[0014]每次移动汇聚节点选择新的锚节点，会发起一次局部洪泛更新，每次洪泛更新建 立一棵以新锚节点为根的局部最短路径树，并与预先建立的最短路径生成树TUi的其余部 分一起构成完整的数据采集树。开始时，新锚节点向其邻居节点广播一条路由更新消息并 由邻居继续转发。每条更新消息携带两条信息，发送节点到新锚节点的已知最短路径长度， 初始值为0,以及新锚节点到最短路径生成树的树根的最短路径长度。记新锚节点为v， 以V为根的局部数据路由树记做Tv,，节点i、j之间的链路距离记为d(i, j)，节点i、j在Tk 上的最短距离记为d，/，fcay)，节点i、j在Tk上的迄今为止所知的最短距离记为Ci?7V fc(i,y)。 当节点i (i矣v)收到邻居节点j的来自锚节点v的更新消息时，节点i执行如下路由更新 算法：第一，如果新收到的更新消息带来了从v到i的更短的路径，则对应更新 和i的父节点信息，进一步地，如果与岣）+ ￡?Γι<((?，4)之比小于λ，则i继 续向其邻居节点广播带值和更新后的c/i7Yv(i,i〇值的更新消息、。
[0015] 具体代码如下：
[0016] 汾川於川纪m (NODE 〇 //节点/的路由更新算法 1 while / receives a route update message from / containing CRTTu^{j, v) and
【权利要求】
1. 基于局部化最短路径树的移动无线传感网路由更新方法，其特征在于：在具有单个 移动汇聚节点的无线传感网中，利用周期性重新构造全网最短路由生成树，和以移动汇聚 节点当前位置所确定的锚节点为根、并通过受限洪泛方式构造局部最短路径树，通过两者 相结合实现低代价的数据实时转发。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：无线传感器网络由多个固定无线传感器 节点和一个移动汇聚节点组成，移动汇聚节点可以采用任意移动方式在无线传感网部署区 域内移动。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：每隔tMmd时间周期性地重新构造一棵覆 盖全网的最短路由生成树；在每个周期开始时，指定网络中的某个传感器节点作为全网生 成树的树根节点；记第1个周期选择的根节点为U1，相应的数据路由生成树记为7、;每次构 造全网的最短路由生成树，其根节点可以随机选择，也可以由网络管理员指定。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于：根节点U1通过全网洪泛方式来建立最短 路径生成树，网络中各个节点到该根节点的路径长度的初值设为+ °°，开始时根节点向其 邻居节点发送广播报文信息，也称最短路径树构造消息，邻居节点在收到该消息后更新自 己到根节点的路径长度并继续转发该消息；每条消息携带该根节点到发送节点的当前最短 路径长度信息；通过相邻节点间报文信息的交换，每个非根节点i都可能学习到多条来自 根节点的路由信息，则其从中选择路径长度最小的，并作为其到其到根节点的最短路径长 度，并将转发该报文的节点作为其父节点，记做Ai ;每当路径长度或父节点Ai发生变化时， 节点i都会广播一条新信息通知其邻居节点。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于：根节点发送的最短路径树构造消息中同 时会携带一个序列号，该序列号在每轮数据路由生成树建立时，值加1，具有新序号的路径 信息会取代旧的路径信息，从而完成数据路由生成树的更新。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在移动汇聚节点移动的过程中会选择某 个邻居传感器节点作为自己的关联锚节点，锚节点负责暂时担任网络中汇聚节点的角色， 并将数据转发给真正的移动汇聚节点；初始时，移动汇聚节点选择周围邻居中信号强度最 大的传感器节点作为首个锚节点，并进行首次局部路由更新；每次更换锚节点，需要重新进 行一次局部路由更新；每次更换锚节点，锚节点都需要向全网最短路径树的根节点发送 一个通告消息，收到该通告消息的节点都需要本地记录收到该消息的邻居节点，并将其作 为自己到达移动汇聚节点当前位置的父节点。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于：记节点V为初始选定的锚节点，它的邻居 节点集记为NBR(v);当移动汇聚节点一定时间内未收到V的ACK包,它推断到V的链路已 断；记当前时间为h，此时移动汇聚节点的邻居节点集为NBR(MS，h)，其中MS代表移动汇 聚节点，如果取MS，⑴rW皿(V)#0，即当前邻居中存在锚节点V的邻居；则选择其中信 号功率值最大的节点作为V的第一个从锚节点，并记为V1 ;Vl向V发送NOTIFY消息，建立 锚节点链，之后V收到的数据包均转发给V1，然后再由V1转发给移动汇聚节点；如果此时 M^(MS，0rW5取v)=0f则移动汇聚节点从其周围邻居节点中重新选择信号功率值最大 的节点作为新的锚节点；当移动汇聚节点在t2时间移出从锚节点V1的通信范围外后，它将 从NBR(MS，t2)nNBR(V1)选择新的从锚节点，记做v2;同理，移动汇聚节点在移动过程中， 可以建立更多的从锚节点，则V与它的从锚节点V1，…，Vk构成一条锚节点链；锚节点链上 的最后一个节点需要周期性地发送ACK包，以向移动汇聚节点通告两者之间的相邻性。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于：当k值大于K时，则移动汇聚节点需要从 自己的邻居节点中选择新的锚节点，K+1表示锚节点链的长度。
9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：每次移动汇聚节点选择新的锚节点，会 发起一次范围受限的局部洪泛更新，每次洪泛更新建立一棵以锚节点为根的局部最短路径 树，并与全网最短路径生成树匕,的其余部分一起构成完整的数据采集树。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于：移动汇聚节点每次选定的新锚节点向其 邻居节点广播一条路由更新消息并由邻居继续转发；每条更新消息携带两条信息，发送节 点到新锚节点的已知最短路径长度，初值为〇,以及新锚节点到最短路径生成树匕;树根节 点的最短路径长度；记新锚节点为V，它也是新锚节点链的初始锚节点，以V为根的局部数 据路由树记做Tv,，令节点i、j之间的链路距离记为d(i，j)，令节点i、j在树Tk上的最短 距离记为，节点i、j在Tk上的迄今为止最短距离记为C^TVfc(U);当节点i收到邻 居节点j的来自新锚节点V的更新消息时,且i尹V,节点i执行如下路由更新算法：第一， 如果新收到的更新消息带来了从V到i的更短的路径，则相应更新和i的父节点 信息，进一步地，如果
之比小于入，则i继续向自己的 邻居节点广播带有0^^%力)值和更新后的值的更新消息八是一个小于1的正 数。
【文档编号】H04W40/02GK104244357SQ201410482063
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】尚德重, 周猛, 余晟, 胡晓彦, 张宝贤 申请人:中国科学院大学