在电磁干扰环境下的能量有效的wsn路由协议设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线传感器网络中节点抗干扰的方法，特别涉及一种在电磁干扰 环境下的能量有效的WSN路由协议设计方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络在电磁干扰的环境下的组网问题，由于信道切换和异构系统干扰 等的存在，局部区域受到干扰源的干扰，传统的路由在该环境下信息的可靠性传输受到影 响。区别于传统无线网络的路由协议，无线传感器网络路由协议的设计主要考虑节点的能 量有效性，网络中节点的抗干扰性和链路的质量等方面，需要根据不同的应用需求设计相 应的路由协议。无线传感器网络中节点协作的采集感兴趣的信息，并及时传递到处理基站， 但由于WSN工作在无需授权的ISM频段（如2. 4GHz)，随着同样使用这些公用频段的无线技 术的兴起（如WIFI、蓝牙等），ISM频段正显得日益拥挤。但是另外一种情况就是在高电压 环境下，由于高电压电流的对偶，也会产生相应的干扰频段，这是对网络中部分节点产生严 重的信道干扰，使得节点无法正常工作，从而使得网络处于非连通状态，合理高效的路由设 计能够提高网络整体性能。
[0003] 近年来，研究人员发现在无线传感器网络路由协议中考虑节点切换信道这一特性 可以明显提高每个传感节点的抗干扰能力，且在很大程度上减少节点数据包的平均传输跳 数和传输时延，提高了网络的生命周期。考虑到传感节点无线频带资源的使用有效性，无线 传感器网络在路径中受干扰的节点采用不同的信道，其核心思想是把无线传感器节点把节 点使用的2. 4GHz频带周围划分为16个信道，使得干扰区域的节点动态选择了与干扰源不 重叠的频谱信道，而不再与其他节点工作在同一信道。但是传统的路由协议虽然干扰有效 的减少了，但是不能保证任何2个节点间的链路质量最小。但是现有采用在加点间采用抗 干扰的路由协议主要目的是使得干扰最小化，没有考虑两个节点间链路能量和延时最小。
[0004]目前，大部分基于抗干扰的无线传感器路由协议未考虑节点切换信道和抗干扰的 能量有效性问题，在信道切换时，没有考虑额外的时延和能量开销，当网络规模增大时，源 节点到目的节点传输数据会带来很长的传输时延，且中继节点会因能力开销过大而过早的 死亡；而在链路受到干扰时，没有考虑根据受干扰的程度去调节节点发射功率，这使得节点 会带来额外的能量消耗。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述技术问题本发明提供一种在电磁干扰环境下的能量有效的WSN路 由协议设计方法，目的是能够在保障节点抗干扰的同时，有效减少了网络传输时延，提高网 络吞吐量，节省网络节点能量的额外开销，达到了提升网络频带资源利用率及延长整个网 络存活时间。
[0006] 为达上述目的本发明一种在电磁干扰环境下的能量高效的WSN路由协议设计 方法，包括建立梯度模型、路由的构建、数据的稳定传输和路由的维护；建立梯度模型采 用基于跳数的梯度建立模型，节点根据自身梯度值选择比自己更接近汇聚节点的中间节 点进行数据的转发，在选择下一跳中继节点选取过程中，通过基于节点剩余能量、节点间 的相对位置、节点与干扰区域的相对位置动态选择下一跳节点；路由的构建是中继节点 根据自身的路由代价相应的加入延时，目的节点记录最先发来的RREQ消息后，发送RREP 处理消息进行应答，源节点接收到RREP应答后，路由即建立；数据的稳定传输利用公式
来确定转发延迟，其中Csw (i)、CSNR (i)、Cd (i)、 (；(i)分别代表了节点i的信道切换代价、信噪比产生的路由代价、距离产生的路由代 价、剩余能量产生的路由代价，i代表的是路径P中的第i个节点，而α、β、γ、ε分别 代表的信道切换、信噪比、距sink的节点的距离、剩余能量的路由代价权重因子，且满足 α+β+ γ+ε =丨；路由的维护包括路由过期处理、路由错误处理和Hello信息处理机制。
[0007] 建立梯度模型包括：(a)初始化每个节点的梯度值，梯度值用节点到汇聚节点的 最小跳数表示，将汇聚节点的梯度值MHsink设置为0,其它节点的梯度值MH置为无穷大； (b)由汇聚节点开始以半径为r广播给它所有邻居节点一个初始化消息，这个初始化消息 中含有一个值为〇的跳数计数器；(c)当有节点收到该初始化消息，先检查节点的梯度值是 否为无穷大，若为无穷大，节点根据接收消息强度最大的初始化消息将其梯度值设置为该 消息HC的值加1，其中（0彡HC彡（R/r-Ι))，更新能量信息，并将该消息HC的值用节点新 的梯度值替代，节点再重传该初始化消息给它所有的邻居节点；否则，节点丢弃该初始化消 息；（d)邻居节点收到初始化消息后继续重复步骤（c)，直到所有节点至少一次根据收到的 初始化消息设置它们新的梯度值，初始化消息的传播过程终止。
[0008] 路由的构建：建立梯度模型后在源节点广播RREQ请求消息，设置广播跳数等于节 点最大梯度值，中继节点对收到的重复RREQ消息进行销毁，否者对自己的邻居节点列表进 行更新，中继节点根据自己的竞争能力加入相应的延时后再广播RREQ，广播RREQ消息时 需要判断前一跳节点序号是否在路由链表中，如果不在，将前一跳地址加入到链表中，若前 一跳节点序号在路由链表中则销毁RREQ消息数据包，与此同时我们需要判断目前已经执 行的跳数是否超过了网络的最大直径，也就是判断节点是否已经跳出了我们定义的网络区 域，如果超出了的话就销毁数据包，重复此操作直到此数据包到达了目的节点，否者广播跳 数减1，继续广播RREQ。最终到达目的节点后，目的节点复制收到的RREQ消息并广播RREP 消息，收到RREP消息包的节点判断自己是否存在链表中，若存在则销毁数据包，否者根据 收到的RREP消息包更新前一跳邻居节点信息，此步骤一直持续直到达源节点收到RREP消 息包，则根据路由链表建立起路由，其中RREQ消息包是源节点发起为了寻找到源节点的路 径，而当目的节点收到来自源节点的RREQ包后，发送RREP消息包对此路径进行确认。
[0009] 更新邻居节点后，邻居节点比较两者的梯度值，使得RREQ请求包是沿着目的节点 的方向传递，当广播跳数减少到1时，下一跳节点还不是汇聚节点，那么接受到这个RREQ请 求包的节点把其删掉，RREQ分组中携带以下信息字段：源地址、源序列号、广播ID、目的地 址、跳数计数器。
[0010] 数据的稳定传输：首先是对干扰区域内信道的调整，在干扰区域内节点动态的调 整自己的频谱信道使得与干扰源不重叠，但是不再与其他的节点工作在同一个频道了，信 道的切换会带来额外的时延和能量开销，把信道切换所带来的能量消耗折算为路由代价， 可用公式csw=Is^sjxwjs。）来表示，其中S。代表节点之前的信道频谱，Ss代表的是需 要跳变到的信道频谱；根据从节点物理层提取的信噪比的大小来定义链路受干扰程度的代 价因子，采用的是DPSK调制方法，当SNR=Eb/WH. 4时误码率BER值数量级达到10 12， 满足通信要求；当信噪比SNR大于14. 4时，设定节点间的路由代价为0,当信噪比SNR在 [b，14.4)范围内的话，将信噪比的大小折算为路由代价，而当信噪比SNR小于b的话，将此 时的SNR置为+m。用公式表达为
，b是一个阈值，把不同的信噪 比转化为相应的路由代价，其中b为节点受电磁干扰的容忍度，根据设备误码率的承受度 来初始化b的大小，把信噪比SNR折算为路由代价用公式表示为CSNR=en/wa，其中en代表的
是接受信噪比的强度，wa代表的是单位信噪比对应的路由代价