专利名称：基于树状结构的无线传感器网络能量高效广播方法
技术领域：
本发明属于无线传感器网络节能广播路由领域。具体涉及一种在无线传感器网络中通过局部范围内相互交换节点能量信息的方法，通过该方法获得局部范围节点能量高低次序信息，并将其应用到广播树构造中去，达到均衡使用无线传感器网络节点能量、延长网络生命的目标。
背景技术：
无线传感器网络由传感器节点和信息采集(sink)节点组成，传感器节点负责数据的采集和传输，sink节点负责汇总网络中传感器节点发来的数据，同时也是整个网络的控制节点，对网络中其它传感器节点进行管理。
由于无线传感器网络中节点在部署后，很难进行回收。因此，在部署后很难为节点更换电池或对其再次充电。因此，节点电源耗尽，就意味着节点死亡，无法再投入使用。当一个网络中死亡节点达到一定比率时，网络可能会被分割成不连通的区域。如果区域内没有sink节点。那么该区域网络所采集的数据就无法传送出去，等同于此区域所有节点死亡。因此，需要研究一种能量均衡消耗的路由协议，避免频繁使用某些节点而导致其快速死亡。
多目标广播是从广播源向目标组连续发送信息的过程。多目标广播交通是经由广播树从广播源传送到机组中的所有接收主机。其中广播树以源节点为树根，以目的节点为树叶。
发明内容
本发明的目的是设计一种面向无线传感器网络节能广播路由方法。它运行于网络层，完成能量高效的广播树的建立。
本发明的技术方案是在无线传感器网络中，节点在局部范围内交换的各自剩余能量信息，协议保护在局部区域范围内能量最少的一定比例的节点(比如，能量最少的10%节点)，降低它们作为广播树的树内节点的可能性一一从而降低它们参与分组转发的可能性。本发明的方法简单且易于实现。
图1为按本发明的方法生成树的状态示意。
具体实施例方式
下面结合附图及实例对本发明作进一步的说明。
3协议分成三个阶段，第一阶段完成局部能量信息交换，在第二阶段，根据第一阶段获得的能量信息，建立广播树。在第三阶段，广播信源按照第二阶段建立的广播树，发送数据。前两个阶段可以并行进行。
本方法实施过程假设每一个节点知道自己的邻居节点。
第一阶段完成局部能量信息交换。每个节点以周期T向自己相邻区域扩散自己的剩余能量信息分组。每个节点应保存一个序列号seq。每个剩余能量信息分组携带下述信息源节点id值、seq值、该节点剩余能量数值、TTL值。Seq初值为0，每扩散一次该类分组，seq值加l。 TTL值表示该分组可以扩散的范围(跳数)。这样，可以通过seq值和id值唯一的标识一个能量信息分组，避免中间节点重复转发。并且，seq可以标识能量信息分组的新鲜程度，节点可以不处理陈旧的分组。所有的能量信息分组会被邻居本地存贮后继续转发，每次转发之前将分组TTL域的值减一。如果TTL值为0，则停止转发。假定TTL初值为k。那么，网络中每个节点都可以收到自己k跳邻居发来的能量信息分组。即节点可以知道k跳范围邻居的剩余能量信息。据此，使用某种排序算法，节点可以计算出自己的剩余能量次序，即自己在局部范围节点按剩余能量从高到低的排名。节点每收到一个能量信息都会重新计算能量次序。
节点发送能量信息分组的间隔T可以由节点根据自己能量变化的速度动态决定，如果节点能量变化得慢就加大T，如果能量变化得快就縮短T。另外一种可供选择的方式是当本节点能量变化超过一定比例时，就触发一次能量信息分组发布过程。至此，第一阶段描述完成。第一阶段进程的执行随时间持续进行下去，直到网络任务终止。
在第二阶段，利用第一阶段获得的能量信息，建立广播树。具体过程是首先，源节点向全网广播一个"树建立请求"分组。然后，当网络中一个节点x从其邻居y收到一个"树
建立请求"分组时，执行以下操作
第一步如果X第一次收到这个分组，那么
第二步 节点x本地建立到源节点的逆向路径
第三步 如果节点x尚没有收听到其它节点向y发送的关于此次广播会话的确认分组第四步 那么，x向y发送一个确认(ACK)分组
第五步 如果x的剩余能量次序是最后n%,则延迟一段时间D + random(O， tl)，其中random(O， tl)返回0到tl之间的一个随机数，D和tl是网络参数，取值为正；
第六步 否则延迟random(0，tl);第七步 节点X在超时之后继续向邻居广播该分组；
第八步否则丢弃该分组。
该方法中，第三至第四步确定了谁将是树内节点 一个收到发送给自己的确认分组的节点，表明自己将是树的内部节点。如果一个节点广播了数据请求分组后一段时间没有收到确认分组，就说明，自己是树叶节点，将来不需要为其它节点转发数据分组。
第五至第六步确定了节点继续转发"树建立请求"分组的延迟时间，其中random(O， tl)是为了避免著名的广播风暴问题，D的引入则是故意延迟能量非常低的节点转发"树建立请求"分组的时间。
可以根据网络应用的需要动态调整n的取值，如11=10，表示节点剩余能量次序后10%的节点。D的取值应应远远大于tl的值，从而尽可能保证能量非常低的节点的邻居节点应能从其它路径收到"树建立请求"分组(如果存在其它路径)，这样就最大程度地避免了能量非常低的节点成为树内节点。
第二阶段确定了网络中哪些节点属于树内节点。图1示意这种方法生成树的状态，能量非常低的节点成为树叶节点。
在第三阶段，广播信源按照第二阶段建立的广播树，发送数据。每一个树内节点都将广播数据分组，每一个收到广播数据的节点检査自己是否是树内节点，如果是，则继续广播分组，否则直接丢弃分组。
权利要求
1、基于树状结构的无线传感器网络能量高效广播方法，其特征在于在无线传感器网络中，节点在局部范围内交换的能量信息，节点根据自己的能量在附近区域节点的次序作为构造广播树的依据，低能量的节点以较低的改作被选为广播树的树内节点。
2、 根据权利要求1所述的无线传感器网络的能量高效广播方法，其特征在于交换能量信息被限制在局部范围。方法是每个节点广播自己的能量信息，并限制一个广播跳数k。这样每个节点只能收到周围k跳范围的节点的能量信息。其中k的值应远小于网络半径。并且k值大小应事先指定。
3、 根据权利要求1所述的无线传感器网络的能量高效广播方法，其特征在于节点根据自己的能量在附近区域节点的次序作为构造广播树的依据，低能量的节点以较低的改作被选为广播树的树内节点。在构建广播树的过程中，能量最低的11%的节点会延迟转发数据请求分组，避免使自己作为树内节点，且可以根据网络应用的需要取n值。
全文摘要
本发明属于无线传感器网络节能广播路由领域。具体涉及一种在无线传感器网络中通过局部范围内相互交换节点能量信息的方法，通过该方法获得局部范围节点能量次序信息，并将其应用到广播树构造中去，达到均衡使用网络节点能量、延长网络生命的目标。本发明的技术方案是在无线传感器网络中，节点在局部范围内交换的剩余能量信息，协议保护在局部区域能量最少的一定比例的节点(如能量最少的10％节点)，降低它们作为广播树的树内节点的概率，从而降低它们参与分组转发的概率。
文档编号H04L12/56GK101577664SQ20081010578
公开日2009年11月11日 申请日期2008年5月5日 优先权日2008年5月5日
发明者郑 姚, 锋 张, 张宝贤, 壮 赵, 雪 高, 奎 黄 申请人:北京银易通网络科技有限公司