一种改进的无线传感器网络能量多路径路由方法
【专利摘要】本发明涉及一种改进的无线传感器网络能量多路径路由方法，属于无线网络通信【技术领域】。该改进的无线传感器网络能量多路径路由方法的步骤包括：汇聚节点在查询消息中添加平均跳数用以记录当前节点到汇聚节点的平均跳数，网络中的所有节点均需要根据上一跳节点，即中间节点的平均跳数判断是否将其作为邻居节点加入本地路由表，舍弃跳数过大的路径。该改进的无线传感器网络能量多路径路由方法引入平均跳数这一控制条件，在兴趣传播阶段统计每条路径的平均跳数，放弃跳数太大的路径，从而有效的控制网络能耗以及网络延时。
【专利说明】一种改进的无线传感器网络能量多路径路由方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线网络通信【技术领域】，特别涉及一种改进的无线传感器网络能量多 路径路由方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络是由分布在指定区域内的大量传感器节点以自组织和多跳的方 式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并 发送给观察者。无线传感器网络区别于传统无线网络主要有以下特点：通信能力有限、电源 能量有限、大规模网络、自组织网络和动态性网络。基于上述特点，无线传感器网络在环境 监测、医疗护理、军事领域和抢险救灾中都有广泛的应用。在无线传感器网络中，能量受限 一直是一个问题，诸多因素影响了网络的生命周期。例如，传感器网络中节点电池的寿命， 网络能耗均衡问题，传感器节点处于接收、传输、侦听和空闲状态的时长等。研究无线传感 器网络能耗均衡和功率控制对延长传感器网络生命周期有着重要的意义。
[0003] 路由协议作为传感器网络最重要的一个部分，负责将数据分组从源节点传送到汇 聚节点，在降低网络能耗和保证数据准确传输方面起着重要的作用。在无线传感器网络中， 节点能量有限且一般没有能量补充，因此路由协议需要高效利用能量，同时传感器网络节 点数目往往很大，节点只能获取局部拓扑结构信息，路由协议要能在局部网络信息的基础 上选择合适的路径。传统网络的路由机制往往选择源节点到目的节点之间跳数最少的路径 传输数据，但在无线传感器网络中，如果频繁使用同一条路径传输数据，就会造成该路径上 的节点因能量消耗过快而过早失效，从而使整个网络分割成互不相连的孤立部分，减少了 整个网络的生存期。为此，Rahul C. Shah等人提出了一种能量多路径路由机制。该机制在 源节点和汇聚节点之间建立多条路径，根据路径上节点的通信能量消耗以及节点的剩余能 量情况，给每条路径赋予一定的选择概率，使得数据传输均衡消耗整个网络的能量，延长网 络生命周期。但是该机制没有考虑到路由跳数限制，一般来说无线传感器网络节点能耗是 不均匀的，在进行一段时间后边缘节点的剩余能量往往会高一些，这时可能会出现一条跳 数很多的路径，而且这条路径的能耗也比较多，但能量多路径路由机制会因为剩余能量的 原因选择这条路径，从而增加了通信能耗和网络数据延时。
【发明内容】
[0004] 为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种改进的无线传感器网络能量多 路径路由方法，该方法可以减少网络能耗，延长网络生命周期。
[0005] 为了解决上述技术问题提出的技术方案是：一种改进的无线传感器网络能量多路 径路由方法，包括如下步骤：汇聚节点在查询消息中添加平均跳数用以记录当前节点到汇 聚节点的平均跳数，网络中的所有节点均需要根据上一跳节点，即中间节点的平均跳数判 断是否将其作为邻居节点加入本地路由表，舍弃跳数过大的路径；
[0006] 节点在建立本地路由表后，需要根据路由表中邻居节点的平均跳数计算节点本身 的平均跳数，并将其添加到查询消息中，继续转发；在转发过程中，节点只向那些相比于自 己距离源节点更近且距离汇聚节点更远的邻居节点转发查询消息；如果没有满足条件的邻 居节点，则丢弃该消息；
[0007] 随着无线传感器网络的运行，各个节点的能量发生着变化，β值也将随之变化，这 样才能适应变化的网络，选择最优路径；β值与网络整体剩余能量有关，当网络整体剩余 能量较多时，说明节点均处于良好的通信状态，这时可以选择跳数较小的路径来降低传输 延时；当网络整体剩余能量下降时，β值也会调整，适当增大，以保证有足够的节点以供选 择传输路径，使得网络处于一个相对较优的通信状态。
[0008] 优选的：汇聚节点所发出的查询消息中添加平均跳数域，用以记录当前节点到汇 聚节点的平均跳数，平均跳数域初始值为0表示从汇聚节点开始。
[0009] 优选的：网络中的所有节点均需要根据上一跳节点，即中间节点的平均跳数判断 是否将其作为邻居节点加入本地路由表，舍弃跳数过大的路径，节点根据查询消息中提供 的上一跳节点，即中间节点的平均跳数，选择出其中的最小值HiinU iik最为判断基准，β是 大于1的调节系数，其大小直接决定跳数约束条件的严苛程度，即β越大，跳数约束条件越 宽松，有更多的节点可以加入到路由表中，节点j将节点i加入本地路由表FT」中的跳数约 束条件为：
[0010] FTj = U I Ui, j < β * (minU}，k e FTj
[0011] 其中Uu表示节点i的平均跳数，HiinUiik是节点j的邻居节点中的最小平均跳数。
[0012] 优选的：建立本地路由表后，每个节点需要计算自身平均跳数，节点的平均跳数即 该节点到汇聚节点的平均跳数，计算公式如下：
[0013] 节点的平均跳数=(邻居节点的平均跳数之和/邻居节点数目）+1
[0014] 其中，邻居节点是指当前的节点的上一跳节点经过跳数约束条件筛选后加入到本 地路由表中的节点。
[0015] 优选的：每个中间节点，在选择查询消息转发对象时，只向那些相比于自己距离源 节点更近且距离汇聚节点更远的邻居节点转发查询消息；如果没有满足条件的邻居节点， 则丢弃该消息，即对于节点N i,只转发给满足下式的邻居节点Nj :
[0016] d (Ni, Ns) ^ d (Nj, Ns)
[0017] Cl(NilNd) ^ d (NjlNd)
[0018] 上式中，Ns表示源节点，Nd表示汇聚节点，(!(N i, Ns)表示节点Ni到节点Ns的距离。
[0019] 优选的：随着无线传感器网络的运行，各个节点的能量发生着变化，β值也将随 之变化。β值与网络整体剩余能量有关，当网络整体剩余能量较多时，说明节点均处于良好 的通信状态，这时可以选择跳数较小的路径来降低传输延时，当网络整体剩余能量下降到 初始能量的50%时，β值会随着剩余能量的减少而缓慢增加，两者成负相关关系，从而保 证有足够的节点以供选择传输路径，使得网络处于一个相对较优的通信状态。
[0020] 本发明的有益效果是：
[0021] 1、本发明的改进的无线传感器网络能量多路径路由方法引入平均跳数这一控制 条件，在兴趣传播阶段统计每条路径的平均跳数，放弃跳数太大的路径，从而有效的控制路 径跳数减少网络能耗，从而延长网络生命周期。
[0022] 2、本发明采用动态调整控制方法，跳数控制系数随着网络的变化做出调整，使得 网络处于一个相对较优的通信状态。
[0023] 3、本发明在同等传输负载和传输环境下，相比于传统能量多路径方法，网络延时 较低。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1是本发明关于兴趣传播阶段节点消息转发流程图。
[0025] 图2是本发明关于改进的无线传感器网络能量多路径路由方法的流程图。
【具体实施方式】
[0026] 如图1-2所示，本发明公开一种改进的无线传感器网络能量多路径路由方法，包 括如下步骤：
[0027] (1)兴趣传播阶段
[0028] 实施洪泛查询，确定源节点到汇聚节点所有路径以及每条路径的能耗值，即通信 代价值。这些工作，是在网络初期路由表刚创建的时候进行的。这个阶段的主要过程如下：
[0029] 1)汇聚节点朝着源节点方向在网络内部进行洪泛查询，广播路径建立消息，开始 路径连接过程。兴趣传播消息中设置了一个代价域，表示发出该消息的节点到汇聚节点路 径上的总代价，初值为零。
[0030] 2)每个中间节点，在选择转发对象时，只向那些相比于自己距离源节点更近且距 离汇聚节点更远的邻居节点转发兴趣消息；如果没有满足条件的邻居节点，则丢弃该消息。 即对于节点Ni，只转发给满足下式的邻居节点N j :
[0031] d (Ni, Ns) ^ d (Nj, Ns)
[0032] d (Ni, Nd)彡 d (Nj, Nd)
[0033] 上式中，Ns表示源节点，Nd表示汇聚节点，(!(Ni, Ns)表示节点Ni到节点Ns的距离。
[0034] 3)当某个节点收到兴趣消息，决定转发该消息给其他邻居节点时，需要计算新的 代价值来替换原来的代价值。也就是，当节点N i把兴趣传播消息转发给节点％时，节点Nj 计算出这条路径的总代价为节点i的代价值加上两个节点间的通信能耗，即：
[0035] Ci； j = Cos (tNj)+Metr (iNcj, Ni)
[0036] 上式中，Ci;j表示由汇聚节点经由中间节点Ni到节点Nj这条路径上的总代价， Metric (Nj, Ni)表示节点Ni到节点Nj的通信能量消耗，计算公式如下：
[0037] Metnc{NJ,Ni) = eiJRf
[0038] 其中 <表示节点％和Ni直接通信的能量消耗，表示节点Ni的剩余能量，?、/?是 常量，这个度量标准综合考虑了节点的能量消耗及节点的剩余能量。
[0039] 4)节点在转发兴趣消息的过程中，要舍弃代价较高的路径，不将其加入到转发表 中，也就是说，只有那些具有较低路径代价的邻居节点N i才可以被加入到节点％的转发表 FTj中，即：
[0040] FTj = U I Ci,』< a * (minCu)}，k e FTj
[0041] 原始能量多路径路由算法是在源节点和目的节点之间建立多条路径，根据路径上 节点的通信能量消耗以及节点的剩余能量情况，给每条路径赋予一定的选择概率，使得数 据传输均衡消耗整个网络的能量，延长整个网络的生命周期。但是该算法没有考虑到路由 跳数限制，一般来说无线传感器网络节点能耗是不均匀的，在进行一段时间后边缘节点的 剩余能量往往会高一些，这时可能会出现一条跳数很多的路径，而且这条路径的能耗也比 较多，但原始算法会因为剩余能量的原因选择这条路径，从而增加了通信能耗和网络数据 延时。要想解决这个问题我们首先引入平均跳数的概念。
[0042] 节点的平均跳数即该节点到汇聚节点的平均跳数，计算公式如下：
[0043] 节点的平均跳数=邻居节点的平均跳数之和/邻居节点数目
[0044] 原始算法中节点要放弃能耗太大的路径，而在引入平均跳数的概念后，我们可以 增加一个限制条件，就是节点放弃跳数太大的路径，从而有效的控制网络延时。节点j将节 点i加入本地路由表FL中的跳数条件为：
[0045] FTj = U I Ui,』< β * (minUi'k)}，k e FTj
[0046] 其中Uii」表示节点i的平均跳数，HiinUiik是节点j的邻居节点中的最小平均跳数。
[0047] 5)节点为转发表中的下一跳节点分配一个选择概率，节点选择概率与能量消耗成 反比，即对于节点％，它给它的转发表FL中的下一跳节点N i赋予的概率值为：
[0048] Pi；J = (1/Ci；j)/(X1/Ci；k),k e FTj
[0049] 6)每个节点都拥有一些可选择的邻居节点，通过这些节点把数据包传递到汇聚节 点。不过，节点要依据转发表中的邻居节点计算出到达汇聚节点的平均代价值，即节点N j的 代价为：
【权利要求】
1. 一种改进的无线传感器网络能量多路径路由方法，其特征在于：包括以下步骤： 汇聚节点在查询消息中添加平均跳数用以记录当前节点到汇聚节点的平均跳数，网络 中的所有节点均需要根据上一跳节点，即中间节点的平均跳数判断是否将其作为邻居节点 加入本地路由表，舍弃跳数过大的路径； 节点在建立本地路由表后，需要根据路由表中邻居节点的平均跳数计算节点本身的平 均跳数，并将其添加到查询消息中，继续转发；在转发过程中，节点只向那些相比于自己距 离源节点更近且距离汇聚节点更远的邻居节点转发查询消息；如果没有满足条件的邻居节 点，则丢弃该消息； 随着无线传感器网络的运行，各个节点的能量发生着变化，3值也将随之变化，这样才 能适应变化的网络，选择最优路径；0值与网络整体剩余能量有关，当网络整体剩余能量 较多时，说明节点均处于良好的通信状态，这时可以选择跳数较小的路径来降低传输延时； 当网络整体剩余能量下降时，0值也会调整，适当增大，以保证有足够的节点以供选择传输 路径，使得网络处于一个相对较优的通信状态。
2. 根据权利要求1所述的改进的无线传感器网络能量多路径路由方法，其特征在于：汇聚节点所发出的查询消息中添加平均跳数域，用以记录当前节点到汇聚节点的平均跳 数，平均跳数域初始值为0表示从汇聚节点开始。
3. 根据权利要求1所述的改进的无线传感器网络能量多路径路由方法，其特征在于：网络中的所有节点均需要根据上一跳节点，即中间节点的平均跳数判断是否将其作为邻居 节点加入本地路由表，舍弃跳数过大的路径，节点根据查询消息中提供的上一跳节点，即中 间节点的平均跳数，选择出其中的最小值minUu最为判断基准，3是大于1的调节系数，其 大小直接决定跳数约束条件的严苛程度，即0越大，跳数约束条件越宽松，有更多的节点 可以加入到路由表中，节点j将节点i加入本地路由表FT」中的跳数约束条件为： FT』={i 13 * (minUi'k)}，k G FT』 其中L表示节点i的平均跳数，minUi;k是节点j的邻居节点中的最小平均跳数。
4. 根据权利要求1所述的改进的无线传感器网络能量多路径路由方法，其特征在于：建立本地路由表后，每个节点需要计算自身平均跳数，节点的平均跳数即该节点到汇聚节 点的平均跳数，计算公式如下： 节点的平均跳数=(邻居节点的平均跳数之和/邻居节点数目）+1 其中，邻居节点是指当前的节点的上一跳节点经过跳数约束条件筛选后加入到本地路 由表中的节点。
5. 根据权利要求1所述的改进的无线传感器网络能量多路径路由方法，其特征在于：每个中间节点，在选择查询消息转发对象时，只向那些相比于自己距离源节点更近且距离 汇聚节点更远的邻居节点转发查询消息；如果没有满足条件的邻居节点，则丢弃该消息，即 对于节点K，只转发给满足下式的邻居节点％ : cKN^N,) ^ d(Nj,Ns) cKN^N,) ^ d(Nj,Nd) 上式中，Ns表示源节点，Nd表示汇聚节点，(1(队,Ns)表示节点队到节点N s的距离。
6. 根据权利要求1所述的改进的无线传感器网络能量多路径路由方法，其特征在于：随着无线传感器网络的运行，各个节点的能量发生着变化，0值也将随之变化。0值与网 络整体剩余能量有关，当网络整体剩余能量较多时，说明节点均处于良好的通信状态，这时 可以选择跳数较小的路径来降低传输延时，当网络整体剩余能量下降到初始能量的50% 时，0值会随着剩余能量的减少而缓慢增加，两者成负相关关系，从而保证有足够的节点以 供选择传输路径，使得网络处于一个相对较优的通信状态。
【文档编号】H04W40/10GK104333883SQ201410551187
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月16日 优先权日:2014年10月16日
【发明者】李琴 申请人:南京邮电大学