CN101808382B - 一种无线传感器网络的数据通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无线传感器网络的数据通信方法，用于解决传统簇路由协议中簇头能量消耗大，易成为网络瓶颈进而导致节点能量消耗不均，网络生存期缩短的问题。本发明提出了一种无线传感器网络拓扑结构；设计了网络成簇过程中簇的建立方法；定义了网关节点，用于在相邻的簇之间转发数据；设计了数据传输的路由过程，簇头节点只负责数据传输路径的发现，实际的数据通过网关节点沿着所发现的路径进行传输，实现了路径查找和数据传输功能的分离，减轻了簇头节点的负担；设计了簇内路由方法，用于将数据传输到指定的网关节点。本发明设计的数据通信方法能够有效地降低能量消耗，均衡了网络负载，延长了网络的生存时间，可适用于大型无线传感器网络。

Description

一种无线传感器网络的数据通信方法

技术领域

本发明涉及无线网络通信技术领域，尤其是一种在无线传感器网络中的数据通信方法，用于解决传统簇路由协议中簇头能量消耗大，易成为网络瓶颈，进而导致节点能量消耗不均，网络生存期缩短的问题。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)是当前在国际上倍受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了微机电***、传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息。无线传感器网络广泛应用于军事国防、工农业、生物医疗等领域。

路由协议是无线传感器网络的关键技术之一，它主要包括两个方面的功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径；将数据分组沿着优化路径正确转发。对于由很多数据融合的传感器网络应用程序而言，网络生存时间、可扩展性、负载平衡、容错性、安全性等是重要的要求。从网络拓扑结构的角度，WSN的路由协议可分为两类：平面型和层次型。平面路由协议中，节点地位平等，不易产生瓶颈效应，但缺乏管理节点对通信资源优化管理，自组织协同工作算法复杂，且对网络的动态变化反应较慢。而层次路由协议，则极大地降低了网络的总体能耗，并提高了网络的可扩展性。在层次路由协议中，网络通常被划分为簇。若干传感器节点构成一个簇。每个簇由一个簇头节点和多个簇成员节点组成。簇头节点管理整个簇内的成员节点，协调成员间的工作，负责簇内信息的收集和处理，以及在簇间的信息转发。LEACH协议就是无线传感器网络中分层路由的一种方法。在LEACH协议的基础上，已经演化出多种适合于不同应用场景的无线传感器网络路由协议，如HEED，PEGASIS、TEEN等。

LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)协议是分层成簇协议的代表。它是周期性执行的低功耗自适应分簇拓扑算法。它的结构和节点组织图如图1所示。它的基本思想是：以循环的方式随机选择簇头节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中去，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的。

LEACH算法在运行过程中不断地循环执行簇的重构过程。每个簇重构过程用“轮(round)”的概念来描述。每轮可以分为两个阶段：簇的建立阶段和传输数据的稳定阶段。

簇的建立阶段分为四个阶段：簇头节点的选举，簇头节点的广播，簇的建立，调度机制的生成。簇头节点的选择依据网络中所需要的簇头节点总数和迄今为止每个节点已成为簇头的次数来决定。具体方法是：每个传感器节点选择0-1之间的一个值，如果选定的值小于某个阈值T(n)，则该节点成为簇头节点。其中，

式中p表示网络中簇头数与总节点数的百分比，r表示当前的选举轮数，G表示最近1/p轮不是簇头结点的节点集。选定簇头节点后，通过广播告之整个网络。网络中的其他节点根据接收信息的信号强度决定从属的簇，并通知相应的簇头节点，完成簇的建立。最后，簇头节点采用TDMA方式为簇中每个节点分配向其传送数据的时间片。

传输数据的稳定阶段主要工作是：传感器节点将采集的数据通过一跳通信传送到簇头节点，簇头节点对簇中所有节点所采集的数据进行信息的融合后再通过一跳通信传递给基站。这是一种减少通信业务量的合理工作模式。

采用随机选举簇头的方式避免簇头节点过分消耗能量，均衡网络中节点的能耗，提高了网络生存时间；数据聚合能有效减少通信量，从而节省能量。

但在LEACH协议和由此扩展的协议中，我们可以看出：簇头节点负责路径的发现、整个簇的维护，以及向基站的数据传输。一旦簇头节点失效，整个簇将变混乱。此外，簇头节点被假定有很广的通信范围，这样数据就能直接从簇头节点经过一跳到达基站。但这种假定在现实中并不总是成立。因为簇头节点也是普通的传感器节点，而且由于信息的传播问题和传输范围的限制，基站也并不能覆盖所有的传感器节点。LEACH协议形成了簇内(Intra-cluster)和簇间(Inter-cluster)单跳的拓扑结构，在这种拓扑结构下，每个传感器节点直接将数据传送至簇头节点，然后由簇头节点经单跳传送给基站。这样的方法不适合于大型区域的无线传感器网络。

综上所述，LEACH协议及其扩展协议的缺陷主要是：簇头节点承担数据处理、数据传输、簇的维护等大量任务，能量消耗较大，容易很快死亡。一旦簇头节点消亡，整个簇将无法工作。对簇头的要求较高，导致节点的能量消耗不均匀，缩短了网络的生存时间，不适合于大规模的无线传感器网络。

发明的内容

本发明的目的是：解决现有路由协议中簇头易成为网络瓶颈，导致簇无法正常工作，进而导致节点能量消耗不均匀，并因此缩短网络生存期的问题。提出了一种新的无线传感器网络路由机制，设计了网络成簇过程中簇的建立方法，设计了网关节点，设计了数据传输的路由过程，建立了簇内路由方法。所提出的新的数据通信方法，能减轻簇头节点的负担，平衡各节点的能耗，延长网络的生存期，适合于大规模无线传感器网络。

本发明设计了新的无线传感器网络拓扑结构。在簇头节点被选举确立，并向周围的节点发送广播消息后，进行簇的建立，将网络覆盖区划分成相互重叠的簇，网络中存在四种节点：普通节点，簇头节点，相邻簇重叠区域内的网关节点和基站节点；普通节点负责感知事件，并在事件发生时向簇头节点报告，并沿着簇头节点寻找到的路由路径进行数据传输；簇头节点在接收簇内普通节点发出的请求消息后，进行数据传输路径的查找；网关节点负责相邻簇之间数据的中继转发；基站节点是目标节点，用于接收检测事件的消息。网络的路由协议为：簇的内部数据传输，采用簇内路由方法，由普通节点将数据路由到指定的网关节点；网络数据传输由，簇头节点找到路径，经由簇内路由到达指定网关节点，通过网关节点传输数据到基站节点；上述路由机制实现路径查找和数据传输的分离，簇头节点只负责在接收传感器节点的路径请求后，执行路径寻找的任务，而数据传输是通过网关节点进行的。减轻了簇头节点的负担，全局路由采用多跳模式，簇内路由采用单跳或多跳模式。

本发明设计了网络成簇过程中簇的建立方法。在簇头节点选举确立，并向周围节点广播之后，未能选举为簇头的节点根据规则选择自身所属的簇，并发送请求加入消息REQ。建立的簇是相互重叠的，重叠区域内的节点是网关节点，负责将数据在相邻簇之间中继转发。非重叠区域内的节点是簇内普通节点。簇的建立完成后，所有节点的数量和功能确定。

本发明提出了新的数据传输的路由过程。当节点需要传输数据时，它向簇头节点发送一个请求消息。簇头节点找到路径后，回复该节点到达下一跳簇的路径以及需要经过的网关节点。节点通过簇内路由，到达该网关节点，通过网关节点传输数据，并重复上述过程，直至数据到达基站节点。

本发明设计了新的簇内路由方法，在网络成簇过程完成后，每个簇内的节点建立起初始化路由表，在簇头节点告知簇内节点所需要经过的网关节点后，簇内节点通过查询路由表，获得下一跳所经过的节点，并依此继续，直至到达指定的网关节点。

与现有的簇路由协议相比较，本发明具有以下优点：

1.簇头的任务被减少，这样簇头节点不会成为网络的瓶颈。簇头的任务仅是选择路径而不是数据传输，这就避免了由于多任务导致能量的过分消耗，进而使得簇头节点过早消亡，引起整个网络结构和功能的混乱。

2.节点的能量消耗被平衡，网络的生存期被延长。由于簇头节点的任务被减轻，保证了簇内数据路由的正常进行。且用于簇间转发数据的是网关节点，不同路径选择的网关节点也不相同。这使得整个网络的节点能量消耗趋于平衡。

3.簇头节点与基站的通信是多跳的，实际经过网关节点的数据传输也是多跳的。这样的路由机制特点适合于大规模的无线传感器网络。

附图说明

图1LEACH协议的网络结构和节点组织图

图2本发明提出的路由协议网络结构和节点组织图

图3本发明中网络成簇簇建立方法中相邻簇重叠区域内节点发送请求加入的消息格式图

图4本发明网络成簇簇建立方法中非相邻簇重叠区域内节点发送请求加入的消息格式图

图5本发明中簇头节点建立的关于网关节点的路由表格式图

图6本发明中网络成簇过程完成后簇内节点建立的路由表格式图

图7本发明中网络成簇过程簇建立阶段流程图

图8本发明设计的路由协议路由过程流程图

图9本发明设计的簇内路由过程流程图

具体实施方式

结合上述附图，本发明的无线传感器网络数据通信方法，具体的实施包括以下几个部分：

一、网络路由机制的设计

如图2所示，网络划分成多个相互重叠的簇ClusterA，Cluster B，Cluster C。网络中存在普通节点如：A2，A3，B2，C2；簇头节点如：A1，B1，C1；相邻簇重叠区域的网关节点如：G1，G2；以及基站节点BS。簇头节点接收簇内普通节点发出的传输请求后，负责进行数据传输路径的查找。普通节点执行检测事件的任务，在事件发生时向簇头节点报告，并在簇头节点寻找到合适的路由路径后，沿着该路径传输数据。相邻簇重叠区域内的网关节点负责数据在相邻簇之间的路由转发。基站节点是目标节点，用于接收发来的检测事件的消息。该路由机制将路径的寻找和数据传输相分离，减轻了簇头的负担。全局的路由采用多跳机制，簇内的路由采用单跳或多跳机制。

二、网络成簇过程簇建立方法的设计

如图2所示，在簇头节点被选举确立，并向周围的节点发送广播消息之后，每一个普通节点根据接收到的广播消息的信号强度来决定加入某个簇。设簇的半径是r，加入某个簇的信号强度阈值是t。有三种情况：

(1)当某个节点收到多个簇头节点发来的广播消息，并且这些消息的信号强度值都大于t，则该节点位于相邻簇重叠区域内。该节点向这些相邻簇的簇头节点发送的消息格式如图3所示；

(2)当某个节点收到单个簇头节点发来的广播消息，则该节点加入此簇头节点所位于的簇。该节点向簇头节点发送的消息格式如图4所示；

(3)当某个节点收到多个簇头节点发来的广播消息，只有其中一条消息的信号强度大于t，则该节点加入此簇头所位于的簇。该节点向簇头节点发送的消息格式如图4所示。

经过成簇过程，所建立的簇是相互重叠的。相邻簇重叠区域内的节点为网关节点，也称中继节点，用于中继数据，到达下一跳所在的簇，不同的网关节点承担不同的数据传输任务。簇的建立完成后，所有节点的数量和功能确定。

在簇的建立过程中，网关节点接收到多个簇头节点发来的广播消息，它们回复簇头节点，告知它们的节点编号，以及到达下一跳的簇的编号。这样，簇头节点可以构建路由表，以决定数据传输的路径。所建立的关于网关节点的路由表格式，如图5所示。簇头节点并不参与实际的数据传输过程，真正的数据传输是通过簇内路由，再经过网关节点到达下一跳簇来实现的。簇头节点只负责进行数据传输路径的查找。这使得数据传输和路径查找分离开，减轻了簇头节点的负担，有利于网络节点之间能耗的平衡。

在网络成簇过程完成之后，簇内的每个节点通过向邻居节点发送数据包，建立起簇内路由的路由表。每个节点周期性地从邻居节点中接收到它们的路由表，并向邻居节点发送自己的路由表。图6是网络成簇完成后簇内的节点建立起的路由表格式图。

网络成簇过程簇建立方法的流程图如图7所示。

三、数据传输路由过程的设计

在传感器网络形成簇，并且确定了相邻簇重叠区域内的网关节点之后，可以执行事件感知和数据传输的任务。

如图2所示，所设计的路由协议执行过程包括以下步骤：

第一步，某个簇内的普通节点A2检测到某事件，它需要向基站节点BS报告相应的事件。

第二步，该普通节点A2向簇头节点A1发送执行请求的消息，请求得到执行数据传输的路径。

第三步，簇头节点A1得到了该请求消息后，开始处理。它查询自己的关于网关节点的路由表，查询是否有到达下一跳簇的网关节点。如果存在，将该网关节点的编号G1、下一跳簇的编号B发送给执行请求的普通节点A2；如果不存在，则簇头节点A1将自己的编号发送给执行请求的普通节点A2，以作为实际数据信息的中继节点。

第四步，簇内普通节点A2收到了簇头节点A1所查找的路径，如果接收到的是网关节点G1和下一跳簇的信息B，则开始进行簇内路由，到达指定的网关节点G1，该网关节点向下一跳簇的簇头节点B1发送请求消息，请求得到数据传输的路径，并重复执行第三——四步，直至到达基站节点BS；如果接收到的是簇头节点A2，则簇头节点A2临时承担数据传输的任务，簇内普通节点A2经过簇内路由，将数据发送给簇头节点A1，簇头节点A1再依次发送给其他的簇头节点B1，C1，直至发送给基站节点BS。

具体的路由过程流程图如图8所示。

四、簇内路由的设计

在网络成簇完成后，每个节点都已建立好自己的簇内路由表。并通过周期性地接收邻居节点的路由表和向邻居节点发送路由表，来更新簇内路由表。在簇头节点向簇内普通节点返回下一跳簇和所需经过的网关节点后，簇内普通节点开始进行簇内路由，如图2所示，具体过程如下：

第一步，簇内普通节点A2等待簇头节点A1发送来的消息；

第二步，簇内普通节点A2接收到簇头节点A1发来的下一跳簇B和所需经过的网关节点G1信息；

第三步，该簇内普通节点A2查询自己的路由表，看是否有到达该网关节点G1的路径；

第四步，簇内普通节点A2找到路由至该网关节点G1的路径：A2-A3-G1。如果没找到，簇内普通节点A2给簇头节点A1发送消息，请求重新获得网关节点，并返回第一步。

第五步，簇内普通节点A2沿着找到的路径进行数据传输。

以上步骤一直进行，直至数据传输至指定的网关节点BS。簇内路由过程结束。

具体的簇内路由流程图如图9所示。

符号说明：

LEACH：Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy低能量自适应分簇层次

HEED：A Hybrid，Energy-Efficient Distributed Clustering Approach一种混合的、能量有效的、分布式成簇方法

PEGASIS：Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems传感器信息***里能量有效的聚集

TEEN：Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol门限值敏感的、能量有效的传感器网络协议

TDMA：Time Division Multiple Access时分多址接入

Cluster：簇

REQ：Request请求

Claims (6)

1.一种无线传感器网络的数据通信方法，其特征在于：在簇头节点被选举确立，并向周围的节点发送广播消息后，进行簇的建立，将网络覆盖区划分成相互重叠的簇，网络中存在四种节点：普通节点，相邻簇重叠区域内的网关节点，簇头节点和基站节点；普通节点负责感知事件，并在事件发生时向簇头节点报告，并沿着簇头节点寻找到的路由路径进行数据传输；网关节点负责相邻簇之间数据的中继转发；簇头节点在接收簇内普通节点或网关节点发出的请求消息后，进行数据传输路径的查找；基站节点是目标节点，用于接收检测事件的消息；在簇的建立过程中，簇头节点建立起关于网关节点的路由表，以决定簇间数据传输的路径；在网络成簇过程完成后，簇内节点建立起簇内路由的路由表，以决定簇内数据传输的路径；当需要进行数据传输时，网络的路由协议为：簇的内部数据传输，采用簇内路由方法，由普通节点将数据路由到簇头节点查找到的网关节点；全局数据传输由簇头节点找到到达下一跳簇的网关节点，普通节点或网关节点经过簇内路由到达簇头节点查找到的网关节点，并通过该网关节点传输数据，直至到达基站节点，所述簇内路由采用单跳或多跳模式，全局路由采用多跳模式；上述路由机制实现路径查找和数据传输的分离，减轻了簇头节点的负担。

2.根据权利要求1所述无线传感器网络的数据通信方法，其特征在于：所述网络成簇过程中簇建立的过程如下：

在簇头节点被选举确立，并向周围的节点发送广播消息之后，每一个普通节点根据接收到的广播消息的信号强度来决定加入某个簇，设簇的半径是r，加入某个簇的信号强度阈值是t，有三种情况：

(1)当某个节点收到多个簇头节点发来的广播消息，并且收到消息的信号强度值都大于t，则该节点位于相邻簇重叠区域内为网关节点，网关节点向相邻簇的簇头节点发送请求加入的消息；

(2)当某个节点收到单个簇头节点发来的广播消息，则该节点加入此簇头节点所位于的簇，该节点向簇头节点发送请求加入的消息；

(3)当某个节点收到多个簇头节点发来的广播消息，只有其中一条消息的信号强度大于t，则该节点加入此簇头所位于的簇，该节点向簇头节点发送请求加入的消息。

3.根据权利要求1或2所述的无线传感器网络的数据通信方法，其特征在于，所述的簇头节点在接收到网关节点发来的请求加入消息后，建立起关于网关节点的路由表，以决定数据传输的路径。

4.根据权利要求1或3所述的无线传感器网络的数据通信方法，其特征在于，所述的全局路由过程包括以下步骤：

(1)某个簇内的普通节点检测到某事件，它需要向基站节点报告该事件；

(2)该普通节点向簇头节点发送执行请求的消息，请求得到执行数据传输的路径；

(3)簇头节点得到了该请求消息后，开始处理，它查询自己的关于网关节点的路由表，查询是否有到达下一跳簇的网关节点；如果存在，将该网关节点的编号、下一跳簇的编号发送给向簇头节点发送请求消息的节点；如果不存在，则簇头节点将自己的编号发送给簇头节点发送请求消息的节点，以作为实际数据信息的中继节点；

(4)向簇头节点发送请求消息的节点收到了簇头节点所查找的路径，如果接收到的是网关节点和下一跳簇的信息，则开始进行簇内路由，到达指定的网关节点，该网关节点向下一跳簇的簇头节点发送请求消息，请求得到数据传输的路径，并重复执行(3)--(4)步，直至到达基站节点；如果接收到的是簇头节点，则簇头节点临时承担数据传输的任务，簇内普通节点经过簇内路由将数据发送给簇头节点，由簇头节点经过多跳通信，直至发送给基站节点。

5.根据权利要求1所述的无线传感器网络的数据通信方法，其特征在于，网络成簇过程完成后，每个节点通过向邻居节点发送数据包，建立起簇内路由的路由表，每个节点周期性地从邻居节点接收到它们的路由表，并向邻居节点发送自己的路由表，来更新簇内路由的路由表。

6.根据权利要求1或5所述的无线传感器网络的数据通信方法，其特征在于，所述簇内路由包括以下步骤：

1)簇内普通节点等待簇头节点发送来的消息；

2)簇内普通节点接收到簇头节点发来的下一跳簇和所需经过的网关节点信息；

3)该簇内普通节点查询自己的路由表，看是否有到达该网关节点的路径；

4)该簇内普通节点找到路由至该网关节点的路径，如果没找到，簇内普通节点向簇头节点发送消息，请求重新获得网关节点，并返回第一步；

5)簇内普通节点沿着找到的路径进行数据传输；

以上步骤一直进行，直至数据传输至指定的网关节点，簇内路由过程结束。

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