CN102413537B - 无线传感网的多汇聚节点间负载均衡路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感网的多汇聚节点间负载均衡路由方法，包括以下步骤：步骤一，汇聚节点广播发送用以建立汇聚梯度的RINIT广播命令包；步骤二，接收到所述RINIT广播命令包的传感节点解析RINIT广播命令包的内容，设定或更新传感节点自身到汇聚节点的距离/跳数；步骤三，所述汇聚节点根据需要发送调整区域划分的RCTL命令包；步骤四，接收到所述RCTL命令包的传感节点解析RCTL命令包的内容，并根据所述RCTL命令包的内容设置或更新传感节点自身的目的汇聚节点，实现区域调整；步骤五，重复步骤四，直到传感节点已调整的区域满足所述RCTL命令包的要求为止。本发明所述方法大大减少了无线传感器网络***的控制开销，计算开销小，效率高，有效延长了网络寿命。

Description

无线传感网的多汇聚节点间负载均衡路由方法

技术领域

本发明属于无线传感网络技术领域，涉及一种无线传感网的多汇聚节点间负载均衡路由方法。

背景技术

无线传感器网络能够协作地实时检测、跟踪和采集网络布设区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行协同、融合处理，获得较为准确的结论，然后传送至用户。传感节点一般采用电池供电，它的一大特点是能量受限。传感器网络的另一个重要特点是应用特定性。为了提高上传数据信息熵和事件准确率，网络节点间经常需要多类型传感器、多节点协同信息处理，并要求实现被监测区域的无缝覆盖。因此，传感器网络具有节点布设密度高，节点感知信息具有冗余性等特点。另外，无线传感器网络不依赖于固定的基础设施，网络节点要求具有自组织能力。

多数简单数据收集应用场景如环境检测、工业检测等，较多采用单汇聚节点(Sink)的网络组织形式，整个网络的可靠性、可扩展性受到该Sink节点的制约，而且网络无法处理Sink节点失效问题。因此，在实际的传感器网络应用中大多采用多Sink模式。

无线传感器网络中数据流量的特点是大量的传感器节点感知数据，然后向汇聚节点(即Sink节点)汇聚传输。传输过程中的路由协议性能是影响网络性能的关键因素。在多Sink传感器网络应用中，路由协议将整个网络的负载分配到多Sink节点，普遍采用最近Sink策略(nearest Sink scheme，NS机制)，即传感器节点选择距离自己最近的Sink节点作为数据包传输的目的节点，保证传感器节点到Sink节点的最小跳数，最小化网络的能量消耗。由于无线传感器网络传感节点感知的数据具有连续、不确定性等特点，因不同区域的传感节点感知任务不同，不同地理位置上节点产生数据量不同，即传感器网络数据的不平衡性，以及NS机制负载区域划分不均匀，导致某些Sink负载过重，靠近Sink的节点因传输过多的数据而能量耗尽，严重影响网络的使用寿命。可见，基于多Sink的传感器网络的一个关键问题是网络运行期间各Sink间的负载分配问题。因此如何将过载Sink的部分负载调整到其他空闲Sink，避免个别Sink负载过重是一个亟需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种无线传感网的多汇聚节点间负载均衡路由方法，该方法开销小，效率高。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种无线传感网的多汇聚节点间负载均衡路由方法包括以下步骤：

步骤一，汇聚节点广播发送用以建立汇聚梯度的RINIT广播命令包；

步骤二，接收到所述RINIT广播命令包的传感节点解析RINIT广播命令包的内容，并根据所述RINIT广播命令包的内容设定或更新传感节点自身到汇聚节点的距离/跳数；所述步骤二的具体实现过程为：

A1、传感节点上电启动后，若第一次收到所述RINIT广播命令包，则传感节点设定自身到发出所述RINIT广播命令包的汇聚节点的距离；

A2、若所述传感节点已经收到过所述RINIT广播命令包，则传感节点设定或更新自身到发出所述RINIT广播命令包的汇聚节点的距离；

A3、判断发出所述RINIT广播命令包的汇聚节点是否为离所述传感节点最近的汇聚节点，若是则停止转发所述RINIT广播命令包，若不是则继续转发所述RINIT广播命令包。

步骤三，所述汇聚节点根据相邻汇聚节点下属的传感节点传输到所述汇聚节点的数据量，确定所述相邻汇聚节点的划分区域；所述汇聚节点根据需要发送调整区域划分的RCTL命令包；步骤三中，所述汇聚节点周期性的判断相邻汇聚节点下属的传感节点传输到所述汇聚节点的数据量，确定所述相邻汇聚节点的划分区域。

步骤四，接收到所述RCTL命令包的传感节点解析RCTL命令包的内容，获取需要调整的相邻汇聚节点的地址以及需要调整的区域大小，并根据所述RCTL命令包的内容设置或更新传感节点自身的目的汇聚节点，实现区域调整；步骤四的实现过程为：所述传感节点收到RCTL命令包后，首先判断自身节点是否处理过所述RCTL命令包后，若是，则停止转发所述RCTL命令包；否则判断自身节点是否处在所述汇聚节点需要调整的区域范围内，若是则调整自身的目的Sink节点，继续转发所述RCTL命令包，否则丢弃所述RCTL命令包。

步骤五，重复步骤四，直到传感节点已调整的区域满足所述RCTL命令包的要求为止。

作为本发明的一种优选方案，所述RINIT广播命令包包括发送RINIT广播命令包的Sink节点的类型、源地址、最大扩散跳数、接收到RINIT广播命令包的传感节点到Sink节点的跳数/距离。

作为本发明的另一种优选方案，所述RCTL命令包括发送RCTL命令的Sink节点的类型、源地址、源序列号、要调节范围的目的Sink节点的地址、调节跳数/距离、生存期。

本发明的有益效果在于：由于本发明所述方法中的路由总是处于已建立的状态，当有数据发送时可以立即发送，大大减少了无线传感器网络***的控制开销，计算开销小，效率高，有效延长了网络寿命。

附图说明

图1为本发明中汇聚节点发送路由建立帧的流程示意图；

图2为本发明中传感节点对接收到的路由建立帧的处理流程图；

图3为本发明中汇聚节点发送RCTL帧的流程示意图；

图4为本发明中传感节点对接收到RCTL帧的处理流程图；

图5为本发明中节点传输数据的流程示意图；

图6为本发明中路由建立帧的格式示意图；

图7为本发明中RCTL帧的格式示意图。

具体实施方式

本发明根据信息分布均匀时事件信息量与事件区域大小成正比的特点，为了延长网络寿命，尽量减少计算开销，在多汇聚节点情况下针对无线传感器网络的特点，提出一种自适应的无线传感网多汇聚节点间负载均衡路由方法。本发明所述的负载均衡路由方法的主要思路为：在无线传感网络内，根据传感网数据流的特点，传感节点根据接收到的Sink节点发出的控制帧自适应调节数据传输的目的Sink节点。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例一

本实施例提供一种无线传感网的多汇聚节点间负载均衡路由方法，该方法是基于最近Sink策略实现的，主要包括以下两部分内容：

一、汇聚节点(Sink节点)管辖区域内的负载均衡路由方法：

1)、初始化时，各汇聚节点(Sink节点)发送路由建立帧RINIT，接收到RINIT的传感节点通过此帧的广播获得自己到各Sink节点的最小跳数；

2)、传感节点选择跳数最小的汇聚节点作为数据传输的目的Sink节点；

3)、传感节点根据自身若干父节点的能量消耗情况，选择能耗速度最慢的父节点作为下一跳节点。

二、汇聚节点(Sink节点)间负载均衡路由方法：

1)、某一Sink节点以较大周期TS检测各Sink节点的接收数据速率，若相邻Sink节点的接收数据速率之比超过门限α，则接收速度慢的Sink节点发送RCTL(控制)帧，调节传输到接收速度快的Sink节点的传感节点的数量；其中门限α是为了避免重复调节传输到相邻S ink节点的传感节点，其作用是确保传输到相邻Sink节点的数据量相差不大时不进行调节，其中α＞1。

2)、传感节点根据接收到的RCTL帧变更原目的Sink节点，或选择跳数最小的汇聚节点作为数据传输的新目的Sink节点。

实施例二

本实施例以下列假设***为例，详细介绍了本发明所述无线传感网的多汇聚节点间负载均衡路由方法的具体实现过程。

首先***满足以下条件的假定：

1、网络中布设有N个传感节点，且N个传感节点具有相同的初始能量；

2、网络中存在M个汇聚节点(Sink节点)，Sink节点间通过有线或其他无线信道相互通信；

3、网络中的全部汇聚节点和传感节点具有相同的无线覆盖半径，且信道是对称的。

下面结合附图详细说明本发明所述方法的实现过程。

【汇聚节点的路由初始化过程】

参照图1，初始化时，汇聚节点(Sink节点)发送路由建立帧RINIT，RINIT的帧格式如图6所示，其中包含该帧扩散的最大半径以及到汇聚节点的跳数，类型是指发送RINIT广播命令包的Sink节点的类型，源地址是指发送RINIT广播命令包的Sink节点的源地址，最大扩散跳数/距离是指RINIT广播包中的生存半径TTL的大小，到汇聚节点的跳数/距离是指接收到RINIT广播命令包的传感节点到Sink节点的跳数/距离。所述路由建立帧RINIT建立的最大扩散半径可以随着应用的改变而灵活配置，汇聚节点广播该帧的流程如下：

S1-1Sink节点上电；

S1-2设置定时器，等待其超时；

S1-3定时器超时，汇聚节点(Sink节点)发送路由建立帧RINIT广播包。

【路由建立帧RINIT的处理】

参照图2，路由建立帧RINIT的处理流程是：

S2-1传感节点接收到所述路由建立帧RINIT广播包；

S2-2传感节点判断所述路由建立帧RINIT广播包中自身到Sink节点的跳数是否大于路由表中自身到Sink节点的跳数，若否转到S2-3，若是转到S2-4；

S2-3传感节点修改添加路由表，设置路由的生存时间，生存时间到期后删除该条路由；

S2-4传感节点减小路由建立帧RINIT广播包中的生存半径TTL，增大自身到Sink节点的跳数，然后判断TTL是否大于零，若是则转到S2-5，否则转到S2-6；

S2-5转发该路由建立帧RINIT广播包；

S2-6丢弃该路由建立帧RINIT广播包。

【汇聚节点间的资源调节过程】

参照图3，汇聚节点(Sink节点)周期性检测相邻Sink节点间数据接收速率，如果相邻Sink节点的数据接收速率之比超过门限α，发送RCTL帧，其帧格式如图7，RCTL帧中包含要调节的宽带长度，调节的宽度值可以随着应用的改变灵活配置。图7中的类型是指发送RCTL命令的Sink节点的类型，源地址是指发送RCTL命令的Sink节点的源地址，源序列号是指发送RCTL命令的Sink节点的序列号，目的地址是指要调节范围的传感节点即将调节到的目的Sink节点的地址，生存期是指调节后的路由表的有效期。

调节流程如下：

S3-1Sink节点上电；

S3-2设置定时器，等待其超时；

S3-3定时器超时，判断相邻Sink节点的数据接收速率之比是否超过门限α，若超过则转S3-4；否则转S3-5；

S3-4计算调节传感节点改变目的Sink节点的跳数，相邻Sink节点中接收数据速率较慢的Sink节点发送RCTL帧；

S3-5结束。

【RCRL帧的处理】

参照图4，RCRL帧的处理流程是：

S4-1传感节点收到RCRL帧；

S4-2传感节点判断自己是否处理过该帧，若是转S4-5，否则转S4-3；

S4-3传感节点判断自己是否在此帧的调节范围内，若是转S4-4，否则转S4-5；

S4-4传感节点调整自身的目的Sink节点，广播该RCRL帧；

S4-5丢弃该帧。

【数据的传输过程】

参照图5，数据源节点根据接收的RCTL帧或最近Sink(NS)策略选择数据传输的目的Sink节点，中间数据处理流程是：

S5-1传感节点收到数据；

S5-2传感节点判断自己是否是数据传输的目的节点，若是则结束；否则转S5-3；

S5-3传感节点记录路由，设置路由的生存时间；

S5-4传感节点，根据自身节点的路由表，继续转发数据。

本发明针对无线传感器网络的传感节点能量、计算能力等受限、节点随机密集布设、汇聚节点比传感节点资源丰富的特点，根据传感节点感知任务不同，着重考虑不同汇聚节点间负载均衡，有效的延长网络***寿命，提高网络的可扩展性。在大规模无线传感网络中，汇聚节点确定相邻汇聚节点的划分区域后，通过本发明所述方法使在相邻汇聚节点区域中的传感节点可以改变节点感知数据传输到的目的汇聚节点，传感节点可一跳或多跳到达变更后的目的汇聚节点。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。

Claims (4)

1.一种无线传感网的多汇聚节点间负载均衡路由方法，其特征在于，所述路由方法包括以下步骤：

步骤一，汇聚节点广播发送用以建立汇聚梯度的路由建立帧RINIT广播命令包；

步骤二，接收到所述路由建立帧RINIT广播命令包的传感节点解析路由建立帧RINIT广播命令包的内容，并根据所述路由建立帧RINIT广播命令包的内容设定或更新传感节点自身到汇聚节点的距离/跳数；所述路由建立帧RINIT广播命令包包括发送路由建立帧RINIT广播命令包的汇聚节点的类型、源地址、最大扩散跳数、接收到路由建立帧RINIT广播命令包的传感节点到汇聚节点的跳数/距离；即传感节点判断所述路由建立帧RINIT广播包中自身到汇聚节点的跳数是否大于路由表中自身到汇聚节点的跳数，若否则传感节点修改添加路由表，设置路由的生存时间，生存时间到期后删除该条路由；若是则传感节点减小路由建立帧RINIT广播包中的生存半径TTL，增大自身到Sink节点的跳数；

步骤三，所述汇聚节点根据相邻汇聚节点下属的传感节点传输到所述汇聚节点的数据量，确定所述相邻汇聚节点的划分区域；所述汇聚节点根据需要发送调整区域划分的RCTL命令包，即汇聚节点周期性检测相邻汇聚节点间数据接收速率，如果相邻汇聚节点的数据接收速率之比超过门限α，发送RCTL帧；所述RCTL命令包包括发送RCTL命令的汇聚节点的类型、源地址、源序列号、要调节范围的目的汇聚节点的地址、调节跳数/距离、生存期；

步骤四，接收到所述RCTL命令包的传感节点解析RCTL命令包的内容，获取需要调整的相邻汇聚节点的地址以及需要调整的区域大小，并根据所述RCTL命令包的内容设置或更新传感节点自身的目的汇聚节点，实现区域调整；

步骤五，重复步骤四，直到传感节点已调整的区域满足所述RCTL命令包的要求为止。

2.根据权利要求1所述的无线传感网的多汇聚节点间负载均衡路由方法，其特征在于，所述步骤二的具体实现过程为：

A1、传感节点上电启动后，若第一次收到所述路由建立帧RINIT广播命令包，则传感节点设定自身到发出所述路由建立帧RINIT广播命令包的汇聚节点的距离；

A2、若所述传感节点已经收到过所述路由建立帧RINIT广播命令包，则传感节点设定或更新自身到发出所述路由建立帧RINIT广播命令包的汇聚节点的距离；

A3、判断发出所述路由建立帧RINIT广播命令包的汇聚节点是否为离所述传感节点最近的汇聚节点，若是则停止转发所述路由建立帧RINIT广播命令包，若不是则继续转发所述路由建立帧RINIT广播命令包。

3.根据权利要求1所述的无线传感网的多汇聚节点间负载均衡路由方法，其特征在于：步骤三中，所述汇聚节点周期性的判断相邻汇聚节点下属的传感节点传输到所述汇聚节点的数据量，确定所述相邻汇聚节点的划分区域。

4.根据权利要求1所述的无线传感网的多汇聚节点间负载均衡路由方法，其特征在于，步骤四的实现过程为：所述传感节点收到RCTL命令包后，首先判断自身节点是否处理过所述RCTL命令包，若是，则停止转发所述RCTL命令包；否则判断自身节点是否处在所述汇聚节点需要调整的区域范围内，若是则调整自身的目的汇聚节点，继续转发所述RCTL命令包，否则丢弃所述RCTL命令包。

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