CN102724728B

CN102724728B - 无线网络内基于扩展环同步的区域路由建立方法

Info

Publication number: CN102724728B
Application number: CN201210148420.5A
Authority: CN
Inventors: 徐平平; 王占; 王琢玉
Original assignee: Suzhou BeeLinker Technology Co Ltd; Southeast University
Current assignee: Suzhou BeeLinker Technology Co Ltd; Southeast University
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2032-05-15
Also published as: CN102724728A

Abstract

本发明公开了一种无线网络内基于扩展环同步的区域路由建立方法，通过将区域路由建立过程划分为多个原子操作，并在相邻原子操作之间***一定的时间间隔，以此来保证多个区域路由建立过程的同步精度。此算法在不降低建立的区域路由合理性的同时，很大程度的减少了网络中广播包传播的数量，进而降低路由建立过程的能量开销。

Description

无线网络内基于扩展环同步的区域路由建立方法

技术领域

本发明属于无线网络路由构建技术领域，具体涉及一种无线网络内基于扩展环同步的区域路由建立方法。

背景技术

在一些基于异构节点的无线传感网络中，网络存在两种或两种以上不同的节点类型。对于存在两种节点类型的网络，称数量较多的负责感知功能的节点为传感节点，计算和通信能力得到增强的为增强型节点。增强型节点之间可以使用专用的无线信道进行通信，每一个增强型节点要负责维护其所在区域的传感节点并与之建立路由连接，称该路由为区域路由，如图1所示。

对于区域路由的建立，一般方式是让每一个增强型节点在全网（或较大生存跳数半径范围内）发起一次路由请求消息RREQ的广播，每一个传感节点分析收到的每一个增强型节RREQ消息所携带的跳数、能量指示等指标（Metrics），进而做出最为合理的路由选择。虽然这种路径选择方式可以让大部分传感节点选择最合理的增强型节点并加入其区域，但显然，过多的广播消息的产生使得以这种方式建立区域路由的能量开销过大。

发明内容

本发明目的在于提供一种无线网络内基于扩展环同步的区域路由建立方法，解决了现有技术中无线传感网络建立区域路由的能量开销过大等技术问题。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种无线网络内基于扩展环同步的区域路由建立方法，所述无线网络内设置有控制中心、网关节点、负责感知功能的传感节点以及负责传感节点维护和路由连接的增强型节点；其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）控制中心向网关节点发送LARES同步控制消息，所述网关节点将LARES同步控制消息向增强型节点广播；

（2）增强型节点接受到LARES同步控制消息后，读取LARES同步控制消息获得等待跳数时间信息；

（3）增强型节点等待LARES同步控制消息的等待跳数时间后，向其所在区域内传感节点广播LARE控制消息，并通过扩展环同步建立其所在区域的区域路由。

优选的，所述方法步骤（3）中将节点之间发送或转发LARE控制消息以及传感节点回复RREP消息到节点并选择加入增强型节点视为原子操作，并在每次原子操作后设置原子操作间隔时间进行同步处理。

优选的，所述方法步骤（3）中原子操作时间间隔的设定满足数据包在网络中最长路径中传播时，其最大可能的原子操作累计时间误差小于原子操作时间间隔。

优选的，所述方法中增强型节点对LARES同步控制消息的收发包括以下步骤：

A)增强型节点收到LARES同步控制消息后，判断是否第一次处理LARES同步控制消息；当第一次处LARES同步控制消息时，按LARES同步控制消息提供路径创建网关节点的路由项，按步骤C）进行，否则判断LARES同步控制消息提供的路径是否更近；

B)LARES同步控制消息提供的路径更近时，按照LARES同步控制消息提供的新路径方向和跳数信息更新网关节点路由项，否则结束方法；

C)更新LARES同步控制消息的跳数、LARE等待时间和能量指示字段，将更新后的LARES同步控制消息广播至下一跳邻居节点；然后开启LARE发送等待定时器等待发送LARE广播信息。

优选的，所述方法中传感节点对LARE控制消息的收发包括以下步骤：

a）传感节点收到增强型节点建立的LARE控制消息，创建增强型节点方向的路由项，开启RREP发送定时器等待原子操作间隔时间；

b）RREP发送定时器超时之后从所有收到其LARE控制消息的增强型节点中选择能量较优的节点，发送RREP消息，开启RREP发送定时器等待原子操作间隔时间；

c）传感节点判断RREP发送定时器超时之前RREP消息是否发送成功；当发送成功时，LARE发送定时器超时之后从所有收到其LARE控制消息中选择合适的区域，并发送RREP消息到该区域的增强型节点；否则重新选择增强型节点，并向其发送RREP消息。

本发明得到一种无线网络区域路由的同步建立算法，通过将区域路由建立操作过程原子化，即提出了一种原子操作的概念，规定好路由建立过程的各个原子操作，并在相邻原子操作***一定长度的时间间隔，进而提高多个区域路由建立过程的同步精度。

本发明的区域路由建立算法基于同步扩展环，网络通过向增强型节点（或簇头节点）广播一种同步控制消息来控制每个增强型节点同步发起其所在区域的路由建立过程，该同步消息通过设置等待跳数时间字段来控制每个增强型节点（或簇头节点）发起区域路由建立之前所需要等待的跳数时间，节点每次将该消息转发之前需要将该字段减一，以此种来保证每个增强型节点在等待各自的跳数时间后尽可能的在同一时刻发起各自区域路由的建立过程。

增强型节点（或簇头节点）向其所在区域发送一种以扩展环的方式传播的区域路由建立广播消息，该消息的特点是每次广播之后等待足够长的原子操作间隔时间之后才进行下一步原子操作（即向增强型节点发送路由应答消息，以让增强型节点和路径中间节点建立到当前节点方向的路由项）。再次等待一个原子操作间隔时间，然后执行将区域路由建立广播消息广播至下一跳邻居节点这一原子操作，以此类推，直至网络区域路由建立过程完毕。

本发明算法在避免上述区域路由建立方式中大量广播消息对网络能量造成大量消耗这一缺点的前提下，提出一种原子操作概念（AtomicOperation，可认为节点每次发送数据包为一原子操作），并通过对网络各个区域路由建立过程实施扩展环同步操作，保证了各个区域路由的合理性。

本发明的方法通过增加区域路由建立过程中连续的两个原子操作之间的时间间隔来提高同步精度，各个网络区域以同步扩展环的方式逐层扩大其区域路由大小，每一层区域路由在扩展的时候都做出其所认为的最为合理的路由选择，藉此期望以后每一层节点所做的路径选择都是合理的。该同步方法可以降低网络对节点晶振偏差和数据包收发处理延时方面的要求，通过增加区域路由建立过程的时间长度来降低路由建立开销，并能够保证建立的区域路由具有较好的合理性。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

本发明提供了一种无线网络内基于扩展环同步的区域路由建立方法，通过将区域路由建立过程划分为多个原子操作，并在相邻原子操作之间***一定的时间间隔，以此来保证多个区域路由建立过程的同步精度。此算法在不降低建立的区域路由合理性的同时，很大程度的减少了网络中广播包传播的数量，进而降低路由建立过程的能量开销。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明实施例的无线网络应用场景示意图；

图2是本发明实施例的区域路由同步消息示意图；

图3是本发明实施例的区域路由同步消息收发处理流程图；

图4是本发明实施例的原子操作概念及同步操作示意图；

图5是本发明实施例增强型节点同步广播区域路由建立消息示意图；

图6是本发明实施例传感节点向增强型节点同步回复应答消息示意图；

图7是本发明实施例传感节点同步转发路由建立控制消息示意图；

图8是本发明实施例区域路由同步扩展和传感节点同步向增强型节点回复路由应答消息示意图；

图9是本发明实施例传感节点对路由建立控制消息的收发处理流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例

如图1所示，本实施例的无线网络内设置有控制中心、网关节点、负责感知功能的传感节点以及负责传感节点维护和路由连接的增强型节点。无线网络内基于扩展环同步的区域路由建立方法包括以下步骤：

首先在网络中引入区域路由建立控制消息LARE（Local Area RouteEstablish）和区域路由建立同步控制消息LARES（Local Area RouteEstablish Synchronization）。LARE消息用于网络中某个增强型节点周围区域路由的建立，LARES同步消息用于网络网关节点对增强型节点进行同步，使网络中所有增强型节点尽可能在同一时刻发起各自的区域路由建立过程（即发送LARE广播消息的过程），保证路由建立过程同步进行。

LARES同步消息的工作机制如图2所示：

WSN网络布设好以后，网络控制中心向网关节点发送LARES同步控制消息，该消息中包含等待跳数时间字段，表示收到该消息的增强型节点需要等待该消息传播该字段所指示的跳数所需要的时间，然后才能向其邻居传感节点广播LARE消息，控制该区域路由的建立。LARES消息每传播一跳所需要的时间是以预估值的方式存储在每一个增强型节点当中的。图2中预置的等待跳数字段为8，以后增强型节点每次转发之前，都会将该字段减1，这样，每个增强型节点就可以在近乎相同的时刻发起各自区域路由的建立过程。增强型节点对LARES消息的收发流程图如图3所示。

LARE区域路由建立控制消息工作机制：

每一个增强型节点按照LARES消息的等待跳数时间字段等待一定的时间，然后就可以向其所在区域发起LARE广播，并建立区域路由了。区域路由的建立过程使用扩展环同步进行，将每一个节点发送或转发LARE控制消息视作一次原子操作，将传感节点回复RREP消息到该节点选择加入其区域的增强型节点整个操作过程视为一次原子操作。每进行一次原子操作之后，各个节点都要等待一个固定长度的原子操作间隔时间才能进行下一步源自操作。关于原子操作和多条路径原子操作同步示意图如图4所示，图中标示了4条路径上的7个源自操作，前5个原子操作相邻之间并没有发生时间上的交叠，因此认为是同步的，之后的原子操作则是失步的，因为后一步原子操作发生时，上一步原子操作并没有同步完成。对于区域路由建立过程而言，失步的原子操作可能造成传感节点做出不合理的路径判断和选择，因此网络中应当尽可能的避免原子操作失步的发生。由图4可以看出，随着原子操作次数的增加，其失步时间是可以积累的，但通过增加原子操作时间间隔，可以降低这种失步时间所占的比重，进而降低失步的影响，增加连续原子操作同步性，因此，原子操作时间间隔应当在容许的范围内足够长，以满足同步要求。

原子操作时间间隔的设定应当满足如下条件：数据包在网络中最长路径中传播时，其最大可能的原子操作累计时间误差应当小于原子操作时间间隔。例如，假设网络中某传感节点到达距其最近的增强型节点路径最长为N跳，数据包每经过一跳时最大的延时误差为T，则原子操作时间间隔Interval应当满足：

Interval>=3*N*T。

系数3是考虑到节点向增强型节点发送RREP应答消息的过程中也有可能会发现路由错误（虽然概率极低），然后将该错误通知给申请加入区域路由的传感节点，传感节点重新选择新的增强型节点或新的路径并发送RREP应答消息，这一过程至少需要3倍的N*T的时间。当T为50ms，N为20时，将Interval至少应设为3s，这样路径建立的过程时间至少为T_establish>N*Interval=1min。

图5~8所示为区域路由建立过程各原子操作示意图。所有增强型节点同步的向各自邻居传感节点发送LARE控制消息原子操作示意图如图5所示，邻居节点根据收到的一个或多个LARE消息选择最合适的区域，并等待原子操作间隔时间后向该区域增强型节点方向发送RREP回复消息（如图6所示），以使得增强型节点更新到该传感节点方向路由。增强型节点对LARES同步控制消息的收发过程按照如下步骤进行：

图7表示各个区域边界节点同步转发LARE消息原子操作示意图，同样的，收到转发的LARE消息的节点会等待原子操作间隔时间后向选择合适的区域并向该区域发送RREP回复消息，区域路由得到同步扩展（如图8所示）。如图9所示为LARE消息收发处理和区域路由建立流程图。传感节点对LARE控制消息的收发步骤过程按照如下步骤进行：

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种无线网络内基于扩展环同步的区域路由建立方法，所述无线网络内设置有控制中心、网关节点、负责感知功能的传感节点以及负责传感节点维护和路由连接的增强型节点；其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1)控制中心向网关节点发送区域路由建立同步控制消息LARES，所述网关节点将区域路由建立同步控制消息LARES向增强型节点广播；

(2)增强型节点接受到区域路由建立同步控制消息LARES后，读取区域路由建立同步控制消息LARES获得等待跳数时间信息；

(3)增强型节点等待区域路由建立同步控制消息LARES的等待跳数时间后，向其所在区域内传感节点广播区域路由建立控制消息LARES，并通过扩展环同步建立其所在区域的区域路由；

所述方法步骤(3)中将节点之间发送或转发区域路由建立控制消息LARE以及传感节点回复RREP消息到节点并选择加入增强型节点视为原子操作，并在每次原子操作后设置原子操作间隔时间进行同步处理；

所述方法步骤(3)中原子操作时间间隔的设定满足数据包在网络中最长路径中传播时，其最大可能的原子操作累计时间误差小于原子操作时间间隔；

所述方法中增强型节点对区域路由建立同步控制消息LARES的收发包括以下步骤：

A)增强型节点收到区域路由建立同步控制消息LARES后，判断是否第一次处理区域路由建立同步控制消息LARES；当第一次处理区域路由建立同步控制消息LARES时，按区域路由建立同步控制消息LARES提供路径创建网关节点的路由项，按步骤C)进行，否则判断区域路由建立同步控制消息LARES提供的路径是否更近；

B)区域路由建立同步控制消息LARES提供的路径更近时，按照区域路由建立同步控制消息LARES提供的新路径方向和跳数信息更新网关节点路由项，按步骤C)进行，否则结束方法；

C)更新区域路由建立同步控制消息LARES的跳数、区域路由建立控制消息LARE等待时间和能量指示字段，将更新后的区域路由建立同步控制消息LARES广播至下一跳邻居节点；然后开启区域路由建立控制消息LARE发送等待定时器等待发送区域路由建立控制消息LARE广播信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法中传感节点对区域路由建立控制消息LARE的收发包括以下步骤：

a)传感节点收到增强型节点建立的区域路由建立控制消息LARE，创建增强型节点方向的路由项，开启RREP发送定时器等待原子操作间隔时间；

b)RREP发送定时器超时之后从所有收到其区域路由建立控制消息LARE的增强型节点中选择能量较优的节点，发送RREP消息，开启RREP发送定时器等待原子操作间隔时间；

c)传感节点判断RREP发送定时器超时之前RREP消息是否发送成功；当发送成功时，区域路由建立控制消息LARE发送定时器超时之后从所有收到其区域路由建立控制消息LARE中选择合适的区域，并发送RREP消息到该区域的增强型节点；否则重新选择增强型节点，并向其发送RREP消息。