CN105072661A - 无线传感器网络分簇多跳路由协议 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种无线传感器网络分簇多跳路由协议，在网络初始化时各节点根据其位置信息形成簇，汇聚节点获取网络中所有簇。数据的传输由汇聚节点发起，并实时形成在动态选出的簇头之间从汇聚节点到目标簇的路由，由目标簇的簇头获取局部数据(如该簇中某个电池当时的数据)并向汇聚节点传输。在路由建立的过程中，路由中间节点使用估计代价来决定下一跳节点。估计代价包含归一化的中间节点到目标节点的距离以及节点的剩余能量。本协议主要用于无线传感网络路由控制领域。

Description

无线传感器网络分簇多跳路由协议

技术领域

本发明涉及的是用于无线传感网络中的一种分簇多跳路由算法。属于无线传感网络路由控制算法技术领域。

背景技术

无线传感器网络目前已经成为无线通信网络的研究热点之一。而网络中数据的传输离不开路由协议.路由协议的任务是在传感器节点和汇聚节点之间建立路由，从而可靠地传递数据。由于传感器网络是资源受限的网络，因此路由协议的设计不能太复杂，不能在节点上保存太多信息，节点间不能交换太多报文，等等。为有效完成上述任务，已有的很多路由协议大都利用了以下特征：

(1)由于传感器网络中节点众多，无法为每一个节点建立一个能在网络中唯一区别的标识，因此传感器节点按数据属性寻址，而非传统的基于IP的寻址；

(2)无线传感器网络需要从多个源节点向一个汇节点传送数据；

(3)原始监测数据中有大量冗余信息，路由协议往往合并数据，减少冗余性，进而降低能量消耗和发射功耗；

(4)传感器节点的传输能力、能量、处理能力和内存都非常有限，同时网络又具有节点数量众多、动态性强、感知数据量大等特点，所以需要很好地对网络资源进行管理。

无线传感器网络路由协议和传统网络路由协议最大的不同就是高度的应用相关性，因此，没有最好的路由协议只有最合适的协议，设计者应该根据不同的应用场合选择、设计合适的路由协议，下面列出了在不同应用场合之下协议的设计要求：

(1)针对能量高度受限的特点，高效利用能量几乎是设计的第一策略；

(2)针对包头开销大、通信耗能、节点有合作关系、数据有相关性、节点能量有限等特点，采用数据聚合、过滤等技术；

(3)针对流量特征、通信耗能等特点，采用通信量负载平衡技术；

(4)针对节点少移动的特点，不维护其移动性；

(5)针对网络相对封闭、不提供计算等特点，只在汇聚节点与其他网络互联；

(6)针对网络节点不常编址的特点，采用基于数据或基于位置的通信机制；

(7)针对节点易失效的特点，采用多路径机制。

在实际应用中，往往难以兼顾上述所有的设计目标，因此对于具体的无线传感器网络应用，应针对具体的要求对整体设计进行各方面的权衡，以实现网络效用最大化。

发明内容

发明目的：针对大型固定场所中分布的同质高密度静态无线传感器节点所组成的无线传感网络，本发明提出了一种基于虚拟网格的分簇多跳路由协议。

技术方案：为了实现上述目的，本发明使用以下技术方案：

一种无线传感器网络分簇多跳路由协议，具体如下：

(1)根据传感器节点的物理位置信息和无线收发器的工作半径，将传感器节点划分到相应的大小相等的正方形虚拟网格之中，每个虚拟网格即为一个簇；

(2)传感器节点根据自己的地理位置信息，判断自己所属的簇，同一网格之中的节点可以相互获取信息，形成邻居表；

(3)在每一簇中拥有两种角色：簇头和终端设备，每一同质节点都能够根据一定的机制在这两种角色之间切换。每个簇中要选举出一个簇头节点，用于接收其他节点的数据，所有簇头节点采集的数据的最终目的地为汇聚节点。

(4)在网络运行过程中，簇头节点只工作有限的时间，超时后动态重新选举簇头，以达到尽量延长网络寿命的目的。

(5)汇聚节点可以发起查询命令，簇间根据最小路径代价和簇头的剩余能量在簇头节点之间建立路由表。

(6)当网络中的传感器节点采集到应用相关的数据后，沿着建立的最小代价路径反向路由至汇聚节点，并使用piggyback机制更新当前的路由代价，实时修改路由表。

进一步地，所述(1)中假设每个虚拟网格的边长为r，相邻网格中的节点距离不能超过节点传输距离R，既有：

r²+(2r)²≤R²或

每个虚拟网格中的节点形成网络中的一个簇，每个簇都有唯一的簇编号，由于节点已知其物理位置信息，因此在设定虚拟网格的尺寸之后，每个节点可以根据自身的物理位置计算出其所在的簇编号，簇编号由两个字节组成，第一个字节为簇的X轴编号iX，第二个字节为簇的Y轴编号iY，iX和iY由以下公式获得：

$r\≤\frac{R}{\sqrt{5}}$

其中x为节点在检测范围内的x轴坐标，y作为节点在监测范围内的y轴坐标。

进一步地，每个传感器节点都有三种状态：发现(discovery)、活动(active)和睡眠(sleeping)。处于active状态的节点即为簇头节点。在网络初始化状态，所有节点都处于发现状态，每个节点都通过发送消息通告自己的位置、ID等信息，经过这个阶段，节点能够得知同一网格中的其他节点信息。然后，每个节点将自己的定时器设为某个区间内的随机值T_d。一旦定时器超时，节点发送消息声明它进入活动状态，成为簇头节点。节点如果在定时器超时之前收到来自同一网格内其他节点的声明，则进入休眠状态。

所述(3)中用节点剩余能量模型来计算合理的发现时间T_d：

$T_d=T_b\frac{E_r\left(T_1\right)}{E_{init}}$

其中，簇头节点设定定时器T_a，代表它处于活动状态的时间，在T_a超时前，簇头不停发出声明，以防止该区域内处于发现状态的节点进入活动状态，T_a超时后，簇头重新回到发现状态；处于睡眠状态的节点也设定定时器T_s，待T_s超时后，也进入发现状态，进入新的簇头选举；

T_d、T_a、T_s的选取和整个网络的生命周期有着重要关系。其中T_d直接影响哪个节点将成为簇头，T_d越小的节点成为簇头的可能性越大。因而在簇头的选举过程中，应该通过合理的选取机制，使得已经作为簇头工作过的节点能够拥有更大的T_d，从而降低其再次成为簇头进入活动状态的可能性。

式中E_r(T₁)为T₁时刻节点剩余能量，由T₁时刻节点i累计接收的n₁个数据包，发送的n₂个数据包和节点的起始能量E_init决定：

$E_r\left(T_1\right)=E_{init}-\underset{k=0}{\overset{n_1}{\Σ}}{E}_r\left(B_k\right)-\underset{j=0}{\overset{n_2}{\Σ}}{E}_t\left(B_j\right)$

式中E_t(B)为节点发送数据能量模型：

E_t(B)＝(e_t+e_drⁿ)B

E_r(B)为节点接收数据能量模型：

E_r(B)＝e_rB

其中e_t是传输每比特信息消耗的能量，单位是J/b，e_d是无线传输过程中的单位能量损耗，e_t和e_d的值由节点发送器特性决定，参数n是信道路径丢失指数，依赖于RF环境，n值一般是2或4，r是传输距离，B是无线信号比特；

簇头节点活动时间

其中r为预期的每节点担任簇头轮数，enlt为根据能量估算的节点生命周期；

节点睡眠时间设定为T_s＝T_a。

进一步地，所述(5)中在路由表建立的过程中，通过交换邻居节点能量获取路径代价，逐跳地在每个簇头节点上建立反向的从数据源到汇聚节点的最小代价路由；

初始时刻，所有节点已消耗能量为0，汇聚节点的路径代价为0，汇聚节点首先选择距离它最近的簇头节点i为第一跳节点，将查询命令传输给节点i，节点i在获取查询命令后，如果发现查询目标属于其邻居簇，则直接转发查询命令至该邻居簇；否则，节点i通过能量更新机制获得归一化的所有相邻簇头节点的已消耗能量，并计算出其所有邻居簇头节点距目标簇几何中心的距离，根据路径代价函数计算出代价最小的邻居簇j，将查询命令转发给它，节点i维护一张路径代价表，记录由它到簇R的已知代价h(N_i,R)，h(N_i,R)初始值为0；当节点i选择出代价最小的邻居簇头j后，将h(N_i,R)设置为h(N_j,R)+c(Ni,Nj)，其中c(N_i,R)为将数据包从i节点传输至j节点的路径代价，同样由代价函数获得，簇头节点j依次执行上述操作，查询命令传送至目的节点所在簇的簇头为止，此时由汇聚节点至目标节点的路由建立完成；

路径代价估计公式：

c(N_i,R)＝αd(N_i,R)+(1-α)e(N)

其中，c(N_i,R)为节点N_i到目标节点所在簇R的估计路径代价；d(N_i,R)为节点N_i到目标节点所在簇R的簇几何中心的距离；e(N)为节点N_i已经消耗的能量；α为(0,1)的可调权重参数。

进一步地，所述(6)中当目标传感器节点接收到汇聚节点转发来的查询命令，并采集到所需数据后，节点沿着路由表中的下一跳节点，将所需的数据逐跳地发向汇聚节点，在数据的传输过程中，数据信息中“稍带”每跳节点到目标节点的实际能量消耗值；对于数据传输经过的每个节点，首先记录稍带信息中的能量代价，然后将信息中的能量代价加上它发送该信息到下一条节点的能量消耗，替代消息中原有的“稍带”值来转发数据，接收方记录新的路径代价，并进行必要的路由更新，接收方下一次转发查询命令时，用刚才记录到的到事件区域的实际代价替代估算的代价，在下一次路由形成时，用调整后的实际代价选择到目标簇的优化路径。

有益效果：使用本发明的路由协议，可以使得大型固定场所中分布的同质高密度静态无线传感器节点所组成的无线传感网络的生命周期延长，并使不同节点的能量趋于平均。

附图说明

图1是是本发明的簇头选举流程图；

图2是本发明的网络建立示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的算例对本发明进行详细的描述。

本发明基于的网络模型假设n个传感器节点随机均匀分布在一个L×L的二维正方形区域R内，并假设该传感器网络具有如下性质：

1)传感器网络为高密度静态网络，即节点部署后不再移动；

2)无线传感器网络部署在二维平面中，没有障碍物；

3)传感器节点结构相同，有同样的最大传输距离；

4)汇聚节点部署于一个固定位置，且汇聚节点是唯一的，位于观测区域***边缘，没有能量约束，计算能力和存储能力相对较强；

5)电池供电，节点能量不能补充；

6)节点物理位置可以预先获知。

网格划分

首先在监测区域内建立直角坐标系，根据无线电模型计算得到最优分簇数目，网络被划分为相应个数的单元格，并为单元格进行编号，每个单元格即为一个簇，节点根据自己的地理位置信息判断自己属于哪个簇。图1中用虚线分割了不同簇A～F。

簇头选举

在IEEE802.15.4协议基础上描述簇头选举过程，簇头选举过程中所涉及的主要原语如下：

1、NLME-CLUSTER-MEMBER-DISCOVERY.request

该原语由应用层向网络层发出，使节点向外广播包含簇成员信息的信标帧，帧内包含簇编号和节点短地址，收到该命令帧的簇内其他节点记录这些信息，簇外节点收到后丢弃该帧。

2、NLME-CLUSTER-MEMBER-DISCOVERY.indication

该原语由网络层向应用层发出，节点收到包含簇内成员信息的信标帧，则向网络层报告，网络层将这些信息加入簇邻居列表。

3、NLME-CLUSTER-HEAD-ANNOUNCE.request

由应用层向网络层发出，向簇内其他节点发布其已经进入活动状态的声明，其他节点收到该声明后进入睡眠状态。

4、NLME-CLUSTER-HEAD-ANNOUNCE.indication

由网络层向应用层发出，当节点收到簇内已经成为簇头的节点发出的声明，告知网络层并进入睡眠状态。

如图1所示，簇头选举的工作过程如下：

1、网络启动，节点在IEEE802.15.4标准框架下进行完信道扫描、初始化网络、加入网络和获取地址等一系列工作后，进入等待形成簇状态。

2、节点发出NLME-CLUSTER-MEMBER-DISCOVERY.request命令原语，向外广播自身信息若干次后，监听一段时间，获取簇邻居表，为数据获取和传输做准备。

3、节点设定发现定时器T_d，并打开接收器监听，如果定时器超时后没有收到NLME-CLUSTER-HEAD-ANNOUNCE.indication原语命令，则发出NLME-CLUSTER-HEAD-ANNOUNCE.request原语命令，并成为簇头。否则，记录NLME-CLUSTER-HEAD-ANNOUNCE.request原语命令中的簇头工作时间T_d，设定为其睡眠时间T_s，并关闭接收器。

4、成为簇头的节点设定工作定时器T_a，并作为簇头工作响应时间，定时器超时后回到(3)。

5、睡眠节点待T_s超时后，重新回到(3)，开始新的簇头选举。

路由建立

图2中淡灰色节点为簇头节点，非相邻簇不在无线收发器直接通讯范围之内。s为汇聚节点，d为目标节点，s向d节点查询数据。α＝0.5，平衡地理位置和能量消耗的权重。路由建立过程如下：

1、s距离簇A几何中心归一化距离为距离簇B归一化距离为2，距离簇C归一化距离为假设初始时刻3个簇头节点的能量消耗均为0，汇聚节点到三个簇的路径代价分别为1、因此向簇B转发查询命令。

2、簇B的簇头节点2接收到命令，计算出相邻簇A、C、E的簇头到目标簇H几何中心的距离分别为6。消耗能量分别为0.13、0.19和0.14，到目标簇H的路径代价分别为15.508、2.216和9.07，因此向簇C转发查询命令。

3、簇C的簇头节点3接收到命令，计算出相邻簇B、D、G到目标簇H的路径代价，其中簇G的簇头节点6路径代价最低，因此向簇G转发查询命令。

4、簇G的簇头节点6接收到查询命令，发现目标节点所在簇H为其邻居簇，因此无需计算，直接向H簇转发命令，骨干网路由建立完成。

数据传输

在IEEE802.15.4协议基础上描述数据传输过程，数据传输中所涉及的主要原语如下：

1、NLDE-DATA.request

该原语由应用层向网络层发出，当应用层数据实体需要传送数据到对等的应用层时，产生NLDE-DATA.request原语。网络层将根据路由表选择实际下一条接收节点，如果没有到目的节点的路由，则产生路由。

2、NLDE-DATA.indication

NLDE-DATA.indication指示一个数据包从网络层送到本地的应用层数据实体。

以图2中的路由为例，数据传输的工作过程如下：

1、节点d向路由表中的下一条节点6传送数据，并稍带自身已消耗能量，节点6收到数据的同时，更新自身到簇H的实际路径代价h(N₆,H)。

2、节点6将收到的数据、自身到簇H的实际路径代价h(N₆,H)和自身的已消耗能量发送到路由表中的下一跳节点3，节点3收到数据的同时，将自身到簇H的实际路径代价h(N₃,H)更新为h(N₆,H)+h(N₆,N₃)

3、节点3继续向下一跳节点传送数据，直至汇聚节点接收到目标节点d采集的数据，在此过程中，每一跳的中间节点都更新了到簇H的路径代价，下一次由汇聚节点查询到处于簇H中节点的代价时，将使用实际路径代价代替路径代价函数中估算的路径代价，使得路径更优。

Claims (5)

1.一种无线传感器网络分簇多跳路由协议，其特征在于，具体如下：

(1)根据传感器节点的物理位置信息和无线收发器的工作半径，将传感器节点划分到相应的大小相等的正方形虚拟网格之中，每个虚拟网格即为一个簇；

(2)传感器节点根据自己的地理位置信息，判断自己所属的簇，同一网格之中的节点可以相互获取信息，形成邻居表；

(3)在每一簇中拥有两种角色：簇头和终端设备，每一同质节点都能够根据一定的机制在这两种角色之间切换，每个簇中要选举出一个簇头节点，用于接收其他节点的数据，所有簇头节点采集的数据的最终目的地为汇聚节点；

(4)在网络运行过程中，簇头节点只工作有限的时间，超时后动态重新选举簇头，以达到尽量延长网络寿命的目的；

(5)汇聚节点可以发起查询命令，簇间根据最小路径代价和簇头的剩余能量在簇头节点之间建立路由表；

(6)当网络中的传感器节点采集到应用相关的数据后，沿着建立的最小代价路径反向路由至汇聚节点，并使用piggyback机制更新当前的路由代价，实时修改路由表。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络分簇多跳路由协议，其特征在于：所述(1)中假设每个虚拟网格的边长为r，相邻网格中的节点距离不能超过节点传输距离R，既有：

r²+(2r)²≤R²或

每个虚拟网格中的节点形成网络中的一个簇，每个簇都有唯一的簇编号，由于节点已知其物理位置信息，因此在设定虚拟网格的尺寸之后，每个节点可以根据自身的物理位置计算出其所在的簇编号，簇编号由两个字节组成，第一个字节为簇的X轴编号iX，第二个字节为簇的Y轴编号iY，iX和iY由以下公式获得：

其中x为节点在检测范围内的x轴坐标，y作为节点在监测范围内的y轴坐标。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络分簇多跳路由协议，其特征在于：所述(3)中用节点剩余能量模型来计算合理的发现时间T_d：

$T_d=T_b\frac{E_r\left(T_1\right)}{E_{init}}$

其中，簇头节点设定定时器T_a，代表它处于活动状态的时间，在T_a超时前，簇头不停发出声明，以防止该区域内处于发现状态的节点进入活动状态，T_a超时后，簇头重新回到发现状态；处于睡眠状态的节点也设定定时器T_s，待T_s超时后，也进入发现状态，进入新的簇头选举；

式中E_r(T₁)为T₁时刻节点剩余能量，由T₁时刻节点i累计接收的n₁个数据包，发送的n₂个数据包和节点的起始能量E_init决定：

$E_r\left(T_1\right)=E_{init}-\underset{k=0}{\overset{n_1}{\Σ}}{E}_r\left(B_k\right)-\underset{j=0}{\overset{n_2}{\Σ}}{E}_t\left(B_j\right)$

式中E_t(B)为节点发送数据能量模型：

E_t(B)＝(e_t+e_drⁿ)B

E_r(B)为节点接收数据能量模型：

E_r(B)＝e_rB

其中e_t是传输每比特信息消耗的能量，单位是J/b，e_d是无线传输过程中的单位能量损耗，e_t和e_d的值由节点发送器特性决定，参数n是信道路径丢失指数，依赖于RF环境，n值一般是2或4，r是传输距离，B是无线信号比特；

簇头节点活动时间

其中r为预期的每节点担任簇头轮数，enlt为根据能量估算的节点生命周期；

节点睡眠时间设定为T_s＝T_a。

4.根据权利要求1所述的无线传感器网络分簇多跳路由协议，其特征在于：所述(5)中在路由表建立的过程中，通过交换邻居节点能量获取路径代价，逐跳地在每个簇头节点上建立反向的从数据源到汇聚节点的最小代价路由；

初始时刻，所有节点已消耗能量为0，汇聚节点的路径代价为0，汇聚节点首先选择距离它最近的簇头节点i为第一跳节点，将查询命令传输给节点i，节点i在获取查询命令后，如果发现查询目标属于其邻居簇，则直接转发查询命令至该邻居簇；否则，节点i通过能量更新机制获得归一化的所有相邻簇头节点的已消耗能量，并计算出其所有邻居簇头节点距目标簇几何中心的距离，根据路径代价函数计算出代价最小的邻居簇j，将查询命令转发给它，节点i维护一张路径代价表，记录由它到簇R的已知代价h(N_i,R)，h(N_i,R)初始值为0；当节点i选择出代价最小的邻居簇头j后，将h(N_i,R)设置为h(N_j,R)+c(Ni,Nj)，其中c(N_i,R)为将数据包从i节点传输至j节点的路径代价，同样由代价函数获得，簇头节点j依次执行上述操作，查询命令传送至目的节点所在簇的簇头为止，此时由汇聚节点至目标节点的路由建立完成；

路径代价估计公式：

c(N_i,R)＝αd(N_i,R)+(1-α)e(N)

其中，c(N_i,R)为节点N_i到目标节点所在簇R的估计路径代价；d(N_i,R)为节点N_i到目标节点所在簇R的簇几何中心的距离；e(N)为节点N_i已经消耗的能量；α为(0,1)的可调权重参数。

5.根据权利要求1所述的无线传感器网络分簇多跳路由协议，其特征在于：所述(6)中当目标传感器节点接收到汇聚节点转发来的查询命令，并采集到所需数据后，节点沿着路由表中的下一跳节点，将所需的数据逐跳地发向汇聚节点，在数据的传输过程中，数据信息中“稍带”每跳节点到目标节点的实际能量消耗值；对于数据传输经过的每个节点，首先记录稍带信息中的能量代价，然后将信息中的能量代价加上它发送该信息到下一条节点的能量消耗，替代消息中原有的“稍带”值来转发数据，接收方记录新的路径代价，并进行必要的路由更新，接收方下一次转发查询命令时，用刚才记录到的到事件区域的实际代价替代估算的代价，在下一次路由形成时，用调整后的实际代价选择到目标簇的优化路径。