CN113473402B - 一种面向认知无线传感网的稳定分簇路由方法 - Google Patents

一种面向认知无线传感网的稳定分簇路由方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及认知无线传感器网络技术，是一种面向认知无线传感网的稳定分簇路由方法。该路由方法分为两阶段：第一阶段中，认知节点根据剩余能量和可用信道的稳定性参数选取簇首。待网络成簇，采用簇首轮换制度以平衡簇内节点的能耗。第二阶段中，簇首节点负责簇内成员的传输调度，然后簇首节点基于机会转发方式向网关传输数据。各簇首节点根据其距离网关的跳数判断自己是否符合转发条件，满足转发条件的节点为避免转发冲突采用退避等待的转发方式，其等待时间由其所在簇的大小与可用信道数决定。由于该路由方法利用了稳定的分簇网络结构，还充分考虑了节点的低能耗要求，在路由开销、可靠性、网络寿命等方面均具有明显优势。

Description

一种面向认知无线传感网的稳定分簇路由方法
技术领域
本发明涉及认知无线传感器网络技术，具体地说是一种面向认知无线传感网的稳定分簇路由方法。
背景技术
无线传感器网络是由大量的低能力传感节点以自组织和多跳的方式构成的无线个域网络，在医疗、农业、工业和国防等领域都得到广泛应用。随着无线技术的快速增长，工作在免授权的工业、科学及医疗频段(ISM 2.4GHz)的网络越来越多，这使得ISM 2.4GHz频段变得非常拥挤。传统无线传感器网络资源严格受限，极易受到共存网络的干扰，进而导致其时延、可靠性等传输性能显著降低。
认知无线传感器网络将认知无线电技术引入到传统无线传感器网络中，可以实现认知传感器节点对高质量授权频段的动态机会式接入，从而为提升网络的传输性能提供了全新的解决思路。
路由协议是保证网络端到端实时、可靠传输的重要手段。不同于传统的无线传感器网络路由协议，认知无线传感器网络既要保证低能耗之外，还要保证可靠性与寿命等网络性能。同时频谱动态性导致认知无线传感器网络的拓扑频繁变化，网络开销巨大。分簇管理能够有效控制频谱动态性引发的开销问题，为此，本发明提出了一种面向认知无线传感网的稳定分簇路由方法，其主要创新性在于，该路由方法分为两阶段：第一阶段中，认知节点根据剩余能量和可用信道的稳定性参数选取簇首。待网络成簇，采用簇首轮换制度以平衡簇内节点的能耗。第二阶段中，簇首节点负责簇内成员的传输调度，然后簇首节点基于机会转发方式向网关传输数据。各簇首节点根据其距离网关的跳数判断自己是否符合转发条件，满足转发条件的节点为避免转发冲突采用退避等待的转发方式，其等待时间由其所在簇的大小与可用信道数决定。由于该路由方法利用了稳定的分簇网络结构，还充分考虑了节点的低能耗要求，在路由开销、可靠性、网络寿命等方面均具有明显优势。
发明内容
针对传统认知传感器网络采用的路由协议所存在的资源浪费、可靠性差以及网络寿命短等问题，本发明提出一种面向认知无线传感网的稳定分簇路由方法利用了稳定的分簇网络结构，还充分考虑了节点的低能耗要求，在路由开销、可靠性、网络寿命等方面均具有明显优势。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种面向认知无线传感网的稳定分簇路由方法，其特征在于，该路由方法分为两阶段：
第一阶段中，认知节点根据剩余能量和可用信道的稳定性参数选取簇首；待网络成簇进行数据传输，同时采用簇首轮换制度以平衡簇内节点的能耗；
第二阶段中，簇首节点负责簇内成员的传输调度，簇首节点根据其距离网关的跳数采用基于机会转发方式向网关传输数据，为避免转发冲突采用退避等待的转发方式，其等待时间由其所在簇的大小与可用信道数决定。
所述认知节点根据剩余能量和可用信道的稳定性参数选取簇首，包括：
1)认知节点CS获知可用信道Ci，i∈N，N为CS的个数；
2)认知节点CS在其可用信道Ci上广播t时刻的状态信息，包括信道稳定性指标CSI和剩余能量；
3)认知节点CS广播所在信道Ci的权重Wi值，选出最大权重的节点作为簇首节点；簇首节点向首选信道中发送忙音保证其他簇首节点只能使用其他备选信道传输，所述首选传输信道为簇首节点的可用信道中信道质量参数最大的信道，其他信道为备用信道。
所述信道稳定性指标CSI的计算包括：
第i个CS在t时刻的CSI为
Figure BDA0002430657680000021
Figure BDA0002430657680000022
为信道c被检测到空闲时的信道质量参数Qc的值，Qc＝(1+logξpc)Mc；
其中，c∈M，M为授权信道数，Mc为授权信道的平均空闲时间，pc为信道处于空闲状态的概率，ξ表示对于pc的倾向性，ξ＞1。
所述选出最大权重的节点作为簇首节点，包括：
在分簇过程中，构建二分图Gi＝(Ni,Ci,Li)，点集分别为节点集合Ni与信道集合Ci，边集集合Li；
用信道质量参数来为二分图的每条边赋予权重，即w(l)＝Qc；
对于边集Li中的边l＝(n,c)∈Li，有最大权重的完全子图为
Figure BDA0002430657680000031
即为分出的簇；n∈Ni，c∈Ci；
在簇内选择权重
Figure BDA0002430657680000032
最大的节点作为簇首节点；其中，点j为
Figure BDA0002430657680000033
中除点i以外的点，γ为平衡稳定性与能耗的权值。
所述簇首轮换制度为：
当一个簇首的轮值周期结束后，若其在上一个轮值周期中的节点剩余能量比其成为簇首节点前减少的比例低于阈值ρ，则将其转变为簇内成员节点，并将备选簇首集合中的节点设置为本簇当前周期的轮值簇首；
所述备选轮值簇首集合为每个簇的簇首节点根据接收到簇内其它节点发送的剩余能量与设置的剩余能量阈值构建的，将备选轮值簇首集合内节点的可用信道数最多的节点作为备选轮值簇首。
所述第二阶段中，
分簇结构的簇内通信采用时分多址的方式；并且簇首节点向簇内成员广播包含时序表的信标，成员节点按信标给出的顺序循环唤醒发送数据；
簇间通信是簇首节点间的通信，采用载波监听多路访问的方式。
所述簇首节点根据其距离网关的跳数采用基于机会转发方式向网关传输数据，包括：
各簇首节点根据其距离网关的跳数判断自己是否符合转发条件，接收数据的簇首节点距离网关节点的跳数应小于发送数据的簇首节点距离网关节点的跳数；
簇首节点距离网关节点的跳数HDG假定由簇首节点通过泛洪感知，所有通信范围内的簇首节点都可收到包含HDG的数据包。
所述退避等待的转发方式，包括：
第二阶段中，满足转发条件的节点i在收到簇首节点中发送节点发出的数据后需要等待时间
Figure BDA0002430657680000041
后再进行转发数据；
其中，
Figure BDA0002430657680000042
K为应用相关的正整数，Ci为信道集合，Ni为节点集合。
第二阶段中，当发送数据的簇首节点通信范围内存在多个符合转发条件的簇首节点时，最先响应的簇首节点发送响应ACK并准备接收数据；接收数据的簇首节点接收数据包并发送确认ACK告知发送簇首节点，如果发送簇首节点数据包发送完成后接收到确认ACK，则表示数据包发送成功，否则重新发送数据；如果预设次数内仍未成功传输，则簇首节点转换至Qc更低的信道c；其他符合转发条件的簇首节点在检测到信道正忙之后不参与转发。
一种无线传感器节点，包括处理器和存储设备，存储设备存储有程序，用于处理器加载并执行上述的一种面向认知无线传感网的稳定分簇路由方法的步骤。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明利用了稳定的分簇网络结构，还充分考虑了节点的低能耗要求，在路由开销、可靠性、网络寿命等方面均具有明显优势。
2.本发明是分布式路由协议，网络无需公共控制信道和全局时钟同步，相对于传统的集中式路由，路由开销明显降低。
附图说明
图1为一种面向认知无线传感网的稳定分簇路由方法簇间路由原理图；
图2为一种面向认知无线传感网的稳定分簇路由方法中基于侦听的协调方案图例；
图3为一种面向认知无线传感网的稳定分簇路由方法簇间路由阶段传输图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明做进一步的详细说明。
本发明涉及认知无线传感器网络技术，是一种面向认知无线传感网的稳定分簇路由方法。如图1所示，路由方法分为两阶段：第一阶段中，认知节点根据剩余能量和可用信道的稳定性参数选取簇首。待网络成簇，采用簇首轮换制度以平衡簇内节点的能耗。第二阶段中，簇首节点负责簇内成员的传输调度，然后簇首节点基于机会转发方式向网关传输数据。各簇首节点根据其距离网关的跳数判断自己是否符合转发条件，满足转发条件的节点为避免转发冲突采用退避等待的转发方式，其等待时间由其所在簇的大小与可用信道数决定。由于该路由方法利用了稳定的分簇网络结构，还充分考虑了节点的低能耗要求，在路由开销、可靠性、网络寿命等方面均具有明显优势。
本发明适用于采用机会频谱接入方式的认知传感网。假设在认知传感网中部署有大量的认知节点CS。每个CS都配备一个半双工的认知无线电收发器，即同一时间CSs在授权频段只能发送或接收数据。认知传感网采用自组织方式组网，网络无需公共控制信道和全局时钟同步。
第一阶段分簇的方式如下：
在选出簇首节点前，首先CS频谱感知后获知可用信道Ci(i∈N)，N为认知节点CS的个数。之后CS在其可用信道Ci上广播状态信息，包括信道稳定性指标CSI和剩余能量Ei。定义信道c质量参数为Qc(c∈M),M为授权信道数，Qc＝(1+logξpc)Mc，其中Mc为授权信道的平均空闲时间，pc为信道处于空闲状态的概率，ξ(ξ＞1)表示对于pc的倾向性。第i个CS在t时刻的CSI为
Figure BDA0002430657680000051
Figure BDA0002430657680000052
其中/>
Figure BDA0002430657680000053
(c∈M)为信道c被检测到空闲时Qc的值。在分簇过程中，构建二分图Gi＝(Ni,Ci,Li)，点集分别为节点集合Ni与信道集合Ci，边集集合Li。由于考虑到每条信道被主用户占用情况的不同，故用信道质量参数来为二分图的每条边赋予权重，即w(l)＝Qc是边的权重，对于边集Li而言，边集中的边l＝(n,c)∈Li，其中n∈Ni，c∈Ci，有最大权重的完全子图为/>
Figure BDA0002430657680000054
即分出来的簇。在簇内选择簇首的权重Wi具体表达为/>
Figure BDA0002430657680000055
其中j为/>
Figure BDA0002430657680000056
中除i以外的点，γ为平衡稳定性与能耗的权值。
在分簇阶段，CS广播所在信道Ci的Wi值，选出最大权重的节点作为簇首节点。簇首节点的可用信道中Qc最大的信道作为首选传输信道，其他信道作为备用信道，首选信道被占用时则由备选信道中Qc最大的信道传输。簇首节点向首选信道中发送忙音，从而保证其他簇首节点只能使用其他备选信道传输。
在选出簇首节点后，在簇的数据稳定传输阶段，假设网络中存在k个簇，初始化阶段每个簇内所有节点将其剩余能量Ei的信息告知簇首节点。每个簇的簇首节点根据接收到簇内其它节点发送的剩余能量的信息，根据设置的剩余能量阈值，构建备选轮值簇首集合。若备选轮值簇首集合中存在多个节点，则将其中检测到的可用信道数较少的节点从备选集合中剔除，直至集合中只剩一个节点。
分簇过程采用簇首轮值制度。一个周期结束后，若上一个周期中的簇首节点Ei比其成为簇首节点前减少的比例低于阈值ρ，则转变为簇内成员节点，将备选簇首集合中的节点设置为本簇当前周期的轮值簇首，完成簇首节点的轮换。
所述第二阶段如下：
如图2所示，图中CH为簇首节点。分簇结构的簇内通信采用时分多址的方式。所有的簇在不同的授权信道上独立的传输。在每个簇内，簇首节点广播包含时序表的信标后准备接收数据，成员节点收到时序表后，同步地与簇首节点通信，按信标给出的顺序循环唤醒发送数据。簇内时分多址的通信方式不因簇首轮值而改变，因而更适合有簇首轮值制度的分簇过程。簇间通信是簇首节点间的通信，采用载波监听多路访问的方式。
簇间通信，采用没有指定接收节点的机会式路由，转发条件为簇首节点中接收节点距离网关节点的跳数小于发送节点距离网关节点的跳数。簇首节点距离网关节点的跳数HDG假定由簇首节点通过泛洪感知，所有通信范围内的簇首节点都可收到包含HDG的数据包。
满足转发条件的节点i为避免转发冲突采用退避等待的转发方式，其在收到簇首节点中发送节点发出的数据后等待时间为
Figure BDA0002430657680000061
其中，/>
Figure BDA0002430657680000062
K为应用相关的正整数。如图3所示，簇首节点i向邻居簇首节点传输数据。其中符合转发条件的邻居簇首节点为CH1、CH2和CH3。P1＝0.5，P2＝0.3，P3＝0.2，故相应的t1＜t2＜t3。故CH1的等待时间最短，最先给发送节点发送响应ACK准备接收数据。
当发送数据的簇首节点通信范围内符合转发条件的簇首节点为多个时，其中最先响应的簇首节点发送响应ACK，准备接收数据。接收数据的簇首节点如果接收到数据包，则发送确认ACK告知发送簇首节点。如果发送簇首节点数据包发送完成后接收到确认ACK，则表示数据包发送成功。其他符合转发条件的簇首节点在检测到信道正忙之后不参与转发。
若簇首节点中发送节点未收到接收节点发出的响应ACK，则进行重传。数据重传过程中，若重传至最大次数还未成功传输，则簇首节点转换至Qc更低的信道c。

Claims (7)

1.一种面向认知无线传感网的稳定分簇路由方法，其特征在于，该路由方法分为两阶段：
第一阶段中，认知节点根据剩余能量和可用信道的稳定性参数选取簇首；待网络成簇进行数据传输，同时采用簇首轮换制度以平衡簇内节点的能耗；所述认知节点根据剩余能量和可用信道的稳定性参数选取簇首，包括：
1)认知节点CS获知可用信道Ci，i∈N，N为CS的个数；
2)认知节点CS在其可用信道Ci上广播t时刻的状态信息，包括信道稳定性指标CSI和剩余能量；所述信道稳定性指标CSI的计算包括：
第i个CS在t时刻的CSI为
Figure QLYQS_1
Figure QLYQS_2
为信道c被检测到空闲时的信道质量参数Qc的值，Qc＝(1+logξpc)Mc；
其中，c∈M，M为授权信道数，Mc为授权信道的平均空闲时间，pc为信道处于空闲状态的概率，ξ表示对于pc的倾向性，ξ＞1；
3)认知节点CS广播所在信道Ci的权重Wi值，选出最大权重的节点作为簇首节点；簇首节点向首选信道中发送忙音保证其他簇首节点只能使用其他备选信道传输，首选传输信道为簇首节点的可用信道中信道质量参数最大的信道，其他信道为备用信道；
第二阶段中，簇首节点负责簇内成员的传输调度，簇首节点根据其距离网关的跳数采用基于机会转发方式向网关传输数据，为避免转发冲突采用退避等待的转发方式，其等待时间由其所在簇的大小与可用信道数决定；
所述簇首节点根据其距离网关的跳数采用基于机会转发方式向网关传输数据，包括：
各簇首节点根据其距离网关的跳数判断自己是否符合转发条件，接收数据的簇首节点距离网关节点的跳数应小于发送数据的簇首节点距离网关节点的跳数；
簇首节点距离网关节点的跳数HDG假定由簇首节点通过泛洪感知，所有通信范围内的簇首节点都可收到包含HDG的数据包。
2.根据权利要求1所述的一种面向认知无线传感网的稳定分簇路由方法，其特征在于，所述选出最大权重的节点作为簇首节点，包括：
在分簇过程中，构建二分图Gi＝(Ni,Ci,Li)，点集分别为节点集合Ni与信道集合Ci，边集集合Li；
用信道质量参数来为二分图的每条边赋予权重，即w(l)＝Qc；
对于边集Li中的边l＝(n,c)∈Li，有最大权重的完全子图为
Figure QLYQS_3
即为分出的簇；n∈Ni，c∈Ci；
在簇内选择权重
Figure QLYQS_4
最大的节点作为簇首节点；其中，点j为/>
Figure QLYQS_5
中除点i以外的点，γ为平衡稳定性与能耗的权值。
3.根据权利要求1所述的一种面向认知无线传感网的稳定分簇路由方法，其特征在于，所述簇首轮换制度为：
当一个簇首的轮值周期结束后，若其在上一个轮值周期中的节点剩余能量比其成为簇首节点前减少的比例低于阈值ρ，则将其转变为簇内成员节点，并将备选簇首集合中的节点设置为本簇当前周期的轮值簇首；
备选轮值簇首集合为每个簇的簇首节点根据接收到簇内其它节点发送的剩余能量与设置的剩余能量阈值构建的，将备选轮值簇首集合内节点的可用信道数最多的节点作为备选轮值簇首。
4.根据权利要求1所述的一种面向认知无线传感网的稳定分簇路由方法，其特征在于，所述第二阶段中，
分簇结构的簇内通信采用时分多址的方式；并且簇首节点向簇内成员广播包含时序表的信标，成员节点按信标给出的顺序循环唤醒发送数据；
簇间通信是簇首节点间的通信，采用载波监听多路访问的方式。
5.根据权利要求1所述的一种面向认知无线传感网的稳定分簇路由方法，其特征在于，所述退避等待的转发方式，包括：
第二阶段中，满足转发条件的节点i在收到簇首节点中发送节点发出的数据后需要等待时间
Figure QLYQS_6
后再进行转发数据；
其中，
Figure QLYQS_7
K为应用相关的正整数，Ci为信道集合，Ni为节点集合。
6.根据权利要求1所述的一种面向认知无线传感网的稳定分簇路由方法，其特征在于，第二阶段中，当发送数据的簇首节点通信范围内存在多个符合转发条件的簇首节点时，最先响应的簇首节点发送响应ACK并准备接收数据；接收数据的簇首节点接收数据包并发送确认ACK告知发送簇首节点，如果发送簇首节点数据包发送完成后接收到确认ACK，则表示数据包发送成功，否则重新发送数据；如果预设次数内仍未成功传输，则簇首节点转换至Qc更低的信道c；其他符合转发条件的簇首节点在检测到信道正忙之后不参与转发。
7.一种无线传感器节点，其特征在于，包括处理器和存储设备，存储设备存储有程序，用于处理器加载并执行权利要求1至权利要求6中任一项所述的一种面向认知无线传感网的稳定分簇路由方法的步骤。
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