CN1988503A - 无线传感器网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络路由方法，用于无线传感器网络的组网以及信号的发送与接收。其步骤为：预先给每个节点分配独立ID，然后由汇聚节点向外扩展建立无线传感器网络，梯度依次增加，沿途节点计算出自己的工作效率N，并在自己的路由表中记录可与之通信的上一梯度节点ID及其对应的工作效率N，需要发送数据时，沿梯度递减方向传递数据，传递路径由节点决定，节点按概率P选取路由表中的一个上一梯度节点作为通信对象，从而使得节点工作次数平均，节点能量消耗均匀，网络工作稳定。

Description

无线传感器网络路由方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络路由方法。

背景技术

路由方法是用来选择采集信息和控制消息的传输路径，决定哪些节点形成转发路径。路径上的所有节点都要消耗一定的能量来转发数据。如何动态地形成基于能量高效的优化路由一直是传感器网络的核心问题之一。

文献“无线传感器网络中路由算法研究进展《福建工程学院学报》2005年12月第六期，第603页”公开了一种无线传感器网络算法。文章中所述的定向扩散DD是一种以数据为中心的路由算法(参见图3)，数据以属性对的形式命名，汇聚节点S向所有传感器节点发送“兴趣”，即描述不同任务的属性值，每个传感器节点在收到兴趣后保存在各自的缓存中。每个兴趣项包括一个时间标签和若干个梯度域，当一个兴趣传遍整个网络后，从节点A到汇聚节点之间的若干个梯度域就被建立起来了。一旦节点A采集到所需的数据，就在本地采用数据融合技术对数据进行融合，以消除重复数据，然后将融合后的兴趣数据沿着某个梯度路径传输到汇聚节点。

文献所介绍的无线传感器网络路由方法存在如下缺点：汇聚节点的兴趣广播采用洪泛机制，数据均沿最短路径进行单线传输，造成部分节点因能耗过大而失效，使整个网络无法正常工作。

发明内容

为了克服现有技术节点能耗大的不足，本发明提供一种无线传感器网络路由方法，节点能量消耗均匀，网络工作稳定。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括下述步骤：(a)初始化：首先对所有节点进行编码，要求每个节点拥有一个独立ID，其中汇聚节点S的ID为1，其余节点的ID大于2；设置初始工作时间为0；设定所有节点梯度值INIT＝255，汇聚节点梯度值INIT＝0，工作效率N＝1，等待时间TIME＝30；

(b)路径建立：先由汇聚节点S向网络广播包含有报文头，任务类型kind＝0、任务发送点梯度值INIT＝0、任务发送点ID，任务发送点工作效率N＝1，等待时间T＝30等参数的路径信息；

网络中所有侦听到路径信息的节点缓存其参数，判断自己的网络梯度是否大于信息中的梯度，如果“是”，则设置自身的网络梯度INIT为信息中的梯度INIT+1＝1，并记录路径任务发送点ID及其相对应的工作效率至路由表，如果“否”则放弃阅读该信息；

之后网络梯度INIT＝1的节点在等到自身时钟为TIME＝30″时，发送新的路径信息至网络，侦听到此信息的节点缓存其参数，判断自己的网络梯度是否大于信息中的梯度，INIT小于等于1的节点和汇聚节点就不会阅读该信息；

其余节点接收信息，设置自身的网络梯度INIT为信息中的梯度INIT+1＝2，并按接收到信息的先后顺序依次记录发送点ID和发送点工作效率N到路由表，同时计算出本节点的工作效率N＝ΣN_i；按照上述方式信息会在网络中继续传播，直至整个网络；

(c)数据发送：当某节点A需要发送数据时，向网络广播通告信息，信息包含报文头，任务类型kind，任务发送点梯度值INIT，任务目的地ID，数据内容；广播的信息只给拥有任务目的地ID的节点阅读；

信息中的任务目的地ID是由节点A从路由表中选取的；路由表中记录的一个上一梯度节点被选取其概率为 $P_i=\frac{N_i}{\mathrm{\Σ}{N}_i}*90\%+u$ ；其中N为该节点工作效率，u为距离因子；

信息广播后节点A继续工作，直至确认信息被转发；如果目的地节点工作正常，广播的新信息会被节点A侦听到；否则节点A会判断目的地节点失效，并向另一个被记录了ID的节点发送信息，并删除失效节点信息；

如果所有节点均失效，节点A会发送任务目的地ID＝0的信息；这时所有侦听到该信息的同一INIT值的节点会侦听到此信息，并帮忙传递此信息；

侦听到信息的节点首先判别信息中的任务目的地ID是否与自身ID吻合，只有一个节点吻合条件阅读该信息，该节点在接收信息之后向网络广播新信息；其中新信息的数据内容为节点A发送来的数据内容；依照上述方式，数据按梯度递减的方向单线传递，直至汇聚节点S。

本发明的有益效果是：由于在建立梯度时，节点按接收顺序记录发送信息的节点ID及工作效率N至路由表。数据传输时，延梯度递减方向单线传递的传输路径由节点决定，每次通信，节点选取路由表中的一个低梯度节点作为通信对象，其被选取的概率为 $P_i=\frac{N_i}{\mathrm{\Σ}{N}_i}*90\%+u$ ，有效均衡各点的能量消耗，解决了个别节点能量消耗大的问题。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明无线传感器网络路由方法的网络建立及数据传递示意图

图2是图1中网络建立中的工作效率N及概率P示意图

图3是背景技术无线传感器网络路由方法的网络建立及数据传递示意图

具体实施方式

具体实施如下：网络建立之前，首先对所有节点进行编码，要求每个节点拥有一个独立ID，其中汇聚节点S的ID为1，其余节点ID大于2.设定所有节点梯度值INIT＝255，初始工作时间为0，汇聚节点S梯度值INIT＝0，工作效率N＝1，等待时间TIME＝30。

参见图1(a)，建立网络时先由汇聚节点S向网络广播包含有报文头，任务类型kind＝0、任务发送点梯度值INIT＝0、任务发送点ID＝1，任务发送点工作效率N＝1，等待时间T＝30几项参数的路径信息。

网络中所有侦听到路径信息的节点缓存其参数，在判断了节点的网络梯度INIT＝255大于信息中的梯度INIT＝0后，设置节点的网络梯度INIT为信息中的梯度INIT+1＝1，并记录路径任务发送点ID及其相对应的工作效率至节点路由表。

之后网络梯度INIT＝1的节点在等到自己时钟为TIME＝30″时，同一时间发送新的路径信息至网络，侦听到此信息的节点缓存其参数，判断自己的网络梯度是否大于信息中的梯度，INIT＝0的汇聚节点，INIT＝1的节点就不阅读该信息。

其余节点接收信息，设置自己的网络梯度INIT为信息中的梯度INIT+1＝2，并按接收到信息的先后顺讯依次记录发送点ID和发送点工作效率N到路由表，同时计算出本节点的工作效率N＝ΣN_i。按照上述方式信息会在网络中继续传播，直至整个网络。

参见图1(b)、图1(c)，节点A需要发送数据时，首先由节点A向网络广播通告信息，信息包含报文头，任务类型kind＝1，任务发送点梯度值INIT，任务目的地ID，数据内容。广播的信息只给拥有任务目的地ID的节点阅读。

信息中的任务目的地ID是由节点A从路由表中选取的。路由表中记录的一个上一梯度节点被选取其概率为 $P_i=\frac{N_i}{\mathrm{\Σ}{N}_i}*90\%+u.$

信息广播后节点A继续工作，直至确认信息被转发。如果目的地节点工作正常，广播的新信息会被节点A侦听到。否则节点A会判断目的地节点失效，并向另一个被记录了ID的节点发送信息，并删除失效节点信息。

如果所有节点均失效，节点A会发送任务目的地ID＝0的信息。这时所有侦听到该信息的同一INIT值的节点会侦听到此信息，并帮忙传递此信息。

侦听到信息的节点首先判别信息中的任务目的地ID是否与自己的ID吻合，只有一个节点吻合条件阅读该信息，并向网络广播新信息。其中新信息的数据内容为节点A发送来的数据内容。依照上述方式，数据按梯度递减的方向单线传递，直至汇聚节点S。

参见图2，A，B，C三节点均处在梯度INIT＝4，到汇聚节点间隔三个梯度，其工作效率N为：

D节点：梯度INIT＝I的节点为一个，其工作效率为N＝1。INIT＝2的节点为一个，N＝1。INIT＝3的节点为一个，N＝1。A节点的N＝1。

C节点：梯度INIT＝1的节点为一个，N＝1。INIT＝2的节点为两个，其N都为1。INIT＝3的节点有两个，而且到INIT＝2都有两个N＝1的节点，其N都等于2。C节点到INIT＝3有两个N＝2的节点，以此C节点的N＝2+2＝4。

B节点：梯度INIT＝1的节点为一个，N＝1。INIT＝2的节点为一个，N＝1。INIT＝3的节点为3个，N均等于1。B节点到INIT＝3有3个节点，其N值均为1。因此B节点的N＝1+1+1＝3。

A节点：其N值为B，C，D三节点N值之和，N＝1+3+4＝8。

考虑INIT＝5的A节点只与B，C，D三节点相联系，并且B，C，D三节点距离A节点的顺序为C，B，D，A，B，C三节点被选取的概率分别为：

$P_D=\frac{1}{1+2+3}*90\%+1\%=12.25\%;$

$P_C=\frac{4}{1+3+4}*90\%+6\%=51\%;$

$P_B=\frac{3}{1+3+4}*90\%+3\%=36.75\%.$

本发明的路由方法主要包括以下几个部分。

初始化：首先对所有节点进行编码，要求每个节点拥有一个独立ID，其中汇聚节点S的ID为1，其余节点ID大于2。设置初始工作时间为0。设定所有节点梯度值INIT＝255，汇聚节点梯度值INIT＝0，工作效率N＝1，等待时间TIME＝30。

路径建立：先由汇聚节点向网络广播包含有报文头，任务类型kind＝0、任务发送点梯度值INIT＝0、任务发送点ID，任务发送点工作效率N＝1，等待时间TIME＝30几项参数的路径信息。

节点广播信息的通信格式为：

报文头

任务类型

任务发送点梯度值

任务发送点/目的地

数据内容

报文头中包含验证信息码，主要用作接收信息前的检验。

任务类型kind，包括0，1。0代表广播的信息为梯度建立信息，1代表广播的信息为数据发送信息。

任务发送点梯度值INIT，记录的是广播信息的节点梯度INIT。

任务发送点/目的地ID，当任务类型kind＝0时，为广播信息的节点ID，提供给下一梯度节点用来建立路径联系。当任务类型kind＝1时为任务目的地ID，即接收信息的上一梯度节点ID。

数据内容，在任务类型kind＝0时，为工作等待时间time，任务类型kind＝1时，为给汇聚节点发送的信息数据。

侦听到路径信息的节点缓存其参数，判断自己的网络梯度是否大于信息中的梯度，如果“ 是”则设置自己的网络梯度INIT为信息中的梯度INIT+1＝1，并记录路径任务发送点ID及其相对应的工作效率至路由表。如果“否”则不再阅读该信息。

之后网络梯度INIT＝1的节点在等到自己的时钟为TIME＝30″时，发送新的路径信息至网络，侦听到此信息的节点缓存其参数，判断自己的网络梯度是否大于信息中的梯度，  INIT小于等于1的节点和汇聚节点就不会阅读该信息。

其余节点接收信息，设置自己的网络梯度INIT为信息中的梯度INIT+1＝2，并按接收到信息的先后顺讯依次记录发送点ID和发送点工作效率N到路由表，同时计算出本节点的工作效率N＝ΣN_i。按照上述方式信息会在网络中继续传播，直至整个网络。

数据发送：当某节点A需要发送数据时，向网络广播通告信息，信息包含报文头，任务类型kind，任务发送点梯度值INIT，任务目的地ID，数据内容。广播的信息只给拥有任务目的地ID的节点阅读。

信息中的任务目的地ID是由节点A从路由表中选取的。选取的目的是整个网络长时间工作时，各节点工作次数尽可能相近。为了达到以上目的，考虑以下三个原则：

一是路由中的上一梯度节点到汇聚节点S的可中转节点越多，其工作次数应该越多，B，C两节点到汇聚节点S有4个中转节点，而A节点只有2个中转节点，因此B，C节点被选中次数多于A节点。

二是路由中的上一梯度节点到汇聚节点S的可中转节点数量在每个梯度上越平均，其工作次数越多，C节点到汇聚节点S的两个梯度上中转节点都为两个，而B节点到汇聚节点S的两个梯度上中转节点为1个和3个，因此C节点选中的次数多于B节点。

三是路由中的上一梯度节点距离发送信息节点越近，其工作次数越多。由此，路由表中记录的一个上一梯度节点被选取其概率为 $P_i=\frac{N_i}{\mathrm{\Σ}{N}_i}*90\%+u$ 。其中N为该节点工作效率，u为距离因子，距节点最近的三个节点u值依次为6％，3％，1％。

信息广播后节点A继续工作，直至确认信息被转发。如果目的地节点工作正常，广播的新信息会被节点A侦听到。否则节点A会判断目的地节点失效，并向另一个被记录了ID的节点发送信息，并删除失效节点信息。

如果所有节点均失效，节点A会发送任务目的地ID＝0的信息。这时所有侦听到该信息的同一INIT值的节点会侦听到此信息，并帮忙传递此信息。

侦听到信息的节点首先判别信息中的任务目的地ID是否与自己的ID吻合，只有一个节点吻合条件阅读该信息，该节点在接收信息之后向网络广播新信息。其中新信息的数据内容为节点A发送来的数据内容。依照上述方式，数据按梯度递减的方向单线传递，直至汇聚节点。

Claims (1)

1、一种无线传感器网络路由方法，其特征在于包括下述步骤：

(a)初始化：首先对所有节点进行编码，要求每个节点拥有一个独立ID，其中汇聚节点(S)的ID为1，其余节点的ID大于2；设置初始工作时间为0；设定所有节点梯度值INIT＝255，汇聚节点梯度值INIT＝0，工作效率N＝1，等待时间TIME＝30；

(b)路径建立：先由汇聚节点(S)向网络广播包含有报文头，任务类型kind＝0、任务发送点梯度值INIT＝0、任务发送点ID，任务发送点工作效率N＝1，等待时间T＝30等参数的路径信息；

网络中所有侦听到路径信息的节点缓存其参数，判断自己的网络梯度是否大于信息中的梯度，如果“是”，则设置自身的网络梯度INIT为信息中的梯度INIT+1＝1，并记录路径任务发送点ID及其相对应的工作效率至路由表，如果“否”则放弃阅读该信息；

之后网络梯度INIT＝1的节点在等到自身时钟为TIME＝30″时，发送新的路径信息至网络，侦听到此信息的节点缓存其参数，判断自己的网络梯度是否大于信息中的梯度，INIT小于等于1的节点和汇聚节点就不会阅读该信息；

其余节点接收信息，设置自身的网络梯度INIT为信息中的梯度INIT+1＝2，并按接收到信息的先后顺序依次记录发送点ID和发送点工作效率N到路由表，同时计算出本节点的工作效率N＝∑N_i；按照上述方式信息会在网络中继续传播，直至整个网络；

(c)数据发送：当某节点(A)需要发送数据时，向网络广播通告信息，信息包含报文头，任务类型kind，任务发送点梯度值INIT，任务目的地ID，数据内容；广播的信息只给拥有任务目的地ID的节点阅读；

信息中的任务目的地ID是由节点(A)从路由表中选取的；路由表中记录的一个上一梯度节点被选取其概率为 $P_i=\frac{N_i}{\mathrm{\Σ}{N}_i}*90\%+u;$ 其中N为该节点工作效率，u为距离因子；

信息广播后节点(A)继续工作，直至确认信息被转发；如果目的地节点工作正常，广播的新信息会被节点(A)侦听到；否则节点(A)会判断目的地节点失效，并向另一个被记录了ID的节点发送信息，并删除失效节点信息；

如果所有节点均失效，节点(A)会发送任务目的地ID＝0的信息；这时所有侦听到该信息的同一INIT值的节点会侦听到此信息，并帮忙传递此信息；

侦听到信息的节点首先判别信息中的任务目的地ID是否与自身ID吻合，只有一个节点吻合条件阅读该信息，该节点在接收信息之后向网络广播新信息；其中新信息的数据内容为节点(A)发送来的数据内容；依照上述方式，数据按梯度递减的方向单线传递，直至汇聚节点(S)。

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