一種基于剩余能量和多匯聚節(jié)點(diǎn)的工業(yè)無線傳感網(wǎng)多路徑可靠數(shù)據(jù)傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于剩余能量和多匯聚節(jié)點(diǎn)的工業(yè)無線傳感網(wǎng)多路徑數(shù)據(jù)傳輸方法，該機(jī)制主要針對(duì)多sink節(jié)點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，建立從傳感器節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的基于剩余能量等級(jí)和期望傳輸次數(shù)的多路徑，使每個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)選擇能量較充沛且傳輸開銷較低的鄰居節(jié)點(diǎn)成為下一跳節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到節(jié)約和均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗的目的；具體方法是在多sink節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)基于各個(gè)剩余能量級(jí)別建立多條最小期望傳輸次數(shù)路徑，節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組時(shí)，選擇剩余能量最高的路徑或在指定的剩余能量等級(jí)閾值中選擇最小期望傳輸次數(shù)的節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，直至數(shù)據(jù)到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)。
【專利說明】一種基于剩余能量和多匯聚節(jié)點(diǎn)的工業(yè)無線傳感網(wǎng)多路徑可靠數(shù)據(jù)傳輸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于剩余能量和多匯聚節(jié)點(diǎn)的工業(yè)無線傳感網(wǎng)多路徑可靠數(shù)據(jù)傳輸方法。該機(jī)制針對(duì)存在多匯聚節(jié)點(diǎn)的傳感網(wǎng)，基于節(jié)點(diǎn)剩余能量和期望傳輸次數(shù)(ETX, Expected Transmission Count)建立多路徑,在數(shù)據(jù)傳輸過程中使數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)選擇能量較充沛且傳輸開銷較低的節(jié)點(diǎn)成為下一跳節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一種低開銷低能耗，能耗均衡的路由協(xié)議。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)在近十年來因其廣泛的應(yīng)用吸引了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。由于傳感器節(jié)點(diǎn)本身的限制，無線傳感網(wǎng)涉及到的關(guān)鍵問題包括如何減小數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃缘取?br> [0003]無線傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)受到成本和體積等因素的限制，其處理能力、無線帶寬和電池容量通常是有限的。而且傳感網(wǎng)經(jīng)常部署在人力不能及的地區(qū)，節(jié)點(diǎn)能量耗盡后無法得到補(bǔ)充將無法繼續(xù)工作。當(dāng)一定數(shù)量的傳感節(jié)點(diǎn)都耗盡能量后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)也將失效，此時(shí)通常需要重新部署傳感節(jié)點(diǎn)。減小傳輸能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性等都可以大大的節(jié)約成本消耗。因此這些問題都是傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)中急需解決的問題。
[0004]增加網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)(sink)是提高網(wǎng)絡(luò)生命周期的有效技術(shù)之一。多個(gè)sink節(jié)點(diǎn)存在時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)可以匯報(bào)給任何一個(gè)sink節(jié)點(diǎn)。因此多sink可以減小數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x，有效降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯摹６鄐ink還可以避免單sink節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)問題，SP靠近sink節(jié)點(diǎn)的傳感節(jié)點(diǎn)會(huì)承擔(dān)更多的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù),更容易能量耗盡而死亡，因此增加sink節(jié)點(diǎn)可以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載平衡，網(wǎng)絡(luò)生命周期。同時(shí)多sink還可以提高網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性和可靠性。本發(fā)明旨在針對(duì)多sink節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，提出一種基于剩余能量以及期望傳輸次數(shù)的多路徑路由方法，以期達(dá)到低開銷低能耗，能耗均衡的網(wǎng)絡(luò)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是針對(duì)多sink節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的一種基于剩余能量以及期望傳輸次數(shù)的多路徑路由方法。本發(fā)明目的是設(shè)計(jì)一種路由協(xié)議可以在保持能量均衡的情況下，盡可能減小能
量消耗。
[0006]本發(fā)明假設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由無線傳感器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)sink節(jié)點(diǎn)(也稱匯聚節(jié)點(diǎn))組成，無線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集和傳輸，sink節(jié)點(diǎn)用于數(shù)據(jù)匯集并上傳給遠(yuǎn)程控制端(如通過Internet、移動(dòng)通信網(wǎng)等方式)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理和控制。傳感器節(jié)點(diǎn)感知到的數(shù)據(jù)匯報(bào)給任一 sink節(jié)點(diǎn)即可。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案的主要思想是:無線傳感網(wǎng)建立基于剩余能量級(jí)別和期望傳輸次數(shù)的梯度信息，在數(shù)據(jù)在傳輸過程中，每個(gè)分組持有節(jié)點(diǎn)可以在剩余能量較高的鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇期望傳輸次數(shù)最小的鄰居作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，或者可以選擇能夠到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)中的能量級(jí)別最高的下一跳節(jié)點(diǎn)。通過這種機(jī)制，可以減少每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯牟⒕夤?jié)點(diǎn)間的能量消耗，同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)了多條路徑，提高傳輸可靠性。
【具體實(shí)施方式】
[0008]本發(fā)明首先在網(wǎng)絡(luò)的部署配置階段收集必要的路由信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都建立到達(dá)多個(gè)sink節(jié)點(diǎn)的梯度信息。為了降低傳輸能耗以及提高網(wǎng)絡(luò)生命周期，本發(fā)明基于每個(gè)剩余能量等級(jí)分別建立最短路徑樹狀結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，選擇剩余能量較為充沛和/或期望傳輸次數(shù)較小的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，通過逐跳傳輸將數(shù)據(jù)匯報(bào)給任意sink節(jié)點(diǎn)。
[0009]本發(fā)明首先對(duì)節(jié)點(diǎn)按照剩余能量進(jìn)行分級(jí)。設(shè)Emax為節(jié)點(diǎn)電池容量，且剩余能量
總共分為 m 級(jí)(m31),貝丨』第 I 級(jí)為:(Emax/2, Emax],第2級(jí):(Emax/4, Emax/2],.......,第m-1級(jí):(Emax/2m, Emax/211^1],第m級(jí):(0，Emax/2m]。在準(zhǔn)備路由信息建立多路徑時(shí),節(jié)點(diǎn)需要將自己的剩余能量等級(jí)通知給鄰居節(jié)點(diǎn)，這樣網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)中的路由表將記錄下鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量等級(jí)。
[0010]除了剩余能量等級(jí),節(jié)點(diǎn)的路由表中還將記錄與各剩余能量等級(jí)相對(duì)應(yīng)的多路徑信息。多路徑的建立方法采用類似于Bellman Ford算法的方法,從多個(gè)sink節(jié)點(diǎn)同時(shí)開始擴(kuò)散Interest信息,每個(gè)接收到Interest信息的節(jié)點(diǎn)將記錄并更新自己的路由表,記錄到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)的最短路徑信息。本發(fā)明基于期望傳輸次數(shù)(ETX)建立最短路徑，由于數(shù)據(jù)分組到達(dá)任意sink即視為數(shù)據(jù)匯報(bào)成功，因此節(jié)點(diǎn)s的ETX為
ETX(s) =Min(ETXUsink1), ETX (s, sink2),....，ETX (s, sinkM)}(I)
其中M是sink節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，ETX (s, Sinki)是節(jié)點(diǎn)s到達(dá)Sinki的ETX值。
[0011]總之，本發(fā)明基于不同的剩余能量等級(jí)建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有不同剩余能量等級(jí)的父節(jié)點(diǎn)。本方案提供一種建立樹結(jié)構(gòu)的方法。
[0012]I)令 k=l;
2)傳感器網(wǎng)絡(luò)在部署完畢后，隔一段隨機(jī)時(shí)間后，所有sink節(jié)點(diǎn)同時(shí)開始廣播一個(gè)Interest分組，該Interest中包含:
a)該分組發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ID；
b)能量級(jí)別k的值；
c)從分組發(fā)送節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的ETX值，其初值為O。
[0013]每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)路由表如下，其中Parentk(i)表示節(jié)點(diǎn)i基于能量級(jí)別k的父節(jié)點(diǎn)，I≤k≤m, ETXk (i)是節(jié)點(diǎn)i基于能量級(jí)別k到達(dá)任意sink節(jié)點(diǎn)的最小期望傳輸次數(shù)。路由表格式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于剩余能量和多匯聚節(jié)點(diǎn)的工業(yè)無線傳感網(wǎng)多路徑數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于:網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)組成，匯聚節(jié)點(diǎn)也稱Sink節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)其剩余能量劃分為m級(jí)，m3l ;網(wǎng)絡(luò)為各節(jié)點(diǎn)分別建立并維護(hù)到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)的基于各能量等級(jí)的最小期望轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)ETX轉(zhuǎn)發(fā)樹結(jié)構(gòu)；分組持有節(jié)點(diǎn)根據(jù)各樹結(jié)構(gòu)的能量等級(jí)及其ETX值選擇樹上的父節(jié)點(diǎn)做為分組的下一跳節(jié)點(diǎn)，收到分組的節(jié)點(diǎn)持續(xù)這一過程，直至分組到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于剩余能量和多匯聚節(jié)點(diǎn)的工業(yè)無線傳感網(wǎng)多路徑數(shù)據(jù)傳輸方法，其中的剩余能量劃分方法特征在于=SEmax為節(jié)點(diǎn)電池容量，且剩余能量總共分為 m 級(jí)，則第 I 級(jí)為:(Emax /2, Emax],第 2級(jí):(Emax/4, Emax/2],......，第 m_l 級(jí):(Emax/2m, Emax/2m 1II，第 m 級(jí):(O, Emax/2m]。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于剩余能量級(jí)別和多匯聚節(jié)點(diǎn)的工業(yè)無線傳感網(wǎng)多路徑數(shù)據(jù)傳輸方法，基于各能量等級(jí)的最小ETX轉(zhuǎn)發(fā)樹的建立方法特征在于:網(wǎng)絡(luò)分別為每個(gè)能量級(jí)別，從多個(gè)sink節(jié)點(diǎn)同時(shí)開始擴(kuò)散Interest信息，以期建立每個(gè)能量級(jí)別從每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)到達(dá)sink的最小ETX路徑,具體步驟如下:
令 k=l ； 傳感器網(wǎng)絡(luò)在部署完畢后，隔一段隨機(jī)時(shí)間后，所有sink節(jié)點(diǎn)同時(shí)開始廣播一個(gè)Interest分組，Interest分組中包含以下信息: 該分組發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ID ； 能量級(jí)別k的值； 從分組發(fā)送節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的ETX值，其初值為O ; 每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)路由表如下，其中ParentkQ)表示節(jié)點(diǎn)i基于能量級(jí)別k的父節(jié)點(diǎn)，I≤k≤m, ETXk (i)是節(jié)點(diǎn)i基于能量級(jí)別k到達(dá)任意sink節(jié)點(diǎn)的最小期望傳輸次數(shù)； 每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)i收到Interest分組時(shí)，執(zhí)行以下步驟:若節(jié)點(diǎn)i收到節(jié)點(diǎn)j轉(zhuǎn)發(fā)的Interest分組,則觸發(fā)路由信息更新過程,節(jié)點(diǎn)i找到自己路由表中能量等級(jí)k對(duì)應(yīng)的ParentkQ)及ETXk(i),并計(jì)算節(jié)點(diǎn)j和父節(jié)點(diǎn)ParentkQ)相比，是否會(huì)帶來更小的ETXk(i)，即若ETX(j)+ l/q(ij) < ETXk(i)，則節(jié)點(diǎn) i 更新路由信息，ETXk⑴=ETX(j)+ I/q(ij)，且設(shè)置parentk(i) =j，其中q(ij)是鏈路(I，j)的鏈路傳輸成功率，如果節(jié)點(diǎn)i的能量級(jí)別小于等于k,則它在一段隨機(jī)時(shí)候后轉(zhuǎn)發(fā)該Interest分組,其中分組中攜帶的ETX值為ETXk (i)，否則節(jié)點(diǎn)i不轉(zhuǎn)發(fā)該分組； 若k〈m，則k=k+l，轉(zhuǎn)步驟2)，否則尋徑階段結(jié)束。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于剩余能量和多匯聚節(jié)點(diǎn)的工業(yè)無線傳感網(wǎng)多路徑數(shù)據(jù)傳輸方法，其中基于多路徑的轉(zhuǎn)發(fā)策略特征在于:路由協(xié)議可以指定節(jié)點(diǎn)選擇基于任何能量級(jí)別的父節(jié)點(diǎn)，作為分組的下一跳節(jié)點(diǎn)，收到分組的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行這一轉(zhuǎn)發(fā)原則，直到分組到達(dá)sink節(jié)點(diǎn),路由進(jìn)程指定只有剩余能量高于第k級(jí)的節(jié)點(diǎn)才能參與轉(zhuǎn)發(fā)過程,有以下兩種方法:方法一，各轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)將在路由表中能量等級(jí)最低的k個(gè)父節(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)ETX最小作為分組的下一跳節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，收到分組的節(jié)點(diǎn)將重復(fù)這一步驟直到分組到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)，其中l(wèi)〈=k〈=m ;方法二，分組持有節(jié)點(diǎn)將選擇該能量等級(jí)最低的父節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，收到分組的節(jié)點(diǎn)該重復(fù)這一步驟直到分組到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】H04W84/18GK103686920SQ201210326815
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月6日
【發(fā)明者】賀靜, 史誠弭 申請(qǐng)人:江蘇邁利科技發(fā)展有限公司