一種無線傳感器網絡的路由方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無線傳感器網絡的路由方法，其包括：新上電的傳感器節(jié)點獲取網絡地址及上行和下行路由路徑，成為入網節(jié)點；每個入網節(jié)點獲取剩余電量，進行網絡維護；入網節(jié)點斷電離開時成為下電節(jié)點，再進行網絡重建，在新節(jié)點加入網絡與網絡重建的過程中，由于每個節(jié)點不需要保存入網鄰居節(jié)點的相關信息，由網關負責將每個節(jié)點與入網鄰居節(jié)點之間相互關聯(lián)起來，而且利用路徑權重參數(shù)使得網關更容易評估每條路徑的連接質量，因此當網絡發(fā)生變化時，網關能夠生成可選路徑，并通過比較路徑權重參數(shù)快速地選擇出能夠均衡流量分配與能量消耗最優(yōu)的傳輸路徑，并及時將該傳輸路徑下發(fā)給請求的節(jié)點使用，保證了網絡的可靠運行，延長了網絡的使用壽命。
【專利說明】一種無線傳感器網絡的路由方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無線傳感器網絡技術，尤其是涉及一種無線傳感器網絡的路由方法。
【背景技術】
[0002]在支撐物聯(lián)網開發(fā)的過程當中，集分布式信息采集、信息傳輸和信息處理技術于一體的無線傳感器網絡(WSNs, Wireless Sensor Networks)發(fā)揮著重要的作用。在巨大的無線傳感器網絡中，一方面，傳感器是機器感知物質世界的“感覺器官”，可以感知熱、力、光、電、聲、位移等信號為網絡系統(tǒng)的處理、傳輸、分析和反饋提供最原始的信息；另一方面，隨著傳統(tǒng)的傳感器逐步實現(xiàn)微型化、智能化、信息化以及網絡化，無線傳感器網絡正以其低成本、微型化、低功耗和靈活的組網方式、鋪設方式以及適合移動目標等優(yōu)勢受到廣泛重視。物聯(lián)網正是通過遍布在各個角落和物體上的形形色色的傳感器以及由它們組成的無線傳感器網絡，來最終實現(xiàn)對整個物質世界的“感知”。
[0003]在無線傳感器網絡中的節(jié)點通常都是采用電池供電的方式。在無線傳感器網絡中，部分節(jié)點如果過早地耗盡了電量，不僅更換電池耗費人力，增加維護成本，而且也會對無線傳感器網絡中的其他相關節(jié)點的通訊帶來一定的影響。如果能夠實現(xiàn)無線傳感器網絡中能量的均衡消耗，則就可以有效地利用網絡資源，延長和預測網絡整體的使用壽命。
[0004]目前，大部分的路由方法都是基于跳數(shù)最少的原則而生成最短路徑，如此一來部分節(jié)點就會因為處于數(shù)據傳輸?shù)暮诵穆酚晌恢茫蔀槠款i，大量的數(shù)據傳輸需要經過這些節(jié)點路由。而這些節(jié)點將會比其他節(jié)點更快地消耗完電量，最終離開網絡，導致部分網絡癱瘓。由于能量消耗得不到均衡，因此那些與核心路由相連接的節(jié)點雖然還剩余很多電量，但卻無法再將信息傳輸?shù)侥康牡?，從而還造成了能量的浪費。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種無線傳感器網絡中的能夠均衡流量分配與能量消耗的路由方法。
[0006]本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案為:一種無線傳感器網絡的路由方法，其特征在于包括三部分:新上電的傳感器節(jié)點獲取自身的網絡地址及上行路由路徑和下行路由路徑，成為入網節(jié)點；每個入網節(jié)點獲取自身的剩余電量，進行網絡維護；任意一個入網節(jié)點斷電離開無線傳感器網絡時成為下電節(jié)點，再進行網絡重建；
[0007]其中，第一部分的具體過程為:
[0008]al、新上電的傳感器節(jié)點以Tl為周期廣播包含自身的本地唯一地址的路由發(fā)現(xiàn)消息；
[0009]a2、收到路由發(fā)現(xiàn)消息的每個入網鄰居節(jié)點響應包含自身的路由跳數(shù)和自身的網絡地址的路由參考消息；
[0010]在此，入網鄰居節(jié)點為能夠收到新上電的傳感器節(jié)點廣播的路由發(fā)現(xiàn)消息的網關和/或傳感器節(jié)點；
[0011]a3、新上電的傳感器節(jié)點在收到每個入網鄰居節(jié)點響應的路由參考消息后，將自身的本地唯一地址、自身的數(shù)據上送周期、自身的剩余電量系數(shù)、每個入網鄰居節(jié)點的路由跳數(shù)和網絡地址組成新入網注冊消息；
[0012]a4、當所有入網鄰居節(jié)點中存在網關時，新上電的傳感器節(jié)點將新入網注冊消息發(fā)送給網關；
[0013]當所有入網鄰居節(jié)點中不存在網關時，新上電的傳感器節(jié)點從所有入網鄰居節(jié)點中選擇路由跳數(shù)最小的一個入網鄰居節(jié)點作為新上電的傳感器節(jié)點的上行臨時路由中間節(jié)點，然后新上電的傳感器節(jié)點將新入網注冊消息發(fā)送給上行臨時路由中間節(jié)點，上行臨時路由中間節(jié)點在收到新入網注冊消息后通過自身的上行路由路徑轉發(fā)，最終轉發(fā)給網關;
[0014]a5、網關在收到新入網注冊消息后，創(chuàng)建新上電的傳感器節(jié)點的路由權重表，該路由權重表包括新上電的傳感器節(jié)點的本地唯一地址、網絡地址、數(shù)據上送周期和剩余電量系數(shù)、新上電的傳感器節(jié)點的潛在父節(jié)點的數(shù)量和每個潛在父節(jié)點的索引、新上電的傳感器節(jié)點的子節(jié)點的數(shù)量和每個子節(jié)點的索引；
[0015]在此，新上電的傳感器節(jié)點的潛在父節(jié)點為已經存在的新上電的傳感器節(jié)點的上一跳節(jié)點；
[0016]a6、當無線傳感器網絡中僅存在網關時，網關將網絡地址分配給新上電的傳感器節(jié)點，至此新上電的傳感器節(jié)點已加入無線傳感器網絡成為入網節(jié)點；
[0017]當無線傳感器網絡中除網關外存在其他節(jié)點時，網關遍歷新上電的傳感器節(jié)點的所有潛在父節(jié)點，獲得網關與新上電的傳感器節(jié)點之間的所有可能路徑；然后網關計算每條可能路徑中的每個路由中間節(jié)點的路由權重參數(shù)；接著對于任意一條可能路徑，網關將該條可能路徑中的所有路由中間節(jié)點的路由權重參數(shù)中的最小值作為該條可能路徑的路徑權重參數(shù)；之后網關選取值最大的路徑權重參數(shù)對應的可能路徑作為新上電的傳感器節(jié)點的上行路由路徑和下行路由路徑，并更新新上電的傳感器節(jié)點的上行路由路徑中的每個路由中間節(jié)點的路由權重表；最后網關將包含新上電的傳感器節(jié)點的上行路由路徑和下行路由路徑的路徑分配消息發(fā)送給新上電的傳感器節(jié)點，并將網絡地址分配給新上電的傳感器節(jié)點，至此新上電的傳感器節(jié)點已加入無線傳感器網絡成為入網節(jié)點；
[0018]在此，路由中間節(jié)點為可能路徑中且位于網關與新上電的傳感器節(jié)點之間的節(jié)點；網關選取的值最大的路徑權重參數(shù)對應的可能路徑為能夠均衡流量分配與能量消耗的最優(yōu)路徑；
[0019]第二部分的具體過程為:
[0020]bl、每個入網節(jié)點以T2為周期獲取自身的剩余電量；接著對于任意一個入網節(jié)點，當該入網節(jié)點的剩余電量變化量已超過設定的電量變化判定閾值時，該入網節(jié)點將包含自身的剩余電量系數(shù)的路徑維護消息通過該入網節(jié)點的上行路由路徑發(fā)送給網關；
[0021]b2、網關在收到路徑維護消息后，更新發(fā)送該路徑維護消息的入網節(jié)點的路由權重表中的剩余電量系數(shù)，實現(xiàn)網絡維護；
[0022]第三部分的具體過程為:
[0023]Cl、對于任意一個入網節(jié)點，當該入網節(jié)點斷電離開無線傳感器網絡時成為下電節(jié)點，此時下電節(jié)點的子節(jié)點無法向下電節(jié)點上送數(shù)據；
[0024]c2、下電節(jié)點的每個子節(jié)點在確定其父節(jié)點斷電后，廣播用于表明其上行路由路徑無法上送數(shù)據的路徑失敗消息；
[0025]c3、對于任意一個子節(jié)點廣播的路徑失敗消息，收到該路徑失敗消息的每個入網鄰居節(jié)點響應包含自身的路由跳數(shù)和自身的網絡地址的路由參考消息；在此，入網鄰居節(jié)點為能夠收到下電節(jié)點的子節(jié)點廣播的路徑失敗消息的網關和/或傳感器節(jié)點；
[0026]當收到該路徑失敗消息的所有入網鄰居節(jié)點中存在網關時，廣播該路徑失敗消息的子節(jié)點將包含下電節(jié)點的網絡地址的路徑更新消息發(fā)送給網關；
[0027]當收到該路徑失敗消息的所有入網鄰居節(jié)點中不存在網關時，廣播該路徑失敗消息的子節(jié)點從收到該路徑失敗消息的所有入網鄰居節(jié)點中選擇路由跳數(shù)最小的一個入網鄰居節(jié)點作為廣播該路徑失敗消息的子節(jié)點的上行臨時路由節(jié)點，然后將包含下電節(jié)點的網絡地址的路徑更新消息發(fā)送給上行臨時路由節(jié)點，上行臨時路由節(jié)點在收到路徑更新消息后通過自身的上行路由路徑轉發(fā)，最終轉發(fā)給網關；
[0028]c4、網關在收到路徑更新消息后，刪除下電節(jié)點的路由權重表以及下電節(jié)點在其他入網節(jié)點的路由權重表中的索引；
[0029]c5、對于下電節(jié)點的任意一個子節(jié)點，網關遍歷該子節(jié)點的所有潛在父節(jié)點，獲得網關與該子節(jié)點之間的所有可能路徑，網關計算每條可能路徑中的每個路由中間節(jié)點的路由權重參數(shù)，對于任意一條可能路徑，網關將該條可能路徑中的所有路由中間節(jié)點的路由權重參數(shù)中的最小值作為該條可能路徑的路徑權重參數(shù)，網關選取值最大的路徑權重參數(shù)對應的可能路徑作為該子節(jié)點的上行和下行路由路徑，并更新該子節(jié)點的上行路由路徑中的每個路由中間節(jié)點的路由權重表；
[0030]在此，該子節(jié)點的潛在父節(jié)點為已經存在的該子節(jié)點的上一跳節(jié)點；路由中間節(jié)點為可能路徑中且位于網關與該子節(jié)點之間的節(jié)點；網關選取的值最大的路徑權重參數(shù)對應的可能路徑為能夠均衡流量分配與能量消耗的最優(yōu)路徑；
[0031]c6、網關將包含每個子節(jié)點自身的上行路由路徑和下行路由路徑的路徑分配消息發(fā)送給對應的子節(jié)點，每個子節(jié)點在收到路徑分配消息后，保存路徑分配消息中包含的上行路由路徑和下行路由路徑，并按照保存的上行路由路徑上送數(shù)據，至此完成網絡重建。
[0032]所述的步驟al中Tl的取值范圍為[100ms，1000ms]。
[0033]所述的步驟a6中路由中間節(jié)點的路由權重參數(shù)的獲取過程為:對于任意一條可能路徑中的任意一個路由中間節(jié)點，將該路由中間節(jié)點的路由權重參數(shù)記為
【權利要求】
1.一種無線傳感器網絡的路由方法，其特征在于包括三部分:新上電的傳感器節(jié)點獲取自身的網絡地址及上行路由路徑和下行路由路徑，成為入網節(jié)點；每個入網節(jié)點獲取自身的剩余電量，進行網絡維護；任意一個入網節(jié)點斷電離開無線傳感器網絡時成為下電節(jié)點，再進行網絡重建； 其中，第一部分的具體過程為: al、新上電的傳感器節(jié)點以Tl為周期廣播包含自身的本地唯一地址的路由發(fā)現(xiàn)消息；a2、收到路由發(fā)現(xiàn)消息的每個入網鄰居節(jié)點響應包含自身的路由跳數(shù)和自身的網絡地址的路由參考消息； 在此，入網鄰居節(jié)點為能夠收到新上電的傳感器節(jié)點廣播的路由發(fā)現(xiàn)消息的網關和/或傳感器節(jié)點； a3、新上電的傳感器節(jié)點在收到每個入網鄰居節(jié)點響應的路由參考消息后，將自身的本地唯一地址、自身的數(shù)據上送周期、自身的剩余電量系數(shù)、每個入網鄰居節(jié)點的路由跳數(shù)和網絡地址組成新入網注冊消息； a4、當所有入網鄰居節(jié)點中存在網關時，新上電的傳感器節(jié)點將新入網注冊消息發(fā)送給網關； 當所有入網鄰居節(jié)點中不存在網關時，新上電的傳感器節(jié)點從所有入網鄰居節(jié)點中選擇路由跳數(shù)最小的一個入網鄰居節(jié)點作為新上電的傳感器節(jié)點的上行臨時路由中間節(jié)點，然后新上電的傳感器節(jié)點將新入網注冊消息發(fā)送給上行臨時路由中間節(jié)點，上行臨時路由中間節(jié)點在收到新入網注冊 消息后通過自身的上行路由路徑轉發(fā)，最終轉發(fā)給網關； a5、網關在收到新入網注冊消息后，創(chuàng)建新上電的傳感器節(jié)點的路由權重表，該路由權重表包括新上電的傳感器節(jié)點的本地唯一地址、網絡地址、數(shù)據上送周期和剩余電量系數(shù)、新上電的傳感器節(jié)點的潛在父節(jié)點的數(shù)量和每個潛在父節(jié)點的索引、新上電的傳感器節(jié)點的子節(jié)點的數(shù)量和每個子節(jié)點的索引； 在此，新上電的傳感器節(jié)點的潛在父節(jié)點為已經存在的新上電的傳感器節(jié)點的上一跳節(jié)點； a6、當無線傳感器網絡中僅存在網關時，網關將網絡地址分配給新上電的傳感器節(jié)點，至此新上電的傳感器節(jié)點已加入無線傳感器網絡成為入網節(jié)點； 當無線傳感器網絡中除網關外存在其他節(jié)點時，網關遍歷新上電的傳感器節(jié)點的所有潛在父節(jié)點，獲得網關與新上電的傳感器節(jié)點之間的所有可能路徑；然后網關計算每條可能路徑中的每個路由中間節(jié)點的路由權重參數(shù)；接著對于任意一條可能路徑，網關將該條可能路徑中的所有路由中間節(jié)點的路由權重參數(shù)中的最小值作為該條可能路徑的路徑權重參數(shù)；之后網關選取值最大的路徑權重參數(shù)對應的可能路徑作為新上電的傳感器節(jié)點的上行路由路徑和下行路由路徑，并更新新上電的傳感器節(jié)點的上行路由路徑中的每個路由中間節(jié)點的路由權重表；最后網關將包含新上電的傳感器節(jié)點的上行路由路徑和下行路由路徑的路徑分配消息發(fā)送給新上電的傳感器節(jié)點，并將網絡地址分配給新上電的傳感器節(jié)點，至此新上電的傳感器節(jié)點已加入無線傳感器網絡成為入網節(jié)點； 在此，路由中間節(jié)點為可能路徑中且位于網關與新上電的傳感器節(jié)點之間的節(jié)點；網關選取的值最大的路徑權重參數(shù)對應的可能路徑為能夠均衡流量分配與能量消耗的最優(yōu)路徑；第二部分的具體過程為: bl、每個入網節(jié)點以T2為周期獲取自身的剩余電量；接著對于任意一個入網節(jié)點，當該入網節(jié)點的剩余電量變化量已超過設定的電量變化判定閾值時，該入網節(jié)點將包含自身的剩余電量系數(shù)的路徑維護消息通過該入網節(jié)點的上行路由路徑發(fā)送給網關； b2、網關在收到路徑維護消息后，更新發(fā)送該路徑維護消息的入網節(jié)點的路由權重表中的剩余電量系數(shù)，實現(xiàn)網絡維護； 第三部分的具體過程為: Cl、對于任意一個入網節(jié)點，當該入網節(jié)點斷電離開無線傳感器網絡時成為下電節(jié)點，此時下電節(jié)點的子節(jié)點無法向下電節(jié)點上送數(shù)據； c2、下電節(jié)點的每個子節(jié)點在確定其父節(jié)點斷電后，廣播用于表明其上行路由路徑無法上送數(shù)據的路徑失敗消息； c3、對于任意一個子節(jié)點廣播的路徑失敗消息，收到該路徑失敗消息的每個入網鄰居節(jié)點響應包含自身的路由跳數(shù)和自身的網絡地址的路由參考消息；在此，入網鄰居節(jié)點為能夠收到下電節(jié)點的子節(jié)點廣播的路徑失敗消息的網關和/或傳感器節(jié)點； 當收到該路徑失敗消息的所有入網鄰居節(jié)點中存在網關時，廣播該路徑失敗消息的子節(jié)點將包含下電節(jié)點的網絡地址的路徑更新消息發(fā)送給網關； 當收到該路徑失敗消息的所有入網鄰居節(jié)點中不存在網關時，廣播該路徑失敗消息的子節(jié)點從收到該路徑失敗消息的所有入網鄰居節(jié)點中選擇路由跳數(shù)最小的一個入網鄰居節(jié)點作為廣播該路徑失敗消息的子節(jié)點的上行臨時路由節(jié)點，然后將包含下電節(jié)點的網絡地址的路徑更新消息發(fā)送給上行臨時路由節(jié)點，上行臨時路由節(jié)點在收到路徑更新消息后通過自身的上行路由路徑轉發(fā)，最終轉發(fā)給網關； c4、網關在收到路徑更新消息后，刪除下電節(jié)點的路由權重表以及下電節(jié)點在其他入網節(jié)點的路由權重表中的索引； c5、對于下電節(jié)點的任意一個子節(jié)點，網關遍歷該子節(jié)點的所有潛在父節(jié)點，獲得網關與該子節(jié)點之間的所有可能路徑，網關計算每條可能路徑中的每個路由中間節(jié)點的路由權重參數(shù)，對于任意一條可能路徑，網關將該條可能路徑中的所有路由中間節(jié)點的路由權重參數(shù)中的最小值作為該條可能路徑的路徑權重參數(shù)，網關選取值最大的路徑權重參數(shù)對應的可能路徑作為該子節(jié)點的上行和下行路由路徑，并更新該子節(jié)點的上行路由路徑中的每個路由中間節(jié)點的路由權重表； 在此，該子節(jié)點的潛在父節(jié)點為已經存在的該子節(jié)點的上一跳節(jié)點；路由中間節(jié)點為可能路徑中且位于網關與該子節(jié)點之間的節(jié)點；網關選取的值最大的路徑權重參數(shù)對應的可能路徑為能夠均衡流量分配與能量消耗的最優(yōu)路徑； c6、網關將包含每個子節(jié)點自身的上行路由路徑和下行路由路徑的路徑分配消息發(fā)送給對應的子節(jié)點，每個子節(jié)點在收到路徑分配消息后，保存路徑分配消息中包含的上行路由路徑和下行路由路徑，并按照保存的上行路由路徑上送數(shù)據，至此完成網絡重建。
2.根據權利要求1所述的一種無線傳感器網絡的路由方法，其特征在于所述的步驟al中Tl的取值范圍為[100ms, 1000ms]。
3.根據權利要求1或2所述的一種無線傳感器網絡的路由方法，其特征在于所述的步驟a6中路由中間節(jié)點的路由權重參數(shù)的獲取過程為:對于任意一條可能路徑中的任意一個路由中間節(jié)點,將該路由中間節(jié)點的路由權重參數(shù)記為R,
4.根據權利要求3所述的一種無線傳感器網絡的路由方法，其特征在于所述的步驟bl中取T2為24個小時，該入網節(jié)點的剩余電量變化量為該入網節(jié)點本周期獲取的剩余電量相比較網關上所保存的該入網節(jié)點的剩余電量的減少量，設定的電量變化判定閾值取值為1%。
【文檔編號】H04W40/24GK103813408SQ201410063335
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月25日 優(yōu)先權日:2014年2月25日
【發(fā)明者】張健, 張從連, 黃晁, 李海紅, 侯開宇, 高宇棟 申請人:寧波中科集成電路設計中心有限公司