專利名稱：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)路由軟切換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由切換方法，特別是一種應(yīng)用于小規(guī)模、節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)路由軟切換方法。
背景技術(shù)：
隨著無(wú)線通信、集成電路、傳感器以及微機(jī)電系統(tǒng)等技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)也日益成熟。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織的方式組成網(wǎng)絡(luò)、相互協(xié)作地感知、采集并處理監(jiān)測(cè)區(qū)域的測(cè)量信息。憑借著自組織、低成本、低功耗、多功能等特點(diǎn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著廣闊的應(yīng)用前景。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一就是路由協(xié)議。路由協(xié)議主要負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸路徑，并正確轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。路由協(xié)議的設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能有著重要影響。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)的能量有限且不能補(bǔ)充，因此，路由協(xié)議應(yīng)該考慮路徑的能耗大小以及平衡性，從而高效地利用能量，達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的目的。另外，由于節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力以及存儲(chǔ)能力有限，因此，路由協(xié)議應(yīng)簡(jiǎn)單高效。目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究主要考慮了時(shí)延、控制開(kāi)銷、能量有效、數(shù)據(jù)融合等指標(biāo)，提出了以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議、能量感知路由協(xié)議、層次路由協(xié)議、平面路由協(xié)議、支持QoS 的路由協(xié)議等，從而實(shí)現(xiàn)了高能效、低時(shí)延的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。然而，許多路由協(xié)議并沒(méi)有考慮到節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性高的情況。通常，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)從一個(gè)路由器的覆蓋范圍進(jìn)入另一個(gè)路由器的覆蓋范圍時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)有一段時(shí)間斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其發(fā)現(xiàn)自身斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)后，再通過(guò)重新加入網(wǎng)絡(luò)的方式連入網(wǎng)絡(luò)。如果節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性能較高，則會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失，導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降。因此，有必要研究一種路由切換方法，來(lái)有效地解決節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過(guò)程中斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題，從而降低數(shù)據(jù)丟失率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)路由軟切換方法，根據(jù)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)狀態(tài)，靈活地切換路由節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而有效避免節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過(guò)程中的短暫脫離網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，以降低數(shù)據(jù)丟失率；同時(shí)，本發(fā)明在路由切換過(guò)程中引入了對(duì)路由器能量以及全局能量的均衡處理機(jī)制，進(jìn)而能夠有效延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，適用于小規(guī)模、節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。為達(dá)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)路由軟切換方法，通過(guò)路由器申請(qǐng)保證時(shí)隙、終端節(jié)點(diǎn)初始路由建立及初始路由軟切換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，再運(yùn)用路由器保證時(shí)隙及路由更新算法以及終端節(jié)點(diǎn)路由軟切換算法根據(jù)節(jié)點(diǎn)不同狀態(tài)自適應(yīng)地切換路由，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，其特征在于操作步驟為(1)路由器保證時(shí)隙申請(qǐng)及初始路由建立、(2)終端節(jié)點(diǎn)路由建立及初始路由軟切換、(3)路由器保證時(shí)隙及路由更新、(4)終端節(jié)點(diǎn)路由軟切換、 (5)數(shù)據(jù)傳輸；所述步驟(1)路由器保證時(shí)隙申請(qǐng)及初始路由建立是路由器通過(guò)監(jiān)聽(tīng)信標(biāo)獲得同步信息，記錄跳數(shù)力以及每跳剩余能量盡等信息，并根據(jù)每跳剩余能量盡計(jì)算平均剩余能量Λ以及剩余能量的方差σ2，再根據(jù)這些信息建立初始路由并發(fā)送保證時(shí)隙請(qǐng)求， 協(xié)調(diào)器根據(jù)跳數(shù)完成保證時(shí)隙的分配；所述步驟(2)終端節(jié)點(diǎn)路由建立及初始路由軟切換是終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)收集通信范圍內(nèi)路由器的信息，選擇并通知目標(biāo)路由器，而路由器將自身攜帶節(jié)點(diǎn)的信息以及能量信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器進(jìn)行整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息整合并向路由器反饋網(wǎng)絡(luò)信息，路由器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信息強(qiáng)制終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始路由軟切換；所述步驟(3) 路由器保證時(shí)隙及路由更新是路由器監(jiān)聽(tīng)信標(biāo)，獲得節(jié)點(diǎn)號(hào)、跳數(shù)力以及每跳剩余能量盡等信息，并根據(jù)每跳剩余能量盡計(jì)算平均剩余能量A以及剩余能量的方差σ 2，再根據(jù)這些信息更新路由器保證時(shí)隙以及路由；所述步驟(4)終端節(jié)點(diǎn)路由軟切換是終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收信標(biāo)幀，記錄信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行排序，選擇目標(biāo)路由器；所述步驟(5)數(shù)據(jù)傳輸是終端節(jié)點(diǎn)以及路由器監(jiān)聽(tīng)信標(biāo)獲得同步信息，然后終端節(jié)點(diǎn)在競(jìng)爭(zhēng)時(shí)期向目標(biāo)路由器發(fā)送數(shù)據(jù)，其中目標(biāo)路由器是由終端節(jié)點(diǎn)路由軟切換算法根據(jù)終端節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)情況來(lái)確定的，路由器將收到的來(lái)自不同終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后在保證時(shí)隙向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，其中路由器發(fā)送的時(shí)隙以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的路徑由路由器保證時(shí)隙更新算法根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)確定。上述步驟(1)路由器保證時(shí)隙申請(qǐng)及初始路由建立過(guò)程是協(xié)調(diào)器發(fā)送信標(biāo)，并且初始跳數(shù)設(shè)為0 ；路由器打開(kāi)計(jì)時(shí)器、監(jiān)聽(tīng)信標(biāo)幀，并根據(jù)信標(biāo)幀獲得同步信息如信標(biāo)周期、競(jìng)爭(zhēng)時(shí)期的結(jié)束時(shí)間；路由器記錄信標(biāo)幀中相關(guān)信息如路徑的跳數(shù)力以及每跳剩余能量盡；路由器根據(jù)每跳剩余能量盡計(jì)算該路徑的剩余能量總和氏、平均剩余能量A和剩
k ι
余能量的方差"2，其中
權(quán)利要求
1.一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)路由軟切換方法，通過(guò)路由器申請(qǐng)保證時(shí)隙、終端節(jié)點(diǎn)初始路由建立及初始路由軟切換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，再運(yùn)用路由器保證時(shí)隙及路由更新算法以及終端節(jié)點(diǎn)路由軟切換算法根據(jù)節(jié)點(diǎn)不同狀態(tài)自適應(yīng)地切換路由，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，其特征在于操作步驟為(1)路由器保證時(shí)隙申請(qǐng)及初始路由建立、(2)終端節(jié)點(diǎn)路由建立及初始路由軟切換、(3)路由器保證時(shí)隙及路由更新、(4)終端節(jié)點(diǎn)路由軟切換、 (5)數(shù)據(jù)傳輸；所述步驟(1)路由器保證時(shí)隙申請(qǐng)及初始路由建立是路由器通過(guò)監(jiān)聽(tīng)信標(biāo)獲得同步信息，記錄跳數(shù)力以及每跳剩余能量盡信息，并根據(jù)每跳剩余能量盡計(jì)算平均剩余能量Λ以及剩余能量的方差σ2，再根據(jù)這些信息建立初始路由并發(fā)送保證時(shí)隙請(qǐng)求， 協(xié)調(diào)器根據(jù)跳數(shù)完成保證時(shí)隙的分配；所述步驟(2)終端節(jié)點(diǎn)路由建立及初始路由軟切換是終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)收集通信范圍內(nèi)路由器的信息，選擇并通知目標(biāo)路由器，而路由器將自身攜帶節(jié)點(diǎn)的信息以及能量信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器進(jìn)行整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息整合并向路由器反饋網(wǎng)絡(luò)信息，路由器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信息強(qiáng)制終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始路由軟切換；所述步驟(3) 路由器保證時(shí)隙及路由更新是路由器監(jiān)聽(tīng)信標(biāo)，獲得節(jié)點(diǎn)號(hào)、跳數(shù)力以及每跳剩余能量盡信息，并根據(jù)每跳剩余能量盡計(jì)算平均剩余能量A以及剩余能量的方差σ 2，再根據(jù)這些信息更新路由器保證時(shí)隙以及路由；所述步驟(4)終端節(jié)點(diǎn)路由軟切換是終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收信標(biāo)幀，記錄信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行排序，選擇目標(biāo)路由器；所述步驟(5)數(shù)據(jù)傳輸是終端節(jié)點(diǎn)以及路由器監(jiān)聽(tīng)信標(biāo)獲得同步信息，然后終端節(jié)點(diǎn)在競(jìng)爭(zhēng)時(shí)期向目標(biāo)路由器發(fā)送數(shù)據(jù)，其中目標(biāo)路由器是由終端節(jié)點(diǎn)路由軟切換算法根據(jù)終端節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)情況來(lái)確定的，路由器將收到的來(lái)自不同終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后在保證時(shí)隙向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，其中路由器發(fā)送的時(shí)隙以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的路徑是由路由器保證時(shí)隙更新算法根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)確定的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)路由軟切換方法，其特征在于所述步驟(1)路由器保證時(shí)隙申請(qǐng)及初始路由建立過(guò)程是協(xié)調(diào)器發(fā)送信標(biāo)，并且初始跳數(shù)設(shè)為0 ；路由器打開(kāi)計(jì)時(shí)器、監(jiān)聽(tīng)信標(biāo)幀，并根據(jù)信標(biāo)幀獲得同步信息，包括信標(biāo)周期、競(jìng)爭(zhēng)時(shí)期的結(jié)束時(shí)間；路由器記錄信標(biāo)幀中相關(guān)信息，包括路徑的跳數(shù)力以及每跳剩余能量盡；路由器根據(jù)每跳剩余能量盡計(jì)算該路徑的剩余能量總和氏、平均剩余能量Λ和剩余能量的方差“2，其中，
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)路由軟切換方法，其特征在于所述步驟(2)終端節(jié)點(diǎn)路由建立及初始路由軟切換是在一個(gè)信標(biāo)周期內(nèi)，終端節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)幀，并將信標(biāo)幀的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行排序，選出信號(hào)強(qiáng)度最大的路由器作為目標(biāo)路由器并向目標(biāo)路由器發(fā)送路由連接命令以及其備用路由器的信息；路由器將收到的終端節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行匯總，得到攜帶的終端節(jié)點(diǎn)編號(hào)以及該終端節(jié)點(diǎn)的備用路由器，然后將自己攜帶的終端節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)i/以及自身剩余能量盡發(fā)送給協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器收集所有路由器的信息后，計(jì)算路由器平均終端節(jié)點(diǎn)數(shù)/7，并將此信息通過(guò)廣播的方式發(fā)送給路由器；路由器將自己攜帶的終端節(jié)點(diǎn)數(shù)i/與平均終端節(jié)點(diǎn)數(shù)/7進(jìn)行比較，若i/ ^ /7則路由建立完畢，若i/ > /7則說(shuō)明該路由器攜帶過(guò)多終端節(jié)點(diǎn)，因此，路由器在具有備用路由器的終端節(jié)點(diǎn)中選擇、d-p)個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，向這些終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送強(qiáng)制切換路由命令；需要切換路由的終端節(jié)點(diǎn)收到強(qiáng)制切換路由命令后，向備用路由器發(fā)送連接命令，備用路由器根據(jù)自身攜帶終端節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)判斷是否允許該終端節(jié)點(diǎn)加入，若備用路由器允許該終端節(jié)點(diǎn)加入，則終端節(jié)點(diǎn)完成路由切換， 否則終端節(jié)點(diǎn)仍連接于原路由器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)路由軟切換方法，其特征在于所述步驟(3)路由器保證時(shí)隙及路由更新的過(guò)程是路由器打開(kāi)計(jì)時(shí)器、監(jiān)聽(tīng)信標(biāo)幀；路由器記錄信標(biāo)幀中相關(guān)信息如路徑的跳數(shù)力以及每跳剩余能量盡；路由器根據(jù)每跳剩余能量盡計(jì)算該路徑的剩余能量總和盡、平均剩余能量λ和剩余能量的方差σ2，其中耳乓， A,,,2 ；將平均剩余能量Λ與門斷比較為小于門斷說(shuō)明該路徑的能量不足，則不選擇該路徑并將該信標(biāo)信息刪除，否則，路由器將跳數(shù)加一，并將自身節(jié)點(diǎn)的剩余能量值加入信標(biāo)幀中，等待隨機(jī)延時(shí)后，轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)幀；當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出，路由器開(kāi)始更新路徑，若收到的信標(biāo)幀中存在原上層路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的信標(biāo)幀，則路由器不切換原上層路由節(jié)點(diǎn)，并且路由器的保證時(shí)隙不變，路由器保證時(shí)隙更新結(jié)束；若收到的信標(biāo)幀中不存在原上層路由節(jié)點(diǎn)，則路由器更新路徑以及保證時(shí)隙，首先比較各路徑的跳數(shù)力，得到最小跳數(shù)九，選擇跳數(shù)最小的路徑，若有多條具有最小跳數(shù)的路徑則比較這些路徑的平均剩余能量A，選擇具有最大平均剩余能量Am的路徑，若有多條路徑具有最大的平均剩余能量Am，則比較剩余能量的方差σ2，選擇σ2最小的路徑并確定上層路由節(jié)點(diǎn)；當(dāng)路由器選擇好路徑及上層路由節(jié)點(diǎn)后判斷路由器跳數(shù)是否變化，若不變則路由器保證時(shí)隙不變，若跳數(shù)變化則路由器在競(jìng)爭(zhēng)時(shí)期，向協(xié)調(diào)器發(fā)送保證時(shí)隙更新請(qǐng)求；協(xié)調(diào)器根據(jù)跳數(shù)重新分配保證時(shí)隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)路由軟切換方法，其特征在于所述步驟(4)終端節(jié)點(diǎn)路由軟切換的過(guò)程是首先，終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化，檢測(cè)次數(shù)設(shè)為變量/7， 將《設(shè)為0，信號(hào)強(qiáng)度最大的路由器編號(hào)設(shè)為變量 ，將 設(shè)為0，每個(gè)路由器獲得最大信號(hào)強(qiáng)度的次數(shù)設(shè)為數(shù)組c，將c設(shè)為0 ；終端節(jié)點(diǎn)打開(kāi)計(jì)時(shí)器，開(kāi)始接收來(lái)自路由器的信標(biāo)幀， 記錄每個(gè)信標(biāo)幀的信號(hào)強(qiáng)度S ；根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度S進(jìn)行排序，選出信號(hào)強(qiáng)度最大的路由器編號(hào)并將其記錄在變量 中；當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出，一輪排序完畢，查看此時(shí)變量 的值，即為此輪排序中，具有最大的信號(hào)強(qiáng)度的路由器編號(hào)；若 的值與當(dāng)前路由器編號(hào)相同，則不切換路由， 否則將數(shù)組c中相應(yīng)編號(hào)的值增加1，并再一次執(zhí)行新一輪的排序；當(dāng)執(zhí)行完5輪排序之后，將數(shù)組c中的值進(jìn)行排序，選擇c中最大值所對(duì)應(yīng)的路由器編號(hào)作為目標(biāo)路由器，完成終端節(jié)點(diǎn)的路由軟切換。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)路由軟切換方法，其特征在于所述步驟(5)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程是終端節(jié)點(diǎn)、路由器監(jiān)聽(tīng)信標(biāo)，獲得同步信息；終端節(jié)點(diǎn)在競(jìng)爭(zhēng)時(shí)期通過(guò)CSMA/CA機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道并將數(shù)據(jù)發(fā)送給目標(biāo)路由器，其中目標(biāo)路由器是由終端節(jié)點(diǎn)路由軟切換算法根據(jù)終端節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)情況來(lái)確定的；路由器將收到的來(lái)自不同終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)集合成一個(gè)數(shù)據(jù)包，并在自己的保證時(shí)隙將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，其中路由器發(fā)送的時(shí)隙以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的路徑由路由器保證時(shí)隙更新算法根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)確定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)路由軟切換方法。其操作步驟為路由器保證時(shí)隙申請(qǐng)及初始路由建立、終端節(jié)點(diǎn)路由建立及初始路由軟切換、路由器保證時(shí)隙及路由更新、終端節(jié)點(diǎn)路由軟切換和數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明能夠根據(jù)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)狀態(tài)，靈活地切換路由節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而有效避免節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過(guò)程中的短暫脫離網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，以降低數(shù)據(jù)丟失率；同時(shí)，本發(fā)明在路由切換過(guò)程中引入了對(duì)路由器能量以及全局能量的均衡處理機(jī)制，進(jìn)而能夠有效延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，適用于小規(guī)模、節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號(hào)H04W84/18GK102291791SQ20111026399
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月8日
發(fā)明者何穎強(qiáng), 劉捷, 張金藝, 朱泳, 李嬌, 楊乾星, 查肇祥 申請(qǐng)人:上海大學(xué)