專利名稱：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)基于節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡的分布式路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于全新綜合路由尺度(Route Scale, RS)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)分布式路由方法。
背景技術(shù)：
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)是一種無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，它由一組傳感器節(jié)點(diǎn)以無(wú)線自組織方式構(gòu)成，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終將這些信息傳送到需要的用戶，而這就要求WSN具備長(zhǎng)期可靠的數(shù)據(jù)匯聚功能。數(shù)據(jù)匯聚技術(shù)是將多份數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行處理，組合出更有效、更符合用戶需求的數(shù)據(jù)的過(guò)程。數(shù)據(jù)匯聚是數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚蓡?wèn)題，是WSN的核心技術(shù)之一。在文獻(xiàn)[Shio Kumar Singh,M P Singh,and D K Singh,“Routing Protocols in Wireless Sensor Networks-A Survey”，IJCSES Vol. 1，No. 2，November 2010 ；]中總結(jié)了當(dāng)前 WSN 中的常見(jiàn)路由協(xié)議，大多以Ad hoc路由協(xié)議為基礎(chǔ),針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景定制而成,缺乏一般場(chǎng)景適應(yīng)性。由于 WSN與傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不同，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于控制流，其節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、無(wú)線帶寬和電池容量有限，周圍復(fù)雜環(huán)境條件的變化、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的失效和新節(jié)點(diǎn)的加入導(dǎo)致WSN 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化。大多數(shù)路由協(xié)議很難適應(yīng)快速變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，造成位于核心位置的局部節(jié)點(diǎn)負(fù)載過(guò)重和能量過(guò)度消耗，大大縮減了 WSN的工作壽命。由于瓶頸節(jié)點(diǎn)限制了整體吞吐量，數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象嚴(yán)重。在面向數(shù)據(jù)匯聚的應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)工作壽命和傳輸可靠性是首要追求目標(biāo)。本發(fā)明因此而來(lái)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種適合一般數(shù)據(jù)匯聚場(chǎng)景的分布式路由算法，在保證WSN數(shù)據(jù)傳輸可靠性的同時(shí)，提高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載整體的均衡度，有效提高網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量和延長(zhǎng)了 WSN的工作壽命，簡(jiǎn)單高效。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的這些問(wèn)題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下—種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)基于節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡的分布式路由方法，其特征在于所述方法包括以下步驟(I)所有節(jié)點(diǎn)按周期T1發(fā)送路由廣播報(bào)文，將節(jié)點(diǎn)自身的路由信息發(fā)送給鄰居節(jié)占.(2)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的路由廣播報(bào)文，更新自身的鄰居節(jié)點(diǎn)列表；(3)節(jié)點(diǎn)根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)列表內(nèi)容，對(duì)候選父節(jié)點(diǎn)列表中各父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道質(zhì)量 (Channel Quality, CQ)監(jiān)控和節(jié)點(diǎn)性能(Node Capability, NC)評(píng)估；(4)每隔周期T2,節(jié)點(diǎn)根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)列表計(jì)算網(wǎng)絡(luò)不均衡度(Network UnBalanced, NUB)，根據(jù)信道質(zhì)量CQ值和節(jié)點(diǎn)性能NC值計(jì)算鏈路可靠性(LinkReliability, LR);并且基于父節(jié)點(diǎn)的不均衡度NUB和鏈路可靠性LR計(jì)算其對(duì)應(yīng)的綜合路由尺度(Route Scale, RS)，其中 T2 < T1 ；(5)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)候選父節(jié)點(diǎn)列表中各父節(jié)點(diǎn)的綜合路由尺度動(dòng)態(tài)選擇最佳路由；當(dāng)父節(jié)點(diǎn)頻繁切換時(shí)，重復(fù)步驟(I)至步驟(5)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由信息的周期性更新。優(yōu)選的，所述方法步驟⑴中使用的路由信息報(bào)文格為〈節(jié)點(diǎn)號(hào)ID，路由更新次數(shù) C，節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)Η0Ρ，網(wǎng)絡(luò)不均衡度NUB〉。優(yōu)選的，所述方法步驟(I)中無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)C = O、NUB = 1， Sink節(jié)點(diǎn)的HOP = 0，其余節(jié)點(diǎn)HOP值為無(wú)窮大。優(yōu)選的，所述方法步驟(2)中更新自身的鄰居節(jié)點(diǎn)列表步驟是根據(jù)報(bào)文中HOP和本地路由表HOP值的大小比較結(jié)果來(lái)進(jìn)行的；如果廣播報(bào)文中HOP小于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)HOP值，則將該節(jié)點(diǎn)存放入候選父節(jié)點(diǎn)列表，否則放入子節(jié)點(diǎn)列表。優(yōu)選的，所述方法步驟(2)中節(jié)點(diǎn)的負(fù)載不均衡度NUB等于以其為根的子樹(shù)所包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)之和，其中葉子節(jié)點(diǎn)的NUB為1，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的NUB為其所有直接孩子NUB值的和 +1，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載不均衡度NUB為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的NUB值之和。優(yōu)選的，所述方法步驟(3)中候選父節(jié)點(diǎn)列表中每一個(gè)候選父節(jié)點(diǎn)按式(I)計(jì)算它的CQ值
權(quán)利要求
1.一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)基于節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡的分布式路由方法，其特征在于所述方法包括以下步驟(1)所有節(jié)點(diǎn)按周期T1發(fā)送路由廣播報(bào)文，將節(jié)點(diǎn)自身的路由信息發(fā)送給鄰居節(jié)點(diǎn)；(2)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的路由廣播報(bào)文，更新自身的鄰居節(jié)點(diǎn)列表；(3)節(jié)點(diǎn)根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)列表內(nèi)容，對(duì)候選父節(jié)點(diǎn)列表中各父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道質(zhì)量 (Channel Quality, CQ)監(jiān)控和節(jié)點(diǎn)性能(Node Capability, NC)評(píng)估；(4)每隔周期T2,節(jié)點(diǎn)根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)列表計(jì)算網(wǎng)絡(luò)不均衡度(NetworkUnBalanced, NUB)，根據(jù)信道質(zhì)量CQ值和節(jié)點(diǎn)性能NC值計(jì)算鏈路可靠性(Link Reliability, LR);并且基于父節(jié)點(diǎn)的不均衡度NUB和鏈路可靠性LR計(jì)算其對(duì)應(yīng)的綜合路由尺度(Route Scale, RS)，其中 T2CT1 ；(5)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)候選父節(jié)點(diǎn)列表中各父節(jié)點(diǎn)的綜合路由尺度動(dòng)態(tài)選擇最佳路由；當(dāng)父節(jié)點(diǎn)頻繁切換時(shí)，重復(fù)步驟(I)至步驟(5)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由信息的周期性更新。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述方法步驟(I)中使用的路由信息報(bào)文格為〈節(jié)點(diǎn)號(hào)ID，路由更新次數(shù)C，節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)Η0Ρ，網(wǎng)絡(luò)不均衡度NUB〉。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述方法步驟(I)中無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)c=0、NUB=I, Sink節(jié)點(diǎn)的Η0Ρ=0，其余節(jié)點(diǎn)HOP值為無(wú)窮大。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述方法步驟(2)中更新自身的鄰居節(jié)點(diǎn)列表步驟是根據(jù)報(bào)文中HOP和本地路由表HOP值的大小比較結(jié)果來(lái)進(jìn)行的；如果廣播報(bào)文中HOP小于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)HOP值，則將該節(jié)點(diǎn)存放入候選父節(jié)點(diǎn)列表，否則放入子節(jié)點(diǎn)列表。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述方法步驟(2)中節(jié)點(diǎn)的負(fù)載不均衡度 NUB等于以其為根的子樹(shù)所包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)之和，其中葉子節(jié)點(diǎn)的NUB為1，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的NUB 為其所有直接孩子NUB值的和+1，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載不均衡度NUB為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的NUB 值之和。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述方法步驟(3)中候選父節(jié)點(diǎn)列表中每一個(gè)候選父節(jié)點(diǎn)按式(I)計(jì)算它的CQ值CQ = (1 HCQm-)+ fiHCQ) CD；其中信道質(zhì)量值表示節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)之間一跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?，CQ是預(yù)測(cè)當(dāng)前的全局信道質(zhì)量值，CQpm代表之前已經(jīng)獲得的全局信道質(zhì)量值，@是最近十次數(shù)據(jù)傳輸成功率的平均值，以和均為可調(diào)節(jié)的常數(shù)因子且滿足漢+ #=1'以鄭[111];當(dāng)進(jìn)行下一輪預(yù)測(cè)開(kāi)始時(shí)，CQpm取當(dāng)前的CQ值參與運(yùn)算，依次進(jìn)行后續(xù)信道質(zhì)量值的預(yù)測(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述方法步驟(3)中候選父節(jié)點(diǎn)列表中每一個(gè)候選父節(jié)點(diǎn)按式(II)計(jì)算它的NC值 其中表示節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，MF—表示整個(gè)WSN中各節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的最大跳數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述方法步驟(4)中鏈路可靠性LR值通過(guò)式(III)進(jìn)行計(jì)算
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述方法步驟(5)中當(dāng)節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，從父節(jié)點(diǎn)候選列表中選擇RS最小的節(jié)點(diǎn)作為此次數(shù)據(jù)發(fā)送的父節(jié)點(diǎn)，并監(jiān)控此次數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述方法步驟(5)中節(jié)點(diǎn)在候選父節(jié)點(diǎn)之間是否進(jìn)行頻繁切換通過(guò)路由切換敏感因子#來(lái)判斷；當(dāng)#滿足式(V)時(shí)進(jìn)行路由切換，否則不進(jìn)行路由切換
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)基于節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡的分布式路由方法，使用全新綜合衡量路由性能的路由尺度，基于局部信息實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)路由決策，在保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的同時(shí)，使網(wǎng)絡(luò)整體負(fù)載分配均衡化，延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作壽命，同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量，為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由選擇提供了一種簡(jiǎn)單有效的方法。
文檔編號(hào)H04W28/08GK102595505SQ201210063110
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月12日
發(fā)明者徐宏力, 謝杰濤, 郭偉杰, 黃劉生 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州研究院