專利名稱：基于分簇與rrep廣播的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及網(wǎng)絡(luò)路由方法，具體地說是一種基于分簇與RREP(Route R印ly，路由響應(yīng))廣播的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法，用于在傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng) 絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)之間選擇一條恰當(dāng)?shù)膫鬏斅窂剑箓鞲衅鳈z測(cè)的數(shù)據(jù)順利地到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)。
背景技術(shù)：
近年來基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Network)產(chǎn)生了許多應(yīng)用， 如環(huán)境監(jiān)控、軍事領(lǐng)域監(jiān)視等，在這些應(yīng)用中，通過在區(qū)域內(nèi)部署微小的傳感器，可以輕松 地獲取環(huán)境的溫度、壓力、濕度和化學(xué)反應(yīng)活動(dòng)等參數(shù)信息。然而，由于功率限制、物理損 害或者環(huán)境因素的干擾等影響，這些傳感器節(jié)點(diǎn)可能不能恰當(dāng)?shù)毓ぷ鳎虼藗鞲衅鞯拿芗?部署成為必需，但是密集部署也會(huì)帶來一系列問題，如碰撞概率的增加、數(shù)據(jù)的冗余傳輸?shù)却?。為了解決大規(guī)模WSN中出現(xiàn)的一系列問題，尤其是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加出現(xiàn)的能 量消耗過大問題，對(duì)網(wǎng)絡(luò)分簇已逐漸被采用，成為延伸網(wǎng)絡(luò)范圍的有效手段。與無分簇的機(jī) 制相比，分簇可以明顯提高能量效率，減少信道競(jìng)爭(zhēng)和分組碰撞，并最終提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。 究其根本，分簇是將網(wǎng)絡(luò)分成兩個(gè)層次，簇頭(OiClusterHead)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)(GW，GateWay) 節(jié)點(diǎn)構(gòu)成高層，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)組成低層，將采集的數(shù)據(jù) 發(fā)往所屬的CH節(jié)點(diǎn)。自從分簇機(jī)制被提出以后出現(xiàn)了很多基于網(wǎng)絡(luò)分簇的路由協(xié)議，而大部分的分簇 協(xié)議僅考慮能量利用率和網(wǎng)絡(luò)壽命，并未考慮網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)展問題。如LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)協(xié)議周期地建立分簇結(jié)構(gòu)，并在每次建簇時(shí)隨機(jī)選取CH 節(jié)點(diǎn)，用以平衡所有節(jié)點(diǎn)的能量消耗，從而延長網(wǎng)絡(luò)壽命(W. Heinzelman, A. Chandrakasan, and H. Balakrishnan, "An Application-Specific ProtocolArchitecture for Wireless Microsensor Networks，，，IEEE Transactions on WirelessCommunications, 2002,1 (4), PP. 660-670)。與無分簇的路由協(xié)議相比，以上分簇路由協(xié)議可以明顯減少節(jié)點(diǎn)因?yàn)樨?fù)荷過 重而導(dǎo)致能量耗盡的情況，并延長網(wǎng)絡(luò)生存期，但該協(xié)議僅將延長網(wǎng)絡(luò)生存期作為協(xié)議設(shè) 計(jì)目標(biāo)，并未提出有效地?cái)U(kuò)展網(wǎng)絡(luò)范圍的方法。近年來，更多的增強(qiáng)型的分簇協(xié)議被提出U E. Astier, A. Hafid, and A. Benslimane ^A, ^i^^； "Energy and Mobility AwareClustering Technique for Multicast Routing Protocols in Wireless Ad Hoc Networks，，，IEEE Wireless Communications and Networking Conference, Budapest, Hungary, 5-8Apr. 2009中，提出了通過優(yōu)化CH節(jié)點(diǎn)的選舉機(jī)制，即選擇剩余能量較多的并 且較為穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)作為CH節(jié)點(diǎn)，從而減少了分簇重建的次數(shù)并延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。該協(xié)議中 對(duì)網(wǎng)絡(luò)分組是在區(qū)域內(nèi)事件發(fā)生以前進(jìn)行，并周期性地更換CH節(jié)點(diǎn)，結(jié)果導(dǎo)致大量協(xié)議分 組的產(chǎn)生，從而不利于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)展。2、M. Gerla等人提出被動(dòng)分簇(Passive Clustering, PC)的概念，即網(wǎng)絡(luò)中的分簇是按需進(jìn)行(M.Gerla，Τ· J.Kwon，and G. Pei ,"On Demand Routing in Large Ad HocWireless Networks with Passive Clustering”， IEEE Wireless Communications andNetworking Conference，Chicago，IL, United States,23-28Sep. 2000，pp.100-105)。 PC通過將具體的協(xié)議信息附加在待發(fā)送的分組中，無需為網(wǎng)絡(luò)分簇設(shè)計(jì)新的協(xié)議分組， 從而減少了路由建立時(shí)間和協(xié)議開銷。圖1描述了利用PC進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分簇時(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移 圖，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有四個(gè)可能的狀態(tài)和一個(gè)內(nèi)部狀態(tài)，即INITIAL，CLUSTERHEAD，ORDINARY, GATEWAY, CLUSTERHEAD_READY，其中CLUSTERHEAD_READY為內(nèi)部狀態(tài)，最初所有節(jié)點(diǎn)處于 INITIAL狀態(tài)，直到收到MAC分組時(shí)才發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移，例如，若節(jié)點(diǎn)處于INITIAL狀態(tài)，收 到來自非CH節(jié)點(diǎn)的分組，同時(shí)需要轉(zhuǎn)發(fā)該分組時(shí)，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到CLUSTERHEAD_ READY,并在成功轉(zhuǎn)發(fā)后其狀態(tài)轉(zhuǎn)移到CLUSTERHEAD。類似地，若節(jié)點(diǎn)處于ORDINARY狀態(tài)，說 明當(dāng)期節(jié)點(diǎn)已監(jiān)聽到一個(gè)CH節(jié)點(diǎn)，若此時(shí)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)收到另外一個(gè)CH節(jié)點(diǎn)的分組，即該節(jié)點(diǎn) 處于兩個(gè)簇的交叉范圍內(nèi)，則該節(jié)點(diǎn)在待發(fā)送的分組中插入GATEWAY狀態(tài)，并進(jìn)行狀態(tài)聲 明，待分組成功發(fā)送后，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入GATEWAY狀態(tài)。同樣，其他狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖中所示，該狀態(tài)轉(zhuǎn) 移圖保證了網(wǎng)絡(luò)分簇的順利進(jìn)行。M. Gerla等人在上述文中的最后提出將PC機(jī)制應(yīng)用到AODV(Ad hocOn-Demand Distance Vector Routing)協(xié)議中，S卩A0DV/PC協(xié)議。該協(xié)議通過僅允許關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)即CH節(jié) 點(diǎn)和GW節(jié)點(diǎn)對(duì)路由請(qǐng)求分組(RREQ，Route Request)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而限制普通節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，從 而抑制了廣播分組的冗余傳輸，大大降低了網(wǎng)絡(luò)中的控制開銷，在一定程度上擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò) 范圍。PC機(jī)制在AODV協(xié)議中的應(yīng)用解決了之前分簇協(xié)議未考慮網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的問題，但當(dāng) A0DV/PC應(yīng)用于WSN時(shí)卻表現(xiàn)下列不足(1)A0DV/PC協(xié)議應(yīng)用于點(diǎn)到點(diǎn)的通信方式，而WSN場(chǎng)景中因?yàn)閰R聚節(jié)點(diǎn)的特殊 性，多個(gè)節(jié)點(diǎn)與相同匯聚節(jié)點(diǎn)的通信成為主要通信方式，當(dāng)將A0DV/PC應(yīng)用于WSN時(shí)造成多 條單個(gè)節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)路由建立，從而引入較多的控制開銷；(2)該協(xié)議在應(yīng)用PC機(jī)制時(shí)，節(jié)點(diǎn)在聲明分簇狀態(tài)之前隨機(jī)推遲一段時(shí)間，而該 時(shí)間的隨機(jī)延遲將導(dǎo)致簇與簇重疊范圍的過大，最終將導(dǎo)致GW節(jié)點(diǎn)增多和網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能 耗增加；(3)A0DV/PC并未解決能量利用率的提高問題，而節(jié)點(diǎn)能量直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的壽 命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免上述A0DV/PC協(xié)議應(yīng)用于WSN時(shí)的不足，提出一種基于分 簇與RREP廣播的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法，以減少路由建立次數(shù)并減少路由建立過程 中的控制開銷、降低網(wǎng)絡(luò)總體能耗、提高能量利用率并延長網(wǎng)絡(luò)壽命。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是在A0DV/PC協(xié)議的基礎(chǔ)上，依據(jù)大規(guī)模WSN的具體 場(chǎng)景，進(jìn)行路由建立和網(wǎng)絡(luò)分簇，實(shí)現(xiàn)步驟包括如下(1)路由建立步驟la)源節(jié)點(diǎn)S構(gòu)造RREQ分組并將其以廣播方式發(fā)送，鄰節(jié)點(diǎn)N收到該分組后對(duì)其 進(jìn)行廣播轉(zhuǎn)發(fā)，直到RREQ到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)D或者一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)R，該中間節(jié)點(diǎn)具有到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)D的路由；lb)匯聚節(jié)點(diǎn)D或某個(gè)中間節(jié)點(diǎn)R在收到RREQ分組之后，檢查該分組經(jīng)歷的跳數(shù) 值是否超過其曾經(jīng)回復(fù)的RREP分組的最大跳數(shù)值，若超過，則構(gòu)造RREP分組并將其廣播轉(zhuǎn) 發(fā)，否則忽略該路由請(qǐng)求；Ic)在RREP分組廣播過程中，中間節(jié)點(diǎn)R緩存或刷新到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)D的路由，并檢 查RREP分組經(jīng)歷的跳數(shù)是否超過門限值，若是則將其丟棄，否則繼續(xù)對(duì)該分組進(jìn)行廣播轉(zhuǎn) 發(fā)；
Id)源節(jié)點(diǎn)S收到RREP分組后，對(duì)該RREP分組中的路由進(jìn)行緩存，并將待發(fā)送的 數(shù)據(jù)沿該路由發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)D，發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)自適應(yīng)調(diào)整發(fā)送功率；(2)網(wǎng)絡(luò)分簇步驟 在RREQ或RREP分組廣播過程中，所有節(jié)點(diǎn)在聲明分簇狀態(tài)之前，先根據(jù)由距離決 定的時(shí)間延遲機(jī)制確定推遲的時(shí)間，再按照PC機(jī)制通過在待發(fā)送的分組中附加自己的分 簇狀態(tài)，完成網(wǎng)絡(luò)分簇。本發(fā)明與A0DV/PC協(xié)議相比具有以下特點(diǎn)1、本發(fā)明由于其路由建立是通過廣播回復(fù)RREP分組完成，使中間節(jié)點(diǎn)可以獲得 該RREP分組，并將其中的路由緩存到本地路由表，以便待有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)無需啟動(dòng)新的路由 建立，從而減少控制分組的數(shù)量，降低了路由建立時(shí)間；同時(shí)由于RREP分組的廣播回復(fù)受 跳數(shù)限制，使其傳播范圍不致太大，減少系統(tǒng)控制開銷；2、本發(fā)明由于采用了距離決定推遲時(shí)間機(jī)制，克服了時(shí)間的隨機(jī)選取帶來的不 足，有利于減少簇與簇之間的重疊，從而減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，并最終減少控制 開銷和能量消耗；3、本發(fā)明采用的功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制有利于根據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)近程 度自適應(yīng)調(diào)節(jié)發(fā)送功率，一方面減少能量消耗，另一方面降低節(jié)點(diǎn)彼此之間的干擾。以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述


圖1現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)分簇狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖；圖2本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)路由流程圖；圖3是PC機(jī)制中推遲時(shí)間的隨機(jī)選取對(duì)簇與簇之間重疊范圍的影響示意圖；圖4是本發(fā)明路由過程中由距離決定的時(shí)間延遲機(jī)制對(duì)簇與簇重疊范圍的影響 示意圖；圖5是本發(fā)明與A0DV/PC協(xié)議仿真對(duì)比結(jié)果顯示示意圖。
具體實(shí)施例方式一.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)處于靜止?fàn)顟B(tài)；網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，用以收集傳感 器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，所有的傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)都是隨機(jī)分布；所有傳感器節(jié)點(diǎn)都具有 相同的能力，如數(shù)據(jù)處理能力、初始能量、通信能力等，匯聚節(jié)點(diǎn)具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力， 且不具有能量限制；所有節(jié)點(diǎn)部署之后不需要人為管理；并假設(shè)基于信號(hào)強(qiáng)度估計(jì)距離的算法可用。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)，并且其分簇狀態(tài)處于ORDINARY時(shí)，該數(shù)據(jù)直接被發(fā)往 所屬的CH節(jié)點(diǎn)，而當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于INITIAL、CLUSTERHEAD或者GATEWAY狀態(tài)且無到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn) 的路由時(shí)，則需要啟動(dòng)路由建立過程。同時(shí)，本發(fā)明依據(jù)PC機(jī)制進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分簇，網(wǎng)絡(luò)分簇發(fā) 生在控制分組傳播過程中，并且控制分組只在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之間傳播，于是減少了控制分組的 冗余傳輸。二.路由設(shè)計(jì)的具體實(shí)施參照?qǐng)D2，本發(fā)明的路由步驟如下步驟1，源節(jié)點(diǎn)構(gòu)造RREQ分組及RREQ分組的傳播過程。la)源節(jié)點(diǎn)S在需要發(fā)送數(shù)據(jù)且沒有可用路由時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)新的RREQ分組，在該分 組中加入源節(jié)點(diǎn)S的地址和序列號(hào)，并將分組經(jīng)歷的跳數(shù)值設(shè)置為零；lb)源節(jié)點(diǎn)S將該RREQ分組廣播發(fā)送，鄰節(jié)點(diǎn)N在收到該分組之后，根據(jù)分組的源 節(jié)點(diǎn)地址和序列號(hào)，檢查本節(jié)點(diǎn)是否收到過相同的RREQ分組，若收到過，則將其丟棄，否則 將分組經(jīng)歷的跳數(shù)值加一，并將該分組緩存在本地；Ic)在轉(zhuǎn)發(fā)RREQ分組之前，鄰節(jié)點(diǎn)N根據(jù)由距離決定的時(shí)間延遲機(jī)制確定推遲的 時(shí)間，再按照PC機(jī)制通過在待發(fā)送的分組中附加自己的分簇狀態(tài)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分簇，推遲一段 時(shí)間之后鄰節(jié)點(diǎn)N對(duì)該RREQ進(jìn)行廣播轉(zhuǎn)發(fā)，直到該分組到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)D或者某個(gè)中間節(jié)點(diǎn) R，該中間節(jié)點(diǎn)R具有到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)D的路由。本發(fā)明擯棄PC機(jī)制中推遲時(shí)間的隨機(jī)選擇機(jī)制，采用由距離決定的時(shí)間延遲機(jī) 制確定推遲時(shí)間，是因?yàn)橥七t時(shí)間的隨機(jī)選擇容易造成如圖3所示的簇與簇之間重疊范圍 較大。詳細(xì)來講，節(jié)點(diǎn)CHl通過在分組中攜帶分簇狀態(tài)而成功聲明，在其信號(hào)覆蓋范圍內(nèi) 的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入ORDINARY狀態(tài)，在轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ分組之前節(jié)點(diǎn)R推遲時(shí)間最短從而將其 轉(zhuǎn)發(fā)成功，當(dāng)CH2節(jié)點(diǎn)收到該RREQ分組并轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，同樣推遲時(shí)間最短，并同時(shí)聲明自己為 CLUSTERHEAD狀態(tài)，從而造成CHl與CH2節(jié)點(diǎn)所在的簇之間的重疊較多，而導(dǎo)致的后果是網(wǎng) 絡(luò)中需要的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)較多，增加對(duì)系統(tǒng)資源的占用。針對(duì)A0DV/PC協(xié)議中推遲時(shí)間的隨機(jī)性，本發(fā)明采用由距離決定的推遲時(shí)間機(jī) 制，該推遲時(shí)間的計(jì)算采用下式進(jìn)行t = k* (L-s)/(n+1) 1)式中L為節(jié)點(diǎn)通信范圍，本實(shí)例中采用40m，s為本節(jié)點(diǎn)與上一跳節(jié)點(diǎn)的距離，該距 離通過距離估計(jì)算法得到；η為處于本節(jié)點(diǎn)信號(hào)接收范圍內(nèi)的CH節(jié)點(diǎn)數(shù)量；k為一個(gè)常量， 其值與仿真平臺(tái)有關(guān)，該參數(shù)的目的是放大(L-s)/(n+1)的值，防止(L-s)/(n+1)過小導(dǎo)致 的網(wǎng)絡(luò)震蕩問題。具體來說，假設(shè)存在A和B兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都處于推遲發(fā)送階 段，若兩者的推遲時(shí)間相差較小，則A和B幾乎同時(shí)將分組發(fā)送，之后也都幾乎同時(shí)收到對(duì) 方的CH聲明，依據(jù)PC協(xié)議，在收到新的狀態(tài)聲明時(shí)，本節(jié)點(diǎn)需要退出當(dāng)前狀態(tài)，如此以來A、 B節(jié)點(diǎn)同時(shí)放棄之前的狀態(tài)，而隨后兩節(jié)點(diǎn)又同時(shí)收到對(duì)方的放棄聲明，于是又開始新一輪 的競(jìng)爭(zhēng)，所以A、B處于聲明與放棄的循環(huán)之中。加入因子k之后，可以將推遲的時(shí)間擴(kuò)大， 使接收節(jié)點(diǎn)擁有足夠的時(shí)間接收并處理發(fā)送節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)聲明。依據(jù)式1)，距離上一跳越遠(yuǎn)，則推遲時(shí)間越短，而在本節(jié)點(diǎn)信號(hào)接收范圍內(nèi)檢測(cè)到 的CH節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，則說明當(dāng)前節(jié)點(diǎn)處于較多的簇與簇交叉區(qū)域內(nèi)，即η的值越大則推遲時(shí)間越短。采用本發(fā)明中的方法后，簇與簇之間的重疊范圍減少，如圖4所示，R節(jié)點(diǎn)最早 轉(zhuǎn)發(fā)來自CHl的分組，并且其鄰節(jié)點(diǎn)收到該分組之后，CH2第一個(gè)作出CH聲明，于是兩個(gè)簇 之間的重疊較少。步驟2，匯聚節(jié)點(diǎn)D或中間節(jié)點(diǎn)R回復(fù)RREP。2a)匯聚節(jié)點(diǎn)D或某個(gè)中間節(jié)點(diǎn)R收到RREQ分組之后，檢查該分組經(jīng)歷的跳數(shù)是 否超過其曾經(jīng)回復(fù)的RREP的最大跳數(shù)值，若超過則創(chuàng)建新的RREP分組，否則忽略該路由請(qǐng) 求；2b)在創(chuàng)建RREP分組時(shí)，上述節(jié)點(diǎn)在該分組中加入源節(jié)點(diǎn)S的地址和序列號(hào)、匯聚 節(jié)點(diǎn)D的地址和序列號(hào)，并將RREP分組的跳數(shù)門限設(shè)為收到的RREQ分組經(jīng)歷的跳數(shù)值，并 通過廣播的方式向源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送，同時(shí)將本節(jié)點(diǎn)曾經(jīng)回復(fù)的RREP分組的最大跳數(shù)值刷新為 該RREP分組的跳數(shù)門限。步驟3，RREP分組的傳播過程。3a)在RREP分組的廣播過程中，中間節(jié)點(diǎn)R根據(jù)RREP分組的目的節(jié)點(diǎn)地址和序列 號(hào)，檢查在收到該RREP之前是否收到過與該分組相同的RREP分組，若收到過，則將其丟棄， 否則將RREP分組經(jīng)歷的跳數(shù)值加一，并將該分組緩存在本地； 3b)該中間節(jié)點(diǎn)R根據(jù)RREP分組中的路由，并結(jié)合本節(jié)點(diǎn)的路由表，緩存或者刷新 到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)D的路由；3c)檢查RREP分組經(jīng)歷的跳數(shù)是否超過RREP分組的門限值，若超過則將其丟棄， 否則根據(jù)由距離決定的時(shí)間延遲機(jī)制確定推遲的時(shí)間，再按照PC機(jī)制通過在待發(fā)送的分 組中附加自己的分簇狀態(tài)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分簇，按照確定的推遲時(shí)間推遲之后，由該當(dāng)前節(jié)點(diǎn)對(duì) RREP分組廣播轉(zhuǎn)發(fā)。步驟4，源節(jié)點(diǎn)S緩存路由，并發(fā)送數(shù)據(jù)。源節(jié)點(diǎn)S收到RREP分組后，對(duì)該RREP分組中的路由進(jìn)行緩存，并將待發(fā)送的監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)沿該路由發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)D，在該監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳遞過程中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)到達(dá)下一跳節(jié) 點(diǎn)的距離調(diào)整發(fā)送功率，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)剛好到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)。為了應(yīng)對(duì)CH節(jié)點(diǎn)與GW節(jié)點(diǎn)能量 耗盡的情況，本發(fā)明中規(guī)定當(dāng)CH與GW節(jié)點(diǎn)的能量降為初始能量的20%時(shí)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 INITIAL,并在發(fā)送出去的分組中聲明該狀態(tài)。本發(fā)明的效果可通過以下仿真說明1.仿真環(huán)境仿真基于平臺(tái)MIRAI-SF，該平臺(tái)由 NICT (National Institute of Information andCommunications Technology)開發(fā)。MAC協(xié)議采用IEEE 802. 11，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射范圍 為40m，發(fā)射功率為8. 5872e-lW，基本數(shù)據(jù)速率為11Mbps，PLCP數(shù)據(jù)速率為1Mbps。傳感器 節(jié)點(diǎn)以恒定密度部署，其數(shù)量從100遞增至500。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用恒定數(shù)據(jù)速率業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)速 率為1kbps，其中隨機(jī)選取10%的傳感器節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)，分組長度為50Byte，業(yè)務(wù)持 續(xù)時(shí)間為3s，仿真持續(xù)時(shí)間為300s。2.仿真內(nèi)容對(duì)控制分組的數(shù)量、平均路由建立時(shí)間、能量消耗、簇與簇之間的重疊范圍這些性 能指標(biāo)進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖5所示，其中圖5(a)為控制分組數(shù)量示意圖，圖5(b)為平均 路由建立時(shí)間示意圖，圖5(c)為能量消耗示意圖，圖5(d)為簇與簇重疊范圍示意圖。
3.仿真結(jié)果分析從圖5(a)可見，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，協(xié)議分組不可避免地隨之增加，但本發(fā)明 與A0DV/PC協(xié)議相比開銷更少，而且增加的趨勢(shì)更加緩慢，因?yàn)镽REP分組的廣播回復(fù)，從而 減少了重復(fù)的路由建立過程，并由此減少了協(xié)議分組的開銷；從圖5(b)可見，本發(fā)明的平均路由建立時(shí)間更短，因?yàn)樵赗REP分組廣播過程中， 部分節(jié)點(diǎn)已經(jīng)緩存了到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，從而無需啟動(dòng)路由建立過程，因此平均時(shí)間更 短；從圖5(c)可見，本發(fā)明中總的節(jié)點(diǎn)能耗更低，因?yàn)楸景l(fā)明采用了 RREP廣播的方式 建立路由，從而引入更少的控制開銷，并且在本發(fā)明中，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用自適應(yīng)調(diào)整功 率的方法，使得能量效率得以提高；從圖5 (d)可見，從圖中看出本發(fā)明的GW節(jié)點(diǎn)與CH節(jié)點(diǎn)的平均距離更大，該平均 距離反應(yīng)了簇與簇之間的重疊范圍，其值越大重疊范圍越小，由于本發(fā)明中節(jié)點(diǎn)聲明狀態(tài) 之前的推遲時(shí)間由距離決定的時(shí)間延遲機(jī)制確定，距離上一跳節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)則推遲時(shí)間越短， 從而有利于減少簇與簇之間的重疊，因此相比A0DV/PC，本發(fā)明中的簇與簇的重疊范圍更 小。綜上，本發(fā)明與A0DV/PC相比，在控制分組的數(shù)量、平均路由建立時(shí)間、能量消耗、 簇與簇之間的重疊范圍這些指標(biāo)方面性能更好，即本發(fā)明克服了 A0DV/PC控制開銷較多、 簇與簇之間重疊范圍較大和能量利用率低下的不足，從而更加有利于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)范圍 的擴(kuò)展。
權(quán)利要求
一種基于分簇和RREP廣播的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法，包括(1)路由建立步驟1a)源節(jié)點(diǎn)S構(gòu)造RREQ分組并將其以廣播方式發(fā)送，鄰節(jié)點(diǎn)N收到該分組后對(duì)其進(jìn)行廣播轉(zhuǎn)發(fā)，直到RREQ到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)D或者一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)R，該中間節(jié)點(diǎn)R具有到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)D的路由；1b)匯聚節(jié)點(diǎn)D或某個(gè)中間節(jié)點(diǎn)R在收到RREQ分組之后，檢查該分組經(jīng)歷的跳數(shù)值是否超過其曾經(jīng)回復(fù)的RREP分組的最大跳數(shù)值，若超過，則構(gòu)造RREP分組并將其廣播轉(zhuǎn)發(fā)，否則忽略該路由請(qǐng)求；1c)在RREP分組廣播過程中，中間節(jié)點(diǎn)R緩存或刷新到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)D的路由，并檢查RREP分組經(jīng)歷的跳數(shù)是否超過門限值，若是則將其丟棄，否則繼續(xù)對(duì)該分組進(jìn)行廣播轉(zhuǎn)發(fā)；1d)源節(jié)點(diǎn)S收到RREP分組后，對(duì)該RREP分組中的路由進(jìn)行緩存，并將待發(fā)送的數(shù)據(jù)沿該路由發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)D，發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)自適應(yīng)調(diào)整發(fā)送功率；(2)網(wǎng)絡(luò)分簇步驟在RREQ或RREP分組廣播過程中，所有節(jié)點(diǎn)在聲明分簇狀態(tài)之前，先根據(jù)由距離決定的時(shí)間延遲機(jī)制確定推遲的時(shí)間，再按照PC機(jī)制通過在待發(fā)送的分組中附加自己的分簇狀態(tài)，完成網(wǎng)絡(luò)分簇。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法，其中步驟lb)所述的構(gòu)造RREP分組， 是在該分組中加入源節(jié)點(diǎn)的地址和序列號(hào)、匯聚節(jié)點(diǎn)的地址和序列號(hào)，并將RREP分組的跳 數(shù)門限設(shè)為收到的RREQ分組經(jīng)歷的跳數(shù)值，并通過廣播的方式向源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送，同時(shí)將本 節(jié)點(diǎn)曾經(jīng)回復(fù)的RREP分組的最大跳數(shù)值刷新為該RREP分組的跳數(shù)門限。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法，其中步驟Id)所述的發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送 數(shù)據(jù)時(shí)自適應(yīng)調(diào)整發(fā)送功率，是在發(fā)送節(jié)點(diǎn)選擇好下一跳節(jié)點(diǎn)后，根據(jù)到達(dá)下一跳節(jié)點(diǎn)的 距離調(diào)整發(fā)送功率，使數(shù)據(jù)剛好到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法，其中步驟(2)所述的節(jié)點(diǎn)在聲明分簇 狀態(tài)之前根據(jù)由距離決定的時(shí)間延遲機(jī)制確定推遲的時(shí)間，是依據(jù)與上一跳節(jié)點(diǎn)的距離， 和監(jiān)聽到的簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)量計(jì)算需要推遲的時(shí)間，該延遲時(shí)間t的計(jì)算公式如下<formula>formula see original document page 2</formula>其中L為節(jié)點(diǎn)通信范圍，取值為40m ;s為本節(jié)點(diǎn)與上一跳節(jié)點(diǎn)的距離，該距離通過距離 估計(jì)算法得到；n為處于本節(jié)點(diǎn)信號(hào)接收范圍內(nèi)的CH節(jié)點(diǎn)數(shù)量；k為一個(gè)常量，其值與仿真 平臺(tái)有關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于分簇和RREP廣播的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法，主要解決AODV/PC協(xié)議中存在的控制開銷較多、簇與簇重疊范圍較大、能量利用率低的問題。其實(shí)現(xiàn)步驟包括路由建立和網(wǎng)絡(luò)分簇，該路由建立是通過源節(jié)點(diǎn)廣播RREQ分組，網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)或者某個(gè)中間節(jié)點(diǎn)收到RREQ分組后廣播回復(fù)RREP分組實(shí)現(xiàn)，源節(jié)點(diǎn)獲得路由之后發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳遞過程中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)采用功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制確定發(fā)送功率；該網(wǎng)絡(luò)分簇是依據(jù)PC機(jī)制實(shí)現(xiàn)，采用由距離決定的時(shí)間推遲機(jī)制，確定節(jié)點(diǎn)聲明分簇狀態(tài)之前需要推遲的時(shí)間。本發(fā)明與現(xiàn)有AODV/PC相比產(chǎn)生更少的控制分組、簇與簇的重疊范圍更小、能量利用率更高，可用于對(duì)WSN網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)展。
文檔編號(hào)H04W4/06GK101835099SQ20101015503
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者李建東, 李長樂, 蔡雪蓮, 郝彬彬, 陳睿 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)