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面向具有可充電節(jié)點(diǎn)和多匯聚節(jié)點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)節(jié)能組播方案的制作方法

文檔序號:7871011閱讀:271來源:國知局
專利名稱:面向具有可充電節(jié)點(diǎn)和多匯聚節(jié)點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)節(jié)能組播方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種面向具有可充電節(jié)點(diǎn)和多匯聚節(jié)點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)能量高效組播方案。該方法利用各匯聚節(jié)點(diǎn)均可獨(dú)立作為網(wǎng)關(guān)接收網(wǎng)外數(shù)據(jù)這一特點(diǎn),在需要建立組播路由時,使各個匯聚節(jié)點(diǎn)分別發(fā)出以自己為根的組播樹建立請求,在建立過程中,以能量為依據(jù),利用網(wǎng)絡(luò)中存在多個匯聚節(jié)點(diǎn)這一特點(diǎn),建立起代價最小的組播樹,從而達(dá)到均衡和節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量消耗的目的。
背景技術(shù)
近些年來,無線多跳網(wǎng)絡(luò)(無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)、無線mesh網(wǎng)絡(luò)等)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注,并取得了迅猛的發(fā)展。在這一領(lǐng)域的諸多研究方向中,盡可能的延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作壽命成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中的關(guān)鍵問題之一。由于受到成本和體積等因素的限制,大多數(shù)普通無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電池容量都十分有限且無法得到補(bǔ)充。為提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命,通過在網(wǎng)絡(luò)中布設(shè)一部分可充電節(jié)點(diǎn)(如具備太陽能電池的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)),并設(shè)計能量高效型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以利用這些節(jié)點(diǎn)分擔(dān)較多的通信任務(wù),在許多應(yīng)用環(huán)境中收到了良好的效果,成為一種被人們普遍接受的提高網(wǎng)絡(luò)壽命解決方案。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以監(jiān)測區(qū)域和感知數(shù)據(jù)為目的,網(wǎng)絡(luò)由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)和一個或多個匯聚節(jié)點(diǎn)(SinkNode )組成,傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和傳輸,匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)匯總網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù),是傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān),周期性向網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信息,并將從網(wǎng)外接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給傳感器節(jié)點(diǎn)。無線傳感網(wǎng)的組播路由正是針對這一通信需求而產(chǎn)生。在具有多匯聚節(jié)點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中,由于匯聚節(jié)點(diǎn)一般具有較強(qiáng)的通信能力和較充沛甚至無限的能量,可以使每個匯聚節(jié)點(diǎn)均作為獨(dú)立的網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)外交互,當(dāng)網(wǎng)外有數(shù)據(jù)到達(dá)時,各匯聚節(jié)點(diǎn)均能獨(dú)立接收數(shù)據(jù),并以自己為根建立組播樹,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給附近的傳感器節(jié)點(diǎn),以提高轉(zhuǎn)發(fā)效率并降低傳輸代價,從而達(dá)到均衡和節(jié)省網(wǎng)絡(luò)開銷的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種面向具有可充電節(jié)點(diǎn)和多匯聚節(jié)點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)能量高效組播方案。本發(fā)明利用各匯聚節(jié)點(diǎn)均可獨(dú)立作為網(wǎng)關(guān)接收網(wǎng)外數(shù)據(jù)這一特點(diǎn),在需要建立組播路由時,使各個匯聚節(jié)點(diǎn)分別發(fā)出以自己為根的組播樹建立請求,在建立過程中,以能量為依據(jù),利用網(wǎng)絡(luò)中存在多個匯聚節(jié)點(diǎn)這一特點(diǎn),建立起代價最小的組播樹,從而達(dá)到均衡和節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量消耗的目的。本發(fā)明要求網(wǎng)絡(luò)中具有三類無線節(jié)點(diǎn),也稱三種節(jié)點(diǎn)屬性,其中,第一類無線節(jié)點(diǎn)可以從自然界獲取能量,記做集合A ;第二類無線節(jié)點(diǎn)僅通過電池供電,不可進(jìn)行二次充電,記做集合N,第三類無線節(jié)點(diǎn)為匯聚節(jié)點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)中存在多個匯聚節(jié)點(diǎn),對于第η個匯聚節(jié)點(diǎn),記作SinkNoden。匯聚節(jié)點(diǎn)具有無限能量(與任何一個不可充電節(jié)點(diǎn)相比,匯聚節(jié)點(diǎn)具有非常大的能量,因此,可以認(rèn)作成為具有無限能量,即通常這樣的節(jié)點(diǎn)被認(rèn)為具有unlimited energy);A和N的交集為空,SinkNode gAuN ;節(jié)點(diǎn)i的剩余能量比率記做Ei,為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量與其最大電池容量的比值。網(wǎng)絡(luò)的通信任務(wù)為通過網(wǎng)絡(luò)中所有的匯聚節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中的多個節(jié)點(diǎn)的集合(記做D,|D|>1)傳輸一塊由多個數(shù)據(jù)包組成的數(shù)據(jù)。在建立組播樹的過程中,每個匯聚節(jié)點(diǎn)都會以自己為根發(fā)出組播樹建立請求并廣播;節(jié)點(diǎn)以自身能量為依據(jù)計算自己成為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的代價,并以轉(zhuǎn)發(fā)路徑所經(jīng)過的所有節(jié)點(diǎn)代價之和為路徑代價;通過為能量情況不同的節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的發(fā)送定時器,同時利用網(wǎng)絡(luò)中存在的多個匯聚節(jié)點(diǎn),使組播樹盡量由代價最小的路徑組成,從而達(dá)到均衡、節(jié)約能量開銷的目的。
具體實(shí)施例方式(一)節(jié)點(diǎn)代價計算方法如果一個節(jié)點(diǎn)X屬于集合N,即該節(jié)點(diǎn)僅靠電池供電,無法補(bǔ)充能量,則其代價f (x)=l/Ex,如果一個節(jié)點(diǎn)X屬于集合A,即其為可充電節(jié)點(diǎn),則如果Εχ>1/3,則其代價f (x)=0,否則f (X)= I/Ex2ο所有匯聚節(jié)點(diǎn)的代價為O,即對于任意一個匯聚節(jié)點(diǎn)SinkNoden,其代價 f (SinkNoden) =0。(二)路徑代價計算方法對于一條有向路徑P= (s=Vl,V2,…,vk=t),其中s為信源,t為信宿,則該路徑的代價 C(P)= Σ xeP_{t}f(x)。(三)組播樹結(jié)構(gòu)的建立方法
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步驟1:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在一個從匯聚節(jié)點(diǎn)到|d|個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組播任務(wù)時,所有匯聚節(jié)點(diǎn)均作為潛在組播信源生成一個TreeConstruction消息,每個TreeConstruction消息攜帶以下信息生成該消息的匯聚節(jié)點(diǎn)ID :SinkNoden ;該次路由建立請求的標(biāo)識號SessionID ;該消息迄今為止所走過路徑的代價C(PSinkN()de—n), (PSinkN()de—n代表到SinkNoden為止的路徑的代價,C(P)代表路徑P的代價),初值為O ;該消息所走過路徑的節(jié)點(diǎn)列表,初值為{SinkNodeJ,然后各個匯聚節(jié)點(diǎn)分別同時向其各自鄰居節(jié)點(diǎn)廣播自己生成的TreeConstruction 消息。步驟2 :當(dāng)一個普通傳感器節(jié)點(diǎn)X從一個鄰居節(jié)點(diǎn)Y收到一個TreeConstruction消息后,它將執(zhí)行以下操作I)如果第一次收到該消息,則本地記錄與該組播相關(guān)的信息到達(dá)本節(jié)點(diǎn)的路徑代價(Py)+f (X) (Py代表到節(jié)點(diǎn)I為止的路徑,C⑵代表路徑P的代價)。上一跳節(jié)點(diǎn)為y,同時啟動一個定時器,定時時間的長度計算方式如下如果xe A,且民>1/3,則定時器時間長度為T/10,否則其長度設(shè)定為f(x)T,T是定時器的最大取值長度,如T=I秒。2)如果節(jié)點(diǎn)在定時器超時之前收到一條新的TreeConstruction消息,且其所攜帶的路徑代價加f(x)之后小于本地存儲的路徑代價,則將本地記錄的路徑代價、上一跳信息修改成與新的TreeConstruction消息相一致,即將本地記錄的路徑代價更新為“TreeConstruction消息所攜帶的路徑代價加f (x) ”,上一跳信息更新為該TreeConstruction消息的發(fā)送節(jié)點(diǎn)。3)如果定時器超時,則轉(zhuǎn)發(fā)該TreeConstruction消息,其中攜帶下述信息路徑代價,計算方式如下如果X 癸 D,則 C (Px) = C (Py) +f (X);如果X e D,則 C (Px) = f (X); 4)轉(zhuǎn)發(fā)TreeConstruction消息之后,中間節(jié)點(diǎn)x將不再接受與本次組播建立請求相關(guān)的TreeConstruction消息(通過檢查SessionID是否相同即可),無論是哪個匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)出的 TreeConstruction 消息。5)如果X e D,當(dāng)X轉(zhuǎn)發(fā)完畢TreeConstruction消息之后,它將向其上一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送TreeReply消息,每個收到TreeReply消息的節(jié)點(diǎn)將發(fā)送該消息的節(jié)點(diǎn)記做為本節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn),將其上一跳節(jié)點(diǎn)記做為其父親節(jié)點(diǎn),并向該節(jié)點(diǎn)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該TreeReply消息,直到該消息到達(dá)一個之前曾向上 轉(zhuǎn)發(fā)該消息的節(jié)點(diǎn)或組播信源。只有收到至少一個TreeReply消息的匯聚節(jié)點(diǎn)才能成為真正的組播信源,沒有收到任何TreeR印Iy消息的匯聚節(jié)點(diǎn)將不發(fā)送該組播會話的數(shù)據(jù)。沒有收到TreeR印Iy消息的中間節(jié)點(diǎn),在一段時間之后,其本地記錄的與該組播組相關(guān)的表項將被超時刪除。組播信源收到TreeR印Iy消息之后,就可以向下發(fā)送組播數(shù)據(jù),樹上的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)向下轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種面向具有可充電節(jié)點(diǎn)和多匯聚節(jié)點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)能量高效組播方法,其特征在于網(wǎng)絡(luò)中包括可二次充電的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的集合A和不可二次充電的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的集合N,還包括η個匯聚節(jié)點(diǎn),記作SinkNoden,其中A和N的交集為空,SinkNode11;在該網(wǎng)絡(luò)中同時通過一個或多個匯聚節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中的多個節(jié)點(diǎn)集合D傳輸由多個數(shù)據(jù)包組成的數(shù)據(jù)塊,具體實(shí)現(xiàn)方法為根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量狀態(tài)及其節(jié)點(diǎn)屬性計算各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)代價和路徑代價,為匯聚節(jié)點(diǎn)生成TreeConstruction消息,并進(jìn)行延時轉(zhuǎn)發(fā)和路徑代價更新,以及對組播樹建立請求作出響應(yīng);其中DcAuN, D|>1, D代表集合D的大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組播方法,其特征在于,其中所述節(jié)點(diǎn)代價和路徑代價的計算方法為若節(jié)點(diǎn)X e N,則其代價f (x)=l/Ex2 ;若節(jié)點(diǎn)X e A,則如果Εχ>1/3,則其代價f(x)=0,否則f(x)=l/Ex2 ;所有匯聚節(jié)點(diǎn)的代價為O ;對于一條有向簡單路徑P= (s=Vl,v2,…,vk=t),則該路徑的代價C(P)= Σ xeP_{t}f (X),其中s為信源,t為信宿,Ex為節(jié)點(diǎn)X的剩余能量比率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的組播方法,其特征在于,其中描述的為匯聚節(jié)點(diǎn)生成TreeConstruction消息,并進(jìn)行延時轉(zhuǎn)發(fā)和路徑代價更新,具體如下每個匯聚節(jié)點(diǎn)SinkNoden均作為潛在組播信源生成一個TreeConstruction消息,然后各個匯聚節(jié)點(diǎn)分別同時向其各自鄰居節(jié)點(diǎn)廣播自己生成的TreeConstruction消息,當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)x從其一個鄰居節(jié)點(diǎn)Y收到該TreeConstruction消息后,如果是第一次收到該消息,則本地記錄與該組播會話相關(guān)的信息,包括到達(dá)本節(jié)點(diǎn)的路徑代價C(Py)+f(x),上一跳節(jié)點(diǎn)為y,同時啟動一個定時器;如果節(jié)點(diǎn)在定時器超時之前收到一條新的TreeConstruction消息,且其所攜帶的路徑代價加f (X)之后小于本地存儲的路徑代價,則將本地記錄的路徑代價、上一跳信息修改成與新的TreeConstruction消息相一致,即將本地記錄的路徑代價更新為“TreeConstruction消息所攜帶的路徑代價加f (x) ”,上一跳信息更新為該TreeConstruction消息的發(fā)送節(jié)點(diǎn);如果定時器超時,貝1J轉(zhuǎn)發(fā)該TreeConstruction消息,其中攜帶路徑代價的計算方式為如果D,則C(Px)= C(Py)+f(x);如果X e D,則C(Px) =f (X),轉(zhuǎn)發(fā)完畢該TreeConstruction消息之后,節(jié)點(diǎn)x將不再接受與本組播會話相關(guān)的任何匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)出的任何TreeConstruction消息;Py代表到節(jié)點(diǎn)y為止的路徑,C(P)代表路徑P的路徑代價。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的組播方法,其特征在于該TreeConstruction消息攜帶以下信息生成該消息的匯聚節(jié)點(diǎn)ID: SinkNoden,用以標(biāo)示當(dāng)次建立請求的會話標(biāo)識SessionID,該消息迄今為止所走過路徑的代價C (PSinkNode n),初值為O,該消息所走過路徑的節(jié)點(diǎn)列表,初值為{SinkNode丄然后SinkNoden節(jié)點(diǎn)向其鄰居廣播該消息;PSi—n代表到SinkNoden為止的路徑的代價。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的組播方法,其特征在于,其中所描述的為組播樹建立請求響應(yīng)的具體方法如下如果X e D,當(dāng)X轉(zhuǎn)發(fā)完畢TreeConstruction消息之后,它將向其上一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送TreeReply消息,每個收到TreeReply消息的節(jié)點(diǎn)將發(fā)送該消息的節(jié)點(diǎn)記做為本節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn),將其上一跳節(jié)點(diǎn)記做為其父親節(jié)點(diǎn),并向該父親節(jié)點(diǎn)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該TreeReply消息,直到該消息到達(dá)一個之前曾向上轉(zhuǎn)發(fā)該消息的節(jié)點(diǎn)或組播信源;只有收到至少一個T r e e R e PI y消息的匯聚節(jié)點(diǎn)才能成為真正的組播信源,沒有收到任何TreeReply消息的匯聚節(jié)點(diǎn)將不發(fā)送該組播會話的數(shù)據(jù);沒有收到TreeReply消息的中間節(jié)點(diǎn),在一段較短的時間之后,其本地記錄的與該組播組相關(guān)的表項將被超時刪除;收到TreeReply消息的匯聚節(jié)點(diǎn),就可以向其子節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)組播分組,子節(jié)點(diǎn)收到組播分組之后,該子節(jié)點(diǎn)如果仍有子節(jié)點(diǎn),將繼續(xù)下發(fā)該組播分組。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的組播方法,其特征在于定時時間的長度計算方式如下如果X e八且民>1/3,則定時器時間長度為T/10,否則其長度設(shè)定為f(x)T,T是定時器的最大取值長度。
全文摘要
本發(fā)明屬于無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種面向具有可充電節(jié)點(diǎn)和多匯聚節(jié)點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)能量高效組播方案。該方案是一種基于網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量狀態(tài)及其節(jié)點(diǎn)屬性的分布式組播樹建立方法,包括通過為能量情況不同的節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的組播樹構(gòu)建信令TreeConstruction分組的延時轉(zhuǎn)發(fā)和路徑代價更新方法,和組播樹建立請求響應(yīng)方法,利用各匯聚節(jié)點(diǎn)均可獨(dú)立作為網(wǎng)關(guān)接收網(wǎng)外數(shù)據(jù)這一特點(diǎn),最終使組播樹盡量由代價最小的路徑組成,從而達(dá)到均衡、節(jié)約能量開銷的目的。
文檔編號H04W40/10GK103067873SQ20121059791
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者賀靜, 趙壯, 梅武鋼, 尹崇祿 申請人:北京循天行信息技術(shù)有限公司
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