一種基于剩余能量和期望傳輸次數(shù)的工業(yè)無線傳感網(wǎng)多路徑數(shù)據(jù)傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無線網(wǎng)絡協(xié)議【技術領域】，具體涉及一種基于剩余能量和期望傳輸次數(shù)的工業(yè)無線傳感網(wǎng)多路徑數(shù)據(jù)傳輸方法。該機制主要用于在數(shù)據(jù)傳輸過程中使數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點選擇能量較充沛且傳輸開銷較低的節(jié)點成為下一跳節(jié)點，從而達到節(jié)約、均衡網(wǎng)絡能量消耗的目的。該機制要求網(wǎng)絡由多個傳感器節(jié)點、單個sink節(jié)點組成，每個傳感器節(jié)點具有有限的電量，sink節(jié)點具有不受約束的電量。具體方法是網(wǎng)絡基于剩余能量等級建立多個最小期望傳輸次數(shù)路徑，節(jié)點在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，在較高剩余能量的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點中選擇最小期望傳輸次數(shù)的節(jié)點作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，或者選擇剩余能量最高的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點作為分組的下一跳節(jié)點，直至數(shù)據(jù)到達匯聚節(jié)點。
【專利說明】一種基于剩余能量和期望傳輸次數(shù)的工業(yè)無線傳感網(wǎng)多路徑數(shù)據(jù)傳輸方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于無線網(wǎng)絡協(xié)議【技術領域】，具體涉及一種基于剩余能量和期望傳輸次數(shù)的工業(yè)無線傳感網(wǎng)多路徑數(shù)據(jù)傳輸方法。該機制主要用于在數(shù)據(jù)傳輸過程中使數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點選擇能量較充沛且傳輸開銷較低的節(jié)點成為下一跳節(jié)點，從而達到節(jié)約、均衡網(wǎng)絡能量消耗的目的。
【背景技術】
[0002]近些年來，無線傳感器網(wǎng)絡領域的相關技術因其廣泛的應用得到了學術界和工業(yè)界的廣泛關注，并取得了迅猛的發(fā)展。
[0003]在設計無線傳感網(wǎng)時，必須考慮到無線傳感器存在自己的限制。由于在實際應用中，受到成本和體積等因素的限制，無線傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡節(jié)點其處理能力、無線帶寬和電池容量通常是有限的。節(jié)點的能量在大多數(shù)的情況下卻是無法得到補充的。如，無線傳感器網(wǎng)絡往往被部署在人們難以到達的地區(qū)以代替人對該區(qū)域進行監(jiān)測，傳感器節(jié)點通常配備能量有限的電池。一旦電池耗盡，節(jié)點將無法工作，而當網(wǎng)絡中眾多節(jié)點因電池耗盡而死亡時，整個網(wǎng)絡也將無法工作，此時需要重新部署新的傳感網(wǎng)。因此，提高網(wǎng)絡的工作壽命常常成為網(wǎng)絡協(xié)議設計中首要關鍵的問題。能量有效的網(wǎng)絡協(xié)議設計，在保證網(wǎng)絡性能甚至少量犧牲非關鍵性能的同時最大限度地節(jié)約并均衡網(wǎng)絡能耗，已成為研究的一個重點問題。
[0004]網(wǎng)絡設計中一般很難同時最優(yōu)化網(wǎng)絡生命周期以及路由能量消耗。研究工作主要在某一性能指標限制下優(yōu)化另一性能指標，或是利用較低控制開銷實現(xiàn)網(wǎng)絡生命周期和路由能耗的良好折中。但是這些研究一般基于單路徑，不能夠很好地適應網(wǎng)絡動態(tài)變化或是應用要求的變化?；诙嗦窂降穆酚蓞f(xié)議一般需要更多的控制開銷，且可能要求多路徑之間具有不相交等特性，使多路徑的建立更加困難。本發(fā)明旨在提出一種綜合優(yōu)化剩余能量以及傳輸能耗的多路徑路由方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是針對無線多跳網(wǎng)絡的一種基于剩余能量和期望傳輸次數(shù)的多路徑路由協(xié)議。本發(fā)明目的是設計一種路由協(xié)議可以在保持能量均衡的情況下，盡可能減小能量消耗。
[0006]本發(fā)明中的無線傳感器網(wǎng)絡由無線傳感器節(jié)點和Sink節(jié)點組成，無線傳感器節(jié)點負責數(shù)據(jù)的收集和傳輸，Sink節(jié)點用于數(shù)據(jù)匯集并上傳給遠程控制端(如通過Internet、移動通信網(wǎng)等方式)，并對網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點進行管理和控制。
[0007]本發(fā)明的技術方案的主要思想是:無線傳感網(wǎng)建立基于剩余能量和期望傳輸次數(shù)的梯度信息，數(shù)據(jù)在傳輸過程中，可以在剩余能量較高的鄰居節(jié)點中選擇期望傳輸次數(shù)最小的鄰居作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。通過這種機制，可以減少每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯牟⒕夤?jié)點間的能量消耗，同時每個節(jié)點都維護了多條路徑，提高傳輸可靠性。[0008]本發(fā)明涉及的網(wǎng)絡組成如下:網(wǎng)絡中存在多個傳感器節(jié)點、一個sink節(jié)點，每個節(jié)點配備有無線天線，每個傳感器節(jié)點具有有限的電量，sink節(jié)點具有不受限制的電量。
【具體實施方式】
[0009]網(wǎng)絡運行一般分為兩個階段，在網(wǎng)絡部署完成后會進入初始配置階段，該階段進行網(wǎng)絡同步，收集必要的路由信息建立路由表等等；初始配置階段完成后，網(wǎng)路進入數(shù)據(jù)傳輸階段，節(jié)點根據(jù)路由表選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，通過逐跳傳輸將數(shù)據(jù)匯報給sink節(jié)點。
[0010]在初始配置階段，網(wǎng)絡首先建立路由所需的梯度信息及路由表。有別于其他路由協(xié)議僅基于單一轉(zhuǎn)發(fā)策略建立單路徑路由信息，為了提高網(wǎng)絡的生命周期，本發(fā)明基于節(jié)點的剩余能量和期望傳輸次數(shù)(ETX)建立多路徑。其中某節(jié)點的ETX是該節(jié)點到達sink節(jié)點的期望傳輸次數(shù)，如節(jié)點s沿著路徑path (s, sink)到達sink的ETX計算公式如下
【權(quán)利要求】
1.一種基于剩余能量和期望傳輸次數(shù)的工業(yè)無線傳感網(wǎng)多路徑數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于:A)建立基于剩余能量和端到端期望傳輸次數(shù)的從各個傳感器節(jié)點到sink節(jié)點的梯度和多路徑，B)基于上述步驟建立的多路徑、剩余能量信息和端到端期望傳輸次數(shù)信息，執(zhí)行分組逐跳轉(zhuǎn)發(fā)，C)網(wǎng)絡中由多個傳感器節(jié)點、一個sink節(jié)點組成，每個節(jié)點配備有無線天線，每個傳感器節(jié)點具有有限的電量，sink節(jié)點具有不受限制的電量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于剩余能量和期望傳輸次數(shù)建立多路徑路由方法，其特征在于，步驟A)中所述的建立基于剩余能量和期望傳輸次數(shù)的從各個傳感器節(jié)點到sink節(jié)點的梯度和多路徑，具體步驟如下: 每個傳感器節(jié)點根據(jù)自己的剩余能量進行非均勻量化分級:第I級:(O，Emax/10],第 2 級:(Emax/10, Emax/4],第3級:(Emax/4, Emax/2],第 4級:(Emax/2, Emax],其中Emax為節(jié)點電池容量； 網(wǎng)絡從sink節(jié)點開始擴散Interest包，Interest包中包含包轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的ID,包轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的能量級別Elevel1、以及各個能量級別對應的從該包轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點到達sink節(jié)點的期望傳輸次數(shù)值，其中未包含的能量級別的期望傳輸次數(shù)值為無窮； 每個中間節(jié)點，收到Interest分組時更新自己的路由信息并在隨機時間后轉(zhuǎn)發(fā)自己的Interest分組:若節(jié)點i收到節(jié)點j的Interest分組,檢驗分組中包含的期望傳輸次數(shù)ETX值，對于任何0〈k≤Elevel (j)，若ETXk(j)+ l/q(ij) < ETXk (i)，則節(jié)點i更新路由信息ETXk⑴=ETXk (j)+ l/q(ij)，且設置節(jié)點i基于能量級別k到達sink的下一跳為j，即Nexthopk(i) =j,其中Elevel (j)是節(jié)點j的能量等級，q(ij)是鏈路(i，j)的鏈路傳輸成功率，ETXk (i)是節(jié)點i基于能量等級k的從i到sink節(jié)點的路徑ETX值，其初值為無窮；如果存在某能量級別上的到達sink節(jié)點的ETX值降低的話,節(jié)點i發(fā)起新的Interest分組轉(zhuǎn)發(fā)操作，然后將路由表中能量等級小于等于節(jié)點i自己的能量級別的ETX值轉(zhuǎn)發(fā)給自己的鄰居節(jié)點； 通過這種Interest分組擴散,所有節(jié)點都建立基于各個能量級別的到達sink節(jié)點的梯度信息，并記錄基于各能量級別的下一跳信息； 為及時捕捉節(jié)點的剩余能量變化，節(jié)點需要實時的更新路由信息:當節(jié)點的能量消耗至能量等級發(fā)生變化后，節(jié)點會廣播新的Interest分組,包含自己新的能量等級和ETX值，接收到的節(jié)點將按照步驟2)更新自己的路由信息； sink節(jié)點每隔T時間，根據(jù)上述步驟2)，重新建立網(wǎng)絡中各個節(jié)點的基于各個能量級別的梯度信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2之一所述的基于剩余能量和期望傳輸次數(shù)的工業(yè)無線傳感網(wǎng)多路徑數(shù)據(jù)傳輸方法，其中基于所述多路徑、剩余能量和端到端期望傳輸次數(shù)信息，執(zhí)行分組逐跳轉(zhuǎn)發(fā)的特征在于:數(shù)據(jù)分組發(fā)送節(jié)點在路由表中選擇能量級別最高的下一跳執(zhí)行分組轉(zhuǎn)發(fā)；收到分組的節(jié)點繼續(xù)執(zhí)行這一轉(zhuǎn)發(fā)原則，直到分組到達sink節(jié)點。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2之一所述的基于剩余能量和期望傳輸次數(shù)的工業(yè)無線傳感網(wǎng)多路徑數(shù)據(jù)傳輸方法，其中基于多路徑、剩余能量和端到端期望傳輸次數(shù)信息，執(zhí)行分組逐跳轉(zhuǎn)發(fā)的特征在于:分組發(fā)送節(jié)點在所有非第一級能量級別路徑中，選擇ETX最小的下一跳節(jié)點，作為分組的下一跳節(jié)點，如果其非第一級能量級別的下一跳節(jié)點集合為空，則選擇第一級能量級別的下一跳節(jié)點作為分組的下一跳節(jié)點，收到分組的節(jié)點繼續(xù)執(zhí)行上述轉(zhuǎn)發(fā)原貝1J，直到分組到達sink節(jié)`點。
【文檔編號】H04W84/18GK103686916SQ201210326343
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月6日
【發(fā)明者】賀靜, 史誠弭 申請人:江蘇邁利科技發(fā)展有限公司