基于区域梯度更新的移动传感器网络路由方法

摘要

本发明公开了一种基于区域梯度更新的移动传感器网络路由方法。本发明有利于我国无线传感器网络技术的应用和发展，对我国环境监测和预报、自然灾害应急处理、科学考察和探险、智能家居、城市交通、大型车库和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域将起得重要的作用。主要解决现有技术协议能量开销比较大，占用储存空间多的问题。该方法是由基站发起建立区域梯度并进行周期性区域梯度更新，并使整个网络时间同步。当源节点要向汇聚节点发送数据时，由源节点发起，建立一条通向汇聚节点的链路，从而完成数据传输。基于无线传感器网络，增加无线传感器网络使用寿命，节约传感器存储空间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在无线传感器网络中传感器节点和汇聚节点之间的路由选择，特别是提供了一种基于区域梯度更新的移动传感器网络路由方法。

背景技术

移动传感器网络是一种动态的传感器网络，它由大量动态传感器节点和少量静态传感器节点构成，动态传感器节点在网络区域内随机移动，邻节点之间依靠无线链路进行通信。网络内的移动传感器节点负责收集信息，并利用其它传感器节点转发信息到汇聚节点。路由方法是用来建立从源节点到汇聚节点的信息传输路径，选择需要转发信息的中间节点。传输路径上的所有节点在转发数据时要消耗一定的能量，如何设计能量有效的路由协议一直是传感器网络的关键问题之一。

由于移动传感器网络中节点随机移动的特性，现有基于固定节点的传感器网络路由协议无法直接应用到该网络中。目前，已经提出了几种基于移动传感器网络的路由协议，其中较为典型的是文献“Impact of Mobility on Mobility-Assisted Information Diffusion(MAID)Protocols in Ad hoc Networks.USC Computer Science Department Technical Report”公开的一种移动传感器网络路由协议。该协议是一种以数据为中心的路由协议，网络中的节点在移动的过程中与所遇到的邻居节点交换时间信息，利用两节点间的相遇时间间隔的长短来决定时间梯度值的大小，每个节点内都存有一张与其它节点的相遇时间梯度值表。当节点需要发送数据到汇聚节点时，它在邻节点中寻找一个与汇聚节点相遇时间间隔最短的节点作为其下一跳节点，如此反复，直到到达汇聚节点为止，这样从源节点到汇聚节点的传输路径已建立。

文献中所设计的路由协议路由建立收敛时间比较短，但存在以下缺陷：网络节点在移动过程中需要频繁地交换时间信息来建立梯度，能量开销比较大；每个节点需要保存一张与其它节点的相遇时间梯度值表，需要占用一定量的储存空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于区域梯度更新的移动传感器网络路由方法。基于无线传感器网络，增加无线传感器网络使用寿命，节约传感器存储空间。

本发明涉及到传感器网络是稠密传感器网络，即网络中的相邻节点间能够保证互相通信。其适用的网络系统由发射基站、传感器节点和汇聚节点组成。

发射基站：能量可持续补充；最大发射半径可以覆盖到网络内所有的传感器节点；负责把整个网络虚拟分区并为每个区域内的传感器节点分配梯度值；当传感器节点移动时，它会更新传感器节点的梯度值；负责整个网络的时间同步。

传感器节点：能量有限且不能得到补充；主要负责向汇聚节点传送感测到的信息。传感器节点只接收来自发射基站的广播信息和其它传感器节点发送的信息；向其它传感器节点转发数据；当某一个传感器节点需要发送数据到汇聚节点时，它就为源节点；它在网络中的位置是不固定的。

汇聚节点：能量可持续补充；存储和计算能力均优于传感器节点；连接传感器网络和外部网络；转换协议栈之间的通信协议；把收集到的数据发到外部网络上；它在网络中的位置是固定的；它的梯度值为0。

为了避免区域梯度信息信号和数据通信的冲突，传感器网络中使用广播与数据传输两个分离信道。其中广播信道是基站用来向网络内传感器节点广播区域信息；数据传输信道是网络内传感器节点之间用来相互通信。由基站发起建立区域梯度并进行周期性区域梯度更新，并使整个网络时间同步。当源节点要向汇聚节点发送数据时，由源节点发起，建立一条通向汇聚节点的链路，从而完成数据传输。其方法如下：

(a)区域梯度的建立：为网络内的每个节点分配网络唯一标识号(ID)，在网络节点被部署之后，整个网络处于初始状态，基站与整个网络的节点进行时间的同步。接着基站就周期性地通过广播信道向网络内的节点广播区域梯度信息，其广播半径R_i是递增序列，即：R_i＝ir，其中：i＝{1，2，3...m}，r为传感器节点的传输半径。

网络内的节点在一个广播时隙开始后，就开始侦听广播信道和数据传输信道。在广播信道中，当第一次侦听到基站广播的区域梯度包时，节点就接收该数据包并将自己的梯度值设定为包内所携带的梯度值。根据包内的序列数值可以判断该包是基站第几个时隙广播的区域梯度包；根据包内的梯度值可以知道节点的梯度大小。此时，网络内节点的区域梯度已经建立。

(b)区域梯度的更新：由于移动传感器网络是一种动态网络，其内部传感器节点是随机移动的，因此需要对建立的网络区域梯度周期性地更新。当节点移动到其它区域时，在下一个基站广播周期内，节点的梯度值就会被更新为所在区域的梯度值，否则，节点的梯度值保持不变。

(c)路由的建立：本协议属于按需路由协议，当源节点需要发送数据到汇聚节点时，它会发起路由建立过程。在路由建立过程中，节点寻找下一跳节点的原则是：梯度贪婪选择和能量感知选择。一般情况下，节点利用梯度贪婪选择算法进行下一跳节点的搜寻，当待选节点大于一个时，节点就启动能量感知选择算法在待选节点中进行选择，上述方式反复进行，直到找到汇聚节点为止。待路由建立成功后，汇聚节点通知源节点开始发送数据。

现对本协议和MAID协议中的节点信息开销量进行分析比较。

设网络区域面积为D，传感器节点数量是N，节点的传输半径为r，节点的平均移动速度为v，则：

(1)网络节点密度ρ为：$\rho =\frac{N}{D};$

(2)节点j在时间间隔Δt内以平均速度v移动时相遇的平均邻居节点个数N_i为：

$N_i=\mathrm{S\rho }=\frac{2\mathrm{rvN}}{D}\mathrm{\Delta t}$

(3)节点i在时间间隔Δt内更新区域梯度信息的次数M为：

$M=\frac{\mathrm{\Delta t}}{T_s}$

又在路由建立期间，为了减少路由空洞的发生，取基站广播时隙T_s＝r/v，即：

$M=\frac{\mathrm{\Delta t}}{T_s}=\frac{v}{r}\mathrm{\Delta t}$

(4)在MAID协议中，节点i在时间间隔Δt内平均发送的信息包N_S^MAID和平均接收的信息包N_R^MAID分别为：

$N_S^{\mathrm{MAID}}=\frac{S}{{\mathrm{\pi r}}^2}=\frac{2\mathrm{rv\Delta t}}{{\mathrm{\pi r}}^2}=\frac{2v}{\mathrm{\pi r}}\mathrm{\Delta t}$①

$N_R^{\mathrm{MAID}}=N_i=\frac{2\mathrm{rvN}}{D}\mathrm{\Delta t}$②

(5)在本协议中，节点i在时间间隔Δt内平均发送的信息包N_S^RGB和平均接收的信息包N_R^RGR分别为：

$N_S^{\mathrm{RGR}}=0$③

$N_R^{\mathrm{RGR}}=M=\frac{v}{r}\mathrm{\Delta t}$④

现在计算N_R^MAID/N_R^RGB，将②式和④式代入可得：

$\frac{N_R^{\mathrm{MAID}}}{N_R^{\mathrm{RGR}}}=\frac{2\mathrm{rvN}}{D}\mathrm{\Delta t}·\frac{r}{\mathrm{v\Delta t}}=\frac{2r^{2}N}{D}$⑤

因为本发明所涉及的网络是稠密传感器网络，所以可分下面两种情况来讨论⑤式：

第一种情况是网络中的N个传感器节点处于最佳覆盖状态，参见图1。其中矩形的面积S为：

S＝Nr·2r＝2r²N

N个节点所覆盖的区域面积S′为：

S′＝D

则由图可得：$\frac{S}{S^{\prime }}=\frac{2r^{2}N}{D}=1$

即$\frac{N_R^{\mathrm{MAID}}}{N_R^{\mathrm{RGR}}}=\frac{2r^{2}N}{D}=1$⑥

第二种情况是网络中的N个传感器节点处于稠密覆盖状态，参见图2。其中矩形的面积S为：

S＝Nr·2r＝2r²N

N个节点所覆盖的区域面积S′为：

S′＝D

则由图可得：$\frac{S}{S^{\prime }}=\frac{2r^{2}N}{D}>1$

即$\frac{N_R^{\mathrm{MAID}}}{N_R^{\mathrm{RGR}}}=\frac{2r^{2}N}{D}>1$⑦

综合上面所分析的两种情况，由⑥式和⑦式可得到下面的结论：

$\frac{N_R^{\mathrm{MAID}}}{N_R^{\mathrm{RGR}}}=\frac{2r^{2}N}{D}\ge 1$

即$N_R^{\mathrm{MAID}}\ge N_R^{\mathrm{RGR}}$⑧

通过以上分析可知：在相同的时间间隔内，传感器节点在本协议中比MAID协议中接收的信息数据包数量少，而且在本协议中节点在梯度建立和更新过程中不广播信息数据包，因此本协议比MAID协议的节点信息开销小。

本发明的有益效果是：在区域梯度建立和更新的过程中，网络内的节点只是接收来自基站广播的信息包，邻节点之间并不进行信息的交换，这样移动的节点在单位时间内信息交换量减少，节点的能量消耗减小；节点内只是储存自己的梯度值，并不储存其它节点的梯度值，节点储存信息量减小，从而增加传感器网络的使用寿命，节约传感器节点的信息存储空间。

附图说明

图1是本发明传感器节点处于最佳覆盖状态图，其中：黑色点代表传感器节点，N代表传感器节点的个数，r代表传感器节点的传输半径。

图2是本发明传感器节点处于稠密覆盖状态图，其中：黑色点代表传感器节点，N代表传感器节点的个数，r代表传感器节点的传输半径。

图3是本发明发射基站周期广播区域梯度信息示意图，其中：黑色点代表传感器节点，灰色点代表汇聚节点，a和b分别代表网络区域的长度和宽度，R₁～R₆代表发射基站不同的广播半径。

图4是本发明在广播信道中基站发射功率随时间变化曲线图，其中：t_b代表发射基站广播一次区域梯度包所用的时间，T_s代表基站的一个广播周期(时隙)时间，T_b代表广播一轮区域梯度包所用的时间。

图5和图6是本发明节点区域梯度值更新示意图，其中：字母A、B和C代表不同的虚拟区域，字母a、b和c代表传感器节点编号，字母m、n和k代表传感器节点的梯度值。

图7、图8和图9是本发明路由梯度贪婪选择示意图，其中：灰色点代表源节点，其它传感器节点为其邻居节点，字母d、f、g、h和j代表传感器节点编号。

图10、图11和图12是本发明路由能量感知选择示意图，其中：灰色点代表源节点，其它传感器节点为其邻居节点，字母x、y、z、u、v和w代表传感器节点编号，ē代表传感器节点的当前剩余能量值。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

具体实施如下：本协议为了避免区域梯度信息信号和数据通信的冲突，传感器网络中使用广播与数据传输两个分离信道。其中广播信道是基站用来向网络内传感器节点广播区域信息；数据传输信道是网络内传感器节点之间用来相互通信。本协议由以下三部分组成：

(a)区域梯度的建立：在网络节点被部署之后，整个网络处于初始状态，基站与整个网络的节点进行时间的同步。接着基站就周期性地通过广播信道向网络节点广播区域梯度信息，广播半径R_t是随时间变化的递增序列，即：R_i＝ir，其中：i＝{1，2，3...m}，r为传感器节点的传输半径。参见图3，假设网络覆盖范围为一矩形，其边长为a和b，为使基站广播半径达到全网覆盖，要求基站最大广播半径R_m大于网络边缘两点之间的最长距离L，又矩形中最长两点距离线段是对角线，即：$L=\sqrt{a^2+b^2},$且则：其中表示对向上取整。

其中区域梯度包的通信格式为：

    报文头    广播标志    序列数    梯度值

报文头包括信息验证码，用于降低传码率。

广播标志是该数据包的标识号。

序列数是区分不同的广播时隙。若基站两次以同样的发射半径广播区域梯度包，则称这个时间间隔为一个广播周期，即一个广播时隙。

梯度值是为每个区域内的节点分配到基站的相对距离值。

参见图4，在广播信道中，基站广播一次区域梯度包所用的时间为t_b，则其广播一轮区域梯度包所用的时间为mt_b，即：T_b＝mt_b，其中m是基站在一轮广播中的广播次数，也就是广播半径的个数；基站的一个广播周期(时隙)时间为T_s，当一个广播时隙开始时，基站就开始以递增广播半径的方式向网络广播区域梯度包，直到这一轮广播结束。

网络内的节点在一个广播时隙开始后，就开始侦听广播信道和数据传输信道。在广播信道中，当第一次侦听到基站广播的区域梯度包时，节点就接收该数据包并将自己的梯度值设定为包内所携带的梯度值。根据包内的序列数值可以判断该包是基站第几个时隙广播的区域梯度包；根据包内的梯度值可以知道节点的梯度大小。在本时隙内，节点接收到区域梯度包后就关闭广播信道，继续对数据传输信道进行侦听，直到T_b时间后，节点进入睡眠状态。此时，网络内节点的区域梯度已经建立。

(b)区域梯度的更新：由于移动传感器网络是一种动态网络，其内部传感器节点是随机移动的，因此需要对建立的网络区域梯度周期性地更新。当节点移动到别的区域时，节点的梯度值就会被更新为该区域的梯度值，否则，节点的梯度值保持不变。参见图5和图6，网络分为三个虚拟区域，即：A区、B区和C区，其中：A区的区域梯度值为m；B区的区域梯度值为n；C区的区域梯度值为k。图5中，在t₀时刻，A区内的节点a向B区运动，B区内的节点c在本区域内运动，C区内的节点b也向B区运动；图6中，在t₁时刻，节点a、节点b和节点c均处于B区内，当基站在下一轮广播区域梯度包时，节点a的区域梯度值m被更新为n，节点b的区域梯度值k也被更新为n，而节点c的区域梯度值保持不变，仍为n，以上说明了当节点位置发生改变后，节点区域梯度值更新的过程。

(c)路由的建立：本协议属于按需路由协议，当源节点需要发送数据到汇聚节点时，它会发起路由建立过程。在路由建立过程中，节点寻找下一跳节点的原则是：梯度贪婪^[8]选择和能量感知选择。一般情况下，节点利用梯度贪婪选择算法进行下一跳节点的搜寻，当待选节点大于一个时，节点就启动能量感知选择算法在待选节点中进行选择，依据上述方式，直到找到汇聚节点为止，这样从源节点到汇聚节点的信息路径已经建立完毕。

下面介绍路由选择的梯度贪婪选择算法和能量感知选择算法。

梯度贪婪选择算法：通过基站周期广播区域梯度信息包，网络中的节点已被分配了梯度值，它就可以根据梯度贪婪选择算法来选择下一跳节点。参见图7、图8和图9，节点上的数字代表其梯度值，图7中源节点d有数据需要发送到汇聚节点，它向邻居节点广播路由请求包(REQ)发起路由请求，邻居节点h、j、f和g均收到了节点d的路由请求包(REQ)；图8中邻居节点h、j、f和g通过把自身的梯度值(G_h、G_j、G_f和G_g)与节点d的梯度值(G_d)进行匹配比较，得到：G_j、G_f和G_g均不大于G_d，但G_h大于G_d，因此邻居节点j、f和g符合待选节点的条件，它们分别向节点d回答一个路由响应包(RES)，而邻居节点h在得知自己不符合待选条件就进入睡眠状态；图9中节点x收到邻居节点j、f和g发送的路由响应包(RES)后，将G_j、G_f和G_g进行比较，得到：G_j最小，然后它就选择邻居节点j作为下一跳节点，向节点j发送一个路由确认包(ACK)进行确认，此时，从节点d到节点j的路由已建立。

能量感知选择算法：在利用梯度贪婪选择算法进行下一跳节点的选择时，如果待选的节点不止一个时，这时路由发起节点就启动能量感知选择算法，在待选节点中选择一个剩余能量最多的节点作为其下一跳节点。参见图10、图11和图12，节点上的数字代表其梯度值，ē是节点的当前剩余能量值，图10中源节点x向邻居节点广播路由请求包(REQ)发起路由请求，邻居节点u、v、w、y和z均收到了节点x的路由请求包(REQ)；图11中邻居节点u、v、w、y和z通过把自身的梯度值(G_u、G_v、G_w、G_y和G_z)与节点x的梯度值(G_x)进行匹配比较，得到：G_v、G_w、G_y和G_z均不大于G_x，但G_u大于G_x，因此邻居节点v、w、y和z符合待选节点的条件，它们分别向节点x回答一个路由响应包(RES)，其中包内信息包含本节点的当前剩余能量值ē，邻居节点u在得知自己不符合待选条件就进入睡眠状态；图12中节点x收到邻居节点v、w、y和z发送的路由响应包(RES)后，将G_v、G_w、G_y和G_z进行比较，得到：G_y和G_z最小，然后它就比较节点y和z的剩余能量值ē，其中：ē_z＞ē_y，最后节点x选择邻居节点z作为下一跳节点，向节点z发送一个路由确认包(ACK)进行确认。待路由建立成功后，汇聚节点通知源节点开始发送数据。