基于分簇与RREP广播的大规模传感器网络路由方法

摘要

本发明公开了一种基于分簇和RREP广播的大规模传感器网络路由方法，主要解决AODV/PC协议中存在的控制开销较多、簇与簇重叠范围较大、能量利用率低的问题。其实现步骤包括路由建立和网络分簇，该路由建立是通过源节点广播RREQ分组，网络汇聚节点或者某个中间节点收到RREQ分组后广播回复RREP分组实现，源节点获得路由之后发送监测数据，在监测数据的传递过程中，发送节点采用功率自适应调节机制确定发送功率；该网络分簇是依据PC机制实现，采用由距离决定的时间推迟机制，确定节点声明分簇状态之前需要推迟的时间。本发明与现有AODV/PC相比产生更少的控制分组、簇与簇的重叠范围更小、能量利用率更高，可用于对WSN网络规模的扩展。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及网络路由方法，具体地说是一种基于分簇与RREP(Route Reply，路由响应)广播的大规模传感器网络路由方法，用于在传感器节点与网络汇聚节点之间选择一条恰当的传输路径，使传感器检测的数据顺利地到达汇聚节点。

背景技术

近年来基于无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)产生了许多应用，如环境监控、军事领域监视等，在这些应用中，通过在区域内部署微小的传感器，可以轻松地获取环境的温度、压力、湿度和化学反应活动等参数信息。然而，由于功率限制、物理损害或者环境因素的干扰等影响，这些传感器节点可能不能恰当地工作，因此传感器的密集部署成为必需，但是密集部署也会带来一系列问题，如碰撞概率的增加、数据的冗余传输等等。

为了解决大规模WSN中出现的一系列问题，尤其是随着网络规模的增加出现的能量消耗过大问题，对网络分簇已逐渐被采用，成为延伸网络范围的有效手段。与无分簇的机制相比，分簇可以明显提高能量效率，减少信道竞争和分组碰撞，并最终提高网络吞吐量。究其根本，分簇是将网络分成两个层次，簇头(CH，ClusterHead)节点和网关(GW，GateWay)节点构成高层，负责将数据分组转发到网络的汇聚节点，其他节点组成低层，将采集的数据发往所属的CH节点。

自从分簇机制被提出以后出现了很多基于网络分簇的路由协议，而大部分的分簇协议仅考虑能量利用率和网络寿命，并未考虑网络规模的扩展问题。如LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)协议周期地建立分簇结构，并在每次建簇时随机选取CH节点，用以平衡所有节点的能量消耗，从而延长网络寿命(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)。与无分簇的路由协议相比，以上分簇路由协议可以明显减少节点因为负荷过重而导致能量耗尽的情况，并延长网络生存期，但该协议仅将延长网络生存期作为协议设计目标，并未提出有效地扩展网络范围的方法。

近年来，更多的增强型的分簇协议被提出：

1、E.Astier，A.Hafid，and A.Benslimane等人，在论文“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，提出了通过优化CH节点的选举机制，即选择剩余能量较多的并且较为稳定的节点作为CH节点，从而减少了分簇重建的次数并延长了网络寿命。该协议中对网络分组是在区域内事件发生以前进行，并周期性地更换CH节点，结果导致大量协议分组的产生，从而不利于网络规模的扩展。

2、M.Gerla等人提出被动分簇(Passive Clustering，PC)的概念，即网络中的分簇是按需进行(M.Gerla，T.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通过将具体的协议信息附加在待发送的分组中，无需为网络分簇设计新的协议分组，从而减少了路由建立时间和协议开销。图1描述了利用PC进行网络分簇时的状态转移图，每个节点都有四个可能的状态和一个内部状态，即INITIAL，CLUSTERHEAD，ORDINARY，GATEWAY，CLUSTERHEAD_READY，其中CLUSTERHEAD_READY为内部状态，最初所有节点处于INITIAL状态，直到收到MAC分组时才发生状态转移，例如，若节点处于INITIAL状态，收到来自非CH节点的分组，同时需要转发该分组时，当前节点的状态转移到CLUSTERHEAD_READY，并在成功转发后其状态转移到CLUSTERHEAD。类似地，若节点处于ORDINARY状态，说明当期节点已监听到一个CH节点，若此时当前节点收到另外一个CH节点的分组，即该节点处于两个簇的交叉范围内，则该节点在待发送的分组中插入GATEWAY状态，并进行状态声明，待分组成功发送后，节点进入GATEWAY状态。同样，其他状态转移如图中所示，该状态转移图保证了网络分簇的顺利进行。

M.Gerla等人在上述文中的最后提出将PC机制应用到AODV(Ad hocOn-Demand Distance Vector Routing)协议中，即AODV/PC协议。该协议通过仅允许关键节点即CH节点和GW节点对路由请求分组(RREQ，Route Request)进行转发，而限制普通节点的转发，从而抑制了广播分组的冗余传输，大大降低了网络中的控制开销，在一定程度上扩展了网络范围。

PC机制在AODV协议中的应用解决了之前分簇协议未考虑网络规模的问题，但当AODV/PC应用于WSN时却表现下列不足：

(1)AODV/PC协议应用于点到点的通信方式，而WSN场景中因为汇聚节点的特殊性，多个节点与相同汇聚节点的通信成为主要通信方式，当将AODV/PC应用于WSN时造成多条单个节点到汇聚节点路由建立，从而引入较多的控制开销；

(2)该协议在应用PC机制时，节点在声明分簇状态之前随机推迟一段时间，而该时间的随机延迟将导致簇与簇重叠范围的过大，最终将导致GW节点增多和网络中节点能耗增加；

(3)AODV/PC并未解决能量利用率的提高问题，而节点能量直接关系到网络的寿命。

发明内容

本发明的目的在于避免上述AODV/PC协议应用于WSN时的不足，提出一种基于分簇与RREP广播的大规模传感器网络路由方法，以减少路由建立次数并减少路由建立过程中的控制开销、降低网络总体能耗、提高能量利用率并延长网络寿命。

实现本发明目的的技术方案是在AODV/PC协议的基础上，依据大规模WSN的具体场景，进行路由建立和网络分簇，实现步骤包括如下：

(1)路由建立步骤

1a)源节点S构造RREQ分组并将其以广播方式发送，邻节点N收到该分组后对其进行广播转发，直到RREQ到达汇聚节点D或者一个中间节点R，该中间节点具有到达汇聚节点D的路由；

1b)汇聚节点D或某个中间节点R在收到RREQ分组之后，检查该分组经历的跳数值是否超过其曾经回复的RREP分组的最大跳数值，若超过，则构造RREP分组并将其广播转发，否则忽略该路由请求；

1c)在RREP分组广播过程中，中间节点R缓存或刷新到达汇聚节点D的路由，并检查RREP分组经历的跳数是否超过门限值，若是则将其丢弃，否则继续对该分组进行广播转发；

1d)源节点S收到RREP分组后，对该RREP分组中的路由进行缓存，并将待发送的数据沿该路由发送至汇聚节点D，发送节点在发送数据时自适应调整发送功率；

(2)网络分簇步骤

在RREQ或RREP分组广播过程中，所有节点在声明分簇状态之前，先根据由距离决定的时间延迟机制确定推迟的时间，再按照PC机制通过在待发送的分组中附加自己的分簇状态，完成网络分簇。

本发明与AODV/PC协议相比具有以下特点：

1、本发明由于其路由建立是通过广播回复RREP分组完成，使中间节点可以获得该RREP分组，并将其中的路由缓存到本地路由表，以便待有数据发送时无需启动新的路由建立，从而减少控制分组的数量，降低了路由建立时间；同时由于RREP分组的广播回复受跳数限制，使其传播范围不致太大，减少系统控制开销；

2、本发明由于采用了距离决定推迟时间机制，克服了时间的随机选取带来的不足，有利于减少簇与簇之间的重叠，从而减少整个网络中关键节点的数量，并最终减少控制开销和能量消耗；

3、本发明采用的功率自适应调节机制有利于根据发送节点与接收节点的远近程度自适应调节发送功率，一方面减少能量消耗，另一方面降低节点彼此之间的干扰。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述：

附图说明

图1现有网络分簇状态转移示意图；

图2本发明的网络路由流程图；

图3是PC机制中推迟时间的随机选取对簇与簇之间重叠范围的影响示意图；

图4是本发明路由过程中由距离决定的时间延迟机制对簇与簇重叠范围的影响示意图；

图5是本发明与AODV/PC协议仿真对比结果显示示意图。

具体实施方式

一.网络环境

假设网络中的所有节点处于静止状态；网络中存在多个汇聚节点，用以收集传感器节点监测的数据，所有的传感器节点与汇聚节点都是随机分布；所有传感器节点都具有相同的能力，如数据处理能力、初始能量、通信能力等，汇聚节点具有更强的数据处理能力，且不具有能量限制；所有节点部署之后不需要人为管理；并假设基于信号强度估计距离的算法可用。

当传感器节点监测到数据，并且其分簇状态处于ORDINARY时，该数据直接被发往所属的CH节点，而当节点处于INITIAL、CLUSTERHEAD或者GATEWAY状态且无到达汇聚节点的路由时，则需要启动路由建立过程。同时，本发明依据PC机制进行网络分簇，网络分簇发生在控制分组传播过程中，并且控制分组只在关键节点之间传播，于是减少了控制分组的冗余传输。

二.路由设计的具体实施

参照图2，本发明的路由步骤如下：

步骤1，源节点构造RREQ分组及RREQ分组的传播过程。

1a)源节点S在需要发送数据且没有可用路由时，创建一个新的RREQ分组，在该分组中加入源节点S的地址和序列号，并将分组经历的跳数值设置为零；

1b)源节点S将该RREQ分组广播发送，邻节点N在收到该分组之后，根据分组的源节点地址和序列号，检查本节点是否收到过相同的RREQ分组，若收到过，则将其丢弃，否则将分组经历的跳数值加一，并将该分组缓存在本地；

1c)在转发RREQ分组之前，邻节点N根据由距离决定的时间延迟机制确定推迟的时间，再按照PC机制通过在待发送的分组中附加自己的分簇状态进行网络分簇，推迟一段时间之后邻节点N对该RREQ进行广播转发，直到该分组到达汇聚节点D或者某个中间节点R，该中间节点R具有到达汇聚节点D的路由。

本发明摈弃PC机制中推迟时间的随机选择机制，采用由距离决定的时间延迟机制确定推迟时间，是因为推迟时间的随机选择容易造成如图3所示的簇与簇之间重叠范围较大。详细来讲，节点CH1通过在分组中携带分簇状态而成功声明，在其信号覆盖范围内的所有节点进入ORDINARY状态，在转发该RREQ分组之前节点R推迟时间最短从而将其转发成功，当CH2节点收到该RREQ分组并转发时，同样推迟时间最短，并同时声明自己为CLUSTERHEAD状态，从而造成CH1与CH2节点所在的簇之间的重叠较多，而导致的后果是网络中需要的关键节点较多，增加对系统资源的占用。

针对AODV/PC协议中推迟时间的随机性，本发明采用由距离决定的推迟时间机制，该推迟时间的计算采用下式进行：

t＝k*(L-s)/(n+1)    1)

式中L为节点通信范围，本实例中采用40m，s为本节点与上一跳节点的距离，该距离通过距离估计算法得到；n为处于本节点信号接收范围内的CH节点数量；k为一个常量，其值与仿真平台有关，该参数的目的是放大(L-s)/(n+1)的值，防止(L-s)/(n+1)过小导致的网络震荡问题。具体来说，假设存在A和B两个节点，并且两个节点都处于推迟发送阶段，若两者的推迟时间相差较小，则A和B几乎同时将分组发送，之后也都几乎同时收到对方的CH声明，依据PC协议，在收到新的状态声明时，本节点需要退出当前状态，如此以来A、B节点同时放弃之前的状态，而随后两节点又同时收到对方的放弃声明，于是又开始新一轮的竞争，所以A、B处于声明与放弃的循环之中。加入因子k之后，可以将推迟的时间扩大，使接收节点拥有足够的时间接收并处理发送节点的状态声明。

依据式1)，距离上一跳越远，则推迟时间越短，而在本节点信号接收范围内检测到的CH节点数量越多，则说明当前节点处于较多的簇与簇交叉区域内，即n的值越大则推迟时间越短。采用本发明中的方法后，簇与簇之间的重叠范围减少，如图4所示，R节点最早转发来自CH1的分组，并且其邻节点收到该分组之后，CH2第一个作出CH声明，于是两个簇之间的重叠较少。

步骤2，汇聚节点D或中间节点R回复RREP。

2a)汇聚节点D或某个中间节点R收到RREQ分组之后，检查该分组经历的跳数是否超过其曾经回复的RREP的最大跳数值，若超过则创建新的RREP分组，否则忽略该路由请求；

2b)在创建RREP分组时，上述节点在该分组中加入源节点S的地址和序列号、汇聚节点D的地址和序列号，并将RREP分组的跳数门限设为收到的RREQ分组经历的跳数值，并通过广播的方式向源节点S发送，同时将本节点曾经回复的RREP分组的最大跳数值刷新为该RREP分组的跳数门限。

步骤3，RREP分组的传播过程。

3a)在RREP分组的广播过程中，中间节点R根据RREP分组的目的节点地址和序列号，检查在收到该RREP之前是否收到过与该分组相同的RREP分组，若收到过，则将其丢弃，否则将RREP分组经历的跳数值加一，并将该分组缓存在本地；

3b)该中间节点R根据RREP分组中的路由，并结合本节点的路由表，缓存或者刷新到达汇聚节点D的路由；

3c)检查RREP分组经历的跳数是否超过RREP分组的门限值，若超过则将其丢弃，否则根据由距离决定的时间延迟机制确定推迟的时间，再按照PC机制通过在待发送的分组中附加自己的分簇状态进行网络分簇，按照确定的推迟时间推迟之后，由该当前节点对RREP分组广播转发。

步骤4，源节点S缓存路由，并发送数据。

源节点S收到RREP分组后，对该RREP分组中的路由进行缓存，并将待发送的监测数据沿该路由发送至汇聚节点D，在该监测数据的传递过程中，发送节点根据到达下一跳节点的距离调整发送功率，使监测数据刚好到达接收节点。为了应对CH节点与GW节点能量耗尽的情况，本发明中规定当CH与GW节点的能量降为初始能量的20％时，其状态转移到INITIAL，并在发送出去的分组中声明该状态。

本发明的效果可通过以下仿真说明：

1.仿真环境

仿真基于平台MIRAI-SF，该平台由NICT(National Institute of Information andCommunications Technology)开发。MAC协议采用IEEE 802.11，每个节点的发射范围为40m，发射功率为8.5872e-1W，基本数据速率为11Mbps，PLCP数据速率为1Mbps。传感器节点以恒定密度部署，其数量从100递增至500。数据业务采用恒定数据速率业务，数据速率为1kbps，其中随机选取10％的传感器节点作为数据源节点，分组长度为50Byte，业务持续时间为3s，仿真持续时间为300s。

2.仿真内容

对控制分组的数量、平均路由建立时间、能量消耗、簇与簇之间的重叠范围这些性能指标进行仿真，其结果如图5所示，其中图5(a)为控制分组数量示意图，图5(b)为平均路由建立时间示意图，图5(c)为能量消耗示意图，图5(d)为簇与簇重叠范围示意图。

3.仿真结果分析

从图5(a)可见，随着网络规模的扩大，协议分组不可避免地随之增加，但本发明与AODV/PC协议相比开销更少，而且增加的趋势更加缓慢，因为RREP分组的广播回复，从而减少了重复的路由建立过程，并由此减少了协议分组的开销；

从图5(b)可见，本发明的平均路由建立时间更短，因为在RREP分组广播过程中，部分节点已经缓存了到达汇聚节点的路由，从而无需启动路由建立过程，因此平均时间更短；

从图5(c)可见，本发明中总的节点能耗更低，因为本发明采用了RREP广播的方式建立路由，从而引入更少的控制开销，并且在本发明中，节点发送数据时采用自适应调整功率的方法，使得能量效率得以提高；

从图5(d)可见，从图中看出本发明的GW节点与CH节点的平均距离更大，该平均距离反应了簇与簇之间的重叠范围，其值越大重叠范围越小，由于本发明中节点声明状态之前的推迟时间由距离决定的时间延迟机制确定，距离上一跳节点越远则推迟时间越短，从而有利于减少簇与簇之间的重叠，因此相比AODV/PC，本发明中的簇与簇的重叠范围更小。

综上，本发明与AODV/PC相比，在控制分组的数量、平均路由建立时间、能量消耗、簇与簇之间的重叠范围这些指标方面性能更好，即本发明克服了AODV/PC控制开销较多、簇与簇之间重叠范围较大和能量利用率低下的不足，从而更加有利于无线传感器网络范围的扩展。