专利名称：大规模无线传感器网络路由的实现方法
技术领域：
本发明属于无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)的技术领域，具体涉及基于P2P计算模式的WSN路由方法的设计与实现。将此方法应用到WSN路由模型中，能提供对大规模网络环境的支持，同时提高其网络路由效率和平均生命周期。
背景技术：
传统的无线传感器网络，消息通过单跳的方式发送到汇聚节点(C/S模式)，常导致耗电量快、资源浪费、通讯超过监测范围，从而使网络变得不稳定、效率低甚至不可用。另一方面，随着节点规模的扩大，P2P逻辑拓扑的维护开销和WSN物理拓扑感知的控制开销会迅速增加，分组投递率下降，导致系统无法正常工作。随着分布式移动网络应用范围的不断扩大，规模化是WSN未来发展的必然要求，而目前国内外基于P2P理论的WSN研究基本局限于中小规模。本发明针对上述问题，提出基于P2P的大规模无线传感器网络路由模型(Large-scale WSN Routing Model based on P2P，简称 WRMP)，在 WSN 中应用 P2P 技术和多路径路由技术，提高大规模无线传感器网络的平均生命周期和路由效率。
发明内容
本发明的目的是在大规模WSN环境中有效地融合P2P技术，为提高大规模无线传感器网络的路由效率和平均生命周期，提供了基于P2P计算模式的路由协议及实现方法。该方法通过在LEACH协议上融合结构化P2P算法，使簇首节点以多跳的方式与基站通信，提高无线传感器网络可扩展性和路由效率，同时引入最小能耗路径选择机制，保障节点能耗的均衡，提高大规模无线传感器网络的寿命。本发明的目的是通过以下技术方案来解决的本发明的设计目标是针对下一代网络技术(NGN)的发展对大规模无线传感器网络应用的需求，并配合分布式哈希散列算法建立一个基于P2P的大规模WSN路由模型。它设计为三个阶段，建立阶段在WSN物理拓扑的基础上，按照改进的LEACH协议轮换选择机制选举出簇首，构建P2P网络覆盖层；稳定阶段运行基于DHT的路由算法，产生多路径路由；路径选择阶段按照最小能耗路径选择机制发送信息，最后在Sink节点进行数据融合。图I列出了 WRMP模型的基本层次结构。下面从总体上描述WRMP的设计原理I、节点命名机制 与CAN路由算法相似，WRMP模型将WSN中节点的MAC地址映射到一个d维的笛卡尔空间生成相应的节点标识(NID)，并存储相邻节点表。不同的是，WRMP模型信息路由的主要目的就是进行节点的路由和定位，每个消息查询键值就是节点的NID，即查询到消息键值也就实现了节点间的多跳路由。2、基于DHT的路由算法
WRMP模型中应用的路由算法(简称为WRMP)是一个基于WSN的网络层路由算法。它采用基于DHT的路由算法，在LEACH协议的基础上对CAN进行改进。包括节点命名机制、P2P网络覆盖层构建算法、多路径路由产生算法、最小能耗路径选择算法、路由查询和维护算法。本发明提出了一种支持大规模无线传感器网络的路由实现方法，NS2仿真实验表明能有效提升网络路由效率和平均生命周期。此方法填补了国内外在该领域的空白，必将对大规模无线传感器网络技术的发展产生积极的影响。
图IWRMP模型的基本层次结构；图2P2P网络覆盖层构建算法； 图3多路径路由产生示意图；图4多路径路由产生流程图；图5单跳/多跳通信机制示意图。
具体实施例方式本发明的具体实施步骤是通过设计基于P2P的大规模WSN路由模型的路由算法完成的。它是基于WSN的网络层路由算法，在LEACH协议的基础上对CAN路由算法进行改进，运行基于DHT的结构化覆盖层P2P网络路由算法，有效实现了无线传感器节点间的通信。下面具体介绍WRMP路由算法的主要设计P2P网络覆盖层构建算法、多路径路由产生算法、最小能耗路径选择算法、路由查询算法和路由维护算法。I、P2P网络覆盖层构建算法P2P网络覆盖层构建算法工作在WRMP模型建立阶段。它在无线传感器网络物理拓扑的基础上构建结构化P2P网络覆盖层，为在WSN路由协议的基础上应用结构化P2P路由算法打下基础。由于在LEACH协议中，簇首的选举没有考虑到节点的剩余能量，使得选出的簇首可能不是最佳簇首；同时，LEACH协议由于没有考虑节点的地理位置，离Sink节点远的簇首能量消耗远远高于离Sink节点近的簇首，容易产生失效节点，导致网络平均生命周期下降。考虑到这两方面的问题，新算法将能量消耗因素和节点地理位置因素考虑进来，提出调整簇首门限值T(n)的计算方法，如下
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0， n^G其中Eprasmt表示节点当前剩余的能量,而Einitial表示节点的最初能量,这样做的目的是为了让当前能量较高的节点成为簇首的概率增大；Dfarthest表示离Sink节点最远的节点与Sink节点间的距离,Dn表示当前节点与Sink节点间的距离,这样做的目的是当节点剩余能量小于一半时，让距离Sink节点较近的节点成为簇首的概率增大。通过这两方面的改进，能够有效地改善网络的健壮性，使得簇首的选取更为合理。新算法在簇首选举完成后，就开始形成簇，最后构建d维笛卡尔空间。P2P网络覆盖层构建算法初始化和构建过程描述如下，算法流程图如图 2。步骤I :每个节点计算自己的当前剩余能量和初始能量，向其它节点广播其能量信息，并记录接收到的网络中其它节点的能量信息。步骤2 :节点判断自己剩余能量是否已经小于初始能量的一半，进入步骤3 ;否则，进入步骤4。步骤3 :节点通过计算自己与Sink节点的相对距离，结合自己所剩的能量状况,解出T(η)值,选举出离Sink节点较近且剩余能量较多的节点成为簇首。步骤4 :节点通过计算自己的剩余能量与初始能量比率，解出T (η)值，选举出剩余能量较多的节点成为簇首。步骤5 :簇首通知网络中其余节点自己被选为簇首。步骤6:非簇首节点按照先前设置好的参考值，例如信噪比、接收信号强度等，来决定它所要加入的簇，并告知相应的簇首。步骤7 :簇首记录簇内节点的数量，当簇内节点数达到预先规定的最大值Nmax时(Nmax = Κ/Ν，K为每轮通信中簇首的数量，N为网络中剩余节点的数量)，簇首以广播方式发送“饱和”信息。收到此信息后，尚未加入该簇的节点将选择其它簇加入。步骤8 :簇首根据簇内节点的信息产生一个时分多址(TDMA)的方案，分配一个通信时隙给每一个簇内的节点。若簇内节点想给簇首传送分组，必须等到自己的时隙。步骤9 :将簇首与Sink节点的MAC地址按照CAN的散列算法产生d维的笛卡尔空间，构建P2P网络覆盖层。2、多路径路由产生算法多路径路由产生算法工作在WRMP模型稳定阶段。它在P2P网络覆盖层构建完成后，负责在簇首与Sink节点间产生多路径路由，保障离Sink节点较远的簇首节点能够通过多跳的方式发送信息，提供对大规模无线传感器网络应用的支持。设定一个N个节点的无线传感器网络，笛卡尔空间维数为d，查询转发个数为R(R < 2d)，系统多路径条数为M。多路径路由产生的示意图如图3。算法具体描述如下步骤I :查询节点将Sink节点的MAC地址Smae通过散射函数产生一点P (A1, A2,...，Ab)，其中 A1 = hi (Smac)，A2 = h2 (Smac)，…，Ab = hb (Smac)。步骤2 :查询节点在2d个邻居节点中选择最接近点P的R个邻居节点，转发查询请求。步骤3 :如果邻居节点发现P处在自己负责的区域，说明该邻居节点就是Sink节点，向查询节点返回该多跳路径。步骤4 :其余邻居节点通过查询节点确认上一轮查询请求结束后，继续选择最接近点P的R个邻居节点(除去已经获得查询请求的邻居节点)，转发查询请求。步骤5 :当查询节点获得的多跳路径条数达到M时，查询结束；否则，回到步骤3。
步骤6 :去除冗余的路径，返回M条多跳路径。 算法流程图如图4所示。 LEACH协议采用单跳通信机制，在大规模WSN环境下，有的簇首无法直接与sink节点通信，即使能够通信，也会导致较远簇首消耗大量能量。而WRMP模型应用多路径路由产生算法能够合理地解决上述问题，下面将针对单跳/多跳通信模式的能耗给出具体分析。系统模型采用极端分析法给定一个η个节点的无线传感器网络，该网络由位于同一条直线上的η-I个节点和Sink节点组成,任意两相邻节点间距离为r,节点A向Sink节点发送数据，数据包大小为kbit，不考虑将数据进行融合处理，如图5所示。依照无线通信能耗模型，LEACH协议采用单跳通信模式时，发送和接收总共需要消耗的能量为
权利要求
1.一种大规模无线传感器网络路由的实现方法，其特征在于包括以下算法(1)P2P网络覆盖层构建算法在WSN物理拓扑的基础上，按照改进的LEACH协议轮换选择机制选举出簇首，构建P2P网络覆盖层；(2)多路径路由产生算法运行基于DHT的路由算法，负责在簇首与Sink节点间产生多路径路由，保障离Sink节点较远的簇首节点能够通过多跳的方式发送信息，提供对大规模无线传感器网络应用的支持；(3)最小能耗路径选择算法在P2P网络覆盖层的基础上，负责从多路径路由中选择最小耗能的路经向Sink节点发送信息，保障簇首节点能耗的均衡，提高大规模WSN网络的平均生命周期；(4)路由查询算法路由查询过程中启用节点路由缓存，将查询到的路由信息逐步存入本地路由缓存；(5)路由维护算法路由维护负责当节点加入时，系统为它分配相应的坐标空间，当节点退出时，系统保证空出的区域能量移交给剩余节点。
2.根据权利要求I所述的一种大规模无线传感器网络路由的实现方法，其特征在于算法⑴包括以下步骤步骤⑴每个节点计算自己的当前剩余能量和初始能量，向其它节点广播其能量信息，并记录接收到的网络中其它节点的能量信息；步骤(2):节点判断自己剩余能量是否已经小于初始能量的一半，进入步骤(3);否则，进入步骤⑷步骤⑶节点通过计算自己与Sink节点的相对距离，结合自己所剩的能量状况，解出T(η)值,选举出离Sink节点较近且剩余能量较多的节点成为簇首；步骤⑷节点通过计算自己的剩余能量与初始能量比率，解出T(η)值，选举出剩余能量较多的节点成为簇首；步骤(5):簇首通知网络中其余节点自己被选为簇首；步骤(6):非簇首节点按照先前设置好的参考值，例如信噪比、接收信号强度等，来决定它所要加入的簇，并告知相应的簇首；步骤(X):簇首记录簇内节点的数量，当簇内节点数达到预先规定的最大值Nmax时(Nmax = Κ/Ν, K为每轮通信中簇首的数量，N为网络中剩余节点的数量)，簇首以广播方式发送“饱和”信息。收到此信息后，尚未加入该簇的节点将选择其它簇加入；步骤(8):簇首根据簇内节点信息产生一个时分多址(TDMA)的方案，分配一个通信时隙给每一个簇内的节点。若簇内节点想给簇首传送分组，必须等到自己的时隙；步骤(9):将簇首与Sink节点的MAC地址按照CAN的散列算法产生d维的笛卡尔空间，构建P2P网络覆盖层。簇首门限值T(n)的计算方法如下
3.根据权利要求I所述的一种大规模无线传感器网络路由的实现方法，其特征在于算法⑵包括以下步骤步骤⑴查询节点将Sink节点的MAC地址Smac通过散射函数产生一点P (Al，A2，...，Ab),其中 Al = hi (Smac), A2 = h2 (Smac),…，Ab = hb (Smac)；步骤(2):查询节点在2d个邻居节点中选择最接近点P的R个邻居节点，转发查询请求；步骤⑶如果邻居节点发现P处在自己负责的区域，说明该邻居节点就是Sink节点，向查询节点返回该多跳路径；步骤(4):其余邻居节点通过查询节点确认上一轮查询请求结束后，继续选择最接近点P的R个邻居节点(除去已经获得查询请求的邻居节点)，转发查询请求；步骤(5):当查询节点获得的多跳路径条数达到M时，查询结束；否则，回到步骤(3)；步骤(6):去除冗余的路径，返回M条多跳路径。
4.根据权利要求I所述的一种大规模无线传感器网络路由的实现方法，其特征在于算法⑶包括以下步骤步骤⑴分别计算M条多路径路由所有中转簇首节点的权值和函数W的值；步骤(2):选择最大权值的路径作为主路径(即最小能耗路径)，其余的M-I条路径作为备用路径，当主路径失效时依次采用权值最大的备用路径发送数据。权值和函数W定义如下
5.根据权利要求I所述的一种大规模无线传感器网络路由的实现方法，其特征在于算法⑷包括以下步骤步骤(I):根据产生的掩码匹配序列在邻居映射表中查找目的节点；步骤(2):如果节点路由表中没有到邻居节点的路由，通过AODV获取路由，并更新本地路由表；步骤(3):将查询递交到下一级邻居节点，直到查询到目的节点；步骤(4):目的节点向源节点返回查询到的多跳路径；步骤(5):源节点去除返回的多跳路径中的冗余路径，计算此路径的转发跳数和返回时间；步骤￠):当本轮查询时间达到多路径路由发现时限时，终止查询，统计源节点接收到的多跳路径条数。
6.根据权利要求I所述的一种大规模无线传感器网络路由的实现方法，其特征在于算法(5)包括以下步骤 步骤⑴新节点加入时，系统中某个现有的节点将自己的区域一分为二，自己保留一半，将另一半分配给新的节点；步骤(2):节点退出时，将其区域及相关关键字的数据对移交给其中一个邻居节点。如果某个邻居区域可以合并该区域并产生单个有效的区域，任务完成；反之，则将该区域移交给区域最小的邻居节点，该节点将暂时负责两个区域。
全文摘要
本发明将多路径技术和P2P技术同时融入到WSN路由模型设计中，在LEACH协议上融合结构化P2P算法，将能量消耗和节点地理位置因素加入到簇首选举算法的设计中，使得网络分簇和簇首选择更加合理；采用了多跳通讯机制，使簇首节点以多跳的方式与Sink节点通信，避免了距Sink节点较远的簇首因能量消耗过快，导致网络平均生命周期下降问题，同时提高了无线传感器网络可扩展性；引入最小能耗路径选择机制，通过计算路径的剩余能量和与Sink节点相对距离，使数据在最小能耗的路径上发送，保障了节点能耗的均衡，有效提高了大规模WSN路由效率和平均生命周期，为开发高效、实用的大规模WSN路由协议奠定了基础。
文档编号H04W84/18GK102638862SQ20121005565
公开日2012年8月15日 申请日期2012年3月5日 优先权日2012年3月5日
发明者孙璐, 张黎, 李卫华, 罗樵, 蒋华, 陈爱网, 陈靖, 黄聪慧 申请人:中国人民解放军空军工程大学