专利名称：适用于传感器网络电磁频谱监测系统的高效能量感知路由方法
技术领域：
本发明属于无线传感器网络协议技术领域，具体涉及一种适用于传感器网络电磁频谱监测系统的高效能量感知路由方法。
背景技术：
无线传感器网络(WSN)是当前国际上备受关注的、多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。传感器网络技术具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防空反恐、微型区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和实用价值。
电磁频谱空间是最复杂的空间之一，自然界的各种物理现象都会产生不规则的干扰频率，而且干扰的种类，频率范围，持续时间都没有规律。随着科技的发展，在各行各业及军事场景下，无线射频技术应用的日益增多，空间电磁信号变得更加拥挤和复杂，这给区域内电磁信号的监测、管理、分配和使用带来了诸多问题。无线传感器网络由于价格较为低廉、体积小便于布设，传感器监测节点可以距离信号源更近、监测电磁信号的频段更为广泛等特点，在空间电磁信号监测过程中发挥着越来越大的作用。在利用无线传感器网络对空间电磁信号进行分布式监测时，网络节点种类较多，包含了多个频段的感知节点，同时多个频段的节点在传输数据时相互干扰，网络体系结构极为复杂；感知节点对空间电磁信号进行监测十分消耗能量，但传感节点由于受到成本和体积因素的限制，且电池能量很有限且很难得到补充。已有的传感器网络组网协议对节点间发送数据的相互干扰以及节点能量问题考虑不够，直接影响了无线传感器网络的生存时间。
发明内容
本发明的目的是设计一种适用于传感器网络电磁频谱监测系统的高效能量感知路由方法，实现多个频段感知节点监测数据的无障碍传输，同时克服现有技术缺点，平衡整个网络中节点的能耗，延长网络的生存时间。—种适用于传感器网络电磁频谱监测系统的高效能量感知路由方法，其特征在于包括以下步骤(A)传感器网络的部署阶段，将监测区域按照网格划分，并在每个网格内部署汇聚节点和多个监测不同频段的感知节点；(B)网络内所有的汇聚节点分别向网络内广播簇首通告报文，每个感知节点对接收到的多个簇首通告报文按照接收信号的强度进行对比，选择最强信号相对应的汇聚节点作为其簇首节点并加入该簇；(C)在路由建立阶段，源节点寻找到目的节点的路由时，源节点在发起路由请求并收到多条路由回复报文后，根据链路的最小跳数和链路中节点的剩余能量综合判定选择最佳路由；(D)在传输数据的稳定阶段，包括了数据的簇内传输和簇间传输两部分。在簇内传输阶段，感知节点根据簇首节点发布的TDMA时刻表在自己的时间隙发送监测数据到簇首节点；在簇间传输阶段，簇首节点首先对多个感知节点发送的同一监测目标的数据进行初步融合后再上报到信息中心节点。更进一步的，所述步骤(B)具体包括如下步骤(I)网络内汇聚节点广播簇首通告报文，感知节点或者其他汇聚节点收到簇首报文后都不进行转发；(2)感知节点对收到多个簇首报文的信号的强度进行对比，选择最强信号相对应的汇聚节点做为其簇首节点并加入该簇；
(3)簇首节点根据簇内节点的数量创建TDMA时刻表并通知每个节点何时开始传输数据。更进一步的，所述步骤(C)中选择最佳路由的具体方法为源节点在建立到目的节点的最佳路由时，首先发起路由请求，在固定时间内收到多条路由应答，源节点对收到的多跳路由的综合因子Rk按以下公式进行计算，选定Rk最大值的链路为最佳路由；Rk = D*Ek*RSSIk/hopk(k = I, 2. . . n)其中，Rk则为链路的综合参考因子，D为网络参数，Ek为链路的剩余能量，RSSIk为链路的接收信号强度，hopk为链路中源节点到目的节点的最小跳数。更进一步的，所述步骤(D)中的簇内数据传输为感知节点根据簇首节点发布的TDMA时刻表在自己的时间隙发送监测数据到簇首节点，若该成员节点有更多的数据要传输，那么它可以在其它成员的时间隙开始的时候监听信道，监听信道的时长是一个随机的短的时间段。如果信道中存在信号，该节点会立即进入休眠状态，直到这个时间隙结束，节点醒来并继续监听信道。如果没有检测到信道中存在信号，则该节点将占用这个时间隙进行数据传输；更进一步的,所述步骤(D)中的簇间数据传输为簇首节点在接收到感知节点发送的数据，对多个感知节点上报的同一监测目标的数据进行初步融合后，首先判断自己是否有到信息中心节点的路由信息，如果路由不存在，发起到信息中心的路由请求；如果路由存在，则通过多跳进行簇间数据传输。本发明与现有技术相比所取得的有益效果为本发明在部署传感器网络电磁频谱监测设备时，进行了网格划分和簇的构建，降低了随机成簇的盲目性，增强了传感器网络电磁频谱监测系统的网络性能；在选择最佳路由时采用了最小跳数和链路剩余能量综合策略，能够更均匀的将整个无线传感器网络的能耗分摊到每个节点，在保障通信质量的同时延长了传感器网络电磁频谱监测系统的使用寿命。
图I为高效能量感知协议簇的建立流程图；图2为簇内数据发送流程图；图3为簇间数据发送流程图。
具体实施例方式以下结合附图及实例对本发明作进一步说明一种适用于传感器网络电磁频谱监测系统的高效能量感知路由方法，包括以下步骤(A)传感器网络的部署阶段，将监测区域按照网格划分，并在每个网格内部署汇聚节点和多个频段的感知节点。(B)网络内所有的汇聚节点分别广播簇首通告报文，每个感知节点对接收到的多个簇首通告报文按照接收信号的强度进行对比，选择最强信号相对应的汇聚节点作为其簇首节点并加入该簇。具体为，⑴网络内汇聚节点广播簇首通告报文，感知节点或者其他汇聚节点收到 簇首报文后都不进行转发；(2)感知节点对收到多个簇首报文的信号的强度进行对比，选择最强信号相对应的汇聚节点做为其簇首节点并加入该簇；(3)簇首节点根据簇内节点的数量创建TDMA时刻表并通知每个节点何时开始传输数据。如图I所示，在网络完成初始化之后，信息汇聚节点向周围邻居感知节点周期性发送簇首通告报文，收到簇首通告报文的感知节点对比信号的强弱，选择信号最强的汇聚节点发送ACK报文，该汇聚节点以自己为簇首，以回复ACK报文的感知节点为簇成员节点，并向簇成员节点发送TDMA时隙列表，完成协议簇的构建。(C)在路由建立阶段，源节点寻找到目的节点的路由时，源节点在发起路由请求并收到多条路由回复报文后，根据链路的最小跳数和链路中节点的剩余能量综合判定选择最佳路由。假定Ek为某链路的剩余能量(该链路中所有节点的最低能量值)，RSSIk为某链路的接收信号强度(该链路中所有节点的最低信号接收强度，表示链路质量)，hopk为链路中源节点到目的节点的最小跳数，D为网络参数，根据网络的实际情况可以进行调整，Rk则为某链路的综合参考因子。Rk = D*Ek*RSSIk/hopk(k = I, 2. . . n)源节点在建立到目的节点的最佳路由时，首先发起路由请求，在固定时间内收到多条路由应答，源节点对收到的多跳路由的综合因子Rk进行计算，选定Rk最大值的链路为
最佳路由。(D)在传输数据的稳定阶段，包括了数据的簇内传输和簇间传输两部分。在簇内传输阶段，感知节点根据簇首节点发布的TDMA时刻表在自己的时间隙发送监测数据到簇首节点；在簇间传输阶段，簇首节点首先对多个感知节点发送的同一监测目标的数据进行初步融合后再上报到信息中心节点。如图2所示为簇内数据的传输流程图，感知节点在完成数据监测后需要上报时，对照簇首节点发送的TDMA时隙列表，如果在自己的时隙内则向簇首节点发送数据；若感知节点发现不在自己的时隙内或者数据未发送完毕，对信道进行监听，若信道被占用则持续进行监听直到信道空闲时通过该信道发送数据。
如图3所示为簇间数据的传输流程图，簇首节点等待簇内成员节点上报同一任务的监测数据，若所有簇成员节点的数据发送完毕则对数据进行初步融合，否则继续等待。在 簇首节点进行等待接收数据和融合过程中，簇首节点判定自己是否拥有到达信息中心节点的最新路由信息，如果没有该信息则发起路由请求并确立最佳路由，待完成数据的初步融合后进行数据的多跳传输。
权利要求
1.一种适用于传感器网络电磁频谱监测系统的高效能量感知路由方法，其特征在于包括以下步骤 (A)传感器网络的部署阶段，将监测区域按照网格划分，并在每个网格内部署汇聚节点和多个监测不同频段的感知节点； (B)网络内所有的汇聚节点分别广播簇首通告报文，每个感知节点对接收到的多个簇首通告报文按照接收信号的强度进行对比，选择最强信号相对应的汇聚节点作为其簇首节点并加入该簇； (C)在路由建立阶段，源节点寻找到目的节点的路由时，源节点在发起路由请求并收到多条路由回复报文后，根据链路的最小跳数和链路中节点的剩余能量综合判定选择最佳路由； (D)在传输数据的稳定阶段,包括了数据的簇内传输和簇间传输两部分；在簇内传输阶段，感知节点根据簇首节点发布的TDMA时刻表在自己的时间隙发送监测数据到簇首节点；在簇间传输阶段，簇首节点首先对多个感知节点发送的同一监测目标的数据进行初步融合后再上报到信息中心节点。
2.根据权利要求I所述的适用于传感器网络电磁频谱监测系统的高效能量感知路由方法，其特征在于所述步骤(B)具体包括如下步骤 (1)网络内汇聚节点广播簇首通告报文，感知节点或者其他汇聚节点收到簇首报文后都不进行转发； (2)感知节点对收到多个簇首报文的信号的强度进行对比，选择最强信号相对应的汇聚节点做为其簇首节点并加入该簇； (3)簇首节点根据簇内节点的数量创建TDMA时刻表并通知每个节点何时开始传输数据。
3.根据权利要求I所述的适用于传感器网络电磁频谱监测系统的高效能量感知路由方法，其特征在于所述步骤(C)中选择最佳路由的具体方法为源节点在建立到目的节点的最佳路由时，首先发起路由请求，在固定时间内收到多条路由应答，源节点对收到的多跳路由的综合因子Rk按以下公式进行计算，选定Rk最大值的链路为最佳路由；Rk = D*Ek*RSSIk/hoPk(k = 1,2... n) 其中，Rk则为链路的综合参考因子，D为网络参数，Ek为链路的剩余能量，RSSIk为链路的接收信号强度，hopk为链路中源节点到目的节点的最小跳数。
4.根据权利要求I所述的传适用于传感器网络电磁频谱监测系统的高效能量感知路由方法，其特征在于所述步骤(D)中的簇内数据传输为感知节点根据簇首节点发布的TDMA时刻表在自己的时间隙发送监测数据到簇首节点，若该成员节点有更多的数据要传输，那么它可以在其它成员的时间隙开始的时候监听信道，监听信道的时长是一个随机的短的时间段。如果信道中存在信号，该节点会立即进入休眠状态，直到这个时间隙结束，节点醒来并继续监听信道。如果没有检测到信道中存在信号，则该节点将占用这个时间隙进行数据传输。
5.根据权利要求I所述的适用于传感器网络电磁频谱监测系统的高效能量感知路由方法，其特征在于所述步骤(D)中的簇间数据传输为簇首节点在接收到感知节点发送的数据，对多个感知节点上报的同一监测目标的数据进行初步融合后，首先判断自己是否有到信息中心节点的路由信息，如果路由不存在，发起到信息中心的路由请求；如果路由存在，则通过多跳进行簇间数据传输。 ·
全文摘要
本发明属于无线传感器网络协议技术领域，具体涉及一种适用于传感器网络电磁频谱监测系统的高效能量感知路由方法。本发明针对在监测区域进行网格划分并部署传感器网络电磁信号感知节点、汇聚节点、信息中心节点后，汇聚节点广播簇首通告报文，各感知节点根据收到的信号强度选择簇首节点并加入簇，完成簇的建立；在源节点寻找到目的节点的路由时，将链路的最小跳数和链路中节点的剩余能量作为选择最佳路由的原则，感知节点将监测到的数据通过最佳路由上报到信息中心节点。本发明的优点在于进行了网格划分和簇的构建，降低了随机成簇的盲目性；选择最佳路由在保障通信质量的同时延长了传感器网络电磁频谱监测系统的使用寿命。
文档编号H04W40/10GK102802231SQ20121028652
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月14日 优先权日2012年8月14日
发明者赵宾华, 杨国瑞, 洪浩, 许书彬, 孙少鹏, 刘东华, 于飞 申请人:中国电子科技集团公司第五十四研究所