一种基于剩余能量和多汇聚节点的工业无线传感网多路径可靠数据传输方法
【专利摘要】本发明属于无线网络协议【技术领域】，具体涉及一种基于剩余能量和多汇聚节点的工业无线传感网多路径数据传输方法，该机制主要针对多sink节点无线传感器网络，建立从传感器节点到sink节点的基于剩余能量等级和期望传输次数的多路径，使每个数据发送节点选择能量较充沛且传输开销较低的邻居节点成为下一跳节点，从而达到节约和均衡网络能量消耗的目的；具体方法是在多sink节点网络基于各个剩余能量级别建立多条最小期望传输次数路径，节点在转发数据分组时，选择剩余能量最高的路径或在指定的剩余能量等级阈值中选择最小期望传输次数的节点作为下一跳转发节点，直至数据到达sink节点。
【专利说明】一种基于剩余能量和多汇聚节点的工业无线传感网多路径可靠数据传输方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线网络协议【技术领域】，具体涉及一种基于剩余能量和多汇聚节点的工业无线传感网多路径可靠数据传输方法。该机制针对存在多汇聚节点的传感网，基于节点剩余能量和期望传输次数(ETX, Expected Transmission Count)建立多路径,在数据传输过程中使数据发送节点选择能量较充沛且传输开销较低的节点成为下一跳节点，实现一种低开销低能耗，能耗均衡的路由协议。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络领域的相关技术在近十年来因其广泛的应用吸引了学术界和工业界的广泛关注。由于传感器节点本身的限制，无线传感网涉及到的关键问题包括如何减小数据转发的能量消耗，延长网络的生命周期，提高网络传输的可靠性等。
[0003]无线传感网的网络节点受到成本和体积等因素的限制，其处理能力、无线带宽和电池容量通常是有限的。而且传感网经常部署在人力不能及的地区，节点能量耗尽后无法得到补充将无法继续工作。当一定数量的传感节点都耗尽能量后，整个网络也将失效，此时通常需要重新部署传感节点。减小传输能耗，延长网络的生命周期，提高网络传输可靠性等都可以大大的节约成本消耗。因此这些问题都是传感网设计中急需解决的问题。
[0004]增加网络的汇聚节点(sink)是提高网络生命周期的有效技术之一。多个sink节点存在时，网络中的数据可以汇报给任何一个sink节点。因此多sink可以减小数据传输的距离，有效降低数据传输的能量消耗。多sink还可以避免单sink节点网络的热点问题，SP靠近sink节点的传感节点会承担更多的转发任务,更容易能量耗尽而死亡，因此增加sink节点可以增强网络的负载平衡，网络生命周期。同时多sink还可以提高网络容错性和可靠性。本发明旨在针对多sink节点网络，提出一种基于剩余能量以及期望传输次数的多路径路由方法，以期达到低开销低能耗，能耗均衡的网络性能。
【发明内容】
[0005]本发明是针对多sink节点网络的一种基于剩余能量以及期望传输次数的多路径路由方法。本发明目的是设计一种路由协议可以在保持能量均衡的情况下，尽可能减小能
量消耗。
[0006]本发明假设无线传感器网络由无线传感器节点和多个sink节点(也称汇聚节点)组成，无线传感器节点负责数据的收集和传输，sink节点用于数据汇集并上传给远程控制端(如通过Internet、移动通信网等方式)，并对网络中的传感器节点进行管理和控制。传感器节点感知到的数据汇报给任一 sink节点即可。
[0007]本发明的技术方案的主要思想是:无线传感网建立基于剩余能量级别和期望传输次数的梯度信息，在数据在传输过程中，每个分组持有节点可以在剩余能量较高的邻居节点中选择期望传输次数最小的邻居作为转发节点，或者可以选择能够到达sink节点中的能量级别最高的下一跳节点。通过这种机制，可以减少每次数据传输的能量消耗并均衡节点间的能量消耗，同时每个节点都维护了多条路径，提高传输可靠性。
【具体实施方式】
[0008]本发明首先在网络的部署配置阶段收集必要的路由信息，每个节点都建立到达多个sink节点的梯度信息。为了降低传输能耗以及提高网络生命周期，本发明基于每个剩余能量等级分别建立最短路径树状结构。在数据传输过程中，选择剩余能量较为充沛和/或期望传输次数较小的节点作为下一跳节点进行转发，通过逐跳传输将数据汇报给任意sink节点。
[0009]本发明首先对节点按照剩余能量进行分级。设Emax为节点电池容量，且剩余能量
总共分为 m 级(m31),贝丨』第 I 级为:(Emax/2, Emax],第2级:(Emax/4, Emax/2],.......,第m-1级:(Emax/2m, Emax/211^1],第m级:(0，Emax/2m]。在准备路由信息建立多路径时,节点需要将自己的剩余能量等级通知给邻居节点，这样网络中各节点中的路由表将记录下邻居节点的剩余能量等级。
[0010]除了剩余能量等级,节点的路由表中还将记录与各剩余能量等级相对应的多路径信息。多路径的建立方法采用类似于Bellman Ford算法的方法,从多个sink节点同时开始扩散Interest信息,每个接收到Interest信息的节点将记录并更新自己的路由表,记录到达sink节点的最短路径信息。本发明基于期望传输次数(ETX)建立最短路径，由于数据分组到达任意sink即视为数据汇报成功，因此节点s的ETX为
ETX(s) =Min(ETXUsink1), ETX (s, sink2),....，ETX (s, sinkM)}(I)
其中M是sink节点的个数，ETX (s, Sinki)是节点s到达Sinki的ETX值。
[0011]总之，本发明基于不同的剩余能量等级建立数据传输的树结构，每个节点拥有不同剩余能量等级的父节点。本方案提供一种建立树结构的方法。
[0012]I)令 k=l;
2)传感器网络在部署完毕后，隔一段随机时间后，所有sink节点同时开始广播一个Interest分组，该Interest中包含:
a)该分组发送节点的ID；
b)能量级别k的值；
c)从分组发送节点到sink节点的ETX值，其初值为O。
[0013]每个节点维护一个路由表如下，其中Parentk(i)表示节点i基于能量级别k的父节点，I≤k≤m, ETXk (i)是节点i基于能量级别k到达任意sink节点的最小期望传输次数。路由表格式如下:
【权利要求】
1.一种基于剩余能量和多汇聚节点的工业无线传感网多路径数据传输方法，其特征在于:网络由多个传感器节点和多个汇聚节点组成，汇聚节点也称Sink节点；网络中的节点根据其剩余能量划分为m级，m3l ;网络为各节点分别建立并维护到达sink节点的基于各能量等级的最小期望转发次数ETX转发树结构；分组持有节点根据各树结构的能量等级及其ETX值选择树上的父节点做为分组的下一跳节点，收到分组的节点持续这一过程，直至分组到达sink节点。
2.根据权利要求1所述的基于剩余能量和多汇聚节点的工业无线传感网多路径数据传输方法，其中的剩余能量划分方法特征在于=SEmax为节点电池容量，且剩余能量总共分为 m 级，则第 I 级为:(Emax /2, Emax],第 2级:(Emax/4, Emax/2],......，第 m_l 级:(Emax/2m, Emax/2m 1II，第 m 级:(O, Emax/2m]。
3.根据权利要求1所述的基于剩余能量级别和多汇聚节点的工业无线传感网多路径数据传输方法，基于各能量等级的最小ETX转发树的建立方法特征在于:网络分别为每个能量级别，从多个sink节点同时开始扩散Interest信息，以期建立每个能量级别从每个传感器节点到达sink的最小ETX路径,具体步骤如下:
令 k=l ； 传感器网络在部署完毕后，隔一段随机时间后，所有sink节点同时开始广播一个Interest分组，Interest分组中包含以下信息: 该分组发送节点的ID ； 能量级别k的值； 从分组发送节点到sink节点的ETX值，其初值为O ; 每个节点维护一个路由表如下，其中ParentkQ)表示节点i基于能量级别k的父节点，I≤k≤m, ETXk (i)是节点i基于能量级别k到达任意sink节点的最小期望传输次数； 每个中间节点i收到Interest分组时，执行以下步骤:若节点i收到节点j转发的Interest分组,则触发路由信息更新过程,节点i找到自己路由表中能量等级k对应的ParentkQ)及ETXk(i),并计算节点j和父节点ParentkQ)相比，是否会带来更小的ETXk(i)，即若ETX(j)+ l/q(ij) < ETXk(i)，则节点 i 更新路由信息，ETXk⑴=ETX(j)+ I/q(ij)，且设置parentk(i) =j，其中q(ij)是链路(I，j)的链路传输成功率，如果节点i的能量级别小于等于k,则它在一段随机时候后转发该Interest分组,其中分组中携带的ETX值为ETXk (i)，否则节点i不转发该分组； 若k〈m，则k=k+l，转步骤2)，否则寻径阶段结束。
4.根据权利要求3所述的基于剩余能量和多汇聚节点的工业无线传感网多路径数据传输方法，其中基于多路径的转发策略特征在于:路由协议可以指定节点选择基于任何能量级别的父节点，作为分组的下一跳节点，收到分组的节点继续执行这一转发原则，直到分组到达sink节点,路由进程指定只有剩余能量高于第k级的节点才能参与转发过程,有以下两种方法:方法一，各转发节点将在路由表中能量等级最低的k个父节点中选择一个ETX最小作为分组的下一跳节点转发，收到分组的节点将重复这一步骤直到分组到达sink节点，其中l〈=k〈=m ;方法二，分组持有节点将选择该能量等级最低的父节点作为下一跳转发节点，收到分组的节点该重复这一步骤直到分组到达sink节点。
【文档编号】H04W84/18GK103686920SQ201210326815
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月6日 优先权日:2012年9月6日
【发明者】贺静, 史诚弭 申请人:江苏迈利科技发展有限公司