专利名称：针对无线传感器网络的低功耗定向广播方法
技术领域：
本发明涉及的是一种无线传感器网络的定向广播策略。
背景技术：
无线传感器网络能量有限是制约无线传感网络的一个最为重 要的因素，一旦能量耗尽就意味着节点失效，可能造成数据的丢失或者无法传递，由于无线传感器网络经常工作在环境恶劣或者是比较危险的探测区域，所以更换电池非常困难。近年来电池硬件的研究进展比较缓慢，研究人员逐渐把方向转换为对网络路由协议的研究，传统的AODV协议机制在AODV协议中需要建立路由时，源节点首先广播一个路由请求(Route Request, RREQ)分组。中间节点收到RREQ时，首先根据该RREQ提供的信息建立到上一跳的反向路由，接着查找自己的路由表，如果发现有到目的节点的有效路由，那么通过反向路由传送路由应答(Route Replay, RREP)分组。如果没有发现到目的节点的有效路由，那么就将收到的RREQ广播给邻居节点，直到该RREQ到达目的节点，由目的节点生成RREP，并沿着已经建立起来的反向路由传给源节点。如图8所示，O号节点是源节点，11号节点是目的节点。O号节点发送请求报文RREP以建立它到11号节点的路由，直至11号目的节点收到请求报文才向O号源节点发起回复报文RREQ，最终建立的路径是{0，7，10，11}。当同一个路由请求报文RREQ有若干不同的回复报文RREP时，源节点将根据所有回复报文RREP中标记的目的节点序列号，选取RREP中标记的目的节点序列号是最大的作为回复报文，或者在RREP中标记目的节点序列号相同时，选取RREP中跳数最小的作为回复报文，从而根据回复报文建立路由。无线传感器网络能量问题已经成为现今的研究热点与难点，传统的无线传感器网络路由发现策略采用的是AODV协议，AODV协议通过向全网广播路由请求报文来建立路由，但在已知目的节点的方向的基础上，会形成一些不必要的广播。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以提高无线传感器网络的很多网络性能的针对无线传感器网络的低功耗定向广播方法。本发明的目的是这样实现的第一步初始化网络拓扑无线传感器节点在部署完毕后，根据从sink节点已知的坐标信息，进行坐标转换，确定目的节点在以当前工作节点为坐标原点的坐标系中的位置，以此方向为X轴的正方向，确定工作节点的坐标系；第二步划分扇形区域根据已经确定的X轴方向以X轴为角平分线以2/3 π为顶角确定传感范围的一个扇形，均分另两个扇形；第三步确定传感半径
根据得到的扇形，在每个扇形中通过增大传感半径即增大传输功率的方法搜寻邻居节点，使得每个扇形至少存在一个邻居节点，将邻居节点根据所在扇形进行编号，将编号信息插入到数据包当中；第四步定向广播在路由发现过程中应用定向广播，对已经标记好定向扇形编号的节点接收到源节点广播的RREQ消息，消息中包括的节点IP地址、能量信息、扇形编号、广播类型相关信息，进行写入节点信息处理，收到源节点广播包却不属于定向扇形的节点将收到的广播包进行丢包处理，判断方法依据转发节点判据；第五步路由发现接收到RREQ消息的节点判断自己是否为目的节点，如果不是目的节点，则进行第一步到第四步的重复迭代过程从而构建路由，如果是目的节点则路由构建成功，沿着所构 建路由的反方向进行传输数据操作。本发明是基于无线传感器网络路由协议为AODV的协议改进的技术研究，设计了一种定向广播的路由发现算法(DB_A0DV)，该方法具有以下优点(1)DB_A0DV协议相比传统的AODV协议在分组投递率有很大的提高，组投递率是一个描述网络质量的指标，用于表示在一定时间内从源节点发送出来的数据包可成功传输至目的节点的比率。在实验中通过改变拓扑结构的规模来测试加入定向广播算法的AODV协议与通用协议的性能(见图5)。(2)连通度如果传感器网络至少要去掉k个传感器节点才能使网络不连通，这就称网络k连通的，或者称网络的连通度是k。拓扑控制一般要保证网络是连通(I连通)的。无论是射频网络，ADHOC网络，还是无线传感器网络，都是利用两个节点之间的多跳传输建立连接的，所以拓扑的连通度至关重要。所以拓扑控制算法必须保证网络的连通性，这也是拓扑控制的最基本要求。在算法整个过程中，随着能量的耗散，节点会逐渐因为耗尽能量而退出网络，这势必会导致对连通度的直接影响，本文在一定的时间实验后，通过对连通的工作节点在总节点中的比例来衡量拓扑的连通度，如图所示，连通度在算法过程中的很长一段时间优势是不明显的，但是当算法进行一段时间以后，由于AODV的每个广播节点耗散能量的增加，算法依然会保证一定的连通度。(见图6)。(3)网络能量损失网络拓扑能量均衡负载是考虑网络性能的综合重要指标，能耗层级记录了在某一工作时刻的所有节点消耗的能量总值，DB_A0DV算法可以使拓扑中单节点广播效率提高了 67%，总体能耗降低约20% (见图7)。
图1邻居节点扇形图；图2 DB_A0DV的算法实例简图；图3 DB_A0DV算法应用实例图；图4转发节点判据图；图5分组投递率仿真结果图；图6连通度实验效果7网络能耗效果图
图8传统广播图。
具体实施例方式无线传感器网络能量问题一直是制约着物联网发展的技术难点，无线传感器网络搜寻节点、建立路由采用的是传统的AODV协议，AODV协议建立路由采用的全网广播的形式，每个节点都广播自己所收到的RREQ消息，直到消息到达目的节点，建立起路由，在这过程中很多节点是没有必要进行广播的，路由的建立也只用到了少部分节点，据此本发明设计出了一种定向广播的策略，将原有的路由协议中A OD V查找路由的方式加入定向广播的思想，只针对部分在所规定扇形区域的节点的广播，对不在定向广播扇形的节点进行丢包处理，因此丢包处理的传感器节点的能量就可以存储，以待下次应用，通过仿真实验分析DB_A0DV协议可以提高无线传感器网络的很多网络性能。具体技术方案描述如下在描述DB_A0DV方法之前，给出方法中会用到的几个条件
1、功率节点确定传感距离足以使周围一跳邻居节点接收并回复数据消息。2、能耗节点能耗不考虑本身计算的能量消耗，因为与传输所有能耗相比，计算所付出的代价是很小的。3、节点坐标每个节点已知本身相对于sink网关节点为原点的坐标系的坐标。4、拓扑密度拓扑密度足够，本发明设置为300*300m的正方形区域，能够保证搜寻邻居节点的步骤顺利进行。DB_A0DV方法总共分五步第一步初始化网络拓扑无线传感器节点在部署完毕后，根据从sink节点已知的坐标信息，进行坐标转换，确定目的节点在以当前工作节点为坐标原点的坐标系中的位置，以此方向为X轴的正方向，确定工作节点的坐标系。第二步划分扇形区域为了方便传感器对节点的识别，根据已经确定的X轴方向以X轴为角平分线以2/3 π为顶角确定传感范围的一个扇形，均分另两个扇形，通过对发送数据包中特定字段的修改、标注使三个区域拥有有效的辨识度，方便之后的操作。第三步确定传感半径根据得到的扇形，在每个扇形中通过增大传感半径(即增大传输功率)的方法搜寻邻居节点，使得每个扇形至少存在一个邻居节点，此时确定的传感半径即为三个扇形确定传感半径的最大值，此值可以使三个扇形当中每个扇形都至少存在一个传感器邻居节点，将邻居节点根据所用扇形编号进行标注，将标注信息插入到数据包当中。第四步定向广播在路由发现过程中应用定向广播的思想，对已经标记好定向扇形编号的节点接收到源节点广播的RREQ消息，消息中包括的节点IP地址，能量信息，扇形编号，广播类型等等相关信息进行写入节点信息等处理，收到源节点广播包却不属于已编号的定向扇形的节点将收到的广播包进行丢包处理，判断方法依据转发节点判据。第五步路由发现每个传输过程当中的节点都要进行上述操作，即接收到RREQ消息的节点需要判断自己是否为目的节点，如果不是所要传输的目的节点，那么要进行第一步到第四步的重复迭代过程从而构建路由，如果是目的节点则路由构建成功，沿着所构建路由的反方向进行传输数据操作。O点为源节点，根据与sink节点交换的坐标信息确定目的节点方向以后，对O点的传感区域进行三等分，在O点周围区域通过增大传输功率的方式使每个扇形都存在邻居节点，确定传感半径，从定向扇形中选取转发节点，根据选取的定向扇形确定下步转发的节点(见图2)图中O为源节点，在定向扇形中的邻居节点为5和6，只对这两个节点进行转发， 其他节点在接受RREQ消息以后通过转发节点判据判断是否进行转发，如果不符合条件进行丢包处理，接下来5、6节点的转发节点是7节点，通过相同的步骤确定10节点为下一跳转发节点，据此可以确定的路由为{O, 5, 7, 10，11}与{0,6, 7, 10，11}，通过一定的比较就可以确定最终的路由选择，在定向节点集中的每个节点都要执行上述过程，通过以上算法就可以实现定向广播的目的，通用的广播在节点周围2π弧度的范围进行查找下一步转发节点，而本发明只针对定向广播扇形中的节点进行广播转发，如图3所示，在通用广播中需要进行广播的节点2、1、3、4、5、12就可以进行丢包处理，节省广播的能量用于之后的工作，免去了在定向扇形以外(弧度为4 π/3)的能耗，从而在一次转发过程中节省了 67%的广播角度，从而对它们的能量实现了大量的节约，η个点都采用此策略对角度的节省会达到(67%)η，所以算法对能量的节省是显著的。图1为根据源节点目的节点的位置信息确定的传感器传感区域的划分方法，源节点O的传感范围可以看做是一个圆形，扇形顶角度为a，在每个扇形区域当中都至少存在一个邻居节点，如图1所示A、B、C、D、E、F节点分别为三个扇形当中的邻居节点，而G、H节点不包含在邻居节点扇形当中，其中B、C节点位于②号扇形，A点位于③号扇形，D、E、F位于①号扇形，通过已知确定方向那么定向扇形就选择完成了。图4为转发节点的判断依据，I点为目的节点，即为X轴的正方向，当节点判断与X轴和工作节点连线的夹角小于H /3时，节点即落在此定向扇形当中，即图中Z KSK JI /3，说明K点位于定向扇形当中，是S节点或当前工作节点转发节点的一个选择，而图中Z FSI> /3，说明F点不在定向扇形当中，F点接收到RREQ消息后要进行丢包处理。图5为分组投递率的仿真结果。运用定向广播的协议可以获取更高的分组投递率。当网络中的节点数量很少的时候，网络的分组投递率普遍不高，运用定向广播策略前后的性能差别并不很明显。随着拓扑规模的变大，网络的分组投递率逐渐升高。图6为连通度仿真实验的效果图。连通度在算法过程中的很长一段时间优势是不明显的，但是当算法进行一段时间以后，由于AODV的每个广播节点耗散能量的增加，算法依然会保证一定的连通度。图7为网络能量损失的实验仿真示意图。网络拓扑能量均衡负载是考虑网络性能的综合重要指标，能耗层级记录了在某一工作时刻的所有节点消耗的能量总值，实验开始阶段对能量的消耗相差不多，但是随着时间的推移会发现在多次广播过程中，DB_A0DV算法对能量的节省是非常显著 的。
权利要求
1.一种针对无线传感器网络的低功耗定向广播方法，其特征是包括如下步骤 第一步初始化网络拓扑 无线传感器节点在部署完毕后，根据从Sink节点已知的坐标信息，进行坐标转换，确定目的节点在以当前工作节点为坐标原点的坐标系中的位置，以此方向为X轴的正方向，确定工作节点的坐标系； 第二步划分扇形区域 根据已经确定的X轴方向以X轴为角平分线以2/3 π为顶角确定传感范围的一个扇形，均分另两个扇形； 第三步确定传感半径 根据得到的扇形，在每个扇形中通过增大传感半径即增大传输功率的方法搜寻邻居节点，使得每个扇形至少存在一个邻居节点，将邻居节点根据所在扇形进行编号，将编号信息插入到数据包当中； 第四步定向广播 在路由发现过程中应用定向广播，对已经标记好定向扇形编号的节点接收到源节点广播的RREQ消息，消息中包括的节点IP地址、能量信息、扇形编号、广播类型相关信息，进行写入节点信息处理，收到源节点广播包却不属于定向扇形的节点将收到的广播包进行丢包处理，判断方法依据转发节点判据； 第五步路由发现 接收到RREQ消息的节点判断自己是否为目的节点，如果不是目的节点，则进行第一步到第四步的重复迭代过程从而构建路由，如果是目的节点则路由构建成功，沿着所构建路由的反方向进行传输数据操作。
全文摘要
本发明提供的是一种针对无线传感器网络的低功耗定向广播方法。包括如下步骤第一步初始化网络拓扑；第二步划分扇形区域；第三步确定传感半径；第四步定向广播；第五步路由发现。本发明将原有的路由协议中AODV查找路由的方式加入定向广播的思想，只针对部分在所规定扇形区域的节点的广播，对不在定向广播扇形的节点进行丢包处理，因此丢包处理的传感器节点的能量就可以存储，以待下次应用，通过仿真实验分析DB_AODV协议可以提高无线传感器网络的很多网络性能。
文档编号H04W40/10GK103024858SQ20131001094
公开日2013年4月3日 申请日期2013年1月11日 优先权日2013年1月11日
发明者赵蕴龙, 武广君, 宋洪涛, 兰海燕 申请人:哈尔滨工程大学