一种基于功率控制的无线传感器网络节能路由方法技术

一种基于功率控制的无线传感器网络节能路由方法，本发明专利技术涉及节点与邻居 最优通信功率的建立、能量最优路由的建立等内容。针对无线传感器网络节点 无线通信模块能量消耗最大的特点，本发明专利技术提供了一种功率控制方法使得节点 间通信功率最小，并在此基础上设计一种基于AODV路由协议的考虑多条路径总 消耗，并选择最小功率消耗那条路径作为数据传输的节能路由协议，该协议能 在能量受限的无线传感器网络中很好地节约能量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线路由器网络技术，特别涉及基于功率控制的无线传感器网 络高效节能的路由方法。
技术介绍
近年来，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)引起/全世界范 围的广泛关注，它综合丫传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信 技术、分布式信息处理技术等，是多学科高度交叉、新兴前沿的研究领域。WSN 是由部署在监测区域内的大量微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的 一个多跳的自组织网络系统。传感器节点监测的数据沿着其它传感器节点逐跳 地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到 协调者，最后通过互联网或无线网络达到服务器。用户通过服务器对传感器网 络进行配置和管理。无线传感器网络将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界 融合在一起，改变了人类与自然界的交互方式。与无线自组织网络(mobile Ad Hoc network)相比除具有分布式、节点自组 织性、拓扑变化、多跳路由等特点外，还具有节点能力受限、可靠性差、部署 规模大、密度高等特性，从而无线传感器网络不同于传统网络的特点给传感器 网络的设计与实现提出了新的挑战(1)低能耗，无线传感器网络长期在无人 值守的状态，给传感器节点充电或换电池非常困难；(2)低成本，传感器网络 节点通信、计算和存储能力有限，要求开发较低资源开销的通信协议；(3)节 点冗余，通常在检测区域内部署大规模的传感节点来减少不可靠，但冗余的节 点造成数据包碰撞的几率增大，误码率增加，降低节点间通信效率；(4)协作，节点间需要交换信息，共同实现对目标、事件进行汇总、处理。在传感器网络诸多应用中，无线传感器网络节点规模大，体积小，通常携带十分有限的电池，部署区域环境复杂，甚至人员无法到达，采用人工的方式更换节点电池来补充能源是不现实，因此必须尽量减少节点的能量消耗，有效延长节点的工作时间和网络的整体寿命。根据无线传感器网络的特点，设计新的协议、算法和节能策略来减少网络的能耗是当前无线传感器网络最重要的研究内容之一，其中路由协议是减少能量消耗的重要手段。路由协议是网络通信的核心技术，没有良好路由协议的支撑，无线传感器网络稳定性很难保证，整体节能也难以实现，无线传感器网络低功耗市场竞争优势便不复存在。因此设计无线传感器网络高效低功耗路由协议是无线传感器网络亟待解决的问题[。目前无线传感器网络路由协议都并不完善，在网络自愈性、节能、减少路由开销等方面都存在改进空间，特别是在节能方面，现有的路由协议都不能很好的适应无线传感器网络的需求。无线传感器网络路由协议可以借鉴成熟的Ad hoc网络路由协议，由RFC3561规范的Ad hoc网络的路由协议AODV (Ad hoc On demand Distance Vectorrouting)经过适当的修改可以很好地应用于无线传感器网络。AODV是一种按需 驱动的路由协议，它能够在移动节点之间建立动态多跳路由并维护一个Ad hocAUJJV曰匕LL I」AA l大迷逸i:tU恭l plH AA口'J工仓出，11U丑兀z!、而女！j^^、-e巾-处于非活动状态路径的路由。AODV —个很重要的创新点是对每一条路由使用 了一个目的序列号，使用目的序列号可以保证路由无环路。AODV定义了三种消息类型路由请求(RREQ)、路由回复(RREP)、路由 错误(RERR)。当节点需要一个到新目的节点的路由时，该节点会广播路由请求 进行寻找。当该路由请求到达目的节点，或者一个中间节点具有一个到目的节点的足够新的路由时，这条新路由便可以确定下来。当一条到目的节点的 路由项序列号大于或等于路由请求中该目的节点的序列号时，这条路由便是足 够新的路由。具有足够新路由的节点会通过单播路由回复的方法将 该路由信息告诉路由请求节点。每一个收到路由请求的节点都会缓存一个到路 由请求源节点的反向路由，这样，路由回复便会从最终目的节点或者满足请 求条件的中间节点顺利传递到请求节点。在无线传感器网络中，节点绝大部分能量消耗在无线通信模块上，有研究 表明，传感器节点使用无线方式传输1比特到100米远所消耗的能量可供处理器处理3000条指令。因此在使用无线传感器网络路由协议保证节点间正常通信的基础上，通过使用功率控制技术减少每一跳节点的发射功率对减少节点能耗 具有重要意义。无线传感器网络中的功率控制机制研究主要集中在3个方面，即网络层功率控制、链路层功率控制以及混合功率控制。网络层功率控制所关心的问题是 如何通过改变发射功率动态调整网络的拓扑结构和选路，最终使全网性能得到优化；链路层功率控制主要通过在MAC层来完成，发送节点根据每个报文目的 节点的距离、信道状况等条件来动态调整发射功率，用以提高网络容量或降低 节点能耗。混合功率控制将这两种机制结合起来，用网络层的功率控制调整网 络拓扑结构和选路，而在发送报文时通过链路层功率控制根据目的节点的远近 调整发送所用的功率。目前在功率控制方面的机制都没有考虑到数据传输的要求和特点，也就是 在数据传输要求时才需要对发射功率进行适当的控制。而数据传输最关键的部 分是路由的建立，因此在建立路由过程中将功率控制考虑进来是最直接，最有 效，也是最简单可行的办法，也是本专利技术的主要工作。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，给能量受限的无线传感器网络提供一种基于功率控制的 节能路由协议。本专利技术涉及节点与邻居最优通信功率的建立、能量最优路由的廷旦守rj廿。卞i j 乂Lss;i^;欧研門tiBr h ,w、ycgi5巡i曰T失伏目e;里泪耗琅大的牛寸^、， 本 专利技术提供了一种功率控制方法使得节点间通信功率最小，并在此基础上设计一 种基于AODV路由协议的考虑多条路径总消耗，并选择最小功率消耗那条路径作 为数据传输的节能路由协议，该协议能在能量受限的无线传感器网络中很好地 节约能量。本专利技术解决技术问题所采用的技术方案为本方案所适用的无线传感器网络节点组成相同(通常指节点的射频特性相 同，有相同的接收门限与相同的发射功率级)，网络节点无线通信模块有若干个 发射功率级，节点口」'以动态地调整发射功率。为了减少存储表项以及发送和接 收报文的大小，该节能路由协议的地址使用IEEE 802. 15.4定义的64比特接口标 识符，即64位扩展地址。这种基丁功率控制的无线传感器网络节能路由协议主要分为两个过程，前向路由建立过程与后向路由建立过程1)前向路由建立过程在节点加入到网络后，初始化路由表，发送自身信息(包括身份ID等信息)到汇聚节点(汇聚节点是传感器网络中数据汇聚的节点)，开始启动建立到汇聚节点的路由过程以最大发射功率发送路由请求RREQ报文，如图1所示。该RREQ报文经过多个中间节点的转发才能到达汇聚节点。 中间节点收到RREQ报文后，进行两部分的操作a)中间节点根据最大功率值、接收功率值、接收门限值可以求得它的上 一跳邻居节点(即发送该RREQ报文的节点)与该中间节点之间通信链 路的最小发射功率^，而不必使用最大功率，并将最小发射功率记录在反向路由表项中的字段该跳发射功率，路由表如图2所示。注^ = 一^——，其中《发送节点的发送功率；自己能够正确检测并解码信号的功率门限；《接收信号的能量。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于功率控制的无线传感器网络节能路由方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：　在无线传感器网络中建立从源节点到汇聚节点的前向路由；　在无线传感器网络中建立从汇聚节点到源节点的后向路由；　通过建立起来的所述前向路由和所述后向路由传输报文。

【技术特征摘要】
1、一种基于功率控制的无线传感器网络节能路由方法，其特征在于，该方法包括下列步骤在无线传感器网络中建立从源节点到汇聚节点的前向路由；在无线传感器网络中建立从汇聚节点到源节点的后向路由；通过建立起来的所述前向路由和所述后向路由传输报文。2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立前向路由具体 包括以下步骤步骤2-1:源节点加入到所述无线传感器网络后初始化路由表， 步骤2-2:向汇聚节点发送所述源节点的自身信息； 步骤2-3:以最大发射功率发送路由请求报文；歩骤2-4:所述路由请求报文经过至少-个中间节点转发到汇聚节点；步骤2-5:所述中间节点计算其上一跳邻居节点与该中间节点之间通信 链路的最小发射功率；步骤2-6:建立所述中间节点到源节点的反向路由；步骤2-7:判断所述中间节点是否存在到汇聚节点的路由，如果有，则 进入步骤2-8;否则，进入步骤2-9;步骤2-8:构造新的路由请求报文，并沿着所述到汇聚节点的路由单播 所述新的路由请求报文到汇聚节点；步骤2-9:构造新的路由请求报文，并以最大发射功率广播所述新的路由请求报文。3、 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述建立后向路由具体包括以下步骤步骤3-l:在路由请求报文到达汇聚节点后，汇聚节点设定 -定时间段， 在所述时间段内继续接收从不同路径到达的路由请求报文；步骤3-2:汇聚节点对收到的所有路由请求报文中进行比较； 步骤3-3:根据步骤3-2的比较结果，构造路由回复报文，并根据所述 前向路由中建立的所述到源节点的反向路由；将路由回复报文单播给对应 的中间节点；歩骤3-4:中间节点收到路由冋复报文后，建立到汇聚节点的正向路由； 歩骤3-5:构造新的路由回复报文；步骤3-6:当新的路由回复报文经过多个中间节点，最终到达源节点后， 正向路由建立过程结束，完成源节点到汇聚节点的节能路由建立过程。4、 根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：高德云，张宏科，张思东，牛延超，梁露露，郑涛，冯威，
申请(专利权)人：高德云，张宏科，张思东，牛延超，梁露露，郑涛，冯威，
类型：发明
国别省市：11