基于无线传感网节点中间件的分簇路由的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于无线传感网节点中间件的分簇路由的方法，其特征在于在现有LEACH协议基础上，提出一种基于节省能量和减少延迟的改进型LEACH路由协议，以有效减小LEACH协议簇形成过程的能量消耗，对数据传输阶段功率采用动态自适应的功率控制；在簇内节点加入相应簇后，切换各自信道至各簇首指定信道，最大程度减少相邻节点的退避和等待时间。本发明专利技术所述的改进型LEACH路由协议置于传感网中间件中的网络协议栈，采用服务原语的方式，对向下的数据链路层，通过Request原语请求物理链路资源，并根据数据链路层返回的Response信息，决定更为合适的路由协议策略；本发明专利技术分别在簇首选举和自适应传输两个阶段进行了改进。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，属于无线传感网络领域。
技术介绍
无线传感网络是由部署在检测区域内的大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络。由于传感器节点能量、处理能力和存储能力有限，传统MANET( Mob i I eAd Hoc Networks移动自组织网络)网络中的大多数路由协议都不适合于应用在无线传感器网络环境中。因此，在传感器网络的研究和设计中，实现路由协议，并综合网络延迟、网络容量、能量限制等因素，是人们广泛关注的核心问题。目前应用于无线传感器网络中的路由协议，主要包括平面路由协议和层次路由协议两大类。其中，在平面路由协议中，所有节点地位平等，不存在等级和层次差异，并且主要依赖广播不定向或查找路由表定向地传输数据，具有简单、易扩展、易维护的优点。典型的平面路由协议包括 DD (Directed Diffusion 定向扩散)、SAR (Sequential AssignmentRouting 有序分配路由)和 SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation信息协商的传感器协议)。这一类路由协议无管理节点，缺乏对能量、信道和传输数据的优化分配、管理。层次路由协议一定程度上弥补了上述不足。层次路由协议一般将全网络划分为多个簇，簇首管理簇内节点，并将数据转发到上一级路由节点。最具有代表性的是LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy,低功耗自适应聚簇分层)协议。特别注意的是，LEACH协议为使能量达到均衡消耗的目的，需要在整个无线传感网中进行随机选举产生簇首。为适应网络拓扑结构的变化，还需要周期性广播以实现路由重建。LEACH协议的模型中，簇首选举没有考虑节点的能量；实际上LEACH采用的周期性地全网广播对于有限的资源是一种浪费；LEACH协议本身对时间同步要求极高，因此有效地避免信道的拥堵和等待退避时间，有助于减低时间同步复杂度。本领域的技术人员均知道，通用中间件用于屏蔽底层硬件、网络平台复杂性及异构性，可以减小用户高层应用需求与网络复杂性差异，优化系统的资源管理，增加程序执行的可预见性。由于标准接口对于可移植性和标准协议对于互操作性的重要性，通用中间件已成为许多标准化工作的主要部分。中间件提供的程序接口定义了一个相对稳定的高层应用环境，不管底层硬件和操作系统存在多少差异，只要将中间件升级更新，并保持对外接口定义不变，便可以给用户提供一个统一的运行平台和友好开发环境，有利于加快传感网大规模产业化发展步伐。在无线传感网络路由协议中，考虑能量均衡和节约，是有效提高路由协议鲁棒性的重要手段之一。据报道，在CN201010176658.X专利中，运用能量优先的节点分簇方法。即当全网部署完毕后，基站通过发送广播信号，启动网络中所有节点运行；网络中每个启动节点计算自身成为簇首的阈值；将网络中剩余能量大于或等于网络平均能量且生成的随机数小于阈值的节点选做簇首；簇首广播簇首消息，附近节点依靠临近原则，加入相应簇，成为对应的簇成员并获得簇首分配的TDMA (Time Division Multiple Address,时分多址)时隙。该方法在网络生存时间上，其性能明显好于LEACH协议。然而，该技术同原有的LEACH协议相同，在簇建立过程中，可能造成簇首分布不均或集中在全网某一角落，无法建立完整无线传感网的拓扑结构。在无线传感网络路由协议中，为了尽量延长节点的工作时间，延长网络各部分的寿命是网络鲁棒性的重要体现。在CN201010195667.3专利中，提出了利用能量相对较大的节点固定担当簇首，形成静态簇，并通过建立簇内数据转发路径的方法解决网络第一个节点死亡时间到网络最后一个节点死亡时间跨度长的问题。该方法不需要添加任何硬件设备，在网络能量消耗一样的情况下，较LEACH协议减小了网络平均每轮的能耗。所提供的方法虽然避免了每轮簇建立的能量消耗，但是对于网络中节点移动、簇首意外被破坏等情况，不具有任何优势，而且又降低了无线传感网的稳定性。同时，较大能量的静态簇首节点对节点电池提出了更高的要求。综合以上技术背景及现有技术的缺点，所述的分簇路由方法可有效降低LEACH路由协议在簇形成阶段的能量消耗；降低LEACH路由协议在路由重建中的能量消耗；减少等待退避时间，减少传输延迟，减轻性能对时间同步性能的依赖。此外，为实现更好的通用性，并可以与多种MAC (介质访问控制)层协议、多种应用环境协同工作，同时保持路由协议的相对独立、可移植性，本方法所述的路由协议将作为无线传感网节点中间的一个模块。从而引导出本专利技术的构思。
技术实现思路
针对低功耗传感网节点中间件协议栈中的路由协议模块，本专利技术的目在于提出是一种节省能量和减小延迟的改进型LEACH路由协议(Improved LEACH Based on the Energy Efficient and Minimum Delay,LEACH-EEMD)方法。所述的改进型路由协议的方法是在现有LEACH协议基础上，一方面有效地减小LEACH协议簇形成过程中的能量消耗，并且对数据传输阶段功率采用动态自适应的功率控制，从而在网络稳定和能量优化之间取得最优配置；另一方面，在簇内节点加入相应簇后，切换各自信道至各簇首指定信道，最大程度上减少相邻节点由于信道拥挤而发生的退避和等待时间。所述的方法中低功耗传感网节点中间件网络协议模块位于无线传感网操作系统抽象和中间件管理器之间，向上向下提供标准化网络协议接口和API (Ap PI i C a t i O nprogram interface，应用程序界面)调用函数，并支持参数列表配置。该模块实现无线传感网网络层路由协议，完成传感节点、路由节点组网、邻居管理、路由管理、流量控制及拥塞避免等功能，同媒体接入控制层、传输层等其他部分完整构成网络协议栈。本方法所述的改进型LEACH路由协议，具有对网络拓扑变化快速反应能力、自适应调整功耗、优化簇首选举过程等特点。所述的分簇路由方法的选举模型以传统随机模型为基础，综合考虑全局和局部网络的能量情况，明显降低簇形成中能量消耗，同时采用类似于蜂窝网络的信道分配，减少了延迟时间，降低了 LEACH路由协议对时间同步的苛刻要求。本专利技术提供的具体的技术方案是:在无线传感网中，所有传感器节点将本地采集的数据通过射频按照某种约定的格式和关系，发送至目的节点——汇聚节点，整个网络形成了以汇聚节点为跟节点的树状拓扑。每个传感器节点都采用中间件结构，传感器节点中间件位于硬件和软件支撑之上，位于应用层之下。网络路由协议位于协议栈，协议栈的API接口按照中间件服务原语形式进行封装，从一定程度上，协议栈具备中间件的基本特征。因此，网络协议栈可以作为一个中间件的模块，最大程度满足不同平台和应用环境的要求。本专利技术中分簇路由方法在现有LEACH协议基础上，有效减少能量消耗和传输延迟。路由协议模块在中间件的系统中的作用可参考图1。本专利技术中所述的改进型LEACH路由协议是在满足以下条件的系统模型基础上提出:定义节点区域为0，N个无线传感器节点随机分布，节点大部分时间处于休眠状态，并周期性醒来发送数据。该系统的模型可简化本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于无线传感网络节点中间件的分簇路由的方法，其特征在于在现有LEACH协议基础上，提出一种基于节省能量和减少延迟的改进型LEACH路由协议，以有效减小LEACH协议簇形成过程的能量消耗，对数据传输阶段功率采用动态自适应的功率控制；在簇内节点加入相应簇后，切换各自信道至各簇首指定信道，最大程度减少相邻节点的退避和等待时间。

【技术特征摘要】
1.基于无线传感网络节点中间件的分簇路由的方法，其特征在于在现有LEACH协议基础上，提出一种基于节省能量和减少延迟的改进型LEACH路由协议，以有效减小LEACH协议簇形成过程的能量消耗，对数据传输阶段功率采用动态自适应的功率控制；在簇内节点加入相应簇后，切换各自信道至各簇首指定信道，最大程度减少相邻节点的退避和等待时间。2.按权利要求1所述的方法，其特征在于在所述的无线传感网中，所有传感器节点将本地采集的数据通过射频按照某种约定的格式和关系，发送至目的节点——汇聚节点，整个网络形成了以汇聚节点为跟节点的树状拓扑；每个传感器节点都采用中间件结构，传感器节点中间件位于硬件和软件支撑之上，位于应用层之下；网络路由协议位于协议栈，协议栈的API接口按照中间件服务原语形式进行封装，网络协议栈作为一个中间件的模块，最大程度满足不同平台和应用环境的要求。3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的改进型LEACH路由协议置于传感网中间件中的网络协议栈，采用服务原语的方式，对向下的数据链路层，通过Request原语请求物理链路资源，并根据数据链路层返回的Response信息，决定更为合适的路由协议策略；对向上的传输层、表示层和应用层，通过接收上层下发的Request请求，在不同的时刻针对不同的需求配置响应的路由和返回数据。...

【专利技术属性】
技术研发人员：才正国，赵康，尚琳，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：