CN102833810A - 无线传感器网络的路由寻址方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络的路由寻址方法，其包括以下步骤：在一个路由更新时间间隔内，每个节点统计出对于每个邻居节点的接收数据包个数，和丢失数据包个数，由此计算出所述节点与每个邻居节点之间的接收质量特征估值和发送质量特征估值；根据所述接收质量特征估值和发送质量特征估值，每个节点依次计算出与每个邻居节点之间的链路总消耗值，从中选择链路总消耗值最小的邻居节点作为父节点。本发明能够有效提高寻找最佳路由的精度，且耗费系统资源较少，对硬件要求较低，适合在运算能力不强的嵌入式系统中应用。

Description

无线传感器网络的路由寻址方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络的路由寻址方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，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自组织网络。其以低功耗、低成本、分布式和自组织的特点为我们带来了一场信息感知的变革。

各种能被传感器感知的物理参量(如温度、湿度、震动、加速度、二氧化碳浓度等)，以各种多媒体形式的数据(如video、image、audio等)，通过WSN节点的自组网，远程采集、传输至监控端。无线传感器网络作为物联网(Internetof Thing，IOT)的重要组成部分，目前在精准农业、林业监测、智能建筑、智能交通、智能家居等领域正逐渐展开应用。

目前无线传感器网络技术中涉及路由寻址的方法有很多种，但是都在自组网和自动寻找路由中存在一些缺陷，包括寻找最佳路由不够准确，在计算过程中耗费系统资源比较大，以及在硬件资源比较少的嵌入式系统中使用效果不理想等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有无线传感器网络的路由寻址方法精度较低，耗费系统资源较大，以及在嵌入式设备中使用效果不理想的缺陷，提供一种准确、高效、稳定的无线传感器网络的路由寻址方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种新的无线传感器网络的路由寻址方法，所述方法包括以下步骤：

在一个路由更新时间间隔内，每个节点统计出对于每个邻居节点的接收数据包个数，和丢失数据包个数，由此计算出所述节点与每个邻居节点之间的接收质量特征估值和发送质量特征估值；

根据所述接收质量特征估值和发送质量特征估值，每个节点依次计算出与每个邻居节点之间的链路总消耗值，从中选择链路总消耗值最小的邻居节点作为父节点。

进一步的，在不同实施方式中，其中节点的接收质量特征估值的计算方法为，

RQ＝RN/(RN+LN)，

其中RQ为接收质量特征估值，RN为接收数据包个数，LN为丢失数据包个数。

进一步的，在不同实施方式中，其中节点的发送质量特征估值为其邻居节点的接收质量特征估值。

进一步的，在不同实施方式中，其中节点与每个邻居节点之间的链路总消耗值的计算方法为，

NodeCost＝PCost+PNodeCost，

$\mathrm{PCost}=\underset{0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{PNode}\left(i\right)\mathrm{Cost}$ (i＝0，1，2，3......n)，

PNodeCost＝1/(RQ*SQ)，

其中NodeCost为节点与邻居节点之间的链路总消耗值，PCost为父节点消耗值，PNodeCost为节点与父节点之间的链路消耗值，RQ为接收质量特征估值，SQ为发送质量特征估值。

进一步的，在不同实施方式中，其中节点定期将接收质量特征估值和发送质量特征估值广播给各个节点和网关。

进一步的，在不同实施方式中，其中节点的发送数据包中包含一个固定的16位的整形数序列号，所述序列号每次发送前会递增。

进一步的，本发明涉及的另一个方面，提供了一种存储于处理器可读的存储媒介中的无线传感器网络的路由寻址方法的计算机程序产品，所述无线传感器网络的路由寻址方法程序包括能使处理器执行以下操作的指令：

在一个路由更新时间间隔内，每个节点统计出对于每个邻居节点的接收数据包个数，和丢失数据包个数，由此计算出所述节点与每个邻居节点之间的接收质量特征估值和发送质量特征估值；

根据所述接收质量特征估值和发送质量特征估值，每个节点依次计算出与每个邻居节点之间的链路总消耗值，从中选择链路总消耗值最小的邻居节点作为父节点。

进一步的，在不同实施方式中，其中节点的接收质量特征估值的计算方法为，

RQ＝RN/(RN+LN)，

其中RQ为接收质量特征估值，RN为接收数据包个数，LN为丢失数据包个数。

进一步的，在不同实施方式中，其中节点与每个邻居节点之间的链路总消耗值的计算方法为，

NodeCost＝PCost+PNodeCost，

$\mathrm{PCost}=\underset{0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{PNode}\left(i\right)\mathrm{Cost}$ (i＝0，1，2，3......n)，

PNodeCost＝1/(RQ*SQ)，

其中NodeCost为节点与邻居节点之间的链路总消耗值，PCost为父节点消耗值，PNodeCost为节点与父节点之间的链路消耗值，RQ为接收质量特征估值，SQ为发送质量特征估值。

进一步的，在不同实施方式中，其中节点定期将接收质量特征估值和发送质量特征估值广播给各个节点和网关。

与现有技术相比，本发明提供一种新的用于无线传感器网络中各节点之间自动寻找最佳路由的方法，能够有效提高寻找最佳路由的精度，且耗费系统资源较少，对硬件要求较低，大大增加无线传感器网络稳定性，可靠性和高效性。本发明涉及的路由寻址方法是动态计算，逐步求精，每一次只进行简单的计算，当工作一段时间，对数据进行积累后，会达到高精度的最佳路由寻址，很适合在运算能力不强的嵌入式系统中应用。

附图说明

图1为本发明实施例涉及的无线传感器网络路由寻址方法的原理示意图。

具体实施方式

无线传感器网络中，每个节点都会定时发送不同种类的广播包，如路由数据包、邻居列表信息包、网络健康信息包等，其中最核心的，必不可少的广播包是路由数据包。路由数据包包含了本节点的父节点号(如果没有找到父节点，则该处为0xFFFF)，路径消耗值，以及本节点的邻居列表信息，而邻居列表信息包括本节点对应的邻居节点的节点号，本节点与此邻居节点之间接收质量特征估值。节点的发送数据包中包含一个固定的16位的整形数序列号，该序列号每次发数前会递增，这样，在一个路由更新时间间隔内，每个节点都能够统计出接收到邻居节点发送的数据包个数，以及邻居节点已发出，但本节点没有接收到的数据包的个数，也就是丢失数据包个数。由此计算出本节点对于每个邻居节点的接收质量特征估值：

RQ＝RN/(RN+LN)，    (1)

其中RQ为接收质量特征估值，RN为接收数据包个数，LN为丢失数据包个数。而节点的发送质量特征估值为其邻居节点的接收质量特征估值；

同时节点定期将这些特征估值通过邻居列表信息广播出去。

每个节点得到本节点与邻居节点之间的接收质量特征估值和发送质量特征估值后，在内存中储存一定数量的邻居列表信息，动态维护与每个邻居节点之间的接收和发送质量信息。这些信息用来计算当前连接的路径消耗。

每个节点会定期更新路由，即寻找最佳父节点。最佳父节点的唯一标准就是整个路由路径的消耗值最小。节点进行路由更新时，先依次计算与所有邻居节点之间的链路总消耗值，然后选择链路消耗值最小的邻居节点作为父节点。

根据所述接收质量特征估值和发送质量特征估值，每个节点依次计算出与每个邻居节点之间的链路总消耗值，从中选择链路总消耗值最小的邻居节点作为父节点。其中节点与每个邻居节点之间的链路总消耗值的计算方法为，

节点与每个邻居节点之间的链路总消耗值＝父节点消耗值+节点与父节点之间的链路消耗值

NodeCost＝PCost+PNodeCost，    (2)

父节点消耗值＝网关到该父节点路由中所有相邻节点之间链路消耗值总知

$\mathrm{PCost}=\underset{0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{PNode}\left(i\right)\mathrm{Cost}$ (i＝0，1，2，3......n)，    (3)

节点与父节点之间的链路消耗值＝1/(接收质量特征估值*发送质量特征估值)

PNodeCos t＝1/(RQ*SQ)，    (4)

网关节点的消耗值为0。

请参图1所示，节点1为网关节点，节点2，3，4，5互为邻居节点。通过各个节点的接收质量特征估值和发送质量特征估值，计算出节点与父节点之间的链路消耗值，如节点2与节点1之间的链路消耗值为20，节点3与节点1之间的链路消耗值为15，节点2与节点3之间的链路消耗值为15，节点4与节点2之间的链路消耗值为18，节点4与节点3之间的链路消耗值为15，节点5与节点3之间的链路消耗值为28，节点5与节点4之间的链路消耗值为10，节点5与节点2之间的链路消耗值为25。

以节点5为例说明，节点5到网关节点的路由有多条，节点5在路由更新时，依次计算与所有邻居节点之间的链路总消耗值。如，

节点5与节点3之间的链路总消耗值＝父节点(节点3)消耗值+与节点5与父节点(节点3)之间的链路消耗值＝网关到节点3路由中所有相邻节点之间链路消耗值总和＝15+28＝43，

节点5与节点4之间的链路总消耗值＝父节点(节点4)消耗值+与节点5与父节点(节点4)之间的链路消耗值＝网关到节点4路由中所有相邻节点之间链路消耗值总和＝30+10＝40，

节点5与节点2之间的链路总消耗值＝父节点(节点2)消耗值+与节点5与父节点(节点2)之间的链路消耗值＝网关到节点2路由中所有相邻节点之间链路消耗值总和＝20+25＝45，

然后节点5选择链路消耗最小的邻居节点，即节点4作为父节点。由此实现节点5到网关节点1传送的最佳路由，即节点5到节点4，再到节点3，最后到网关节点1。

本发明涉及的无线传感器网络的路由寻址方法，所有节点能够自动寻找最佳路由，加入网络，并且能够在当前路由中的某个父节点出现故障后，自动更换另一个有效路由，从而保证了最大的数据传输的安全性。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种无线传感器网络的路由寻址方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

在一个路由更新时间间隔内，每个节点统计出对于每个邻居节点的接收数据包个数，和丢失数据包个数，由此计算出所述节点与每个邻居节点之间的接收质量特征估值和发送质量特征估值；

根据所述接收质量特征估值和发送质量特征估值，每个节点依次计算出与每个邻居节点之间的链路总消耗值，从中选择链路总消耗值最小的邻居节点作为父节点。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络的路由寻址方法，其特征在于：所述节点的接收质量特征估值的计算方法为，

RQ＝RN/(RN+LN)，

其中RQ为接收质量特征估值，RN为接收数据包个数，LN为丢失数据包个数。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络的路由寻址方法，其特征在于：所述节点的发送质量特征估值为其邻居节点的接收质量特征估值。

4.根据权利要求1或2或3所述的无线传感器网络的路由寻址方法，其特征在于：所述节点与每个邻居节点之间的链路总消耗值的计算方法为，

NodeCost＝PCost+PNodeCost，

$\mathrm{PCost}=\underset{0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{PNode}\left(i\right)\mathrm{Cost}(i=\mathrm{0,1,2,3}......n),$

PNodeCost＝1/(RQ*SQ)，

其中NodeCost为节点与邻居节点之间的链路总消耗值，PCost为父节点消耗值，PNodeCost为节点与父节点之间的链路消耗值，RQ为接收质量特征估值，SQ为发送质量特征估值。

5.根据权利要求1所述的无线传感器网络的路由寻址方法，其特征在于：所述节点定期将接收质量特征估值和发送质量特征估值广播给各个节点和网关。

6.根据权利要求1所述的无线传感器网络的路由寻址方法，其特征在于：所述节点的发送数据包中包含一个固定的16位的整形数序列号，所述序列号每次发送前会递增。

7.一种存储于处理器可读的存储媒介中的无线传感器网络的路由寻址方法的计算机程序产品，其特征在于：所述无线传感器网络的路由寻址方法程序包括能使处理器执行以下操作的指令：

在一个路由更新时间间隔内，每个节点统计出对于每个邻居节点的接收数据包个数，和丢失数据包个数，由此计算出所述节点与每个邻居节点之间的接收质量特征估值和发送质量特征估值；

根据所述接收质量特征估值和发送质量特征估值，每个节点依次计算出与每个邻居节点之间的链路总消耗值，从中选择链路总消耗值最小的邻居节点作为父节点。

8.根据权利要求7所述的存储于处理器可读的存储媒介中的无线传感器网络的路由寻址方法的计算机程序产品，其特征在于：所述节点的接收质量特征估值的计算方法为，

RQ＝RN/(RN+LN)，

其中RQ为接收质量特征估值，RN为接收数据包个数，LN为丢失数据包个数。

9.根据权利要求7所述的存储于处理器可读的存储媒介中的无线传感器网络的路由寻址方法的计算机程序产品，其特征在于：所述节点与每个邻居节点之间的链路总消耗值的计算方法为，

NodeCost＝PCost+PNodeCost，

$\mathrm{PCost}=\underset{0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{PNode}\left(i\right)\mathrm{Cost}(i=\mathrm{0,1,2,3}......n),$

PNodeCost＝1/(RQ*SQ)，

其中NodeCost为节点与邻居节点之间的链路总消耗值，PCost为父节点消耗值，PNodeCost为节点与父节点之间的链路消耗值，RQ为接收质量特征估值，SQ为发送质量特征估值。

10.根据权利要求7所述的存储于处理器可读的存储媒介中的无线传感器网络的路由寻址方法的计算机程序产品，其特征在于：所述节点定期将接收质量特征估值和发送质量特征估值广播给各个节点和网关。

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