[發明專利]基于隨機行走備份及節點合作的數據轉發方法

有效

• 申請號: 201110129422.5
• 申請日: 2011-05-18
• 公開（公告）號: CN102158888A
• 公開（公告）日: 2011-08-17
• 發明（設計）人: 齊小剛;馬士強;劉立芳;鄭耿忠;馮海林
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04W24/04
• 分類號: H04W24/04;H04W84/18
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域

本發明屬于網絡通信技術領域，涉及數據轉發方法，具體是一種基于隨機行走備份及節點合作的數據轉發方法，可用于提高無線傳感器網絡的容錯性。

背景技術

無線傳感器網絡是集信息采集、信息傳輸、信息處理于一體的綜合智能信息系統，是當前信息領域研究和開發的一個熱點，可實現數據的采集量化、處理融合和傳輸，在軍事偵察、環境監測、醫療監護、空間探索、城市交通管理、倉儲管理等軍事和民用領域具有廣泛的應用。在無線傳感器網絡的實際應用中，一般都需要部署大量的無線傳感器節點，由于節點往往工作在惡劣的環境中，并且通常采用能量有限的電池提供能量，所以無線傳感器網絡很容易出現因為能源耗盡或者受到自然界破壞而出現部分節點失效的情況；此外，對無線傳感器網絡有目的性的破壞也會直接或間接地導致整個網絡的瓦解。因此，面對無線傳感器網絡的實際應用，如何節省節點能量、保證網絡數據傳輸可靠性，提高整個網絡的抗毀性成為無線傳感器網絡研究的重要問題。

目前針對無線傳感器網絡抗毀性的研究一般是基于冗余機制和復雜網絡理論開展的。冗余機制一般是通過構造k重覆蓋網絡或增加中繼節點來提高網絡的抗毀性，但是冗余節點的增加會在網絡中形成許多不必要的通信鏈路從而增加了網絡的開銷，因而降低了系統的性能、影響了網絡的壽命。復雜網絡理論一般是通過構建具有小世界特征和無標度網絡特征的拓撲結構來提高網絡抗毀性。

目前具有小世界特征的無線傳感器網絡網絡拓撲主要是依靠在網絡中添加有線通信線路或者在節點之間采用移動節點，如data?mule，來實現節點之間長程通信，減少網絡的平均路徑。但是這些方法存在以下缺陷：

(1)無線傳感器網絡一般出在惡劣的工作環境中，因此有線通信線路的鋪設及其維護困難；

(2)有線線路一旦鋪設很難對其部署做出調整，因此有線通信線路的方案很難應對拓撲結構快速變化的無線傳感器網絡；

(3)網絡的時間延遲及拓撲的有效性極大的依賴于移動節點的速度，但是節點的移動速度遠遠小于無線通信信號的傳播速度，因此采用移動節點的方案網絡性能不佳；

(4)移動節點造價一般遠遠高于無線傳感器節點，且還需有專門的軟件控制移動節點的運動軌跡，因此移動節點方法的代價成本過高。

具有無標度網絡特性的無線傳感器網絡拓撲主要是通過增加新節點和新鏈路的成長方式形成節點度具有冪律分布特點的拓撲結構，但是在增加新鏈路階段沒有考慮無線傳感器網絡節點通信半徑有限這一限制，因此該方法在無線傳感器網絡的應用中亟需改進。

發明內容

本發明的目的是針對上述已有技術的不足，提出一種基于隨機行走備份及節點合作的數據轉發方法，以避免有線鏈路的鋪設及維護困難，及移動節點的造價高和網絡延遲大，無線傳感器節點的通信半徑有限問題，通過構建適于實際應用需求的無線傳感器網絡，提高其普適性和抗毀性能。

實現本發明的技術思路是：在數據的感知階段，數據依照隨機行走策略實現在網絡節點間的備份；在數據的傳輸階段，節點之間采取合作轉發的方式將數據發送到sink，同時充分利用無線通信廣播的特點減少由在數據感知階段備份產生的冗余數據的通信量。其實現步驟包括如下：

(1)在S×S的平面范圍內，隨機拋撒N個同構的無線傳感器節點，構建隨機無線傳感器網絡，其中S＝200m，400≤N≤700，并將網關節點sink布置在網絡中心的位置；

(2)在構建的無線傳感器網絡中，無線傳感器網絡中的全部節點將感知的數據收集并存儲到節點的存儲器中，同時，在無線傳感器網絡節點中找出所有需要執行數據備份策略的節點，并將這些節點感知到的數據分別以隨機行走的方式，存儲到數據隨機行走所經過節點的存儲器中備份；

(3)無線傳感器網絡中的各節點將步驟(2)中收集和備份的數據采取合作轉發的方式，匯聚至網關節點sink：

(3a)在無線傳感器網絡各節點存儲器中選出需要向網關節點sink發送的數據包MSG_ID，即數據標志位MSG_ID_CHECK＝1的數據包；

(3b)無線傳感器網絡中向網關節點sink發送數據的當前節點source只廣播該節點存儲器中需要發送的數據包MSG_ID；

(3c)當前節點source鄰居集合Neighbour中的節點，接收到數據包MSG_ID后，重新計算各自存儲器中各數據包的數據標志位MSG_ID_CHECK_N；

(3d)重復步驟(3a)、(3b)和(3c)直到網絡中的節點全部向網關節點sink發送了各自存儲器中需要發送的數據；