[發明專利]基于LEPS的雙向能量均衡無線傳感網路由方法

有效

• 申請號: 201310279245.8
• 申請日: 2013-07-04
• 公開（公告）號: CN103338495A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 周杰;羅希昌;杜景林;姚雷
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W40/12
• 代理公司: 南京匯盛專利商標事務所(普通合伙) 32238
• 代理人: 張立榮

技術領域：

本發明涉及無線傳感器網絡技術領域，具體涉及一種基于LEPS協議的雙向能量均衡無線傳感器網絡路由方法。

背景技術:

無線傳感器網絡是一種將檢測、無線通信和計算機網絡等技術結合在一起的系統，能夠對一定區域內的物理特征進行遠程感知和監測。因為承擔了檢測、處理和通信等多種任務，無線傳感器網絡面臨著較大的能量和帶寬等資源的壓力。無線傳感器網絡中的傳感器節點體積、計算和存儲能力有限，通常依靠電池提供能量，發射功率受限，一般需要多跳轉發實現數據傳送，傳感器節點位置可能會因為移動而發生變化，能量也會隨時間逐漸減少直至節點掉電不工作，通常每個傳感器節點都兼有終端和路由器兩種功能，需要運行各種面向用戶的應用程序，和相應的路由協議，并根據路由策略完成數據分組的傳送工作，因此要求節點采用合適的路由協議。

LEPS（Link?Estimation?and?Parent?Selection）協議是一種適合于數據采集應用的平面無線傳感器網絡路由協議。LEPS路由協議基于最小跳數和鏈路質量建立一個以匯聚節點為根節點，普通節點為枝葉的樹型拓撲網絡。LEPS路由協議傳輸延遲較小，可靠性較高，而且實現簡單，占用資源少，但是由于他只規定了數據傳輸的上行路由，無法應用于匯聚節點需要對數據源節點有控制需求的網絡。此外，由于LEPS路由協議中選擇父節點的依據是跳數和鏈路質量，沒有考慮節點的能量因素，所以會造成負載的不均衡，尤其是是對于節點位置固定的網絡，這種不均衡將會變得更加明顯，部分充當父節點的節點容易過早地耗盡能量。

發明內容：

針對LEPS路由協議存在的不足，提出了一種基于LEPS路由協議的雙向衡量均衡無線傳感器網絡路由方法，該方法在LEPS路由協議的基礎上增加下行路由，支持匯聚節點對其它節點的查詢和控制，此外，該方法對LEPS路由協議的選路依據進行了改進，在跳數和數據鏈路質量的基礎上引入了剩余能量，改善了網絡的負載均衡。

本發明的具體技術方案如下：

基于LEPS路由協議，本發明采用以下技術方案實現路由的雙向選擇和能量均衡。

首先，在上行路由建立的過程中，節點廣播的路由狀態信息中包括該節點距匯聚節點跳數、鏈路質量和剩余能量信息。節點首先根據最小跳數原則選出候選父節點，如果候選父節點有多個，則根據由鏈路質量和剩余能量共同決定的傳輸期望值來確定父節點。

然后，在上行路由建立后，節點每次更新父節點后隨即發送一個下行路由消息包，下行路由消息包沿著上行路由建立的路徑傳送到匯聚節點，并且沿途記錄所經過的節點地址，匯聚節點收到下行路由消息后按源節點建立下行路由表。

最后，在網絡的上行路由和下行路由建立后，為了實現拓撲的維護和更新，已入網節點仍然周期性地廣播路由狀態信息，通過廣播路由狀態信息通知鄰居節點當前鏈路質量和剩余能量，這樣所有節點都可以實時地知道當前的鄰居節點拓撲信息以及到這些鄰居節點之間的鏈路質量。在掌握了這些信息的基礎上，所有這些節點都會周期性地選擇父節點，選擇父節點的依據也是由鏈路質量和剩余能量共同決定的傳輸期望值，這樣就可以在某些節點失效或鏈路變化時及實地更新網絡網絡拓撲，保證網絡的具有高度的自愈能力。

基于LEPS的雙向能量均衡無線傳感網路由方法，具體包括以下步驟：

1、網絡建立階段：

步驟101：節點上電后，進行網絡初始化。節點根據自己的身份設定路由表參數。匯聚節點將自己的跳數置為0，其他它節點將跳數置為最大值（255）；

步驟102：初始化完成后，節點周期性廣播狀態信息。狀態信息包括節點編號，跳數，鏈路質量和剩余能量；節點的鄰居節點接收到狀態信息后就將信息存入到自己的路由表中。

步驟103：匯聚節點的鄰居節點在收到匯聚節點的廣播后，選擇匯聚節點作為自己的父節點，并將自己的跳數置為1，形成第一梯度的節點，并下一個廣播周期廣播新的狀態信息，其它節點收到第一梯度節點的狀態信息后，首先設置自己的跳數為2，形成第二梯度的節點，并在下一個廣播周期廣播新的狀態信息，這個過程重復下去，直到所有節點都更新了自己到匯聚節點的跳數。節點對父節點是以跳數、鏈路質量和剩余能量為依據的。節點首先根據跳數最小的原則選出候選父節點，當有多個候選父節點時，節點利用狀態信息中的鏈路質量和剩余能量計算出傳輸期望值，然后根據傳輸期望值最大的原則從候選父節點中選出父節點。其中傳輸期望值的計算方法如下：

第一步：計算鏈路估計值