[发明专利]一种基于功率控制的无线传感器网络节能路由方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

近年来，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)引起了全世界范围的广泛关注，它综合了传感器技术、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 hoc网络。AODV能让节点快速建立到新目的节点的路由，而且并不需要节点维护处于非活动状态路径的路由。AODV一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。