[发明专利]基于无线传感网节点中间件的分簇路由的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于无线传感网节点中间件的分簇路由的方法，属于无线传感网络领域。

背景技术

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（Mobile Ad 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 Assignment Routing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。