用于无线体域网或能量受限的小型无线传感网络的可靠节能型层次路由实现方法
【专利摘要】用于无线体域网或能量受限的小型无线传感网络的可靠节能型层次路由建立方法，涉及通信领域。是为了解决现有用于无线体域网或能量受限的小型无线传感网络的可靠节能型层次路由方法的能量能够有效利用率低、能量在网络各处消耗不均匀，网络生存周期短的问题。初始化周期使得网络内的传感器节点获得自己的相邻节点信息，Sink节点获得整个网络信息对网络情况进行预估；竞争周期参与竞争簇头的节点采用延时窗机制竞争成为簇头，成为簇头的节点满足信道、位置和能量等多方面的要求；簇形成周期其它节点选择合适的簇头保证每个节点都有与其相对应的簇头，每个簇直接没有重叠；簇内路由利用星形的拓扑结构建立可靠路由传输。
【专利说明】用于无线体域网或能量受限的小型无线传感网络的可靠节 能型层次路由实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信领域，具体涉及一种路由实现方法。
【背景技术】
[0002] 无线体域网（WBAN)是一种新型的无线传感器网络（WSN)，指分布在个人体表或体 内的无线传感器组成的网络，可用于检测人体健康情况或跟踪人体的运动状态。WBAN在医 疗、娱乐、军事及日常生活中均有重要应用。WBAN在医疗领域常用来监测老年人的身体指 标，可穿戴传感器用来采集EEG、ECG等指标，并传送给Sink节点，Sink节点再对数据进行 初步处理再作为网关将数据通过Internet或蜂窝网传送至医疗中心，医疗中心的专业人 员可以监测病人的日常的身体指标状况，而病人可以离开医院不影响日常生活。WBAN还可 以在发生突发状况时及时发出求救信号等。
[0003] 与其他传感器网络相比，WBAN的网络规模一般较小，通常直径不会超过3米。并 且考虑到人体佩戴的舒适度及电磁波对人体健康的影响，其包含的节点个数通常不超过20 个。
[0004] 由于监测部分身体状况的传感器是采用的植入或吞入的小型传感器设备，传感器 的尺寸不宜过大，因此电池的尺寸也须很小，其分布的位置使得更换电池十分不便，因此传 感器网络中能量和资源受限等特点在WBAN中更为突出；因此，设计一种简单高效的路由算 法，延长网络的总体生存周期，是WBAN的关键技术。与普通节点相比，Sink节点作为数据 的聚集节点和网关通常是一个手持设备，与其他节点相比，其体积可以很大，充电过程也十 分方便，在网络中可以忽略其节能方式的考虑，将其作为一能量无限的节点。
[0005] 从路由的角度看，WBAN有其自身的特点，既不同于移动自组网（Mobile Ad hoc Network, MANET)，也不同于其他无线传感器网络。
[0006] WBAN中数据通常是单向传输，由节点传送至Sink，并且数据的产生是持续的，每 个节点应一直保存着到达Sink节点的路由信息；节点会存在一定的相对运动，这种相对运 动不会像传统的Adhoc中的运动会完全改变网络的拓扑形状。WBAN中的相对运动只会对网 络拓扑的细节产生影响，例如：某个节点的加入或是退出，多数情况下，节点之间的相对位 置相对固定。
[0007] 由于WBAN中的节点个数较少，通常的在数据进行数据发送时，会存在一些处在关 键位置的节点在自己工作的同时还需要转发大量其他节点的数据，这种情况会加速这些关 键位置节点的能量消耗，使得这些节点加速死亡。由于这些节点的位置一般比较重要，这些 节点的死亡会导致整个网络的传输效率和能量消耗情况严重恶化。因此保持这些关键位置 节点的存活，平衡节点之间能量消耗的平衡性，是设计适用于WBAN高效路由所必需考虑的 关键问题。
[0008] 综上所述，WBAN的网络结构所决定其路由算法应有如下特征：
[0009] 1)、算法简单：节点不应消耗大量的能量在路由选择上，因此路由算法应简单快 速，尽可能的减少各传感器节点的空闲收听时间。
[0010] 2)、分层路由：平面路由会导致网络形状及节点个数有限等因素，这种路由会使某 些关键位置的节点转发大量信息形成网络中的瓶颈，不利于网络的稳定性。
[0011] 3)、尽量采用星形拓扑：太多的跳数无意义的消耗能量，若需要多跳树结构拓扑， 应保证其在2跳内将信息传送至Sink节点。
[0012] 4)、数据融合：在分层路由协议中，作为簇头的节点可将受到的数据进行整合，减 少传送信息中控制信息的位数，提高能量利用率。
[0013] 5)、路由信息按周期性进行维护，以免个别节点作为转发节点能量消耗过大，导致 过早死亡而影响整个网络的性能。
[0014] 现有的方案及优缺点：传感器网络的路由被分为平面路由和分层路由。在平面结 构中，所有节点的地位是平等的，在普通的WSN中存在在能量消耗不均匀导致某些节点过 早死亡的情况。但由于WBAN的的网络形状及节点个数有限等因素，这种路由会使某些关键 位置的节点转发大量信息形成网络中的瓶颈，并且维护动态路由是需要大量的控制信息。 分层路由的基本思想是将传感器节点组织成簇，每个簇中选取一个簇头，蔟内的节点将信 息传送给簇头，再由簇头转发至Sink节点。这种方案对于网络结构的变化有较强的适应 性，适用具有动态拓扑的网络。优化簇头选择的计算方案可以使得网络中的能量消耗分布 均匀，最大限度的延长网络生存时间。
[0015] LEACH协议是第一个在无线传感器网络中提出的分层路由协议。其后的大部分分 层路由协议都是在它的基础上发展而来的，如TEEN、PEGASIS等。LEACH协议中的操作是分 轮进行的，每一轮包含簇建立阶段和稳定阶段。在簇形成的阶段，选择簇头节点。选取簇头 的方法为：对于一个节点，随机选取一个在0到1之间的数字作为标记值，如果这个标记值 小于一个门限值r (η)的话，节点就充当本轮的簇头节点。LEACH的优点是采用动态集群，与 一般的平面多跳路由协议和静态集群算法相比，LEACH可以延长网络生命周期。
[0016] LEACH算法的主要缺点是：1)、在选择簇头是是完全随机的，没有考虑节点的能 量。LEACH算法可能选取能量较低的节点作为簇头。2)、LEACH算法所选择的簇头位置没有 限制，可能无法均匀的分布在身体各处，是离簇头较远的节点无法顺利的进行数据转发3)、 LEACH算法没有规定转发的跳数，对于规模较小的WBAN，一次转发基本可以覆盖整个网络， 转发次数过多还会影响能量的利用率，并且使网络延时增加。由于这些缺点LEACH算法需 要花费大量的能量进行重新成簇和网络维护。
【发明内容】
[0017] 本发明是为了解决现有用于无线体域网或能量受限的小型无线传感网络的可靠 节能型层次路由方法的能量能够有效利用率低、能量在网络各处消耗不均匀，网络生存周 期短的问题，从而提供一种用于无线体域网或能量受限的小型无线传感网络的可靠节能型 层次路由实现方法。
[0018] 用于无线体域网或能量受限的小型无线传感网络的可靠节能型层次路由建立方 法，无线体域网或能量受限的小型无线传感网络中，它由以下步骤实现：
[0019] 步骤一、初始化：Sink节点（汇聚节点）用洪泛的方法获得网络的初始拓扑结构 和各节点所剩余能量信息；
[0020] 各传感器节点获取自己距离Sink节点所需的跳数信息及邻节点信息；
[0021] 初始化过程完成后，Sink节点获得整个网络的拓扑信息和各传感器节点的剩余能 量信息；每个传感器节点获得其相邻节点及与Sink节点距离信息；
[0022] 步骤二、Sink节点以功率Ρτχ广播路由更新信息；
[0023] 步骤三、每个传感器节点在接收该广播信息，并判断该广播信息的功率Ρτχ是否小 于或等于该与预先存储的门限值P thral，如果判断结果为是，则执行步骤三一；如果判断结果 为否，则执行步骤三二；
[0024] 步骤三一、该传感器节点参与簇头竞争，并执行步骤四；
[0025] 步骤三二、该传感器节点不参与簇头的竞争，而转入收听状态等待接收簇头的广 播息；
[0026] 步骤四、参与簇头竞争的各传感器通过评估的信道状况、剩余能量和作为簇头的 历史向Sink节点发送自己的延时窗长度，再进行计时的同时收听是否有其它节点的竞争 广播，若在计时结束后没有收到任何其它簇头的广播信息，则该节点赢得簇头的竞争，并广 播包含自身ID的及剩余能量信息；
[0027] 步骤五、Sink节点在收到簇头的广播信息后，Sink节点记录该传感器节点的唯 一 ID ;同时Sink节点判断是否收到了大于4个簇头广播，如果判断结果为是，则执行步骤 五一；如果判断结果为否，则执行步骤五二；
[0028] 步骤五一、返回步骤四重新进行簇头竞争；
[0029] 步骤五二、，Sink节点记录簇头的信息并进行反馈，并执行步骤六；
[0030] 步骤六、除簇头外的其它传感器节点判断是否收到了簇头的广播信息，如果判断 结果为是，则执行步骤七；如果判断结果为否，则执行步骤六一；
[0031] 步骤六一、该传感器节点向Sink节点发送握手信号，并执行步骤六二；
[0032] 步骤六二、Sink节点接收该传感器节点发送的握手信号，完成该传感器节点与 Sink节点之间的路由建立；
[0033] 步骤七、除簇头外的其它传感器节点接收到簇头的广播信息后，将其作为自己的 父节点，该传感器节点加入到该簇，成为簇头的子节点；完成一次无线体域网或能量受限的 小型无线传感网络的可靠节能型层次路由建立。
[0034] 步骤七中除簇头外的其它传感器节点接收到簇头的广播信息后，将其作为自己的 父节点，该传感器节点加入到该簇，成为簇头的子节点的具体为：
[0035] 若传感器节点收到1个簇头的广播信息，则执行步骤七一；若传感器节点收到大 于1个簇头的广播信息，则执行步骤八一；
[0036] 步骤七一、将该簇头作为自己的父节点，并发送包含本身节点ID信息请求加入的 信号，并执行步骤七二；
[0037] 步骤七二、作为簇头的节点收到该请求信号后，发送请求允许信号并记录该节点 的ID作为自己簇内的子节点，并执行步骤七三；
[0038] 步骤七三、子节点收到请求允许信号后将簇头节点的ID记录为其路由表中的父 节点；
[0039] 步骤八一、选择功率最强广播对应的簇头作为自己的父节点，并发送包含本身节 点ID信息请求加入的信号，并执行步骤八二；
[0040] 步骤八二、作为簇头的节点收到该请求信号后，发送请求允许信号并记录该节点 的ID作为自己簇内的子节点，并执行步骤七三；
[0041] 步骤八三、子节点收到请求允许信号后将簇头节点的ID记录为其路由表中的父 节点。
[0042] 步骤六建立的无线体域网或能量受限的小型无线传感网络的可靠节能型层次路 由的维护方法是：
[0043] 为了避免作为簇头的节点的能量过度消耗，Sink节点每隔一段时间重新广播更新 路由信息，各节点重新进行簇头竞争，上一个周期作为有转发作用的簇头的节点不再参与 簇头的竞争；若某个簇头节点没有子节点，则依旧参与簇头的竞争。
[0044] 步骤四至步骤七及维护过程均在步骤四所述的延时窗长度内完成。
[0045] 本发明是一种适用于无线体域网（WBAN)的节能高效路由方法。改进WSN的路由 方法的缺陷和不足之处，使其更加适用与WBAN的特点。本发明在无线传感器网络分层路由 的基础上，采用延时窗的方法控制选取簇头，在簇内借鉴星形的网络拓扑结构，是簇内节点 与簇头直接通信。该方法与普通的WSN分层路由方法相比，考虑了被选取簇头在网络中所 处的位置和簇头的数量，优化了网络的转发结构，使得能量能够更加有效的利用，并且能量 在网络各处均匀的消耗，延长网络生存周期。
【专利附图】
【附图说明】
[0046] 图1是本发明的用于无线体域网或能量受限的小型无线传感网络的可靠节能型 层次路由建立流程示意图；
[0047] 图2是本发明的本发明中路由方法中竞争阶段流程示意图；
[0048] 图3是本发明中簇建立阶段流程示意图；
[0049] 图4是无线体域网（WBAN)网络结构示意图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0050] 一、用于无线体域网或能量受限的小型无线传感网络的可靠节能型 层次路由实现方法，无线体域网或能量受限的小型无线传感网络中，它由以下步骤实现 ：
[0051] 步骤一、初始化：Sink节点（汇聚节点）用洪泛的方法获得网络的初始拓扑结构 和各节点所剩余能量信息；
[0052] 各传感器节点获取自己距离Sink节点所需的跳数信息及邻节点信息；
[0053] 初始化过程完成后，Sink节点获得整个网络的拓扑信息和各传感器节点的剩余能 量信息；每个传感器节点获得其相邻节点及与Sink节点距离信息；
[0054] 步骤二、Sink节点以功率Ρτχ广播路由更新信息；
[0055] 步骤三、每个传感器节点在接收该广播信息，并判断该广播信息的功率Ρτχ是否小 于或等于该与预先存储的门限值P thral，如果判断结果为是，则执行步骤三一；如果判断结果 为否，则执行步骤三二；
[0056] 步骤三一、该传感器节点参与簇头竞争，并执行步骤四；
[0057] 步骤三二、该传感器节点不参与簇头的竞争，而转入收听状态等待接收簇头的广 播息；
[0058] 步骤四、参与簇头竞争的各传感器通过评估的信道状况、剩余能量和作为簇头的 历史向Sink节点发送自己的延时窗长度，再进行计时的同时收听是否有其它节点的竞争 广播，若在计时结束后没有收到任何其它簇头的广播信息，则该节点赢得簇头的竞争，并广 播包含自身ID的及剩余能量信息；
[0059] 步骤五、Sink节点在收到簇头的广播信息后，Sink节点记录该传感器节点的唯 一 ID ;同时Sink节点判断是否收到了大于4个簇头广播，如果判断结果为是，则执行步骤 五一；如果判断结果为否，则执行步骤五二；
[0060] 步骤五一、返回步骤四重新进行簇头竞争；
[0061] 步骤五二、，Sink节点记录簇头的信息并进行反馈，并执行步骤六；
[0062] 步骤六、除簇头外的其它传感器节点判断是否收到了簇头的广播信息，如果判断 结果为是，则执行步骤七；如果判断结果为否，则执行步骤六一；
[0063] 步骤六一、该传感器节点向Sink节点发送握手信号，并执行步骤六二；
[0064] 步骤六二、Sink节点接收该传感器节点发送的握手信号，完成该传感器节点与 Sink节点之间的路由建立；
[0065] 步骤七、除簇头外的其它传感器节点接收到簇头的广播信息后，将其作为自己的 父节点，该传感器节点加入到该簇，成为簇头的子节点；完成一次无线体域网或能量受限的 小型无线传感网络的可靠节能型层次路由建立。
[0066]
【具体实施方式】二、本【具体实施方式】与【具体实施方式】一所述的用于无线体域网或能 量受限的小型无线传感网络的可靠节能型层次路由建立方法的区别在于，步骤七中除簇头 外的其它传感器节点接收到簇头的广播信息后，将其作为自己的父节点，该传感器节点加 入到该簇，成为簇头的子节点的具体为：
[0067] 若传感器节点收到1个簇头的广播信息，则执行步骤七一；若传感器节点收到大 于1个簇头的广播信息，则执行步骤八一；
[0068] 步骤七一、将该簇头作为自己的父节点，并发送包含本身节点ID信息请求加入的 信号，并执行步骤七二；
[0069] 步骤七二、作为簇头的节点收到该请求信号后，发送请求允许信号并记录该节点 的ID作为自己簇内的子节点，并执行步骤七三；
[0070] 步骤七三、子节点收到请求允许信号后将簇头节点的ID记录为其路由表中的父 节点；
[0071] 步骤八一、选择功率最强广播对应的簇头作为自己的父节点，并发送包含本身节 点ID信息请求加入的信号，并执行步骤八二；
[0072] 步骤八二、作为簇头的节点收到该请求信号后，发送请求允许信号并记录该节点 的ID作为自己簇内的子节点，并执行步骤七三；
[0073] 步骤八三、子节点收到请求允许信号后将簇头节点的ID记录为其路由表中的父 节点。
【具体实施方式】 [0074] 三、本与一所述的用于无线体域网或能 量受限的小型无线传感网络的可靠节能型层次路由建立方法的区别在于，步骤六建立的无 线体域网或能量受限的小型无线传感网络的可靠节能型层次路由的维护方法是：
[0075] 为了避免作为簇头的节点的能量过度消耗，Sink节点每隔一段时间重新广播更新 路由信息，各节点重新进行簇头竞争，上一个周期作为有转发作用的簇头的节点不再参与 簇头的竞争；若某个簇头节点没有子节点，则依旧参与簇头的竞争。
【具体实施方式】 [0076] 四、本与三所述的用于无线体域网或能 量受限的小型无线传感网络的可靠节能型层次路由建立方法的区别在于，步骤四至步骤七 及维护过程均在步骤四所述的延时窗长度内完成。
[0077] 本发明的路由方法包括：初始化阶段、竞争阶段、簇形成阶段和路由维护阶段。初 始化周期使得网络内的传感器节点获得自己的相邻节点信息，Sink节点获得整个网络信息 对网络情况进行预估；竞争周期参与竞争簇头的节点采用延时窗机制竞争成为簇头，成为 簇头的节点满足信道、位置和能量等多方面的要求；簇形成周期其他节点利用其位置的广 播信息选择合适的簇头保证每个节点都有与其相对应的簇头，每个簇直接没有重叠；簇内 路由利用星形的拓扑结构建立可靠路由传输；维护周期对已形成的路由进行实时维护，并 每隔一段时间重新进入竞争周期重新选取簇头以保证网络内能量的平均消耗，最大限度延 长网络的生存周期。
[0078] 具体实施例：如图4所示的WBAN，本实例的节点分布如下：
[0079] 图4中所示WBAN由12个节点组成，其中Sink节点（nodeO)处于人体中心区域， 其它传感器节点包括两个EEG(nodel、node2)、一个ECG(node3)、一个测量脉搏器（node4)、 一个血压计（node5)和6个加速度计（node6、7、8、9、10、ll)。每个节点有其唯一的ID标 识。本发明方法的【具体实施方式】如下：
[0080] 1)、初始化阶段
[0081] Sink节点使用洪泛的方法获得网络的初始拓扑结构和各节点所剩余能量等信息； 传感器节点获取自己距离Sink节点所需的跳数信息及邻节点信息。
[0082] 2)、簇头竞争阶段
[0083] Sink节点广播路由更新信号，其发送功率为PTX(Q)。设网络中某节点i接收到的广 播信号功率为ρ κχω，该节点将收到信号功率与节点内存储的门限值pth比较，若PKX(i)>P th，表 明该节点与Sink节点之间信道条件较好，可以参与簇头的竞争。
[0084] 假设该节点通过接受广播信号功率Ρκχω、该节点剩余能量Ei和作为该节点作为簇 头的次数Xi计算一个延时窗，窗长计算公式：
[0085]
【权利要求】
1. 用于无线体域网或能量受限的小型无线传感网络的可靠节能型层次路由建立方法， 其特征是：无线体域网或能量受限的小型无线传感网络中，它由以下步骤实现： 步骤一、初始化：Sink节点用洪泛的方法获得网络的初始拓扑结构和各节点所剩余能 量信息； 各传感器节点获取自己距离Sink节点所需的跳数信息及邻节点信息； 初始化过程完成后，Sink节点获得整个网络的拓扑信息和各传感器节点的剩余能量信 息；每个传感器节点获得其相邻节点及与Sink节点距离信息； 步骤二、Sink节点以功率Ρτχ广播路由更新信息； 步骤三、每个传感器节点在接收该广播信息，并判断该广播信息的功率Ρτχ是否小于或 等于该与预先存储的门限值Pthral，如果判断结果为是，则执行步骤三一；如果判断结果为 否，则执行步骤三二； 步骤三一、该传感器节点参与簇头竞争，并执行步骤四； 步骤三二、该传感器节点不参与簇头的竞争，而转入收听状态等待接收簇头的广播信 息； 步骤四、参与簇头竞争的各传感器向Sink节点发送自己的延时窗长度，再进行计时 的同时收听是否有其它节点的竞争广播，若在计时结束后没有收到任何其它簇头的广播信 息，则该节点赢得簇头的竞争，并广播包含自身ID的及剩余能量信息； 步骤五、Sink节点在收到簇头的广播信息后，Sink节点记录该传感器节点的唯一 ID ; 同时Sink节点判断是否收到了大于4个簇头广播，如果判断结果为是，则执行步骤五一；如 果判断结果为否，则执行步骤五二； 步骤五一、返回步骤四重新进行簇头竞争； 步骤五二、Sink节点记录簇头的信息并进行反馈，并执行步骤六； 步骤六、除簇头外的其它传感器节点判断是否收到了簇头的广播信息，如果判断结果 为是，则执行步骤七；如果判断结果为否，则执行步骤六一； 步骤六一、该传感器节点向Sink节点发送握手信号，并执行步骤六二； 步骤六二、Sink节点接收该传感器节点发送的握手信号,完成该传感器节点与Sink节 点之间的路由建立； 步骤七、除簇头外的其它传感器节点接收到簇头的广播信息后，将其作为自己的父节 点，该传感器节点加入到该簇，成为簇头的子节点；完成一次无线体域网或能量受限的小型 无线传感网络的可靠节能型层次路由建立。
2. 根据权利要求1所述的用于无线体域网或能量受限的小型无线传感网络的可靠节 能型层次路由建立方法，其特征在于步骤七中除簇头外的其它传感器节点接收到簇头的广 播信息后，将其作为自己的父节点，该传感器节点加入到该簇，成为簇头的子节点的具体 为： 若传感器节点收到1个簇头的广播信息，则执行步骤步骤七一；若传感器节点收到大 于1个簇头的广播信息，则执行步骤步骤八一； 步骤七一、将该簇头作为自己的父节点，并发送包含本身节点ID信息请求加入的信 号，并执行步骤七二； 步骤七二、作为簇头的节点收到该请求信号后，发送请求允许信号并记录该节点的ID 作为自己簇内的子节点，并执行步骤七三； 步骤七三、子节点收到请求允许信号后将簇头节点的ID记录为其路由表中的父节点； 步骤八一、选择功率最强广播对应的簇头作为自己的父节点，并发送包含本身节点ID 信息请求加入的信号，并执行步骤八二； 步骤八二、作为簇头的节点收到该请求信号后，发送请求允许信号并记录该节点的ID 作为自己簇内的子节点，并执行步骤七三； 步骤八三、子节点收到请求允许信号后将簇头节点的ID记录为其路由表中的父节点。
3. 根据权利要求1所述的用于无线体域网或能量受限的小型无线传感网络的可靠节 能型层次路由建立方法，其特征在于步骤六建立的无线体域网或能量受限的小型无线传感 网络的可靠节能型层次路由的维护方法是： 为了避免作为簇头的节点的能量过度消耗，Sink节点每隔一段时间重新广播更新路由 信息，各节点重新进行簇头竞争，上一个周期作为有转发作用的簇头的节点不再参与簇头 的竞争；若某个簇头节点没有子节点，则依旧参与簇头的竞争。
4. 根据权利要求1所述的用于无线体域网或能量受限的小型无线传感网络的可靠节 能型层次路由建立方法，其特征在于步骤四至步骤七及维护过程均在步骤四所述的延时窗 长度内完成。
【文档编号】H04W40/10GK104053206SQ201410280619
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】李卓明, 毛圣歌, 沙学军, 叶亮, 白旭, 佟兴 申请人:哈尔滨工业大学