[发明专利]基于簇的CTP路由协议

说明书

技术领域

本发明涉及的是多簇无线传感器网络中节点的拓扑结构构建方法，具体是一种适用于多簇无线传感器网络中的基于簇的CTP路由协议，通过建立一个无线传感器网络的路由树的拓扑结构来实现无线传感器网络的本地通信（各簇内簇头节点与成员节点之间的通信）及远距离通信（各簇头结点与簇头节点的通信以及各簇头结点与汇聚节点之间的通信）。

背景技术

CTP路由协议是目前应用最广泛的TinyOS操作系统中的路由协议。其基本思想为：建立一棵汇聚树，将至少一个树根节点作为基站，当节点采集的的监测数据要传输到基站时，数据沿着收集树向上传输，当节点收到数据时，如该节点不是基站则将收到的数据转发给它的下一跳节点。当无线传感器网络中多于一个根节点时，就形成了一片森林，CTP路由协议通过选择父节点(即下一跳节点)隐式地使节点加入了其中一棵汇聚树中。该路由协议提供的是到根节点的尽力的多跳数据传输，具有保证传输可靠性的路由选择机制。CTP路由协议提供了几种提高传输可靠性的路由机制，但它仍然只是尽力传输，但其数据递送率不能保证100%。另外宽带相对有限的无线传感器网络系统不适合CTP协议，因为该路由协议在通信量相对较低的网络中比较高效。

虽然CTP协议的性能非常高，而且相比与其他协议节省了很大的能耗，但是随着节点数目的增加其数据投递率逐渐下降，实验验证节点数目达到60个时其数据率已下降到97.3%。CTP协议的数据投递率和节点数量关系如图1所示。同时随着无线传感器网络节点数目的增多，路由稳定时间也随着节点数目的增加而显著增加，如图2所示。路由稳定时间的增加使得无线传感器网络前期传输的数据不稳定，或者不能有效地传输到汇聚节点。因此基于以上状况，在大量节点的无线传感器网络中，CTP协议的性能显著地下降。

在分簇路由协议中, 网络通常被划分为簇。 所谓簇, 就是具有某种关联的网络节点集合。 每个簇由一个簇头和多个簇内成员组成, 由簇头与基站BS通信。 这类算法将整个网络划分为相连的区域。在分簇的拓扑管理机制下, 网络中的节点可以划分为簇头节点和成员节点两类。 在每个簇内, 根据一定的机制算法选取某个节点作为簇头, 用于管理或控制整个簇内成员节点, 协调成员节点之间的工作, 负责簇内信息的收集和数据的融合处理以及簇间转发。

分簇路由机制具有以下几个优点：

1、成员节点大部分时间可以关闭通信模块, 由簇头构成一个更上一层的连通网络来负责数据的长距离路由转发. 这样既保证了原有覆盖范围内的数据通信, 也在很大程度上节省了网络能量；

2、簇头融合了成员节点的数据之后再进行转发, 减少了数据通信量, 从而节省了网络能量；

3、成员节点的功能比较简单, 无须维护复杂的路由信息. 这大大减少了网络中路由控制信息的数量, 减少了通信量；

4、分簇拓扑结构便于管理, 有利于分布式算法的应用, 可以对系统变化作出快速反应, 具有较好的可扩展性, 适合大规模网络；

5、与平面路由相比, 更容易克服传感器节点移动带来的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种适用于基于多簇无线传感器网络中建立一种无线传感器网络的CTP路由协议。兼顾性能的高效性、可靠性和有效性的保证，考虑节点在不同阶段相互之间作用性质的不同，通过建立无线传感器网络的路由拓扑树，在保证网络整体性能优化的同时，有效地延长了网络生存时间，提高了网络的能效，使得系统资源能获得高效地利用。

本发明是通过以下技术方案实现的。

基于簇的CTP路由协议，其路由建立过程如下：