專利名稱：一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動鏈路估計的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法
技術領域：
本發(fā)明涉及傳感器網(wǎng)絡實時路由協(xié)議方法領域，特別是涉及一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動鏈 路估計的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法。
背景技術：
無線傳感器網(wǎng)絡是一種無線自組織網(wǎng)絡，它與傳統(tǒng)網(wǎng)絡相比，具有以下特點由大 量的傳感器節(jié)點構(gòu)成；節(jié)點由電池供電，能量、計算能力、存儲空間和通信能力有限；網(wǎng)絡 拓撲變化較快。目前，無線傳感器網(wǎng)絡領域的研究內(nèi)容很多，其中路由協(xié)議作為無線傳感器 網(wǎng)絡的核心技術，成為國內(nèi)外研究的熱點。無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議負責將數(shù)據(jù)報文從源 節(jié)點通過網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，主要包含兩個方面的功能一是選擇源節(jié)點到目的節(jié)點的 優(yōu)化路徑，二是沿著選定的路徑正確發(fā)送(或轉(zhuǎn)發(fā))數(shù)據(jù)報文。
目前對于無線傳感器網(wǎng)絡路由算法的設計，已經(jīng)存在很多較成熟的解決方案， 例如泛洪式算法(Flooding)、DSR(dynamic source routing)、AODV(Ad Hoc on-demand distance vector)、SPIN (sensor protocol for information via negotiation)、 SAR (Sequential Assignment Routing)、定向擴散算法(Directed Diffusion，DD)、 GEAR (Geographic and Energy Aware Routing)、低功耗自適應聚類路由算法(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy, LEACH)、TEEN (Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol)、PEGASIS(Power-Efficient Gathering in Sensor Information System)等。
這些路由算法各有其優(yōu)勢和缺陷，而且針對不同的應用表現(xiàn)的性能也大相徑庭， 它們的存在為無線傳感器網(wǎng)絡路由算法的研究提供了多種思考的方向。下面，簡單的介紹 他們的原理。
(1)泛洪式算法
Flooding算法是一個經(jīng)典、簡單的傳統(tǒng)網(wǎng)絡路由算法，可應用到無線傳感器網(wǎng)絡 中，并且不需要維護路由信息。在Flooding算法中，節(jié)點產(chǎn)生或收到數(shù)據(jù)后向所有鄰居節(jié) 點廣播，數(shù)據(jù)包直到過期或到達目的地才停止傳播。該算法具有嚴重的缺點內(nèi)爆(節(jié)點幾 乎同時從鄰居節(jié)點收到多份相同數(shù)據(jù))、交疊(節(jié)點先后收到監(jiān)控同一區(qū)域的多個節(jié)點發(fā) 送的幾乎相同的數(shù)據(jù))、資源利用率低(節(jié)點不考慮自身資源限制，在任何情況下都轉(zhuǎn)發(fā)數(shù) 據(jù))。
(2) DSR
DSR是一個專門為Ad Hoc網(wǎng)絡設計的簡單且高效的路由算法。所有的路由都是 由DSR路由算法動態(tài)地、自動地確定和維護，它提供快速反應式服務，以便幫助確保數(shù)據(jù)分 組的成功交付，即使在節(jié)點移動或者其他網(wǎng)絡狀況變化的條件下也是如此。
DSR路由算法由兩個主要機制組成——路由尋找機制和路由維護機制。路由尋找 機制在源節(jié)點需要給目的節(jié)點發(fā)送一個分組并且還不知道到達目的節(jié)點的路由的時候使 用。當源節(jié)點正在使用一條到達目的節(jié)點的源路由的時候，源節(jié)點使用路由維護機制可以檢測出因為拓撲變化不能使用的路由，當路由維護指出一條源路由已經(jīng)中斷而不再起作用 的時候，為了將隨后的數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)侥康墓?jié)點，源節(jié)點能夠盡力使用一條偶然獲知的到 達目的節(jié)點的路由，或者重新調(diào)用路由尋找機制找到一條新路由。在DSR路由算法中，路由 尋找機制和路由維護機制均是完全按需操作，不需要某個網(wǎng)絡層次的某種周期分組，如DSR 不需要任何周期性的路由廣播分組、鏈路狀態(tài)探測分組。DSR路由算法的所有狀態(tài)都是“軟 狀態(tài)”，因為任何狀態(tài)的丟失都不會影響DSR路由算法的正確操作，因為所有狀態(tài)都是按需 建立，所有狀態(tài)在丟失之后，如果仍然需要的話則能夠很容易得到迅速恢復。DSR路由算法 的路由尋找機制和路由維護機制的操作是單向鏈的，不對稱的路由很容易得到支持。
DSR路由算法的完整版本直接使用“源路由”，節(jié)點使用路由緩沖器存儲節(jié)點所知 的源路由，當發(fā)現(xiàn)新路由時，更新緩沖器內(nèi)的條目。節(jié)點所發(fā)送的每個數(shù)據(jù)分組均在其分組 頭中攜帶其一個完整的、按序排列的路由信息。
(3) AODV
AODV是一種按需單徑距離矢量無環(huán)路由，它結(jié)合了 DSDV (destination-sequenced distance-vector) [17]中目標序列號和DSR中按需路由發(fā)現(xiàn)技術。算法分為路由發(fā)現(xiàn)和路 由維護兩部分。
A.路由發(fā)現(xiàn)
當源節(jié)點需要與其它節(jié)點通信但是沒有到達目的節(jié)點的路由時，它就廣播路由請 求RREQ(Route Request)，當其它節(jié)點收到這個RREQ時，首先判斷是否收到過具有相同源 節(jié)點的目的節(jié)點的RREQ，如果是，則丟棄，如果不是，就利用RREQ中的信息建立反向路由。 如果中間節(jié)點含有到目的節(jié)點的路由，就發(fā)送路由應答RREP(Route Reply)給源節(jié)點，否則 就廣播該RREQ。當RREQ的目的節(jié)點收到RREQ時，同樣建立反向路由，然后向RREQ的源節(jié) 點發(fā)送RREP。
B.路由維護
節(jié)點通過MAC(Media Access Control，介質(zhì)訪問控制)層周期性的廣播hello消 息來判斷鏈路狀態(tài)，如果該節(jié)點聯(lián)系3次未收到hello響應消息，就認為鏈路已經(jīng)斷開，刪 除包含該鏈路的路由信息，并發(fā)起路由錯誤，通知相鄰節(jié)點和相應的上游節(jié)點刪除因鏈路 斷開而導致目的節(jié)點不可達的路由信息。
(4) SPIN
SPIN路由算法是最早的一類無線傳感器路由算法代表，是對泛洪路由算法的一種 改進，是以數(shù)據(jù)為中心的自適應路由算法。算法考慮到無線傳感器網(wǎng)絡中的鄰近節(jié)點所感 知的數(shù)據(jù)具有相似性，通過節(jié)點間的協(xié)商方式減少網(wǎng)絡中傳輸?shù)娜哂鄶?shù)據(jù)量。節(jié)點廣播其 它節(jié)點所沒有的數(shù)據(jù)，從而有效的減少能耗。
在SPIN算法中提出了元數(shù)據(jù)(meta-data，是對節(jié)點感知數(shù)據(jù)的抽象描述)的概 念。元數(shù)據(jù)可以理解為對感知數(shù)據(jù)的映射，它是經(jīng)過數(shù)據(jù)壓縮的，比原始感知數(shù)據(jù)小，可以 降低一部分在通信中的能耗。
SPIN算法采用三次握手的方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，即ADV、REQ、DATA三種報文數(shù)據(jù)。 ADV用于數(shù)據(jù)廣播，當某節(jié)點有數(shù)據(jù)需要共享時，用ADV通知鄰居節(jié)點；REQ用于請求發(fā)送數(shù) 據(jù)，當某一個接收到ADV報文的節(jié)點希望接收DATA報文時，發(fā)送REQ報文；DATA用于感知 數(shù)據(jù)，其荷載中包含經(jīng)過處理的對應元數(shù)據(jù)。
SPIN算法有兩種工作模式SPim和SPIN2。SPIN2在SPim的基礎上做了一些能 量上的考慮，本質(zhì)還是一樣的。如圖3所示，在SPim中，當節(jié)點A感知到新事件后，主動給 鄰居節(jié)點C廣播描述該事件的元數(shù)據(jù)ADV報文，收到該報文的節(jié)點C檢查自己是否擁有ADV 報文中表述的數(shù)據(jù)，如圖1 (a)。如果沒有的話，節(jié)點C向節(jié)點A發(fā)送REQ報文，報文中包含 請求數(shù)據(jù)列表，如圖1 (b)。當節(jié)點A收到節(jié)點C的REQ報文，它將相關數(shù)據(jù)發(fā)送給節(jié)點C， 如圖1(c)。節(jié)點C給其鄰居節(jié)點發(fā)送ADV報文，通知有新的數(shù)據(jù)到來，如圖1(d)。節(jié)點A 保存有ADV報文，所以不響應。算法按照這樣的方式進行，實現(xiàn)SPim算法。如果收到ADV 報文的節(jié)點發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)擁有ADV報文中描述的數(shù)據(jù)，則不會發(fā)送REQ報文，如圖1(e)中 的節(jié)點E。
SPIN2模式考慮了節(jié)點剩余能量值，當節(jié)點的剩余能量低于某個閥值時，節(jié)點就不 再參與報文的轉(zhuǎn)發(fā)，僅接受來自鄰居節(jié)點的報文和發(fā)送REQ報文。
SPIN算法通過節(jié)點間的數(shù)據(jù)協(xié)商，解決了 Flooding算法和Gossiping算法中的內(nèi) 爆和重置現(xiàn)象。仿真數(shù)據(jù)表明，其能耗比上述兩種算法降低一半以上。不過，該算法不合適 于高密度節(jié)點的分布網(wǎng)絡。
(5) SAR
SAR是第一個在無線傳感器網(wǎng)絡中保證QoS的主動路由算法。匯集節(jié)點的所有一 跳鄰節(jié)點都以自己為根創(chuàng)建生成樹，在創(chuàng)建生成樹過程中考慮節(jié)點的時延、丟包率等QoS 參數(shù)以及最大數(shù)據(jù)傳輸能力，各個節(jié)點從反向建立了到匯集節(jié)點的具有不同QoS參數(shù)的多 條路徑。節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時選擇一條或多條路徑進行傳輸。該算法能提供QoS保證，但節(jié)點 中的大量冗余路由信息耗費了存儲資源，且路由信息維護、節(jié)點QoS參數(shù)與能耗信息的更 新均需較大開銷。
(6)定向擴散算法
定向擴散算法是一種基于查詢的路由算法，它與數(shù)據(jù)相關，算法中引入了幾個基 本概念興趣、梯度和路徑加強。整個過程可以分為興趣擴散、梯度建立和路徑加強三個階 段，如圖2a-2c所示。定向擴散算法的路徑建立過程是由Sink節(jié)點發(fā)起，Sink節(jié)點周期性 的廣播一種“興趣”數(shù)據(jù)包，告訴網(wǎng)絡節(jié)點它需要收集什么樣的信息。這個過程稱為興趣擴 散階段，該階段采用泛洪的方式傳播Sink節(jié)點的“興趣”消息到網(wǎng)絡中的所有節(jié)點。在“興 趣”消息傳播的過程中，算法逐跳在每個傳感器節(jié)點上建立反向從數(shù)據(jù)源到Sink節(jié)點的梯 度場，傳感器節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)沿著梯度場傳送到Sink節(jié)點，梯度場的建立根據(jù)成本最 小化和能量自適應原則?！芭d趣”擴散完成后，網(wǎng)絡的梯度建立過程也就完成了。當網(wǎng)絡中 的傳感器節(jié)點采集到相關匹配數(shù)據(jù)后，向所有感興趣的鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)這個數(shù)據(jù)，收到該數(shù) 據(jù)的鄰居節(jié)點，如果不是Sink節(jié)點，采取同樣的方法轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)。這樣Sink節(jié)點會收到從 不同路徑上傳送過來的相同數(shù)據(jù)，收到這些數(shù)據(jù)后，Sink節(jié)點會選擇一條最優(yōu)的路徑作為 強化路徑，后續(xù)的數(shù)據(jù)沿著這條路徑傳輸。
(7) GEAR
GEAR路由算法結(jié)合了 DD算法和GPSR算法的思想，并且在選擇路由時考慮了節(jié)點 能量的因素。GEAR算法借鑒DD算法的思想，采用查詢的方法建立從Sink節(jié)點到事件區(qū)域 的路由，和DD算法采用泛洪式的方法不同，GEAR采用的是GPSR貪婪算法的思想，利用節(jié)點 的地理位置信息以及節(jié)點能量剩余情況，建立查詢消息到目的區(qū)域的路徑。當查詢消息到達目的區(qū)域后，查詢消息采用一種迭代地理轉(zhuǎn)發(fā)機制來發(fā)送。相關的檢測數(shù)據(jù)沿著查詢消 息的反向路徑匯集到Sink節(jié)點。GEAR路由算法需要保證鏈路的對稱性，節(jié)點周期性地廣 播hello信息來告訴鄰居節(jié)點自己的位置和能量信息，同時進行鏈路對稱性的一些檢查和 判斷工作。
GEAR算法需要解決兩個問題查詢消息到事件區(qū)域的路徑建立過程以及查詢消 息在事件區(qū)域內(nèi)的傳播過程。
A.查詢消息到事件區(qū)域的路徑建立
假設節(jié)點N需要將查詢消息包發(fā)送到目標區(qū)域R，R的中心區(qū)域是D。N在為P選 擇下一跳時候，除了要考慮將P盡量發(fā)送給離R最近的鄰居節(jié)點外，還要考慮鄰居節(jié)點的能 量消耗的平衡性問題。這其中包含一個實際代價和估計代價的概念。
每個節(jié)點M用h (M，R)表示自己到目標區(qū)域R的實際代價，當一個節(jié)點N不知道自 己的鄰居節(jié)點NiWh(NyR)時，它計算估計代價c (Ni, R)作為h(Ni;R)的默認值，其計算方 法如下:c (NijR) = a*d (NijR) + (l-a)e (Ni)，式中a是一個可變權(quán)值；d (Ni, R)表示節(jié)點Ni到 區(qū)域R的中心D的距離；e (Ni)表示節(jié)點Ni消耗的能量。
當節(jié)點N選擇了下一跳鄰居節(jié)點Nmin后，它將自己的實際代價h(N，R)修改為 h (Nmin，R) +c (N, Nmin)，其中c (N，Nmin)表示消息包P從N傳送到Nmin的代價。當節(jié)點N的鄰 居節(jié)點中存在離目標區(qū)域更近的節(jié)點時，在這些節(jié)點中選擇h(Ni; R)最小的節(jié)點作為下一 跳。如果不存在離目標節(jié)點更近的鄰居節(jié)點，就會出現(xiàn)路由空洞。
B.查詢消息在事件區(qū)域內(nèi)的傳播
當查詢消息到達目標區(qū)域后，可以通過泛洪方式傳播到事件區(qū)域中的所有節(jié)點， 但當事件區(qū)域內(nèi)節(jié)點密度比較大時，泛洪方式的開銷會比較大，GEAR針對這種情況提出了 一種迭代地理轉(zhuǎn)發(fā)策略。如圖3所示，假設目標區(qū)域R是一個矩形區(qū)域，隊為1 中第一個接 收到查詢消息的節(jié)點。NJfR劃分為4個子區(qū)域(子區(qū)域的劃分方式不唯一)，并向每個 子區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)查詢消息。按照一定的原則選擇子區(qū)域中某個節(jié)點接收該查詢消息，子區(qū)域中 被選中的節(jié)點繼續(xù)按照上面的方法對其所在的子區(qū)域進行劃分和查詢消息的傳播。該消息 的傳播過程是一個迭代過程，當節(jié)點發(fā)現(xiàn)自己是某個子區(qū)域內(nèi)唯一的節(jié)點，或者某個子區(qū) 域中沒有節(jié)點存在時，停止查詢消息的轉(zhuǎn)發(fā)。當所有子區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)過程全部結(jié)束時，整個迭代 過程結(jié)束。
(8)低功耗自適應聚類路由算法
LEACH是一種低功耗的自適應路由算法，其基本思想是網(wǎng)絡周期性的隨機選擇簇 頭節(jié)點，其它非簇頭節(jié)點以就近原則加入相應簇頭，形成虛擬簇。簇內(nèi)節(jié)點將感知數(shù)據(jù)直接 發(fā)送給簇頭，由簇頭轉(zhuǎn)發(fā)給Sink節(jié)點，簇頭節(jié)點可以將本簇內(nèi)的數(shù)據(jù)進行融合處理，減少 網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，如圖4所示，給出了 LEACH算法網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖。
簇頭節(jié)點的選擇依據(jù)網(wǎng)絡中所需要的簇頭節(jié)點數(shù)和迄今為止每個節(jié)點成為簇頭 的次數(shù)來決定。具體的選擇方法是每個傳感器節(jié)點選擇
之間的一個隨機數(shù)，如果選 定的值小于某一個閥值τ(η)，那么這個節(jié)點就是簇頭節(jié)點。在網(wǎng)絡生存周期下，Τ(η)的計 算如下
T( )=---叫」N -k[r*mo&{n Ik)]7
其中N表示網(wǎng)絡中節(jié)點的個數(shù)，k表示網(wǎng)絡中簇頭節(jié)點數(shù)，r表示已經(jīng)完成的周期 數(shù)。選定簇頭后，簇頭節(jié)點通過廣播告知整個網(wǎng)絡自己成為簇頭，網(wǎng)絡中非簇頭節(jié)點根據(jù)接 收信號的強度決定從屬于哪個簇，并通知相關簇頭，然后簇頭節(jié)點采用TDMA的方式為簇中 節(jié)點分配傳輸時間片。
LEACH算法從傳輸數(shù)據(jù)的能量和數(shù)量上進行了優(yōu)化，提高了網(wǎng)絡的生存時間，但是 也存在一些問題需要解決。例如，算法無法保證簇頭節(jié)點能遍及整個網(wǎng)絡，很可能出現(xiàn)被選 的簇頭節(jié)點集中在網(wǎng)絡中的某一區(qū)域的現(xiàn)象。
(9) TEEN
TEEN是對LEACH改進的一種算法，主要針對LEACH算法的實時性提出一種解決方 案，但TEEN算法不能實現(xiàn)周期性地采集數(shù)據(jù)。TEEN采用與LEACH相同的多簇結(jié)構(gòu)和運行方 式。不同的是，在簇的建立過程中，隨著簇頭節(jié)點的選定，簇頭除了通過TDMA方式實現(xiàn)對節(jié) 點的調(diào)度外，還向簇內(nèi)成員廣播有關數(shù)據(jù)的硬閥值和軟閥值兩個參數(shù)。硬閥值是被檢測數(shù) 據(jù)所不能逾越的閥值，軟閥值則規(guī)定被測數(shù)據(jù)的變動范圍。在簇的穩(wěn)定階段，節(jié)點通過傳感 器不斷的感知器周圍環(huán)境，當節(jié)點首次檢測數(shù)據(jù)達到硬閥值，便打開收發(fā)器進行數(shù)據(jù)傳送， 同時將該檢測值存入節(jié)點內(nèi)部變量SV中。節(jié)點再次進行數(shù)據(jù)傳送時要滿足兩個條件當前 的檢測值大于硬閥值；當前的檢測值與SV的差異大于等于軟閥值。只要節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，變 量SV便置為當前檢測值。在簇重構(gòu)的過程中，如果新一回合的簇頭已經(jīng)確定，該簇頭將重 新設定和發(fā)布以上兩個參數(shù)。通過設置硬閥值和軟閥值兩個參數(shù)，TEEN算法能夠大大減少 數(shù)據(jù)傳送的次數(shù)，比LEACH算法更節(jié)能。TEEN算法的優(yōu)點是可以對突發(fā)事件作出快速反應。
(10) PEGASIS
這是在LEACH算法基礎上建立的算法。它仍然采用動態(tài)選舉簇頭的思想，但為避 免頻繁選舉簇頭的通信開銷，采用無通信量的簇頭選舉方法，且網(wǎng)絡中所有節(jié)點形成一個 簇，稱為鏈。該算法要求每個節(jié)點都知道網(wǎng)絡中其它節(jié)點的位置，通過貪婪算法選擇最近 的鄰節(jié)點形成鏈。動態(tài)選舉簇頭的方法很簡單設網(wǎng)絡中的N個節(jié)點都有I-N的自然數(shù)編 號，第j輪選取的簇頭是第i個節(jié)點，i = j mod N(i為0時，取N)。簇頭與匯集節(jié)點一跳 通信，利用令牌控制鏈兩端數(shù)據(jù)沿鏈傳送到簇頭本身，在傳送過程中可以融合數(shù)據(jù)。當鏈兩 端數(shù)據(jù)都傳送完成，開始新一輪選舉和傳輸。該算法避免LEACH算法頻繁選舉簇頭帶來的 通信開銷以及自身有效的鏈式數(shù)據(jù)融合，極大減少了數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)和通信量；節(jié)點采用小 功率與最近距離鄰節(jié)點通信，形成多跳通信方式，有效的利用了能量，與LEACH算法相比能 大幅度提高網(wǎng)絡生存時間。但單簇方法使得簇頭成為關鍵點，其失效會導致路由失??；且 要求節(jié)點都具有與匯集節(jié)點通信的能力；如果鏈過長，數(shù)據(jù)傳輸時延會增大，不適合實時應 用；成鏈算法要求節(jié)點知道其它節(jié)點位置，開銷非常大，如圖5表示了 PEGASIS算法沿鏈進 行數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一目的在于提供一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動鏈路估計的傳感器網(wǎng)絡實時路由方 法，用于提高網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和降低網(wǎng)絡的能量消耗。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動鏈路估計的傳感器網(wǎng)絡實時 路由方法，其特征在于，包括
步驟1，本節(jié)點感知自己的地理位置信息，并將所述地理位置信息告知鄰居節(jié)點；
步驟2，數(shù)據(jù)發(fā)送時，由上層接口部分生成數(shù)據(jù)報文和目的節(jié)點地址，數(shù)據(jù)報文轉(zhuǎn) 發(fā)時，由實時路徑處理部分從MAC層獲取網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)報文和目的節(jié)點地址；
步驟3，根據(jù)所述地理位置信息計算從本節(jié)點到目的節(jié)點的距離；
步驟4，根據(jù)所述地理位置信息，鄰居節(jié)點計算鄰居集中的節(jié)點到目的節(jié)點的距 離，選擇小于所述距離的鄰居節(jié)點生成下一跳候選集；
步驟5，計算本節(jié)點到下一跳候選集中節(jié)點的路徑速度；
步驟6，從符合所述路徑速度條件的下一跳候選集中，隨機選擇一節(jié)點作為下一跳 節(jié)占.I— /、、、
步驟7，將節(jié)點數(shù)據(jù)寫入MAC層的數(shù)據(jù)幀；
步驟8，根據(jù)下一跳節(jié)點，發(fā)送數(shù)據(jù)報文給MAC層，接收所述數(shù)據(jù)幀，將從所述數(shù)據(jù) 幀中獲取的信息寫入ACK幀并回傳給發(fā)送節(jié)點；
步驟9，所述發(fā)送節(jié)點獲取MAC層反饋的ACK幀或NACK幀，根據(jù)ACK幀計算并選擇 更新鄰居集表中對應節(jié)點的延時、投遞率、能耗，或者根據(jù)所述NACK幀計算并選擇更新鄰 居集表中對應節(jié)點的投遞率。
所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其中，
所述步驟1中，還包括
本節(jié)點通過廣播的方式將該地理位置信息告知鄰居節(jié)點。
所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其中，
所述步驟1中，還包括
在設定已獲取自己的地理位置坐標時，本節(jié)點通過GPS、RSSI、TOA或TDOA的無線 定位方式感知自己的地理位置信息。
所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其中，
鄰居集為本節(jié)點發(fā)送的無線信號大于或等于鄰居節(jié)點的接收靈敏度閾值的節(jié)點 的集合。
所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其中，
下一跳候選集是鄰居集，與以目的節(jié)點為圓心，本節(jié)點與目的節(jié)點距離為半徑的 圓或球的交集，該交集中所有本節(jié)點的鄰居節(jié)點到目的節(jié)點的距離均小于本節(jié)點到目的節(jié) 點的距離。
所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其中，
每個節(jié)點包含一個鄰居集表，表中每條記錄代表一個鄰居，包含識別符、位置、延 時、能量、投遞率字段。
所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其中，
步驟5，計算根據(jù)實時性要求確定的預設速度，從下一跳候選集中剔除不滿足該預 設速度要求的下一跳節(jié)點。
所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其中，
所述步驟6中，還包括
隨機選擇速度矢量前5%中剩余能量高的節(jié)點中的一個作為下一跳節(jié)點。
所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其中，
所述步驟7中，還包括
以如下公式計算速度矢量
Speed二 = distance_V * DeliveryRate^ iHopDelay^
其中，是節(jié)點S到下一跳節(jié)點N的速度矢量，distanced為節(jié)點S到目的 節(jié)點D的距離，化是節(jié)點S到下一跳節(jié)點N的投遞率，是節(jié)點S與下一跳 節(jié)點N之間的單跳延時值。
所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其中，
所述步驟8中，以如下方式發(fā)送數(shù)據(jù)報文
將鄰居集表分為兩部分，一部分單跳路徑的速度大于或等于該預設速度，另一部 分單跳路徑的速度小于該預設速度，該預設速度與該節(jié)點的通信帶寬和數(shù)據(jù)要求的實時性 要求有關，初始值設定為源節(jié)點到目的節(jié)點的距離除以實時要求時間值，數(shù)據(jù)報文發(fā)送時 路由只選擇前一部分節(jié)點作為下一跳候選集；
下一跳節(jié)點選擇只從節(jié)點的下一跳候選集中選擇，優(yōu)先選擇速度矢量高的節(jié)點， 若不存在該節(jié)點，則由該節(jié)點反饋信息給上一跳節(jié)點，更新上一跳節(jié)點的鄰居集表。
所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其中，
所述步驟9中，還包括
將當前時間減去ACK幀中的時間戳后的差值作為一跳的延時值，以該延時值與鄰 居集中的延時值的指數(shù)采用加權(quán)移動平均值生成估計值，并以該估計值更新鄰居集中的延 時值。
所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其中，
所述步驟9中，還包括
通過所述ACK幀中節(jié)點的當前能量值更新鄰居集表中對應節(jié)點的能量值。
所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其中，
所述步驟9中，還包括
通過將一跳中本次計算的投遞率和鄰居集表中的投遞率的指數(shù)加權(quán)移動平均值 作為更新值，更新鄰居集表中的投遞率。
所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其中，
投遞率為投遞成功的次數(shù)和除以總投遞次數(shù)。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益技術效果在于
優(yōu)化傳輸路徑、降低網(wǎng)絡能耗是無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議設計的主要目標之一。 本發(fā)明通過分析研究分層模型中的路由層和數(shù)據(jù)鏈路層，結(jié)合跨層設計的思想，提出一種 以數(shù)據(jù)驅(qū)動鏈路估計為基礎的軟實時路由協(xié)議DDRT (Data-driven real-time protocol)， 并通過對DDRT、A0DV和DSR協(xié)議的仿真分析，可以看出DDRT路由協(xié)議方法有效地提高了數(shù) 據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，降低了網(wǎng)絡能耗。具體體現(xiàn)如下幾點
1)軟實時。傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡針對實時性研究很少，在工業(yè)環(huán)境下，很多場合 對實時性都有一定要求。在多跳情況下，由于多數(shù)無線信號收發(fā)器只能工作在半雙工狀態(tài)， 收發(fā)數(shù)據(jù)只能串行化，對于鏈狀拓撲其吞吐量下降近似服從函數(shù)0 (1/n)，吞吐量的下降，嚴 重影響實時性。同時信道干擾引發(fā)的重發(fā)的也是影響實時性的重要因素，所以要保證多跳 環(huán)境下的實時性，從路由上本發(fā)明主要考慮降低無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸過程中源節(jié)點到目的節(jié)點的每跳延遲和提高投遞率。
2)低能耗。能耗問題是制約無線傳感器網(wǎng)絡走向?qū)嶋H應用的一個重要約束。無線 傳感器網(wǎng)絡節(jié)點通常要求極低的能耗，而其能量消耗主要集中在無線收發(fā)器的數(shù)據(jù)發(fā)送當 中。據(jù)統(tǒng)計，傳輸1比特信息100米距離所消耗的能量相當于執(zhí)行3000條計算指令。而能 量的路徑損耗近似為一個對數(shù)-距離模型，在距離d處接收到的信號強度符合公式，其中距 離d大于參考距離d0，Pt為信號發(fā)射強度，工業(yè)環(huán)境下指數(shù)γ取值在2和3之間。所以為 了降低節(jié)點能量消耗，本發(fā)明從路由上應該考慮如何降低網(wǎng)絡節(jié)點間的冗余通信量，提高 投遞率。
3)可靠性高。通常無線傳感器網(wǎng)絡包含數(shù)量眾多的傳感器節(jié)點，它們彼此通過多 跳無線信道，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康墓?jié)點。因此，采用適當?shù)目煽啃员ＷC機制顯得尤其重要。影 響可靠性主要因素是網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)、通信鏈路連接性和干擾大小。從路由協(xié)議研究端到 端的可靠性保證的主要目的就是通過設計高投遞率、低跳數(shù)的路徑來確保傳感器節(jié)點生成 的數(shù)據(jù)報文能可靠地發(fā)送到目的節(jié)點。
4)避免網(wǎng)絡黑洞。網(wǎng)絡黑洞是指當中繼節(jié)點接收到上一節(jié)點發(fā)送過來數(shù)據(jù)報文， 無法轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳節(jié)點時，該中繼節(jié)點形成一個網(wǎng)絡黑洞。在一些實際應用的無線傳感器 網(wǎng)絡中，由于網(wǎng)絡拓撲分布和各節(jié)點能量消耗不平衡，較容易造成網(wǎng)絡黑洞現(xiàn)象。要避免網(wǎng) 絡黑洞，從路由上考慮應該在網(wǎng)絡黑洞形成后，避免選擇已經(jīng)形成網(wǎng)絡黑洞的節(jié)點作為下 一跳的節(jié)點。
此協(xié)議方法可廣泛應用于實時性要求較高的傳感器網(wǎng)絡中，方法以實時性和能耗 作為主要評價指標，符合實際的實時傳感器網(wǎng)絡應用系統(tǒng)要求。


圖Ia-If是PIN算法工作流程圖2a-2c是定向擴散路由機制；
圖3是目標區(qū)域迭代地理轉(zhuǎn)發(fā)示意圖4是LEACH算法網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖5是PEGASIS算法沿鏈進行數(shù)據(jù)傳輸；
圖6是本發(fā)明的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動鏈路估計的實時路由協(xié)議方法結(jié)構(gòu)圖
圖7是本發(fā)明的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動鏈路估計的實時路由協(xié)議方法流程圖
圖8是本發(fā)明的S節(jié)點鄰居集示意圖9是本發(fā)明的節(jié)點下一跳候選集示意圖10是本發(fā)明的數(shù)據(jù)驅(qū)動鏈路估計在本節(jié)點與鄰居節(jié)點間關系圖11是本發(fā)明的網(wǎng)絡黑洞節(jié)點示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述，但不作為對本發(fā)明的限定。
如圖6所示，是本發(fā)明的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動鏈路估計的實時路由協(xié)議方法結(jié)構(gòu)圖；該 協(xié)議結(jié)構(gòu)分為如下部分
協(xié)議上層接口、地理位置感知、實時路徑處理以及數(shù)據(jù)驅(qū)動鏈路估計。
協(xié)議上層接口部分實現(xiàn)路由協(xié)議和上層協(xié)議的接口，包括接收上層要傳輸?shù)臄?shù)據(jù) 以及將接收到的數(shù)據(jù)傳送給上一層。
地理位置感知部分確定自己的地理位置信息。
實時路徑處理部分是主路由處理模塊，它確定下一跳的選擇后，把數(shù)據(jù)報文提交 給MAC層。
數(shù)據(jù)驅(qū)動鏈路估計部分是為實時路徑處理部分服務的，它的作用是根據(jù)鄰居反饋 過來的延遲、能耗、投遞率計算鄰居集表中的參數(shù)，為路由選擇的決策提供支持。
如圖7所示，為本發(fā)明的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動鏈路估計的傳感器網(wǎng)絡實施路由方法具體 實施例的流程圖，該實施例包括以下步驟
步驟1 節(jié)點(當前節(jié)點或本節(jié)點)感知自己的地理位置信息，并通過廣播的方式 將其地理位置信息告知鄰居節(jié)點；
步驟2 數(shù)據(jù)發(fā)送時，上層接口部分生成數(shù)據(jù)報文和目的節(jié)點地址；數(shù)據(jù)報文轉(zhuǎn)發(fā) 時，實時路徑處理部分從MAC層的凈荷部分獲取網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)報文和目的節(jié)點地址，該步驟 為后續(xù)步驟執(zhí)行的前提；
步驟3 根據(jù)地理位置信息，本節(jié)點計算從本節(jié)點到目的節(jié)點的距離；
步驟4:根據(jù)地理位置信息，鄰居節(jié)點計算鄰居集中的節(jié)點到目的節(jié)點的距離，選 擇小于本節(jié)點到目的節(jié)點距離的鄰居節(jié)點生成下一跳候選集；
步驟5 計算根據(jù)實時性要求確定的預設速度；
步驟6 計算本節(jié)點到下一跳候選集中節(jié)點的路徑速度，剔除不滿足預設速度要 求的下一跳節(jié)點；
步驟7 從步驟6中符合路徑速度條件的下一跳候選集中，隨機選擇速度矢量前 5%中剩余能量高的節(jié)點作為下一跳節(jié)點；
步驟8 將節(jié)點時鐘值等節(jié)點數(shù)據(jù)寫入MAC層的數(shù)據(jù)(DATA)幀；
該節(jié)點數(shù)據(jù)包括節(jié)點時鐘值、MAC層源地址、目的地址，其中，節(jié)點時鐘值是指路由 協(xié)議提交數(shù)據(jù)報文給MAC層時的時間戳；
步驟9 根據(jù)下一跳節(jié)點，發(fā)送數(shù)據(jù)報文給MAC層，下一跳節(jié)點接收到數(shù)據(jù)幀后，獲 取數(shù)據(jù)幀中的時鐘值，并寫入ACK幀回傳給發(fā)送節(jié)點；
步驟10 發(fā)送節(jié)點獲取MAC層反饋的ACK幀或者NACK幀，根據(jù)ACK幀計算并選擇 更新鄰居集表中對應節(jié)點的單跳延時、投遞率、能耗等相關數(shù)據(jù)，或根據(jù)所述NACK幀計算 并選擇更新鄰居集表中對應節(jié)點的投遞率等相關數(shù)據(jù)。
協(xié)議實現(xiàn)方法包括上層接口、地理位置感知、實時路徑處理、數(shù)據(jù)驅(qū)動鏈路估計四 個部分，結(jié)合圖6、7，對方法的實施方式詳述如下。
1、上層接口
上層接口實現(xiàn)兩部分功能(1)接收上層發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，確定數(shù)據(jù)發(fā)送的目的 節(jié)點、數(shù)據(jù)報文序號，提交給實時路徑處理部分；( 接收實時路徑處理部分提交的數(shù)據(jù)， 并經(jīng)過處理，發(fā)送給上層。
2、地理位置感知
協(xié)議需要節(jié)點的地理位置信息支持。協(xié)議初始化時，節(jié)點感知自己的地理位置 信息后，通過廣播的方式，通知鄰居節(jié)點其地理位置信息。關于節(jié)點無線定位的方法，可12使用 GPS (Global Positioning System) > RSSI (Received Signal Strength Indicator)、 TOA (Time Of Arrival)、TDOA (Time Difference of Arrival)等定位方法，假定節(jié)點已經(jīng) 獲得并存儲自己的地理位置坐標。
3、實時路徑處理
這個部分包含如下三個相關的定義
S節(jié)點鄰居集(Neighbor Set, NS)如圖8所示，S節(jié)點鄰居集包含所有的S節(jié)點 無線信號覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點的集合，即S節(jié)點(源節(jié)點)發(fā)送的無線信號大于或等于鄰居 節(jié)點的接收靈敏度閾值的節(jié)點。這個范圍類似于一個以S節(jié)點位置為圓心，S節(jié)點無線電 輻射距離為半徑R的圓(球)，因為天線方向圖以及干擾等因素的問題，不一定是個完整的 圓(球)。
S節(jié)點下一跳候選集(Hopping Set, HS)圖9所示陰影部分即S節(jié)點到目的D節(jié) 點的下一跳候選集，S節(jié)點下一跳候選集是S節(jié)點鄰居集和以目的節(jié)點D為圓心，S節(jié)點與 目的節(jié)點D距離為半徑的圓(球)的交集。集合中所有S節(jié)點的鄰居節(jié)點到目的節(jié)點D的 距離均小于S節(jié)點到目的節(jié)點D的距離。
速度矢量是路徑選擇的基本變量，如圖9所示，定義如下
Speed二 = distance_V * DeliveryRate" /HopDelay^
其中，是節(jié)點S到下一跳節(jié)點N的速度矢量，distanced為節(jié)點S到目的 節(jié)點D的距離，其值為節(jié)點N的坐標在直線SD上的投影點與節(jié)點S之間的距離，是節(jié)點S到節(jié)點N的投遞率，該值是后續(xù)鄰居集表中提到的投遞率，是節(jié)點S與節(jié) 點N之間的單跳延時值，該值為鄰居集表中對應節(jié)點的延時。
該部分中，節(jié)點S和下一跳節(jié)點N都包含一個鄰居集表(Neighbor Set Table)， 表中每條記錄代表一個鄰居，包含如下字段識別符(NeighborID)、位置(Position)、延時 (HopDelay)、能量(Energy)、投遞率(DeliveryRate)。其中識別符為節(jié)點的唯一標識符，位 置由地理位置感知部分確定，表示為節(jié)點的坐標值，延時、能量、投遞率由數(shù)據(jù)驅(qū)動鏈路估 計部分計算并反饋。
數(shù)據(jù)報文發(fā)送符合如下規(guī)則
(1)鄰居集表分為兩部分，一部分單跳路徑速度大于或等于預設速度，另一部分單 跳路徑速度小于預設速度。預設速度是一個系統(tǒng)參數(shù)，與該節(jié)點的通信帶寬和數(shù)據(jù)要求的 實時性要求有關，初始值設定為源節(jié)點到目的節(jié)點的距離除以實時要求時間值，數(shù)據(jù)報文 發(fā)送時路由只選擇前一部分節(jié)點作為下一跳候選集。
(2)下一跳節(jié)點選擇只從節(jié)點下一跳候選集中選擇，優(yōu)先選擇速度矢量高的節(jié)點。 若不存在這樣的節(jié)點，則由該節(jié)點反饋信息給上一跳節(jié)點，更新上一跳節(jié)點鄰居集表，避免 下一次繼續(xù)選擇該節(jié)點作為下一跳節(jié)點。
4、數(shù)據(jù)驅(qū)動鏈路估計
數(shù)據(jù)驅(qū)動鏈路估計部分的設計主要依托于網(wǎng)絡中MAC層協(xié)議和路由協(xié)議中的鄰 居集表，通過對網(wǎng)絡中MAC層協(xié)議各種幀和函數(shù)的修改，實現(xiàn)延時估計、投遞率估計、能耗 反饋等協(xié)議需求數(shù)據(jù)，并記錄在鄰居集表中，如圖10所示。
4.1延時估計
延時估計是一種通過延時反饋的估計策略，用以判斷網(wǎng)絡局部的通信負載狀況，解決實時性問題和網(wǎng)絡擁塞問題。協(xié)議實現(xiàn)延時反饋是通過報文捎帶的方法進行測量的 發(fā)送節(jié)點把數(shù)據(jù)報文提交給MAC層后，經(jīng)過RTS- > CTS- > DATA- > ACK完成幀發(fā)送，協(xié) 議在DATA幀中加上路由協(xié)議提交數(shù)據(jù)報文給MAC層時的時間戳后發(fā)送；鄰居節(jié)點接收到 DATA幀后，獲取DATA幀中的時間戳，并寫入ACK幀回傳給發(fā)送節(jié)點；發(fā)送節(jié)點收到鄰居節(jié) 點發(fā)送的ACK幀后，用當前時間減去DATA幀中的時間戳，就可以獲得這一跳的延時。當更 新鄰居集表中節(jié)點的延時值時，采用這一跳計算的延時值和原來的延時值的指數(shù)加權(quán)移動 EWMA (Exponential Weighted Moving Average) ξ 古ifft。
4. 2網(wǎng)絡黑洞反饋
如圖11所示，節(jié)點2在接收到節(jié)點1發(fā)送過來的數(shù)據(jù)報文后，發(fā)現(xiàn)自己到目的節(jié) 點4沒有下一跳節(jié)點集，此時節(jié)點2需要向節(jié)點1反饋一個0延時值(見3. 4. 1延時估計， 修改ACK幀中的時間戳為0)，以表明自己是網(wǎng)絡黑洞。當節(jié)點1生成到節(jié)點2的延時估計 值時，將產(chǎn)生一個比較大的延時估計值。所以，節(jié)點1在選擇下一跳節(jié)點傳送數(shù)據(jù)報文到節(jié) 點4時，選擇節(jié)點2的概率大大降低。
4. 3能耗反饋
能耗反饋是一種維護傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能量平衡的策略。節(jié)點在接收到上一跳節(jié)點 傳來的數(shù)據(jù)報文后，在回復的ACK幀中捎帶該節(jié)點當前能量值。上一跳節(jié)點在收到ACK幀 后，更新鄰居集表中對應節(jié)點的能量值。上一跳節(jié)點在保證實時性符合要求的情況下優(yōu)先 選擇下一跳候選集中能量值高的那部分節(jié)點作為數(shù)據(jù)報文發(fā)送的策略。
4. 4投遞率估計
投遞率是實時路由選擇的一個重要參數(shù)，它可以直接反映節(jié)點間通信鏈路的質(zhì) 量。節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)報文給MAC層后，等待MAC層反饋回來的ACK幀或者NACK幀來計算投 遞率，返回ACK幀表示DATA幀投遞成功，返回NACK幀或者無返回表示DATA幀投遞失敗，需 要重新選擇下一跳路徑。投遞率定義為投遞成功的次數(shù)和除以總投遞次數(shù)。當更新鄰居集 表中節(jié)點的投遞率時，采用這一跳本次計算的投遞率和原來投遞率的指數(shù)加權(quán)移動平均值 來表不。
本發(fā)明以提高實時性和降低能量消耗作為出發(fā)點，通過對傳統(tǒng)路由協(xié)議的分析， 通過提取MAC相關信息，提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動鏈路估計的實時路由協(xié)議DDRT。通過仿 真研究，該協(xié)議有效的改善了網(wǎng)絡的實時性和能耗。
當然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟 悉本領域的技術人員當可根據(jù)本發(fā)明做出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變 形都應屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。1權(quán)利要求
1.一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動鏈路估計的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其特征在于，包括 步驟1，本節(jié)點感知自己的地理位置信息，并將所述地理位置信息告知鄰居節(jié)點； 步驟2，數(shù)據(jù)發(fā)送時，由上層接口部分生成數(shù)據(jù)報文和目的節(jié)點地址，數(shù)據(jù)報文轉(zhuǎn)發(fā)時，由實時路徑處理部分從MAC層獲取網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)報文和目的節(jié)點地址； 步驟3，根據(jù)所述地理位置信息計算從本節(jié)點到目的節(jié)點的距離； 步驟4，根據(jù)所述地理位置信息，鄰居節(jié)點計算鄰居集中的節(jié)點到目的節(jié)點的距離，選 擇小于所述距離的鄰居節(jié)點生成下一跳候選集；步驟5，計算本節(jié)點到下一跳候選集中節(jié)點的路徑速度；步驟6，從符合所述路徑速度條件的下一跳候選集中，隨機選擇一節(jié)點作為下一跳節(jié)占.步驟7，將節(jié)點數(shù)據(jù)寫入MAC層的數(shù)據(jù)幀；步驟8，根據(jù)下一跳節(jié)點，發(fā)送數(shù)據(jù)報文給MAC層，接收所述數(shù)據(jù)幀，將從所述數(shù)據(jù)幀中 獲取的信息寫入ACK幀并回傳給發(fā)送節(jié)點；步驟9，所述發(fā)送節(jié)點獲取MAC層反饋的ACK幀或NACK幀，根據(jù)ACK幀計算并選擇更新 鄰居集表中對應節(jié)點的延時、投遞率、能耗，或者根據(jù)所述NACK幀計算并選擇更新鄰居集 表中對應節(jié)點的投遞率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其特征在于， 所述步驟1中，還包括本節(jié)點通過廣播的方式將該地理位置信息告知鄰居節(jié)點。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其特征在于， 所述步驟1中，還包括在設定已獲取自己的地理位置坐標時，本節(jié)點通過GPS、RSSI、TOA或TDOA的無線定位 方式感知自己的地理位置信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其特征在于，鄰居集為本節(jié)點發(fā)送的無線信號大于或等于鄰居節(jié)點的接收靈敏度閾值的節(jié)點的集合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其特征在于，下一跳候選集是鄰居集，與以目的節(jié)點為圓心，本節(jié)點與目的節(jié)點距離為半徑的圓或 球的交集，該交集中所有本節(jié)點的鄰居節(jié)點到目的節(jié)點的距離均小于本節(jié)點到目的節(jié)點的距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4或5所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其特征在于，每個節(jié)點包含一個鄰居集表，表中每條記錄代表一個鄰居，包含識別符、位置、延時、能 量、投遞率字段。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4或5所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其特征在于，步驟5，計算根據(jù)實時性要求確定的預設速度，從下一跳候選集中剔除不滿足該預設速 度要求的下一跳節(jié)點。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4或5所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其特征在于， 所述步驟6中，還包括隨機選擇速度矢量前5%中剩余能量高的節(jié)點中的一個作為下一跳節(jié)點。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其特征在于， 所述步驟7中，還包括以如下公式計算速度矢量Speed二 = distance_V * DeliveryRate^ iHopDelay^其中，是節(jié)點S到下一跳節(jié)點N的速度矢量，distanced為節(jié)點S到目的節(jié)點 D的距離，化是節(jié)點S到下一跳節(jié)點N的投遞率，是節(jié)點S與下一跳節(jié)點 N之間的單跳延時值。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其特征在于， 所述步驟8中，以如下方式發(fā)送數(shù)據(jù)報文將鄰居集表分為兩部分，一部分單跳路徑的速度大于或等于該預設速度，另一部分單 跳路徑的速度小于該預設速度，該預設速度與該節(jié)點的通信帶寬和數(shù)據(jù)要求的實時性要求 有關，初始值設定為源節(jié)點到目的節(jié)點的距離除以實時要求時間值，數(shù)據(jù)報文發(fā)送時路由 只選擇前一部分節(jié)點作為下一跳候選集；下一跳節(jié)點選擇只從節(jié)點的下一跳候選集中選擇，優(yōu)先選擇速度矢量高的節(jié)點，若不 存在該節(jié)點，則由該節(jié)點反饋信息給上一跳節(jié)點，更新上一跳節(jié)點的鄰居集表。
11.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4、5、9或10所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其特征在于， 所述步驟9中，還包括將當前時間減去ACK幀中的時間戳后的差值作為一跳的延時值，以該延時值與鄰居 集中的延時值的指數(shù)采用加權(quán)移動平均值生成估計值，并以該估計值更新鄰居集中的延時值。
12.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4、5、9或10所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其特征在于， 所述步驟9中，還包括通過所述ACK幀中節(jié)點的當前能量值更新鄰居集表中對應節(jié)點的能量值。
13.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4、5、9或10所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其特征在于， 所述步驟9中，還包括通過將一跳中本次計算的投遞率和鄰居集表中的投遞率的指數(shù)加權(quán)移動平均值作為 更新值，更新鄰居集表中的投遞率。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，其特征在于， 投遞率為投遞成功的次數(shù)和除以總投遞次數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動鏈路估計的傳感器網(wǎng)絡實時路由方法，包括步驟1，本節(jié)點感知地理位置信息，并告知給鄰居節(jié)點；步驟2，數(shù)據(jù)發(fā)送時，生成數(shù)據(jù)報文和目的節(jié)點，數(shù)據(jù)報文轉(zhuǎn)發(fā)時，從MAC層獲取數(shù)據(jù)報文和目的節(jié)點；步驟3，計算從本節(jié)點到目的節(jié)點的距離；步驟4，計算鄰居集中本節(jié)點到目的節(jié)點的距離，生成下一跳候選集；步驟5，計算本節(jié)點到下一跳候選集中節(jié)點的路徑速度；步驟6，選擇一節(jié)點作為下一跳節(jié)點；步驟7，將節(jié)點時鐘值寫入MAC層數(shù)據(jù)幀；步驟8，發(fā)送數(shù)據(jù)報文給MAC層；步驟9，更新鄰居集表中對應節(jié)點的延時、投遞率、能耗。本發(fā)明方法提高了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，降低了網(wǎng)絡的能耗。
文檔編號H04W40/22GK102036338SQ201010601810
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者劉強, 崔莉, 游紹輝 申請人:中國科學院計算技術研究所