專利名稱：基于無線傳感網(wǎng)路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量的路由選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線自組織網(wǎng)絡(luò)與傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，涉及基于無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)質(zhì)量和轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量的無線網(wǎng)絡(luò)路由方法。
背景技術(shù)：
近幾年無線網(wǎng)絡(luò)通訊的發(fā)展，出現(xiàn)了許多基于無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用系統(tǒng)。這些應(yīng)用系統(tǒng)利用自組織成網(wǎng)絡(luò)的小體積，低能耗，短通信半徑的無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，在特殊環(huán)境如野外、森林、海島上進(jìn)行工作，感知并采集外界環(huán)境和監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并將信息以無線的多跳方式傳回基站。因此，無線多跳傳輸作為無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用基礎(chǔ)，在無線傳感網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用中顯得尤為重要。在一個(gè)多跳的網(wǎng)絡(luò)中傳輸，通常采用的方法是先建立一個(gè)路由方案，然后在這個(gè)路由方案的指導(dǎo)下每一個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇對(duì)應(yīng)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)并將信息傳遞給該節(jié)點(diǎn)，直至到達(dá)目的地節(jié)點(diǎn)。無線傳感網(wǎng)中最早出現(xiàn)的路由技術(shù)是基于位置信息的[Karp，B.， and Kung. H. Τ. (2000). GPSR :Greedy Perimeter Stateless Routing for Wireless Networks, Proc. 6th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom 2000),243-254]。在這個(gè)路由技術(shù)中，假設(shè)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道自己的位置信息和目的地節(jié)點(diǎn)的位置信息，路由策略如下1.每個(gè)節(jié)點(diǎn)尋找一個(gè)距離目的地節(jié)點(diǎn)比自己更近的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，若有這樣的節(jié)點(diǎn)，則重復(fù)1直到目的地；如果沒有這樣的節(jié)點(diǎn)，則2.該節(jié)點(diǎn)所有鄰居節(jié)點(diǎn)距離目的地都比該節(jié)點(diǎn)距離遠(yuǎn)的時(shí)候，該節(jié)點(diǎn)就會(huì)采取右手定則的原則，選擇一個(gè)順時(shí)針方向的遇到節(jié)點(diǎn)中的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為下一跳，然后轉(zhuǎn)到1。 這樣的路由要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須有自己和周圍鄰居節(jié)點(diǎn)精確的位置信息?，F(xiàn)有的基于全球定位系統(tǒng)(GPS)的節(jié)點(diǎn)不適合于很多實(shí)際應(yīng)用，比如沒有GPS信號(hào)的室內(nèi)和地下環(huán)境。傳感網(wǎng)中也有很多定位算法(localization algorithm)可以獲得節(jié)點(diǎn)的位置，但是在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，很有可能有一部分節(jié)點(diǎn)是無法通過任何定位算法獲得準(zhǔn)確位置信息。由于基于位置的方法路由很多情況下并不適用，而且這樣的路由方法并沒有考慮的鏈路質(zhì)量，所以這樣的方法在利用無線傳感網(wǎng)傳送信息如圖像的時(shí)候，考慮到無線傳感網(wǎng)中鏈路的不穩(wěn)定特性，無法在最快的時(shí)間傳送完所有的信息，從而導(dǎo)致了信息的延遲和發(fā)送時(shí)間變長(zhǎng)帶來的更多能量消耗。另外一類的路由方法是基于鏈路質(zhì)量的，比如基于鏈路信號(hào)強(qiáng)度(Radio Signal Strength hdicator，RSSI)路由策略。目前無線傳感網(wǎng)中使用最多的路由方案為收集樹路由協(xié)議Collection Tree Protocol, CTP) [Omprakash Gnawali, Rodrigo Fonseca, Kyle Jamieson, David Moss, and Philip Levis. Collection Tree Protocol. In Proceedings of the 7th ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys), 2009.]。該協(xié)議由美國斯坦福大學(xué)提出，基于鏈路的最小期望傳輸次數(shù)(Expected Transmission Count，ETX)。鏈路最小期望傳輸次數(shù)為該鏈路上要成功的傳輸成功一個(gè)包所需要的期望總傳輸次數(shù)，比如鏈路的發(fā)包成功率為q(即每個(gè)包有概
5率q傳送成功，0 ^ q ^ 1)，則該鏈路的最小期望傳輸次數(shù)則為Ι/q。收集樹路由協(xié)議在進(jìn)行路由的時(shí)候就選擇所有路徑中的最小期望傳輸次數(shù)最小的路徑。收集樹路由協(xié)議盡管作為現(xiàn)在使用得最多的協(xié)議，它仍然存在著各種問題，尤其在實(shí)際應(yīng)用中存在著與實(shí)際系統(tǒng)相關(guān)問題首先，收集樹路由協(xié)議并沒有考慮到節(jié)點(diǎn)本身的內(nèi)部的丟包，而只考慮到了路徑上所有鏈路的質(zhì)量，并不符合實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用情況。如

圖1所示，圖中顯示為在一個(gè)實(shí)際的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的丟包(并非鏈路丟包)，由圖1可以看出節(jié)點(diǎn)本身也有著非常大的丟包，從而對(duì)路徑質(zhì)量產(chǎn)生影響。其次，收集樹路由協(xié)議并沒有考慮到路徑上鏈路和節(jié)點(diǎn)在路徑上的排列順序?qū)β窂降挠绊?，等下我們將?huì)介紹鏈路順序?qū)β窂劫|(zhì)量也有著非常大的影響。圖2中顯示了兩條不同的路徑，在這兩條路徑中，路徑1和路徑2有著相同的最小期望傳輸次數(shù)，但是這兩條路徑在路徑的穩(wěn)定性方面是截然不同的。路徑2顯然要比路徑1好，而在收集樹路由協(xié)議中，是無法區(qū)分這兩種情況的。再次，收集樹協(xié)議并沒有考慮到節(jié)點(diǎn)重傳次數(shù)對(duì)路徑質(zhì)量的影響，在實(shí)際系統(tǒng)中， 節(jié)點(diǎn)重傳次數(shù)設(shè)置是跟應(yīng)用緊密相關(guān)的，其對(duì)路徑質(zhì)量的影響也是不一樣的。收集樹路由協(xié)議基于重傳次數(shù)為無限的假設(shè)，并為考慮到重傳次數(shù)的影響。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種新型路由方法，針對(duì)目前現(xiàn)有的路由方法中對(duì)路徑質(zhì)量的估計(jì)的不完整和不合理性，著重考慮了路徑上節(jié)點(diǎn)本身質(zhì)量對(duì)路徑質(zhì)量的影響，和節(jié)點(diǎn)和鏈路在路徑上出現(xiàn)的順序?qū)β窂劫|(zhì)量的影響，從而選擇一條路徑質(zhì)量最好的路徑。理論證明該方法綜合了路徑上影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃幸蛩?，能夠選擇一條吞吐率最大的路徑。實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用結(jié)果也證明了該方法能夠比目前世界上最廣泛使用的傳感網(wǎng)中最新的路由算法有著更高的性能。本發(fā)明所述基于無線傳感網(wǎng)路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量的路由選擇方法，是通過如下方法實(shí)現(xiàn)的對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別計(jì)算該節(jié)點(diǎn)經(jīng)過其各鄰居節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的各路徑的路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量，選擇其中路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量最高的一條路徑作為傳輸路徑；并且將這個(gè)最高的路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量對(duì)應(yīng)的那個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)作為其父節(jié)點(diǎn)，即路由中的下一跳節(jié)點(diǎn)；所述路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量是指在一條路徑上發(fā)送成功一個(gè)數(shù)據(jù)包需要的總的傳輸次數(shù)， 其中總的傳輸次數(shù)指該路徑的每一條鏈路上傳輸次數(shù)的總和；進(jìn)一步地，對(duì)于一條由節(jié)點(diǎn)η到節(jié)點(diǎn)1的路徑，其路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量I^thQoFml計(jì)算方法包括如下步驟①.首先將該路徑上的η個(gè)節(jié)點(diǎn)依次編號(hào)，目的節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)1，源節(jié)點(diǎn)為η ；②.該路徑的路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量I^thQoFml根據(jù)下式獲得PathPDRn,_
P^hQoFn, =--'PathPDRnu
LinkETC…+ LinkPDRn n^ χ NodePDR“ χ -燦啊丨—丨了
(7)公式(7)中PathPDRna為由節(jié)點(diǎn)η到節(jié)點(diǎn)1的路徑傳輸成功率，PathPDRn^1 a為由節(jié)點(diǎn)n_l到節(jié)點(diǎn)1的路徑傳輸成功率，所述的路徑傳輸成功率是該路徑的各物理鏈路數(shù)據(jù)包傳輸成功率和各節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部鏈路數(shù)據(jù)包傳輸成功率的乘積，即
LinkETCmn^1表示節(jié)點(diǎn)η和節(jié)點(diǎn)η_1之間的物理鏈路的傳輸次數(shù)，由下式算出
PathPDRna = LinkPDRnjX NodePDRn^1 X. . · XLinkPDR2aXNodePDR1 PathPDRn-L1 = LinkPDRm2XNodePDRn_2X· · · XLinkPDR2jlXNodePDR1LinkETCn n^ -
’ (8)；公式⑶中物理鏈路質(zhì)量Cimiri是節(jié)點(diǎn)η發(fā)送的數(shù)據(jù)包中被接收節(jié)點(diǎn)Π-1收到的數(shù)據(jù)包所占的比例；重傳次數(shù)r是指一個(gè)數(shù)據(jù)包在一個(gè)一般化鏈路能夠被重傳的次數(shù)限制，r 是預(yù)先設(shè)置的；NodePDRn^1為節(jié)點(diǎn)n_l的內(nèi)部鏈路數(shù)據(jù)包傳輸成功率，由下式算出；NodePDRn = l-a-qw 廣1 (9)公式(9)中內(nèi)部鏈路質(zhì)量qn_i =b/a，其中a為進(jìn)入該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包數(shù)目，即該節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)包的數(shù)目，b為該節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包數(shù)目；作為優(yōu)選的方式對(duì)于無線傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部鏈路數(shù)據(jù)包傳輸成功率NodePDRA = b/a，其中a是無線傳感網(wǎng)上進(jìn)入該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包數(shù)目，即該節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)包的數(shù)目，通過統(tǒng)計(jì)該節(jié)點(diǎn)中由數(shù)據(jù)訪問控制層遞交到網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包的數(shù)目獲得；b是該節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包數(shù)目，通過統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)層遞交給介質(zhì)訪問控制層的數(shù)據(jù)包的數(shù)目獲得。LinkPDRnjn^1表示節(jié)點(diǎn)η和節(jié)點(diǎn)η_1之間的物理鏈路數(shù)據(jù)包傳輸成功率，由下式算出；LinkPDR^1 = 1-(I-C^lri 廣1 (10)PathQoFn^1 a根據(jù)下式獲得
PathPDRn ,,
PathQoF ---PathPDR ”
LinkETC“ n_2 + LinkPDRn_l n—2 χ NodePDRn_2 χ
PathQoFn^v (Π)公式(11)所涉及的 I^athPDR^,” I^athPDIV2,” LinkETCmm、NodePDR^、 LinkPDRn-^2 依照前述獲得 I^athPDRn,” PathPDRn^ia, LinkETCmn+ NodePDRn+ LinkPDRn, 的方法計(jì)算，以此類推獲得I^athQoFnH, PathQoFn_2a,……直至最后I^athQoF2il由下式獲
得
權(quán)利要求
1.基于無線傳感網(wǎng)路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量的路由選擇方法，其特征在于對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別計(jì)算該節(jié)點(diǎn)經(jīng)過其各鄰居節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的各路徑的路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量，選擇其中路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量最高的一條路徑作為傳輸路徑；并且將這個(gè)最高的路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量對(duì)應(yīng)的那個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)作為其父節(jié)點(diǎn)，即路由中的下一跳節(jié)點(diǎn)；所述路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量是指在一條路徑上發(fā)送成功一個(gè)數(shù)據(jù)包需要的總的傳輸次數(shù)，其中總的傳輸次數(shù)指該路徑的每一條鏈路上傳輸次數(shù)的總和。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線傳感網(wǎng)路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量的路由選擇方法，其特征在于，對(duì)于一條由節(jié)點(diǎn)η到節(jié)點(diǎn)1的路徑，其路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量I^thQoFml計(jì)算方法包括如下步驟①.首先將該路徑上的η個(gè)節(jié)點(diǎn)依次編號(hào)，目的節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)1，源節(jié)點(diǎn)為η；②.該路徑的路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量I^thQoFml根據(jù)下式獲得
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線傳感網(wǎng)路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量的路由選擇方法，其特征在于，其分布式實(shí)現(xiàn)方法包括如下步驟①首先獲得如下參數(shù)各節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部鏈路數(shù)據(jù)包傳輸成功率節(jié)點(diǎn)A的內(nèi)部鏈路數(shù)據(jù)包傳輸成功率 NodePDRA 是無線傳感網(wǎng)上進(jìn)入該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包數(shù)目與該節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包數(shù)目之比；各物理鏈路質(zhì)量qA,B 每一個(gè)節(jié)點(diǎn)A到其鄰居節(jié)點(diǎn)B的物理鏈路質(zhì)量，即節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的數(shù)據(jù)包中被接收節(jié)點(diǎn)B收到的數(shù)據(jù)包所占的比例；即在節(jié)點(diǎn)A上統(tǒng)計(jì)總共發(fā)出的數(shù)據(jù)包a， 然后統(tǒng)計(jì)這些發(fā)出的數(shù)據(jù)包中被接收節(jié)點(diǎn)B正確收到的數(shù)據(jù)包b ；然后通過計(jì)算b/a得到物理鏈路質(zhì)量qA,B ；各物理鏈路的數(shù)據(jù)包傳輸成功率每一個(gè)節(jié)點(diǎn)A到其鄰居節(jié)點(diǎn)B的物理鏈路的數(shù)據(jù)包傳輸成功率LinkPDI^u由物理鏈路質(zhì)量qA,B和預(yù)設(shè)的重傳次數(shù)r計(jì)算得出LinkPDRA,B = l-(l-qA,B)r+1各物理鏈路的傳輸次數(shù)LinkETCA, B 每一個(gè)節(jié)點(diǎn)A到其鄰居節(jié)點(diǎn)B的物理鏈路的傳輸次數(shù)LinkETCu由物理鏈路質(zhì)量ciu和預(yù)設(shè)的重傳次數(shù)r計(jì)算得出
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于無線傳感網(wǎng)路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量的路由選擇方法，其特征在于，對(duì)于無線傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部鏈路數(shù)據(jù)包傳輸成功率NodePDI^ = b/a，其中a是無線傳感網(wǎng)上進(jìn)入該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包數(shù)目，即該節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)包的數(shù)目，通過統(tǒng)計(jì)該節(jié)點(diǎn)中由數(shù)據(jù)訪問控制層遞交到網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包的數(shù)目獲得；b是該節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包數(shù)目，通過統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)層遞交給介質(zhì)訪問控制層的數(shù)據(jù)包的數(shù)目獲得。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于無線傳感網(wǎng)路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量的路由選擇方法，屬于無線自組織網(wǎng)絡(luò)與傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別計(jì)算該節(jié)點(diǎn)經(jīng)過其各鄰居節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的各路徑的路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量，選擇其中路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量最高的一條路徑作為傳輸路徑；并且將這個(gè)最高的路徑轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量對(duì)應(yīng)的那個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)作為其父節(jié)點(diǎn)，即路由中的下一跳節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明提出方法有效解決了目前無線傳感網(wǎng)應(yīng)用受到鏈路不穩(wěn)定性和節(jié)點(diǎn)不穩(wěn)定性影響比較嚴(yán)重的問題，在保證路由穩(wěn)定性的前提下，本方法能夠兼顧選擇開銷最小的路徑，有效減少能量有限的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上的能量消耗。
文檔編號(hào)H04W40/12GK102448140SQ20111044586
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月22日
發(fā)明者王繼良 申請(qǐng)人:無錫儒安科技有限公司