專利名稱：一種低時(shí)延的容遲容斷傳感器網(wǎng)絡(luò)的組播路由算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于移動(dòng)性較強(qiáng)的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中的組播路由領(lǐng)域，特別是涉及容遲容斷傳感器網(wǎng)絡(luò)(DTSN)中的組播路由，針對(duì)基于低時(shí)延的組播路由算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
面對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不能有效的適用于星際互 聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題，Kevin Fall等相關(guān)科研工作者提出一種稱為“容遲容斷網(wǎng)絡(luò)”(Delay Tolerant Network, DTN)的新術(shù)語(yǔ)，之后又將這一概念推廣到某些地面無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，如海底網(wǎng)絡(luò)、軍事戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)、Ad hoc網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等，將這些受限網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)稱為“容遲容斷網(wǎng)絡(luò)”。容遲容斷傳感器網(wǎng)絡(luò)指的是將傳感器節(jié)點(diǎn)分散在某個(gè)區(qū)域自由移動(dòng)或者綁定在某些移動(dòng)的物體上(如車輛、動(dòng)物)以收集指定信息，而形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化、通信鏈路頻繁割裂的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的匯聚中心負(fù)責(zé)將接收到的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息轉(zhuǎn)發(fā)給骨干網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)。容遲容斷傳感器網(wǎng)絡(luò)由于應(yīng)用了傳感器技術(shù)，可以在許多因技術(shù)條件限制、地理環(huán)境惡劣的特殊場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)自主組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，因此容遲容斷傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，有陸地民用網(wǎng)絡(luò)，包括各種基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的地域的移動(dòng)無(wú)線設(shè)備的互聯(lián)；軍用戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，包括軍事環(huán)境中的各種移動(dòng)無(wú)線設(shè)備的互聯(lián)；外太空網(wǎng)絡(luò)，包括太空中各種人類發(fā)射的各種設(shè)備間的互聯(lián)。本發(fā)明涉及容遲容斷傳感器網(wǎng)絡(luò)的組播路由算法(協(xié)議)，其特點(diǎn)如下(I)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨機(jī)變化，移動(dòng)的傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織方式完成組網(wǎng)過(guò)程，受能量因素的制約，節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間有限。(2)通信鏈路間呈現(xiàn)歇連接，實(shí)時(shí)性傳輸困難，消息的傳輸以多跳路由的方式完成以達(dá)到均衡能量損耗的目的。(3)應(yīng)用場(chǎng)景的特殊性，使得帶寬具有時(shí)變的特性。(4)由于傳感器節(jié)點(diǎn)的自身能量的有限性，協(xié)議設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮節(jié)點(diǎn)能量損耗問(wèn)題，防止傳感器節(jié)點(diǎn)因?yàn)槟茉春谋M原因而造成的節(jié)點(diǎn)死亡。(5)受傳感器節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力和數(shù)據(jù)處理能力的制約，要求協(xié)議的的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單有效。容遲容斷傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其應(yīng)用場(chǎng)景比較特殊，設(shè)計(jì)一個(gè)適用于所有場(chǎng)景的組播路由算法是不太現(xiàn)實(shí)的，本發(fā)明主要是研究容遲容斷傳感器網(wǎng)絡(luò)組播路由算法，主要的是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)、可靠，能夠滿足一些的應(yīng)用場(chǎng)景下的服務(wù)質(zhì)量需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決DTSN網(wǎng)絡(luò)的高間斷性連接引起的路由失敗以及節(jié)點(diǎn)能源消耗進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)降低傳輸時(shí)延以及均衡能量消耗的目標(biāo)，提出一種基于分簇的容遲容斷傳感器網(wǎng)絡(luò)組播路由算法MRPBC(Multicast Routing Protocol Based on Cluster of DelayTolerant Sensor Network),該算法的核心思想是以簇間節(jié)點(diǎn)間、簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)間不同傳輸功率來(lái)實(shí)現(xiàn)路由的快速發(fā)現(xiàn)，從而降低了數(shù)據(jù)傳輸延遲；以高效的分簇算法來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的能量均衡，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期；同時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合的技術(shù)的引進(jìn)也能夠極大地減小信息冗余量，使得數(shù)據(jù)傳輸量大為減少。本發(fā)明提供一種基于分簇的容遲容斷傳感器網(wǎng)絡(luò)組播路由算法，該算法是利用分簇的方法將網(wǎng)絡(luò)分級(jí)，將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)簇，根據(jù)相應(yīng)的簇頭選舉算法選舉簇頭，簇頭節(jié)點(diǎn)間與簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)間利用不同的數(shù)據(jù)發(fā)送功率進(jìn)行消息的傳輸，簇頭節(jié)點(diǎn)間開(kāi)啟大功率傳輸模式，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)間開(kāi)啟普通功率傳輸模式，該算法能降低所述網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲以及實(shí)現(xiàn)所述網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量均衡。設(shè)置普通功率和大功率兩種模式的目的主要是利用發(fā)送功率大小的不同來(lái)控制消息傳輸?shù)母采w范圍，從而有效的降低節(jié)點(diǎn)因傳輸消息而造成的的能量損耗。本發(fā)明的有益效果是通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，實(shí)現(xiàn)了簇內(nèi)與簇間的不同傳輸模式，所以分組可以快速的在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸；由于分簇中考慮到節(jié)點(diǎn)緩存、能量等因素，網(wǎng)絡(luò)中的緩存和能量較小的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)的概率大為降低，使得分組因?yàn)閾砣?、能量等?素造成的延遲大為降低，同時(shí)延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。通過(guò)請(qǐng)求分組的傳輸構(gòu)建從組播組節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)的逆向路由，實(shí)現(xiàn)分組傳輸?shù)挠行浴?br>

圖I為本發(fā)明中的分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明組播路由的請(qǐng)求過(guò)程的流程圖；圖3為本發(fā)明中組播路由應(yīng)答過(guò)程的流程圖；圖4為本發(fā)明中的J0IN_ASK數(shù)據(jù)包格式示意圖；圖5為J0IN_REPLY數(shù)據(jù)包格式示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合說(shuō)明書附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的方案的核心思想是利用分簇對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量以及緩存等因素進(jìn)行管理，將數(shù)據(jù)傳輸主要集中于各方面性能較好的節(jié)點(diǎn)上，在有效降低網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)能量的均衡，防止節(jié)點(diǎn)因?yàn)槟芰亢谋M而進(jìn)入“死亡狀態(tài)”，從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。并且通過(guò)前傳列表構(gòu)建逆向路由保證了分組傳輸?shù)挠行浴１韭酚伤惴ǚQ為MRPBC (Multicast Routing Protocol Based on ClusterofDelay Tolerant Sensor Network)算法,該算法主要是利用分簇的方法將網(wǎng)絡(luò)分級(jí),其算法主體框架是將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)簇，根據(jù)相應(yīng)的簇頭選舉算法選舉簇頭，簇間節(jié)點(diǎn)與簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)利用不同傳輸方式進(jìn)行消息的傳輸，如圖I所示，主要目標(biāo)是降低網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲以及實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量均衡。MRPBC算法的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程分為簇頭選舉、簇的形成、組播路由的構(gòu)建三個(gè)步驟I、簇頭選舉雖然WCA分簇算法在性能上有優(yōu)于現(xiàn)有的大多數(shù)算法，但是WCA算法中沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)緩存因素，特別是在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中可能因簇頭節(jié)點(diǎn)等待轉(zhuǎn)發(fā)的分組過(guò)大，而造成網(wǎng)絡(luò)的擁塞，所以本發(fā)明提出的MRPBC協(xié)議中的分簇算法是對(duì)在WCA算法的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，引入節(jié)點(diǎn)緩存因子使得緩存過(guò)小的節(jié)點(diǎn)被選舉為簇頭的概率減少，從而減小因簇頭的緩存不夠而造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞。簇頭選舉過(guò)程中綜合考慮節(jié)點(diǎn)的能量、緩存、速度、位置以及周圍節(jié)點(diǎn)鄰居的密集度，并對(duì)其進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，選權(quán)重最小的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭節(jié)點(diǎn)。過(guò)程如下(I)在初始狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)的中所有傳感器節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播Hello消息，以確定每一個(gè)節(jié)點(diǎn)i周圍鄰居節(jié)點(diǎn)信息，如鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、節(jié)點(diǎn)剩余能量、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度、節(jié)點(diǎn)剩余緩存以及節(jié)點(diǎn)間的距離。(2)對(duì)相對(duì)節(jié)點(diǎn)度進(jìn)行計(jì)算
節(jié)點(diǎn)度表示的是傳感器節(jié)點(diǎn)與其距離小于傳感器發(fā)射功率Γ(ι覆蓋范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，其計(jì)算公式如下
權(quán)利要求
1.一種基于分簇的容遲容斷傳感器網(wǎng)絡(luò)組播路由算法，其特征在于，該算法是利用分簇的方法將網(wǎng)絡(luò)分級(jí)，將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)簇，根據(jù)相應(yīng)的簇頭選舉算法選舉簇頭，簇間節(jié)點(diǎn)與簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)利用不同傳輸方式進(jìn)行消息的傳輸，該算法能降低所述網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲以及實(shí)現(xiàn)所述網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量均衡。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的算法，其特征在于，所述算法包括三個(gè)步驟1)簇頭選舉；2)簇的形成；3)組播路由的構(gòu)建。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的算法，其特征在于，所述步驟I)的具體算法如下 (1)在初始狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)中的所有傳感器節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播Hello消息，以確定每一個(gè)節(jié)點(diǎn)i周圍鄰居節(jié)點(diǎn)的信息。
(2)對(duì)相對(duì)節(jié)點(diǎn)度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的算法，其特征在于，所述步驟2)的具體步驟如下 (1)分簇完成之后，權(quán)重最小的節(jié)點(diǎn)向周圍的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播，宣布自己當(dāng)選簇頭節(jié)點(diǎn)；與簇頭節(jié)點(diǎn)跳數(shù)為I的鄰居節(jié)點(diǎn)接收消息包后，對(duì)簇頭節(jié)點(diǎn)做出響應(yīng)并發(fā)送請(qǐng)求加入該簇；對(duì)于跳數(shù)為2的鄰居節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)到該簇的簇內(nèi)成員數(shù)小于Θ時(shí)，同樣向該簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入請(qǐng)求。
(2)對(duì)于接收到多個(gè)簇頭當(dāng)選廣播數(shù)據(jù)包的情況,節(jié)點(diǎn)會(huì)選擇加入簇頭權(quán)重最小的節(jié)點(diǎn)簇。
(3)對(duì)于未加入任何簇的節(jié)點(diǎn)，將宣布自己是一個(gè)簇，并當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的算法，其特征在于，所述步驟3)的具體步驟如下 (I)若一個(gè)非簇頭普通信源S節(jié)點(diǎn)需要傳遞消息給組播組，首先會(huì)將向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)J0IN_ASK的請(qǐng)求數(shù)據(jù)包；簇頭節(jié)點(diǎn)HS接收到數(shù)據(jù)包后，啟動(dòng)較大的發(fā)射功率將數(shù)據(jù)包廣播到其他簇頭節(jié)點(diǎn)；(2)其他簇頭節(jié)點(diǎn)接收到該數(shù)據(jù)包后，先檢查該數(shù)據(jù)包是否重復(fù)，若重復(fù)，則繼續(xù)以大功率廣播方式發(fā)送給其他簇頭節(jié)點(diǎn)；若不重復(fù)則進(jìn)一步檢測(cè)簇內(nèi)是否含有組播組的信宿節(jié)點(diǎn)，若有則通過(guò)普通功率方式廣播發(fā)送該請(qǐng)求包至信宿節(jié)點(diǎn)； (3)若信源節(jié)點(diǎn)S本身就是簇頭節(jié)點(diǎn)，則首先檢查簇內(nèi)是否有組播組節(jié)點(diǎn)，若有，則以普通功率方式廣播該數(shù)據(jù)包至信宿節(jié)點(diǎn)，若無(wú)則開(kāi)啟大功率傳輸模式，將數(shù)據(jù)包廣播至其他鄰居簇頭節(jié)點(diǎn)； (4)簇頭節(jié)點(diǎn)在接收到一個(gè)非重復(fù)的數(shù)據(jù)包時(shí)都將上一跳簇頭節(jié)點(diǎn)ID添加至前傳組列表FG_Table中； (5)當(dāng)組播組成員節(jié)點(diǎn)接收到JOIN_ASK數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)創(chuàng)建并廣播一個(gè)JOIN_REPLY數(shù)據(jù)包至所處的簇的簇頭節(jié)點(diǎn)，該簇頭節(jié)點(diǎn)由此啟動(dòng)大功率傳輸模式，將JOIN_REPLY數(shù)據(jù)包廣播至其他簇頭節(jié)點(diǎn)。
(6)其他簇頭節(jié)點(diǎn)接收到非重復(fù)的JOIN_REPLY數(shù)據(jù)包時(shí)，簇頭節(jié)點(diǎn)首先檢測(cè)自己的ID是否與路由緩沖中下一跳ID相同；若是，則該簇頭節(jié)點(diǎn)聲稱自己是到源節(jié)點(diǎn)的簇頭節(jié)點(diǎn)路徑的一部分，并繼續(xù)廣播以尋找與路由表緩存記錄符合的下一跳節(jié)點(diǎn)，路由以這樣逐步靠近的策略向源節(jié)點(diǎn)蔓延，直至到達(dá)源節(jié)點(diǎn)的簇頭節(jié)點(diǎn)； (7)組播組節(jié)點(diǎn)所在簇的簇頭節(jié)點(diǎn)接收到JOIN_REPLY數(shù)據(jù)包時(shí)，通過(guò)普通功率廣播的方式，將消息傳輸至簇內(nèi)的所有組播組節(jié)點(diǎn)，并由此構(gòu)建了從源節(jié)點(diǎn)到組播組節(jié)點(diǎn)的路由和網(wǎng)格。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的算法，其特征在于，容遲容斷傳感器網(wǎng)絡(luò)指的是將傳感器節(jié)點(diǎn)分散在某個(gè)區(qū)域自由移動(dòng)或者綁定在某些移動(dòng)的物體上以收集指定信息，而形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化、通信鏈路頻繁割裂的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于分簇的容遲容斷傳感器網(wǎng)絡(luò)組播路由算法，該算法是利用分簇的方法將網(wǎng)絡(luò)分級(jí)，將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)簇，根據(jù)相應(yīng)的簇頭選舉算法選舉簇頭，簇間節(jié)點(diǎn)與簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)利用不同傳輸方式進(jìn)行消息的傳輸，該算法能降低所述網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲以及實(shí)現(xiàn)所述網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量均衡。本發(fā)明的有益效果是通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，實(shí)現(xiàn)了簇內(nèi)與簇間的不同傳輸模式，使得分組因?yàn)閾砣?、能量等因素造成的延遲大為降低，同時(shí)延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
文檔編號(hào)H04W40/02GK102970722SQ20121052962
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月10日
發(fā)明者劉濤, 郝聶送 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)