非對稱鏈路下無線傳感器網(wǎng)絡分布式圖路由協(xié)議建立方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于計算機網(wǎng)絡【技術領域】的一種非對稱鏈路下無線傳感器網(wǎng)絡分布式圖路由協(xié)議建立方法。該方法設計了無中心管理服務器下的無線傳感器網(wǎng)絡分布式圖路由計算方法；定義了圖路由交互報文的格式；設計了非對稱鏈路狀態(tài)下行鏈路(DOWN-LINK)、上行鏈路(UP-LINK)、點到點(peer?to?peer,P2P)三種模式圖路由的建立、交互、更新過程。該發(fā)明旨在解決無線傳感器網(wǎng)絡在非對稱鏈路環(huán)境下建立路由時的路由不對稱問題，同時，在缺少中心管理服務器的情況下，利用分布式路由計算方法，解決集中式圖路由的硬件瓶頸問題。該發(fā)明提出的分布式圖路由協(xié)議能夠有效減少傳統(tǒng)圖路由的管理控制開銷，增強網(wǎng)絡的健壯性，整體優(yōu)化了無線傳感器網(wǎng)絡路由性能。
【專利說明】非對稱鏈路下無線傳感器網(wǎng)絡分布式圖路由協(xié)議建立方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于計算機網(wǎng)絡【技術領域】。特別涉及一種非對稱鏈路下無線傳感器網(wǎng)絡分布式圖路由協(xié)議建立方法。
【背景技術】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks, WSNs)技術是現(xiàn)代通信技術和計算機網(wǎng)絡技術的重要組成部分，它是由分布在觀測區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點組成，節(jié)點間通過無線通信技術構成一個多跳傳輸?shù)淖越M織網(wǎng)絡。各傳感器節(jié)點感知的物理世界對象信息(如:溫度、濕度、加速度、光強等)，經(jīng)過網(wǎng)絡傳輸后，匯聚至網(wǎng)關、服務器以及觀察者。
[0003]近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起和發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡技術受到了更多的關注，其逐漸成為實現(xiàn)物理世界和信息世界相互融合的重要保障。目前無線傳感器網(wǎng)絡技術已廣泛應用于智能交通、智能電網(wǎng)、智能家居、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、軍事等領域。
[0004]隨著無線傳感器網(wǎng)絡應用領域的擴展，無線傳感器節(jié)點也呈現(xiàn)多樣化趨勢。這主要體現(xiàn)在兩個方面，首先是節(jié)點功能的多樣化，舉例來說，采集溫度、光強等簡單信息只需要使用低處理能力、低功耗的單片機節(jié)點；而采集多媒體信息時則需要采用高處理能力的ARM節(jié)點。其次是生產(chǎn)廠家不同造成的節(jié)點異構性。不同廠家生產(chǎn)的傳感器節(jié)點可能采用不同的通信標準和物理接口，從而導致設備之間的差異性。圖1表示的是無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的基本結構，一般包括:各種類型的傳感器節(jié)點(sensor node)、匯聚節(jié)點(sink node)和服務管理設備。
[0005]無線傳感器網(wǎng)絡擁有數(shù)量眾多、種類不同的節(jié)點設備，由于節(jié)點硬件資源受限，通常情況下，節(jié)點的無線信號覆蓋范圍較小(數(shù)十米至數(shù)百米)，數(shù)據(jù)包一般需要通過多跳中繼傳輸，因此，路由協(xié)議的設計和實現(xiàn)直接關系到無線傳感器網(wǎng)絡的性能。
[0006]圖路由協(xié)議是一種新型的二層路由協(xié)議，其具有轉(zhuǎn)發(fā)迅速、節(jié)省路由存儲空間、可控可管性高等優(yōu)點，因而被許多標準推薦(如ISA-100.a.ffirelessHART等)。以下是圖路由的一個實例，以說明具體的路由過程。
[0007]圖路由中的圖是一系列路由信息的定向連接。每個圖由一個圖1D標識。圖之間的鏈接由系統(tǒng)中心管理服務器設定。一個網(wǎng)絡可能有很多種圖，有些還可能重疊。每個設備可能有多個圖通過，甚至通過同一個鄰居節(jié)點。
[0008]如圖2所示，Node20利用圖路由(圖1D=I)與Node25通信。Node20可能將它發(fā)送至Node21或Node22。從不同的中間設備出發(fā)，數(shù)據(jù)包可能通過幾種不同的路徑，但無論哪條路徑，數(shù)據(jù)包都將到達Node25。同樣的，要與Node24通信，Node20可以通過Node021或Node22按照圖路由(圖1D=2)傳送數(shù)據(jù)包，任一條路徑都會發(fā)送數(shù)據(jù)包至Node24。
[0009]為了使數(shù)據(jù)包按照圖進行傳輸，路徑上的每個設備都需要保存一個包含入口的圖路由表，這些入口包括了圖1D和鄰居設備的地址。一個路由節(jié)點根據(jù)圖1D進行查找然后將數(shù)據(jù)包送至任何一個合適的鄰居設備。一旦鄰居設備告知已收到數(shù)據(jù)包，源設備將從路由信息緩存中釋放該數(shù)據(jù)包，反映了 Node20圖路由表內(nèi)容。[0010]然而圖路由也有其局限性，一般來說，圖路由采用集中式處理，路由建立、更新過程須交由中心管理服務器計算和維護。然而無線傳感器網(wǎng)絡在許多部署環(huán)境下并無中心基礎設備，特別是在一些戶外應用中。同時，采用集中式處理過程也會帶來額外的數(shù)據(jù)傳輸開銷和時延，這會對某些時間敏感的應用產(chǎn)生較大的影響。此外，傳統(tǒng)的圖路由未考慮鏈路的非對稱性。鏈路的非對稱性主要是指由于節(jié)點間相互通信時彼此的無線信號覆蓋范圍或者接收靈敏度不同引起的數(shù)據(jù)傳輸非對稱現(xiàn)象。舉例來說，節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)信息，節(jié)點B能偵聽到，但節(jié)點B發(fā)送的數(shù)據(jù)，節(jié)點A卻可能無法接收到。在實際環(huán)境中，這種鏈路非對稱現(xiàn)象主要是由于節(jié)點的異構性所產(chǎn)生的，此外，物理環(huán)境的差異(如障礙物等)也可能造成這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。非對稱鏈路可能導致在傳統(tǒng)圖路由協(xié)議建立、交互、更新路由的過程中，產(chǎn)生無效圖或路由，因此需要對其進行改進和優(yōu)化。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0011]本發(fā)明的目的是提出一種非對稱鏈路下無線傳感器網(wǎng)絡分布式圖路由協(xié)議建立方法，包括:
[0012]I)針對非對稱鏈路的特殊性，重新定義四種路由交互報文，采用多次“握手”的方式，對上行鏈路(UP-LINK)和下行鏈路(DOffN-LINK)區(qū)分度量，最終建立、點對點(P2P)三種模式的路由圖；
[0013]2)針對無中心管理服務器的條件，所有路由交互過程均采用分布式處理，無需借助服務器計算路由結果；其特征在于，具體方案如下:
[0014](I)定義路由交互報文格式
[0015]1.1,路由對象請求報文的格式,000類型的表示ROS (Route ObjectSolicitation, ROS)報文；R0S報文用于主動路由請求和P2P圖建立請求過程；該報文包括以下字段:類型、優(yōu)先級、地址壓縮控制、地址信息、序列號、跳數(shù)限制和圖1D ；
[0016]1.2.路由對象指示報文的格式:001類型的表示ROI (Route ObjectIndication, R0I)報文，用于廣播網(wǎng)絡路由信息和P2P圖分配過程；該報文包括以下字段:類型、優(yōu)先級、地址壓縮控制、地址信息、序列號、度量函數(shù)、等級、跳數(shù)限制、路由圖1D和分配圖1D ；
[0017]1.3.下行鏈路確認報文的格式，010類型的表示DLA (D0WN-LINKAcknowledgement，DLA)報文；用于度量下行鏈路路由，該報文包括以下字段:類型、優(yōu)先級、地址壓縮控制、地址信息、序列號、跳數(shù)限制、UP-LINK圖1D、子節(jié)點數(shù)量、子節(jié)點地址、DOffN-LINK圖1D和路由度量值；即該DLA報文包括子節(jié)點的地址信息、路由圖信息以及路
由度量信息。
[0018]1.4 上行鏈路確認報文,011 類型的表不 ULA (UP-LINK Acknowledgement, ULA)報文；用于度量上行鏈路路由，該報文包括以下字段:類型、優(yōu)先級、地址壓縮控制、地址信息、序列號、跳數(shù)限制和路由度量值；
[0019](2)建立DOWN-LINK、UP-LINK、P2P三種模式的路由圖
[0020]2.1.DOffN-LINK 圖建立
[0021]2.1.1網(wǎng)絡初始化階段，所有節(jié)點重新開啟電源，此時所有節(jié)點均未建立路由；
[0022]2.1.2.以根節(jié)點開始，廣播ROI報文，ROI報文包括源節(jié)點地址、路由度量函數(shù)、圖ID和等級信息；該廣播ROI報文的有效范圍為一跳，即收到ROI報文的節(jié)點在處理該報文后應立即將其丟棄；
[0023]2.1.3.收到該ROI信息的節(jié)點，解析路由頭部字段，并根據(jù)其中的信息組裝DLA數(shù)據(jù)包，隨后單播回復ROI報文源節(jié)點；R0I報文的源節(jié)點收到DLA后，根據(jù)路由度量函數(shù)和路由度量值計算最優(yōu)下行鏈路，利用計算結果更新DOWN-LINK圖路由表；
[0024]2.1.4，所有至子節(jié)點的路由都應利用DLA報文將信息傳輸至DOWN-LINK圖的父節(jié)點，每當子節(jié)點路由信息改變時，則會觸發(fā)DLA報文，向上進行路由更新；
[0025]，2.2.UP-LINK 圖建立
[0026]2.2.1.建立UP-LINK圖即建立上行鏈路的過程，緊隨在建立D0WN-LINK過程之后；在步驟2.1.3后，收到DLA數(shù)據(jù)報文的節(jié)點回復給產(chǎn)生該DLA報文的源節(jié)點一個ULA。收到ULA報文的節(jié)點經(jīng)過路由度量函數(shù)的計算，選擇最優(yōu)上行鏈路，并更新UP-LINK圖路由表；
[0027]2.2.2.只有建立了 UP-LINK圖，擁有了到根節(jié)點路由的節(jié)點才能發(fā)送ROI報文；
[0028]2.3.建立 P2P 圖
[0029]2.3.1.P2P圖是指兩個非根節(jié)點之間的路由圖；首先以數(shù)據(jù)包源節(jié)點為起始，單播一個的ROS報文，該報文沿UP-LINK圖傳輸，目的地址字段填寫數(shù)據(jù)包目的節(jié)點所對應的地址；
[0030]2.3.2.數(shù)據(jù)包向上傳輸，直至某一父節(jié)點擁有至目的節(jié)點的下行路由；
[0031]2.3.3.該父節(jié)點生成對應P2P圖的圖1D，并產(chǎn)生ROI報文，組播給P2P圖中所有節(jié)點，隨后，源節(jié)點和目的節(jié)點之間的數(shù)據(jù)包遵循該P2P圖進行路由。
[0032]所述步驟2.1.3中如果存在次優(yōu)節(jié)點，則次優(yōu)節(jié)點作為備選節(jié)點；如果某節(jié)點長時間未收到ROI數(shù)據(jù)報文，則其主動發(fā)送ROS數(shù)據(jù)報文，收到ROS數(shù)據(jù)報文的節(jié)點應立即回應ROI數(shù)據(jù)報文；.[0033]所述步驟2.2.1中如果存在次優(yōu)節(jié)點，則次優(yōu)節(jié)點作為備選父節(jié)點。
[0034]所述非對稱鏈路下無線傳感器網(wǎng)絡分布式圖路由協(xié)議的運行機制，具體采用三次“握手”機制:
[0035]I)第一次“握手”過程是已建立路由的節(jié)點廣播ROI信息，收到ROI信息的節(jié)點以此獲取網(wǎng)絡的路由度量函數(shù)，節(jié)點等級等信息；
[0036]2)第二次“握手”過程是收到ROI信息的節(jié)點，回復DLA報文，收到DLA報文的節(jié)點可以度量下行鏈路路由，并以此建立DOWN-LINK圖；
[0037]3)第三次“握手”過程是收到DLA報文的節(jié)點，回復ULA報文，收到ULA報文的節(jié)點可以度量上行鏈路路由，并以此建立UP-LINK圖。
[0038]所述非對稱鏈路下無線傳感器網(wǎng)絡分布式圖路由協(xié)議的運行過程，包括:
[0039]I) ROS報文的主動路由請求功能用于節(jié)點長時間無可用路由，且未收到ROI報文的情況，此時節(jié)點主動廣播ROS報文，該ROS報文的跳數(shù)限制為I跳，收到ROS報文的節(jié)點必須及時回復ROI報文；R0S報文的P2P圖建立請求功能用于非根節(jié)點之間通信的情況，源節(jié)點單播ROS報文，請求父節(jié)點分配該節(jié)點至目的節(jié)點的P2P圖；
[0040]2)R0I報文的廣播網(wǎng)絡路由信息功能用于按定時器設定或由ROS報文觸發(fā)廣播網(wǎng)絡路由信息，如路由度量函數(shù)、等級等。ROI報文的P2P圖分配功能用于非根節(jié)點之間通信的情況，父節(jié)點收到源節(jié)點的P2P通信請求，生成P2P圖后，將路由信息分配給相關節(jié)點；[0041]3) DLA報文的度量下行鏈路路由功能用于在非對稱鏈路的條件下生成DOWN-LINK圖。收到DLA報文的節(jié)點，可以確定其至DLA報文的源節(jié)點下行鏈路可達；
[0042]4)ULA報文的度量上行鏈路路由功能用于在非對稱鏈路的條件下生成UP-LINK圖。收到ULA報文的節(jié)點，可以確定其至ULA報文的源節(jié)點上行鏈路可達。
[0043]本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明所適用的無線傳感器網(wǎng)絡中，包含匯聚節(jié)點和各種類型的傳感器節(jié)點，其中節(jié)點之間可能存在非對稱鏈路；該發(fā)明解決無線傳感器網(wǎng)絡在非對稱鏈路環(huán)境下建立路由時的路由不對稱問題，同時，在缺少中心管理服務器的情況下，利用分布式路由計算方法，解決集中式圖路由的硬件瓶頸問題。該發(fā)明提出的分布式圖路由協(xié)議能夠有效減少傳統(tǒng)圖路由的管理控制開銷，增強網(wǎng)絡的健壯性，整體優(yōu)化了無線傳感器網(wǎng)絡路由性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0044]圖1為無線傳感器網(wǎng)絡結構；
[0045]圖2為圖路由示例；
[0046]圖3為路由對象請求報文ROS的格式；
[0047]圖4為路由對象指示報文ROI的格式；
[0048]圖5為下行鏈路確認報文DLA的格式；
[0049]圖6為上行鏈路確認報文ULA的格式；
[0050]圖7為本發(fā)明應用場景示意圖；
[0051]圖8為應用場景DOWN-LINK圖；
[0052]圖9為應用場景UP-LINK圖；
[0053]圖10為應用場景P2P圖。
【具體實施方式】
[0054]本發(fā)明提出一種非對稱鏈路下無線傳感器網(wǎng)絡分布式圖路由協(xié)議建立方法，包括:針對非對稱鏈路的特殊性，重新定義四種路由交互報文，采用多次“握手”的方式，對上行和下行鏈路區(qū)分度量，最終建立DOWN-LINK、UP-LINK、P2P三種模式的路由圖；針對無中心管理服務器的條件，所有路由交互過程均采用分布式處理，無需借助服務器計算路由結果；下面現(xiàn)結合附圖對本發(fā)明詳細說明如下:
[0055]圖3表示的是路由對象請求報文的格式:類型:000,表示ROS (Route ObjectSolicitation, ROS)報文；優(yōu)先級:表示數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級別，數(shù)值越大優(yōu)先級越高；地址壓縮控制:根據(jù)IEEE802.15.4標準，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的地址通常分為長地址64bit和短地址16bit，字段00表示源節(jié)點和目的地址字段省略，即如果源節(jié)點和目的節(jié)點只有一跳，則地址信息已經(jīng)包含在IEEE802.15.4的MAC頭部中；字段01表示源地址和目的地址均采用16bit ;字段10表示源地址和目的地址均采用64bit ;字段11表示保留；源地址:產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的源節(jié)點地址；目的地址:產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點地址；序列號:用于標識數(shù)據(jù)包，每產(chǎn)生一個新數(shù)據(jù)包序列號加I ;跳數(shù)限制:數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)的最大次數(shù)，超過該最大轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的數(shù)據(jù)包應該被丟棄；圖1D:用以進行路由的圖標識，其中，圖1D=O表示等待分配有效圖。[0056]圖4表示的是.路由對象指示報文的格式:類型:001，表示ROI (Route ObjectIndication, R0I)報文。優(yōu)先級:表示數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級別,數(shù)值越大優(yōu)先級越高。地址壓縮控制:根據(jù)IEEE802.15.4標準，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的地址通常分為長地址64bit和短地址16bit。該字段00表示源節(jié)點和目的地址字段省略(如果源節(jié)點和目的節(jié)點只有一跳，則地址信息已經(jīng)包含在IEEE802.15.4的MAC頭部中)；01表示源地址和目的地址均采用16bit ; 10表示源地址和目的地址均采用64bit ；11保留。源地址:產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的源節(jié)點地址。目的地址:產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點地址。序列號:用于標識數(shù)據(jù)包，每產(chǎn)生一個新數(shù)據(jù)包序列號加I。度量函數(shù):定義路由度量和選路方法，例如度量函數(shù)字段為O時表示以最小跳數(shù)計算路由。等級:度量函數(shù)計算出的結果，用來避免路由環(huán)路問題，數(shù)值越小表示等級越高。跳數(shù)限制:數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)的最大次數(shù)，超過該最大轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的數(shù)據(jù)包應該被丟棄。路由圖1D:該ROI報文進行路由的圖標識。分配圖1D:給節(jié)點分配的路由圖1D。
[0057]圖5表示的是下行鏈路確認報文報文的格式。類型:010，表示DLA (DOWN-LINKAcknowledgement, DLA)報文。優(yōu)先級:表示數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級別，數(shù)值越大優(yōu)先級越高。地址壓縮控制:根據(jù)IEEE802.15.4標準，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的地址通常分為長地址64bit和短地址16bit。該字段00表示源節(jié)點和目的地址字段省略(如果源節(jié)點和目的節(jié)點只有一跳，則地址信息已經(jīng)包含在IEEE802.15.4的MAC頭部中)；01表示源地址和目的地址均采用16bit ；10表示源地址和目的地址均采用64bit ; 11保留。源地址:產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的源節(jié)點地址。目的地址:產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點地址。序列號:用于標識數(shù)據(jù)包，每產(chǎn)生一個新數(shù)據(jù)包序列號加I。跳數(shù)限制:數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)的最大次數(shù)，超過該最大轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的數(shù)據(jù)包應該被丟棄。UP-LINK圖1D:該DLA數(shù)據(jù)包上行的路由圖。子節(jié)點數(shù)量:該節(jié)點擁有子節(jié)點的數(shù)目，包含自身。子節(jié)點地址:子節(jié)點的地址，16bit/64bit。DOWN-LINK圖1D:對應每一個子節(jié)點的下行路由圖標識。路由度量值:進行路由計算時的度量。
[0058]圖6表示的是上行鏈路確認報文(UP-LINK Acknowledgement, ULA)。類型:011,表示ULA報文。優(yōu)先級:表示數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級別,數(shù)值越大優(yōu)先級越高。地址壓縮控制:根據(jù)IEEE802.15.4標準，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的地址通常分為長地址64bit和短地址16bit。該字段00表示源節(jié)點和目的地址字段省略(如果源節(jié)點和目的節(jié)點只有一跳，則地址信息已經(jīng)包含在IEEE802.15.4的MAC頭部中);01表示源地址和目的地址均采用16bit ；10表示源地址和目的地址均采用64bit;ll保留。源地址:產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的源節(jié)點地址。目的地址:產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點地址。序列號:用于標識數(shù)據(jù)包，每產(chǎn)生一個新數(shù)據(jù)包序列號加I。跳數(shù)限制:數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)的最大次數(shù)，超過該最大轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的數(shù)據(jù)包應該被丟棄。路由度量值:進行路由計算時的度量。
[0059]圖7為本發(fā)明應用場景示意圖。該示意圖中，sink節(jié)點為匯聚節(jié)點，A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，I，J，K為傳感器節(jié)點。箭頭表示節(jié)點之間的通信鏈路情況，例如A — B表示A可以發(fā)送數(shù)據(jù)包給節(jié)點B,但節(jié)點B發(fā)送的數(shù)據(jù)包，A無法直接接收到。同理，A ^^ B表示節(jié)點A與節(jié)點B之間能夠直接互相通信。
[0060]本發(fā)明具體的實施步驟將分別以D0WN-LINK圖、UP-LINK圖、P2P圖來說明:
[0061]1.DOffN-LINK路由具體實施步驟
[0062]以sink節(jié)點為根·節(jié)點，其最先開始廣播ROI報文。此時，因為其他節(jié)點還無法建立到根節(jié)點的路由，因此其他節(jié)點均保持沉默。[0063]根節(jié)點的ROI數(shù)據(jù)報文的格式如下，類型:001。優(yōu)先級:默認010。地址壓縮控制:01，假設源地址和目的地址均采用16bit。源地址:sink節(jié)點地址。目的地址:0xFFFF，廣播地址。序列號:00000001。度量函數(shù):0，假設度量函數(shù)字段為O時表示以最小跳數(shù)計算路由。等級:0，對應至sink節(jié)點的最小跳數(shù)為0，表示等級最高。跳數(shù)限制:0001，ROI廣播時有效范圍只有一跳。路由圖1D:0，無效路由，表示廣播時不需要路由。分配圖1D =0x0001,代表UP-LINK圖1D，默認為I。
[0064]節(jié)點A、B、C在根節(jié)點的通信范圍內(nèi)，因此能收到該ROI數(shù)據(jù)報文。以節(jié)點A為例，在收到該報文后，A回復根節(jié)點DLA報文，該報文的格式為如下，類型:010，表示DLA報文。優(yōu)先級:010。地址壓縮控制:01。源地址:A的地址。目的地址:sink節(jié)點的地址。序列號:00000001。跳數(shù)限制:默認1111。UP-LINK圖1D:0x0001，上行鏈路圖默認為I。子節(jié)點數(shù)量:00000001，此時該節(jié)點只包含自身，并無其他子節(jié)點。子節(jié)點地址:節(jié)點A地址。DOffN-LINK 圖1D:0x0002。路由值度量:00000001，跳數(shù)為 I 跳。 [0065]Sink節(jié)點收到DLA報文后，更新DOWN-LINK圖路由表。其他節(jié)點建立DOWN-LINK圖的方式類似。當網(wǎng)絡路由穩(wěn)定后，DOWN-LINK圖建立，如圖8所示為根節(jié)點至節(jié)點G的下行圖，對應的圖路由表1所示(假設該下行圖1D為0x0006)。
[0066]假如DOWN-LINK圖的路由信息發(fā)生了變化，以H為例，如果有新節(jié)點M加入網(wǎng)絡，并以H節(jié)點為DOWN-LINK圖的上一跳。節(jié)點H應產(chǎn)生DLA報文發(fā)送給節(jié)點D，該DLA報文包含新的子節(jié)點路由信息，具體格式如下，類型:010，表示DLA報文。優(yōu)先級:010。地址壓縮控制:01。源地址:節(jié)點H的地址。目的地址:sink節(jié)點的地址。序列號:00000010。跳數(shù)限制:默認1111。UP-LINK圖1D =OxOOOl，上行鏈路圖默認為I。子節(jié)點數(shù)量:00000010，包括節(jié)點自身和節(jié)點M。子節(jié)點地址:節(jié)點A地址，節(jié)點M地址。圖1D:0x0002，0x0003。路由值度量:00000000，00000001，表示節(jié)點H距自己O跳，距節(jié)點Ml跳。節(jié)點收到該DLA報文后更新DOWN-LINK圖，并沿UP-LINK圖向上轉(zhuǎn)發(fā)該DLA報文。
[0067]在路由更新的過程中，若發(fā)送ROI報文的節(jié)點等級大于收到該ROI報文的節(jié)點等級，則應丟棄該ROI報文，防止產(chǎn)生路由環(huán)路。
[0068]2.UP-LINK路由具體實施步驟
[0069]以根節(jié)點與節(jié)點A的上行路由建立過程為例，節(jié)點A收到根節(jié)點的ROI信息后，會回復根節(jié)點DLA報文，節(jié)點A收到DLA報文后，會回復A節(jié)點ULA報文，該報文的格式如下，類型:011，表示ULA報文。優(yōu)先級:010。地址壓縮控制:01。源地址:接收DLA報文的地址，即sink節(jié)點的地址。目的地址:發(fā)送DLA報文的地址，即A的地址。序列號:00000001。跳數(shù)限制=Illlo路由度量值:0，sink節(jié)點距自己為O跳。
[0070]節(jié)點A收到ULA報文后，會根據(jù)最小跳數(shù)原則選擇最優(yōu)父節(jié)點(如果存在次優(yōu)節(jié)點，次優(yōu)節(jié)點作為備選節(jié)點)，并更新圖路由表。最終，當網(wǎng)絡穩(wěn)定后，整個網(wǎng)絡的UP-LINK路由如圖9所示，圖路由表如表1所示。
[0071]表1UP-LINK圖路由表
[0072]
Ww j鄰居地址
AISink
【權利要求】
1.一種非對稱鏈路下無線傳感器網(wǎng)絡分布式圖路由協(xié)議建立方法，包括: 1)針對非對稱鏈路的特殊性，重新定義四種路由交互報文，采用多次“握手”的方式，對上行UP-LINK鏈路和下行鏈路DOWN-LINK區(qū)分度量，最終建立DOWN-LINK、UP-LINK、點對點P2P三種模式的路由圖； 2)針對無中心管理服務器的條件，所有路由交互過程均采用分布式處理，無需借助服務器計算路由結果；其特征在于，具體方案如下: (1)定義路由交互報文格式 1.1.路由對象請求報文的格式,000類型的表示ROS報文；R0S報文用于主動路由請求和P2P圖建立請求過程；該報文包括以下字段:類型、優(yōu)先級、地址壓縮控制、地址信息、序列號、跳數(shù)限制和圖1D； 1.2.路由對象指示報文的格式:001類型的表示ROI報文，用于廣播網(wǎng)絡路由信息和P2P圖分配過程；該報文包括以下字段:類型、優(yōu)先級、地址壓縮控制、地址信息、序列號、度量函數(shù)、等級、跳數(shù)限制、路由圖1D和分配圖1D ； 1.3.下行鏈路確認報文的格式，010類型的表示DLA報文；用于度量下行鏈路路由，該報文包括以下字段:類型、優(yōu)先級、地址壓縮控制、地址信息、序列號、跳數(shù)限制、UP-LINK圖1D、子節(jié)點數(shù)量、子節(jié)點地址、DOffN-LINK圖1D和路由度量值；即該DLA報文包括子節(jié)點的地址信息、路由圖信息以及路由度量信息。 1.4.上行鏈路確認報文，011類型的表示ULA報文；用于度量上行鏈路路由，該報文包括以下字段:類型、優(yōu)先級、地址壓縮控制、地址信息、序列號、跳數(shù)限制和路由度量值； (2)建立DOWN-LINK、UP-LINK、P2P三種模式的路由圖
`2.1.DOffN-LINK 圖建立 `2.1.1.網(wǎng)絡初始化階段，所有節(jié)點重新開啟電源，此時所有節(jié)點均未建立路由； ` 2.1.2.以根節(jié)點開始，廣播ROI報文，ROI報文包括源節(jié)點地址、路由度量函數(shù)、圖1D和等級信息；該廣播ROI報文的有效范圍為一跳，即收到ROI報文的節(jié)點在處理該報文后應立即將其丟棄； ` 2.1.3.收到該ROI信息的節(jié)點，解析路由頭部字段，并根據(jù)其中的信息組裝DLA數(shù)據(jù)包，隨后單播回復ROI報文源節(jié)點；R0I報文的源節(jié)點收到DLA后，根據(jù)路由度量函數(shù)和路由度量值計算最優(yōu)下行鏈路，利用計算結果更新DOWN-LINK圖路由表； ` 2.1.4.所有至子節(jié)點的路由都應利用DLA報文將信息傳輸至DOWN-LINK圖的父節(jié)點，每當子節(jié)點路由信息改變時，則會觸發(fā)DLA報文，向上進行路由更新； ` 2.2.UP-LINK 圖建立 `2.2.1.建立UP-LINK圖即建立上行鏈路的過程，緊隨在建立DOWN-LINK過程之后；在步驟2.1.3后，收到DLA數(shù)據(jù)報文的節(jié)點回復給產(chǎn)生該DLA報文的源節(jié)點一個ULA。收到ULA報文的節(jié)點經(jīng)過路由度量函數(shù)的計算，選擇最優(yōu)上行鏈路，并更新UP-LINK圖路由表；`2.2.2.只有建立了 UP-LINK圖，擁有了到根節(jié)點路由的節(jié)點才能發(fā)送ROI報文； ` 2.3.建立P2P圖 `2.3.1.P2P圖是指兩個非根節(jié)點之間的路由圖；首先以數(shù)據(jù)包源節(jié)點為起始，單播一個的ROS報文，該報文沿UP-LINK圖傳輸，目的地址字段填寫數(shù)據(jù)包目的節(jié)點所對應的地址；. 2.3.2.數(shù)據(jù)包向上傳輸，直至某一父節(jié)點擁有至目的節(jié)點的下行路由； .2.3.3.該父節(jié)點生成對應P2P圖的圖1D，并產(chǎn)生ROI報文，組播給P2P圖中所有節(jié)點，隨后，產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的源節(jié)點和數(shù)據(jù)包需要到達的目的節(jié)點之間的數(shù)據(jù)包遵循該P2P圖進行路由。
2.根據(jù)權利要求1所述非對稱鏈路下無線傳感器網(wǎng)絡分布式圖路由協(xié)議建立方法，其特征在于，所述步驟2.1.3中如果存在次優(yōu)節(jié)點，則次優(yōu)節(jié)點作為備選節(jié)點；如果某節(jié)點長時間未收到ROI數(shù)據(jù)報文，則其主動發(fā)送ROS數(shù)據(jù)報文，收到ROS數(shù)據(jù)報文的節(jié)點應立即回應ROI數(shù)據(jù)報文。
3.根據(jù)權利要求1所述非對稱鏈路下無線傳感器網(wǎng)絡分布式圖路由協(xié)議建立方法，其特征在于，所述步驟2.2.1中如果存在次優(yōu)節(jié)點，則次優(yōu)節(jié)點作為備選父節(jié)點。
4.根據(jù)權利要求1所述非對稱鏈路下無線傳感器網(wǎng)絡分布式圖路由協(xié)議建立方法，其特征在于，非對稱鏈路下無線傳感器網(wǎng)絡分布式圖路由協(xié)議的運行機制，具體采用三次“握手”機制: . 1)第一次“握手”過程是已建立路由的節(jié)點廣播ROI信息，收到ROI信息的節(jié)點以此獲取網(wǎng)絡的路由度量函數(shù)，節(jié)點等級等信息； . 2)第二次“握手”過程是收到ROI信息的節(jié)點，回復DLA報文，收到DLA報文的節(jié)點可以度量下行鏈路路由，并以此建立DOWN-LINK圖； . 3)第三次“握手”過程是收到DLA報文的節(jié)點，回復ULA報文，收到ULA報文的節(jié)點可以度量上行鏈路路由， 并 以此建立UP-LINK圖。
5.根據(jù)權利要求1所述非對稱鏈路下無線傳感器網(wǎng)絡分布式圖路由協(xié)議建立方法，其特征在于，非對稱鏈路下無線傳感器網(wǎng)絡分布式圖路由協(xié)議的運行過程，包括: .1)ROS報文的主動路由請求功能用于節(jié)點長時間無可用路由，且未收到ROI報文的情況，此時節(jié)點主動廣播ROS報文，該ROS報文的跳數(shù)限制為I跳，收到ROS報文的節(jié)點必須及時回復ROI報文；R0S報文的P2P圖建立請求功能用于非根節(jié)點之間通信的情況，源節(jié)點單播ROS報文，請求父節(jié)點分配該節(jié)點至目的節(jié)點的P2P圖； . 2)R0I報文的廣播網(wǎng)絡路由信息功能用于按定時器設定或由ROS報文觸發(fā)廣播網(wǎng)絡路由信息，如路由度量函數(shù)、等級等。ROI報文的P2P圖分配功能用于非根節(jié)點之間通信的情況，父節(jié)點收到源節(jié)點的P2P通信請求，生成P2P圖后，將路由信息分配給相關節(jié)點； . 3)DLA報文的度量下行鏈路路由功能用于在非對稱鏈路的條件下生成DOWN-LINK圖。收到DLA報文的節(jié)點，可以確定其至DLA報文的源節(jié)點下行鏈路可達； 4)ULA報文的度量上行鏈路路由功能用于在非對稱鏈路的條件下生成UP-LINK圖。收到ULA報文的節(jié)點，可以確定其至ULA報文的源節(jié)點上行鏈路可達。
【文檔編號】H04W40/02GK103686917SQ201310615653
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月26日 優(yōu)先權日:2013年11月26日
【發(fā)明者】王洪超, 楊冬, 段俊奇, 高德云, 張宏科 申請人:北京交通大學