一種利用節(jié)點信息傳輸能力進行流量分配的路由方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種利用節(jié)點信息傳輸能力進行流量分配的路由方法，涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】，利用被廣泛采用的節(jié)點能耗模型，將節(jié)點的剩余能量值轉(zhuǎn)換成最大數(shù)據(jù)傳輸能力，用C來表示，并在數(shù)據(jù)包中將C的值傳遞給下一跳節(jié)點，源節(jié)點依據(jù)相鄰節(jié)點的傳輸能力以及其所在路徑的最大傳輸能力進行路由決策，保證源節(jié)點到目的節(jié)點多條路徑的傳輸能力盡可能的接近，避免某條路徑因承擔過多的負載使路徑上的節(jié)點過早死亡，以延長網(wǎng)絡(luò)壽命，提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。
【專利說明】一種利用節(jié)點信息傳輸能力進行流量分配的路由方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種利用節(jié)點信息傳輸能力進行 流量分配的路由方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量具有感知、通信和計算能力的微小傳感器節(jié)點，以無線 的方式連接構(gòu)成的自治測控網(wǎng)絡(luò)。一種普遍被接受的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義為：大規(guī)模、無 線、自組織、多跳、無分區(qū)、無基礎(chǔ)設(shè)施支持的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點往往具有相同的結(jié)構(gòu)，價格低廉，體 積小，可以通過飛機散布等方式拋撒到需要測控的區(qū)域，節(jié)點通過自組織快速形成一個無 線網(wǎng)絡(luò)。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息 處理技術(shù)等，能夠?qū)崟r監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方 式被發(fā)送，并以自組織多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶端。
[0003] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點常常采用電池等形式供電，且在網(wǎng)絡(luò)的整個工作過程中 無法更換新的電池，能量有限，因此延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間成為傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè) 計的重要目標。能量感知多路徑路由協(xié)議是延長網(wǎng)絡(luò)壽命的一種非常重要的節(jié)能技術(shù)，節(jié) 點在進行路由選擇時不僅要選擇能量消耗小的數(shù)據(jù)傳輸路徑，而且要從整個網(wǎng)絡(luò)的角度考 慮，選擇使整個網(wǎng)絡(luò)能量均衡消耗的路由。
[0004] 傳感器節(jié)點通常由處理模塊、通信模塊、感知模塊、能量供應(yīng)模塊組成。在整個節(jié) 點的能耗里，通信模塊的能量消耗占了絕大部分，在研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，往往只需 考慮通信模塊的能量消耗對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點壽命的影響。
[0005] 使用中繼節(jié)點能量消耗總和作為度量的路由協(xié)議能夠在源節(jié)點和目的節(jié)點之間 建立一條能量消耗最小的路徑，但是該方法將使得網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點的負擔過重，造成節(jié)點 過早死亡的問題。采用能量感知路由協(xié)議能較好的解決網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點死亡過早的問題。 對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，這樣的集中式方式可以達到全網(wǎng)能量均衡的目的，但是隨著網(wǎng) 絡(luò)規(guī)模的增大，集中式方式會帶來較大的控制開銷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種利用節(jié)點信息傳輸 能力進行流量分配的路由方法，源節(jié)點將數(shù)據(jù)流量分配到不同路徑上，中間節(jié)點i根據(jù)高 層節(jié)點集上報的信息傳輸能力進行流量分配，使能量較多的節(jié)點承載的傳輸負擔較多，能 量少的節(jié)點承擔的負載較少，從而達到均衡網(wǎng)絡(luò)負載，延長網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0008] 本發(fā)明提出一種利用節(jié)點信息傳輸能力進行流量分配的路由方法，具體包括以下 步驟：
[0009] 步驟A:源節(jié)點向目的節(jié)點廣播包括路由請求RREQ的數(shù)據(jù)巾貞，與源節(jié)點相鄰的中 繼節(jié)點在收到數(shù)據(jù)幀后，將自身的剩余能量信息更新至數(shù)據(jù)幀中，并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀給該中繼 節(jié)點的高層中繼節(jié)點，所述高層中繼節(jié)點為與該中繼節(jié)點相鄰、相對于該中繼節(jié)點距源節(jié) 點更遠而距目的節(jié)點更近的中繼節(jié)點，該中繼節(jié)點相對于該高層中繼節(jié)點為低層中繼節(jié) 占.
[0010] 步驟B:高層中繼節(jié)點根據(jù)收到的低層中繼節(jié)點的能量信息和低層中繼節(jié)點的位 置計算該低層中繼節(jié)點到自身的最大信息傳輸能力并存儲，然后將自身的剩余能量信息更 新至數(shù)據(jù)幀中，并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀給其自身的高層中繼節(jié)點；
[0011] 步驟C:重復(fù)步驟B，直到目的節(jié)點收到了來自源節(jié)點的路由請求RREQ;
[0012] 步驟D:目的節(jié)點通過廣播的方式給源節(jié)點回復(fù)包括ACK信息的數(shù)據(jù)巾貞，與目的節(jié) 點相鄰的高層中繼節(jié)點在收到數(shù)據(jù)幀后，在該數(shù)據(jù)幀中添加自身的信息傳輸能力，并根據(jù) 其低層中繼節(jié)點廣播的節(jié)點能量信息計算出低層中繼節(jié)點到該節(jié)點的點對點信息傳輸能 力之和Q，添加至數(shù)據(jù)幀中并轉(zhuǎn)發(fā)給其自身的低層中繼節(jié)點；
[0013] 步驟E:重復(fù)步驟D，直到源節(jié)點收到了來自目的節(jié)點的ACK信息；
[0014] 步驟F:源節(jié)點與目的節(jié)點建立傳輸路徑，源節(jié)點根據(jù)其相鄰的中繼節(jié)點上報的 信息傳輸能力進行數(shù)據(jù)流量分配。
[0015] 進一步的，本發(fā)明的一種利用節(jié)點信息傳輸能力進行流量分配的路由方法，所述 的信息傳輸能力是網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點獲知相鄰節(jié)點的能量信息并根據(jù)節(jié)點能耗模型計算 而來。
[0016] 進一步的，本發(fā)明的一種利用節(jié)點信息傳輸能力進行流量分配的路由方法，所述 的信息傳輸能力以bit為單位計量。
[0017] 進一步的，本發(fā)明的一種利用節(jié)點信息傳輸能力進行流量分配的路由方法，當前 節(jié)點利用相對于自身的高層節(jié)點集{1，2,……，N}各自上報的信息傳輸能力來計算高層節(jié) 點集中各個節(jié)點被選中作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的概率{Pl，P2,……，PN}。
[0018] 進一步的，本發(fā)明的一種利用節(jié)點信息傳輸能力進行流量分配的路由方法，當前 節(jié)點對外廣播的自身傳輸能力Ci是根據(jù)自身能量信息和自己相鄰的高層節(jié)點集的傳輸能 力共同決定。
[0019] 進一步的，本發(fā)明的一種利用節(jié)點信息傳輸能力進行流量分配的路由方法，步驟F 中，源節(jié)點根據(jù)其相鄰的中繼節(jié)點上報的信息傳輸能力進行數(shù)據(jù)流量分配，是按該相鄰中 繼節(jié)點的信息傳輸能力與源節(jié)點的所有相鄰中繼節(jié)點信息傳輸能力之和的比值進行分配。
[0020] 本發(fā)明利用廣泛使用的節(jié)點能耗模型，采用負責機制，將節(jié)點剩余能量轉(zhuǎn)換成以 bit為單位計量的信息傳輸能力，使當前節(jié)點只需維護相鄰節(jié)點的節(jié)點信息，即可了解該節(jié) 點的最大信息傳輸能力，從而對數(shù)據(jù)流量進行合理分配，減少能量小的節(jié)點的負載，使局部 流量分配最優(yōu)，達到全網(wǎng)能量均衡的目的。
[0021] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案與現(xiàn)存的能量感知和能量多路徑協(xié)議相比，具有如下優(yōu) 占.
[0022] (1)源節(jié)點根據(jù)相鄰節(jié)點的傳輸能力進行合理的流量分配，可以均衡網(wǎng)絡(luò)負載，避 免網(wǎng)絡(luò)擁塞和節(jié)點過早死亡。
[0023] (2)中繼節(jié)點只需要知道少量相鄰節(jié)點的信息就可以做出合理的流量分配決策， 減少了節(jié)點用于維護和控制的開銷。
[0024] (3)該方法對變化的網(wǎng)絡(luò)拓撲具有良好的適應(yīng)性，當有新節(jié)點加入或舊節(jié)點退出 時，利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信的廣播性可以快速獲知相鄰節(jié)點的信息并加入網(wǎng)絡(luò)，而不會帶來網(wǎng) 絡(luò)中過多的信息維護開銷。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖2是本發(fā)明中源節(jié)點S到目的節(jié)點D路由建立和流量分配的流程圖。

【具體實施方式】
[0027] 為使本發(fā)明的一種利用節(jié)點信息傳輸能力進行流量分配的路由方法要解決的技 術(shù)問題、技術(shù)方案和技術(shù)效果更加清楚，下面將結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一 步詳細說明。
[0028] 圖1是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖，圖中有虛線連接的兩個點表示這兩 點之間可以收到彼此廣播的數(shù)據(jù)包，為了方便敘述，這里將I、J、K稱為第一層節(jié)點，F(xiàn)、E、G、 H、L稱為第二層節(jié)點，A、B、C稱為第三層節(jié)點。
[0029] 高層節(jié)點和低層節(jié)點的定義：就網(wǎng)絡(luò)中的某個節(jié)點而言，比該節(jié)點更靠近源節(jié)點 S并且更遠離目的節(jié)點D的節(jié)點稱為該節(jié)點的低層節(jié)點，比該節(jié)點距源節(jié)點S更遠而距目的 節(jié)點D更近的節(jié)點稱為該節(jié)點的高層節(jié)點。對于節(jié)點集{F、E、G、H、L}來說，{I、J、K}是低 層節(jié)點，{A、B、C}是高層節(jié)點；對于節(jié)點集{A、B、C}來說，{F、E、G、H、L}是低層節(jié)點；對于 節(jié)點集{I、J、K}來說，{F、E、G、H、L}是高層節(jié)點，以此類推。
[0030] 結(jié)合圖1，本發(fā)明中利用節(jié)點信息傳輸能力進行流量分配的的路由方法如圖2所 示，具體包含以下步驟：
[0031] 第一步，源節(jié)點S發(fā)起路由請求，在S-D這個過程中，節(jié)點在收到的數(shù)據(jù)巾貞中添 加自身的剩余能量信息并向自己的高層節(jié)點廣播，節(jié)點根據(jù)自身剩余能量和到相鄰高層節(jié) 點的距離計算出自己到各個高層節(jié)點的最大信息傳輸能力，并存儲；而收到來自低層節(jié)點 廣播的當前節(jié)點按照此方法繼續(xù)廣播，從而使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點都獲知相鄰節(jié)點的能量信息， 并計算出對應(yīng)的以bit為單位計量的信息傳輸能力。
[0032] 第二步，目的節(jié)點D回復(fù)ACK信息，在D-S這個過程中，D的相鄰節(jié)點B(即第三 層節(jié)點），根據(jù)自身到D節(jié)點的距離計算自己到D節(jié)點的信息傳輸能力，并在數(shù)據(jù)幀中添加 自己的信息傳輸能力CB，B節(jié)點再根據(jù)收到的來自各個第二層節(jié)點的能量計算各個第二層 節(jié)點到B節(jié)點的傳輸能力，并相加，記為QB，QB = ，其中分別表示E、G、 H節(jié)點到B節(jié)點的點到點信息傳輸能力，將QB的值添加到數(shù)據(jù)幀中并廣播給第二層節(jié)點；同 理C節(jié)點也做相同的處理，在幀中添加C節(jié)點的信息傳輸能力Cc和各個第二層節(jié)點到C節(jié) 點的傳輸能力之和Q。，Q。=CHe+(^，C節(jié)點廣播帶有自己信息的數(shù)據(jù)幀。
[0033] 第三步，以H節(jié)點為例，H節(jié)點收到來自B節(jié)點和C節(jié)點的廣播信息。通過處 理C節(jié)點的廣播信息，得到C節(jié)點的傳輸能力Q和所有第二層節(jié)點到C節(jié)點的傳輸能力 之和Q。，H節(jié)點根據(jù)自身剩余能量和到C節(jié)點的距離計算自己到C節(jié)點的點到點信息傳 輸能力CTC。C節(jié)點在對外廣播的信息中宣布自己的最大信息傳輸能力為C。，則H節(jié)點根 據(jù)CH。、Q。和C。的值，計算C節(jié)點的傳輸能力C。中留給傳輸來自H節(jié)點的信息流量的值：

【權(quán)利要求】
1. 一種利用節(jié)點信息傳輸能力進行流量分配的路由方法，其特征在于：具體包括以下 步驟： 步驟A :源節(jié)點向目的節(jié)點廣播包括路由請求RREQ的數(shù)據(jù)巾貞，與源節(jié)點相鄰的中繼節(jié) 點在收到數(shù)據(jù)幀后，將自身的剩余能量信息更新至數(shù)據(jù)幀中，并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀給該中繼節(jié)點 的高層中繼節(jié)點，所述高層中繼節(jié)點為與該中繼節(jié)點相鄰、相對于該中繼節(jié)點距源節(jié)點更 遠而距目的節(jié)點更近的中繼節(jié)點，該中繼節(jié)點相對于該高層中繼節(jié)點為低層中繼節(jié)點； 步驟B :高層中繼節(jié)點根據(jù)收到的低層中繼節(jié)點的能量信息和低層中繼節(jié)點的位置計 算該低層中繼節(jié)點到自身的最大信息傳輸能力并存儲，然后將自身的剩余能量信息更新至 數(shù)據(jù)幀中，并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀給其自身的高層中繼節(jié)點； 步驟C :重復(fù)步驟B，直到目的節(jié)點收到了來自源節(jié)點的路由請求RREQ ; 步驟D :目的節(jié)點通過廣播的方式給源節(jié)點回復(fù)包括ACK信息的數(shù)據(jù)巾貞，與目的節(jié)點相 鄰的高層中繼節(jié)點在收到數(shù)據(jù)幀后，在該數(shù)據(jù)幀中添加自身的信息傳輸能力，并根據(jù)其低 層中繼節(jié)點廣播的節(jié)點能量信息計算出低層中繼節(jié)點到該節(jié)點的點對點信息傳輸能力之 和Q，添加至數(shù)據(jù)幀中并轉(zhuǎn)發(fā)給其自身的低層中繼節(jié)點； 步驟E :重復(fù)步驟D，直到源節(jié)點收到了來自目的節(jié)點的ACK信息； 步驟F :源節(jié)點與目的節(jié)點建立傳輸路徑，源節(jié)點根據(jù)其相鄰的中繼節(jié)點上報的信息 傳輸能力進行數(shù)據(jù)流量分配。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用節(jié)點信息傳輸能力進行流量分配的路由方法，其特 征在于：所述的信息傳輸能力是網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點獲知相鄰節(jié)點的能量信息并根據(jù)節(jié)點能 耗模型計算而來。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種利用節(jié)點信息傳輸能力進行流量分配的路由方法，其特 征在于：所述的信息傳輸能力以bit為單位計量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用節(jié)點信息傳輸能力進行流量分配的路由方法，其特 征在于：當前節(jié)點利用相對于自身的高層節(jié)點集{1，2,……，N}各自上報的信息傳輸能力 來計算高層節(jié)點集中各個節(jié)點被選中作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的概率{Pl，P2,……，PN}。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用節(jié)點信息傳輸能力進行流量分配的路由方法，其特 征在于：當前節(jié)點對外廣播的自身傳輸能力Ci是根據(jù)自身能量信息和自己相鄰的高層節(jié)點 集的傳輸能力共同決定。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用節(jié)點信息傳輸能力進行流量分配的路由方法，其特 征在于：步驟F中，源節(jié)點根據(jù)其相鄰的中繼節(jié)點上報的信息傳輸能力進行數(shù)據(jù)流量分配， 是按該相鄰中繼節(jié)點的信息傳輸能力與源節(jié)點的所有相鄰中繼節(jié)點信息傳輸能力之和的 比值進行分配。
【文檔編號】H04W40/22GK104320811SQ201410479428
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】劉碩, 張玲華, 張偉 申請人:南京郵電大學(xué)