一種改進的無線傳感器網(wǎng)絡能量多路徑路由方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種改進的無線傳感器網(wǎng)絡能量多路徑路由方法，屬于無線網(wǎng)絡通信【技術領域】。該改進的無線傳感器網(wǎng)絡能量多路徑路由方法的步驟包括：匯聚節(jié)點在查詢消息中添加平均跳數(shù)用以記錄當前節(jié)點到匯聚節(jié)點的平均跳數(shù)，網(wǎng)絡中的所有節(jié)點均需要根據(jù)上一跳節(jié)點，即中間節(jié)點的平均跳數(shù)判斷是否將其作為鄰居節(jié)點加入本地路由表，舍棄跳數(shù)過大的路徑。該改進的無線傳感器網(wǎng)絡能量多路徑路由方法引入平均跳數(shù)這一控制條件，在興趣傳播階段統(tǒng)計每條路徑的平均跳數(shù)，放棄跳數(shù)太大的路徑，從而有效的控制網(wǎng)絡能耗以及網(wǎng)絡延時。
【專利說明】一種改進的無線傳感器網(wǎng)絡能量多路徑路由方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線網(wǎng)絡通信【技術領域】，特別涉及一種改進的無線傳感器網(wǎng)絡能量多 路徑路由方法。
【背景技術】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡是由分布在指定區(qū)域內的大量傳感器節(jié)點以自組織和多跳的方 式構成的無線網(wǎng)絡，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并 發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡區(qū)別于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡主要有以下特點：通信能力有限、電源 能量有限、大規(guī)模網(wǎng)絡、自組織網(wǎng)絡和動態(tài)性網(wǎng)絡?；谏鲜鎏攸c，無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境 監(jiān)測、醫(yī)療護理、軍事領域和搶險救災中都有廣泛的應用。在無線傳感器網(wǎng)絡中，能量受限 一直是一個問題，諸多因素影響了網(wǎng)絡的生命周期。例如，傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點電池的壽命， 網(wǎng)絡能耗均衡問題，傳感器節(jié)點處于接收、傳輸、偵聽和空閑狀態(tài)的時長等。研究無線傳感 器網(wǎng)絡能耗均衡和功率控制對延長傳感器網(wǎng)絡生命周期有著重要的意義。
[0003] 路由協(xié)議作為傳感器網(wǎng)絡最重要的一個部分，負責將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點傳送到匯 聚節(jié)點，在降低網(wǎng)絡能耗和保證數(shù)據(jù)準確傳輸方面起著重要的作用。在無線傳感器網(wǎng)絡中， 節(jié)點能量有限且一般沒有能量補充，因此路由協(xié)議需要高效利用能量，同時傳感器網(wǎng)絡節(jié) 點數(shù)目往往很大，節(jié)點只能獲取局部拓撲結構信息，路由協(xié)議要能在局部網(wǎng)絡信息的基礎 上選擇合適的路徑。傳統(tǒng)網(wǎng)絡的路由機制往往選擇源節(jié)點到目的節(jié)點之間跳數(shù)最少的路徑 傳輸數(shù)據(jù)，但在無線傳感器網(wǎng)絡中，如果頻繁使用同一條路徑傳輸數(shù)據(jù)，就會造成該路徑上 的節(jié)點因能量消耗過快而過早失效，從而使整個網(wǎng)絡分割成互不相連的孤立部分，減少了 整個網(wǎng)絡的生存期。為此，Rahul C. Shah等人提出了一種能量多路徑路由機制。該機制在 源節(jié)點和匯聚節(jié)點之間建立多條路徑，根據(jù)路徑上節(jié)點的通信能量消耗以及節(jié)點的剩余能 量情況，給每條路徑賦予一定的選擇概率，使得數(shù)據(jù)傳輸均衡消耗整個網(wǎng)絡的能量，延長網(wǎng) 絡生命周期。但是該機制沒有考慮到路由跳數(shù)限制，一般來說無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能耗是 不均勻的，在進行一段時間后邊緣節(jié)點的剩余能量往往會高一些，這時可能會出現(xiàn)一條跳 數(shù)很多的路徑，而且這條路徑的能耗也比較多，但能量多路徑路由機制會因為剩余能量的 原因選擇這條路徑，從而增加了通信能耗和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)延時。
【發(fā)明內容】
[0004] 為解決上述技術問題，本發(fā)明的目的在于提供一種改進的無線傳感器網(wǎng)絡能量多 路徑路由方法，該方法可以減少網(wǎng)絡能耗，延長網(wǎng)絡生命周期。
[0005] 為了解決上述技術問題提出的技術方案是：一種改進的無線傳感器網(wǎng)絡能量多路 徑路由方法，包括如下步驟：匯聚節(jié)點在查詢消息中添加平均跳數(shù)用以記錄當前節(jié)點到匯 聚節(jié)點的平均跳數(shù)，網(wǎng)絡中的所有節(jié)點均需要根據(jù)上一跳節(jié)點，即中間節(jié)點的平均跳數(shù)判 斷是否將其作為鄰居節(jié)點加入本地路由表，舍棄跳數(shù)過大的路徑；
[0006] 節(jié)點在建立本地路由表后，需要根據(jù)路由表中鄰居節(jié)點的平均跳數(shù)計算節(jié)點本身 的平均跳數(shù)，并將其添加到查詢消息中，繼續(xù)轉發(fā)；在轉發(fā)過程中，節(jié)點只向那些相比于自 己距離源節(jié)點更近且距離匯聚節(jié)點更遠的鄰居節(jié)點轉發(fā)查詢消息；如果沒有滿足條件的鄰 居節(jié)點，則丟棄該消息；
[0007] 隨著無線傳感器網(wǎng)絡的運行，各個節(jié)點的能量發(fā)生著變化，β值也將隨之變化，這 樣才能適應變化的網(wǎng)絡，選擇最優(yōu)路徑；β值與網(wǎng)絡整體剩余能量有關，當網(wǎng)絡整體剩余 能量較多時，說明節(jié)點均處于良好的通信狀態(tài)，這時可以選擇跳數(shù)較小的路徑來降低傳輸 延時；當網(wǎng)絡整體剩余能量下降時，β值也會調整，適當增大，以保證有足夠的節(jié)點以供選 擇傳輸路徑，使得網(wǎng)絡處于一個相對較優(yōu)的通信狀態(tài)。
[0008] 優(yōu)選的：匯聚節(jié)點所發(fā)出的查詢消息中添加平均跳數(shù)域，用以記錄當前節(jié)點到匯 聚節(jié)點的平均跳數(shù)，平均跳數(shù)域初始值為0表示從匯聚節(jié)點開始。
[0009] 優(yōu)選的：網(wǎng)絡中的所有節(jié)點均需要根據(jù)上一跳節(jié)點，即中間節(jié)點的平均跳數(shù)判斷 是否將其作為鄰居節(jié)點加入本地路由表，舍棄跳數(shù)過大的路徑，節(jié)點根據(jù)查詢消息中提供 的上一跳節(jié)點，即中間節(jié)點的平均跳數(shù)，選擇出其中的最小值HiinU iik最為判斷基準，β是 大于1的調節(jié)系數(shù)，其大小直接決定跳數(shù)約束條件的嚴苛程度，即β越大，跳數(shù)約束條件越 寬松，有更多的節(jié)點可以加入到路由表中，節(jié)點j將節(jié)點i加入本地路由表FT」中的跳數(shù)約 束條件為：
[0010] FTj = U I Ui, j < β * (minU}，k e FTj
[0011] 其中Uu表示節(jié)點i的平均跳數(shù)，HiinUiik是節(jié)點j的鄰居節(jié)點中的最小平均跳數(shù)。
[0012] 優(yōu)選的：建立本地路由表后，每個節(jié)點需要計算自身平均跳數(shù)，節(jié)點的平均跳數(shù)即 該節(jié)點到匯聚節(jié)點的平均跳數(shù)，計算公式如下：
[0013] 節(jié)點的平均跳數(shù)=(鄰居節(jié)點的平均跳數(shù)之和/鄰居節(jié)點數(shù)目）+1
[0014] 其中，鄰居節(jié)點是指當前的節(jié)點的上一跳節(jié)點經過跳數(shù)約束條件篩選后加入到本 地路由表中的節(jié)點。
[0015] 優(yōu)選的：每個中間節(jié)點，在選擇查詢消息轉發(fā)對象時，只向那些相比于自己距離源 節(jié)點更近且距離匯聚節(jié)點更遠的鄰居節(jié)點轉發(fā)查詢消息；如果沒有滿足條件的鄰居節(jié)點， 則丟棄該消息，即對于節(jié)點N i,只轉發(fā)給滿足下式的鄰居節(jié)點Nj :
[0016] d (Ni, Ns) ^ d (Nj, Ns)
[0017] Cl(NilNd) ^ d (NjlNd)
[0018] 上式中，Ns表示源節(jié)點，Nd表示匯聚節(jié)點，(!(N i, Ns)表示節(jié)點Ni到節(jié)點Ns的距離。
[0019] 優(yōu)選的：隨著無線傳感器網(wǎng)絡的運行，各個節(jié)點的能量發(fā)生著變化，β值也將隨 之變化。β值與網(wǎng)絡整體剩余能量有關，當網(wǎng)絡整體剩余能量較多時，說明節(jié)點均處于良好 的通信狀態(tài)，這時可以選擇跳數(shù)較小的路徑來降低傳輸延時，當網(wǎng)絡整體剩余能量下降到 初始能量的50%時，β值會隨著剩余能量的減少而緩慢增加，兩者成負相關關系，從而保 證有足夠的節(jié)點以供選擇傳輸路徑，使得網(wǎng)絡處于一個相對較優(yōu)的通信狀態(tài)。
[0020] 本發(fā)明的有益效果是：
[0021] 1、本發(fā)明的改進的無線傳感器網(wǎng)絡能量多路徑路由方法引入平均跳數(shù)這一控制 條件，在興趣傳播階段統(tǒng)計每條路徑的平均跳數(shù)，放棄跳數(shù)太大的路徑，從而有效的控制路 徑跳數(shù)減少網(wǎng)絡能耗，從而延長網(wǎng)絡生命周期。
[0022] 2、本發(fā)明采用動態(tài)調整控制方法，跳數(shù)控制系數(shù)隨著網(wǎng)絡的變化做出調整，使得 網(wǎng)絡處于一個相對較優(yōu)的通信狀態(tài)。
[0023] 3、本發(fā)明在同等傳輸負載和傳輸環(huán)境下，相比于傳統(tǒng)能量多路徑方法，網(wǎng)絡延時 較低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明關于興趣傳播階段節(jié)點消息轉發(fā)流程圖。
[0025] 圖2是本發(fā)明關于改進的無線傳感器網(wǎng)絡能量多路徑路由方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0026] 如圖1-2所示，本發(fā)明公開一種改進的無線傳感器網(wǎng)絡能量多路徑路由方法，包 括如下步驟：
[0027] (1)興趣傳播階段
[0028] 實施洪泛查詢，確定源節(jié)點到匯聚節(jié)點所有路徑以及每條路徑的能耗值，即通信 代價值。這些工作，是在網(wǎng)絡初期路由表剛創(chuàng)建的時候進行的。這個階段的主要過程如下：
[0029] 1)匯聚節(jié)點朝著源節(jié)點方向在網(wǎng)絡內部進行洪泛查詢，廣播路徑建立消息，開始 路徑連接過程。興趣傳播消息中設置了一個代價域，表示發(fā)出該消息的節(jié)點到匯聚節(jié)點路 徑上的總代價，初值為零。
[0030] 2)每個中間節(jié)點，在選擇轉發(fā)對象時，只向那些相比于自己距離源節(jié)點更近且距 離匯聚節(jié)點更遠的鄰居節(jié)點轉發(fā)興趣消息；如果沒有滿足條件的鄰居節(jié)點，則丟棄該消息。 即對于節(jié)點Ni，只轉發(fā)給滿足下式的鄰居節(jié)點N j :
[0031] d (Ni, Ns) ^ d (Nj, Ns)
[0032] d (Ni, Nd)彡 d (Nj, Nd)
[0033] 上式中，Ns表示源節(jié)點，Nd表示匯聚節(jié)點，(!(Ni, Ns)表示節(jié)點Ni到節(jié)點Ns的距離。
[0034] 3)當某個節(jié)點收到興趣消息，決定轉發(fā)該消息給其他鄰居節(jié)點時，需要計算新的 代價值來替換原來的代價值。也就是，當節(jié)點N i把興趣傳播消息轉發(fā)給節(jié)點％時，節(jié)點Nj 計算出這條路徑的總代價為節(jié)點i的代價值加上兩個節(jié)點間的通信能耗，即：
[0035] Ci； j = Cos (tNj)+Metr (iNcj, Ni)
[0036] 上式中，Ci;j表示由匯聚節(jié)點經由中間節(jié)點Ni到節(jié)點Nj這條路徑上的總代價， Metric (Nj, Ni)表示節(jié)點Ni到節(jié)點Nj的通信能量消耗，計算公式如下：
[0037] Metnc{NJ,Ni) = eiJRf
[0038] 其中 <表示節(jié)點％和Ni直接通信的能量消耗，表示節(jié)點Ni的剩余能量，?、/?是 常量，這個度量標準綜合考慮了節(jié)點的能量消耗及節(jié)點的剩余能量。
[0039] 4)節(jié)點在轉發(fā)興趣消息的過程中，要舍棄代價較高的路徑，不將其加入到轉發(fā)表 中，也就是說，只有那些具有較低路徑代價的鄰居節(jié)點N i才可以被加入到節(jié)點％的轉發(fā)表 FTj中，即：
[0040] FTj = U I Ci,』< a * (minCu)}，k e FTj
[0041] 原始能量多路徑路由算法是在源節(jié)點和目的節(jié)點之間建立多條路徑，根據(jù)路徑上 節(jié)點的通信能量消耗以及節(jié)點的剩余能量情況，給每條路徑賦予一定的選擇概率，使得數(shù) 據(jù)傳輸均衡消耗整個網(wǎng)絡的能量，延長整個網(wǎng)絡的生命周期。但是該算法沒有考慮到路由 跳數(shù)限制，一般來說無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能耗是不均勻的，在進行一段時間后邊緣節(jié)點的 剩余能量往往會高一些，這時可能會出現(xiàn)一條跳數(shù)很多的路徑，而且這條路徑的能耗也比 較多，但原始算法會因為剩余能量的原因選擇這條路徑，從而增加了通信能耗和網(wǎng)絡數(shù)據(jù) 延時。要想解決這個問題我們首先引入平均跳數(shù)的概念。
[0042] 節(jié)點的平均跳數(shù)即該節(jié)點到匯聚節(jié)點的平均跳數(shù)，計算公式如下：
[0043] 節(jié)點的平均跳數(shù)=鄰居節(jié)點的平均跳數(shù)之和/鄰居節(jié)點數(shù)目
[0044] 原始算法中節(jié)點要放棄能耗太大的路徑，而在引入平均跳數(shù)的概念后，我們可以 增加一個限制條件，就是節(jié)點放棄跳數(shù)太大的路徑，從而有效的控制網(wǎng)絡延時。節(jié)點j將節(jié) 點i加入本地路由表FL中的跳數(shù)條件為：
[0045] FTj = U I Ui,』< β * (minUi'k)}，k e FTj
[0046] 其中Uii」表示節(jié)點i的平均跳數(shù)，HiinUiik是節(jié)點j的鄰居節(jié)點中的最小平均跳數(shù)。
[0047] 5)節(jié)點為轉發(fā)表中的下一跳節(jié)點分配一個選擇概率，節(jié)點選擇概率與能量消耗成 反比，即對于節(jié)點％，它給它的轉發(fā)表FL中的下一跳節(jié)點N i賦予的概率值為：
[0048] Pi；J = (1/Ci；j)/(X1/Ci；k),k e FTj
[0049] 6)每個節(jié)點都擁有一些可選擇的鄰居節(jié)點，通過這些節(jié)點把數(shù)據(jù)包傳遞到匯聚節(jié) 點。不過，節(jié)點要依據(jù)轉發(fā)表中的鄰居節(jié)點計算出到達匯聚節(jié)點的平均代價值，即節(jié)點N j的 代價為：
【權利要求】
1. 一種改進的無線傳感器網(wǎng)絡能量多路徑路由方法，其特征在于：包括以下步驟： 匯聚節(jié)點在查詢消息中添加平均跳數(shù)用以記錄當前節(jié)點到匯聚節(jié)點的平均跳數(shù)，網(wǎng)絡 中的所有節(jié)點均需要根據(jù)上一跳節(jié)點，即中間節(jié)點的平均跳數(shù)判斷是否將其作為鄰居節(jié)點 加入本地路由表，舍棄跳數(shù)過大的路徑； 節(jié)點在建立本地路由表后，需要根據(jù)路由表中鄰居節(jié)點的平均跳數(shù)計算節(jié)點本身的平 均跳數(shù)，并將其添加到查詢消息中，繼續(xù)轉發(fā)；在轉發(fā)過程中，節(jié)點只向那些相比于自己距 離源節(jié)點更近且距離匯聚節(jié)點更遠的鄰居節(jié)點轉發(fā)查詢消息；如果沒有滿足條件的鄰居節(jié) 點，則丟棄該消息； 隨著無線傳感器網(wǎng)絡的運行，各個節(jié)點的能量發(fā)生著變化，3值也將隨之變化，這樣才 能適應變化的網(wǎng)絡，選擇最優(yōu)路徑；0值與網(wǎng)絡整體剩余能量有關，當網(wǎng)絡整體剩余能量 較多時，說明節(jié)點均處于良好的通信狀態(tài)，這時可以選擇跳數(shù)較小的路徑來降低傳輸延時； 當網(wǎng)絡整體剩余能量下降時，0值也會調整，適當增大，以保證有足夠的節(jié)點以供選擇傳輸 路徑，使得網(wǎng)絡處于一個相對較優(yōu)的通信狀態(tài)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的改進的無線傳感器網(wǎng)絡能量多路徑路由方法，其特征在于：匯聚節(jié)點所發(fā)出的查詢消息中添加平均跳數(shù)域，用以記錄當前節(jié)點到匯聚節(jié)點的平均跳 數(shù)，平均跳數(shù)域初始值為0表示從匯聚節(jié)點開始。
3. 根據(jù)權利要求1所述的改進的無線傳感器網(wǎng)絡能量多路徑路由方法，其特征在于：網(wǎng)絡中的所有節(jié)點均需要根據(jù)上一跳節(jié)點，即中間節(jié)點的平均跳數(shù)判斷是否將其作為鄰居 節(jié)點加入本地路由表，舍棄跳數(shù)過大的路徑，節(jié)點根據(jù)查詢消息中提供的上一跳節(jié)點，即中 間節(jié)點的平均跳數(shù)，選擇出其中的最小值minUu最為判斷基準，3是大于1的調節(jié)系數(shù)，其 大小直接決定跳數(shù)約束條件的嚴苛程度，即0越大，跳數(shù)約束條件越寬松，有更多的節(jié)點 可以加入到路由表中，節(jié)點j將節(jié)點i加入本地路由表FT」中的跳數(shù)約束條件為： FT』={i 13 * (minUi'k)}，k G FT』 其中L表示節(jié)點i的平均跳數(shù)，minUi;k是節(jié)點j的鄰居節(jié)點中的最小平均跳數(shù)。
4. 根據(jù)權利要求1所述的改進的無線傳感器網(wǎng)絡能量多路徑路由方法，其特征在于：建立本地路由表后，每個節(jié)點需要計算自身平均跳數(shù)，節(jié)點的平均跳數(shù)即該節(jié)點到匯聚節(jié) 點的平均跳數(shù)，計算公式如下： 節(jié)點的平均跳數(shù)=(鄰居節(jié)點的平均跳數(shù)之和/鄰居節(jié)點數(shù)目）+1 其中，鄰居節(jié)點是指當前的節(jié)點的上一跳節(jié)點經過跳數(shù)約束條件篩選后加入到本地路 由表中的節(jié)點。
5. 根據(jù)權利要求1所述的改進的無線傳感器網(wǎng)絡能量多路徑路由方法，其特征在于：每個中間節(jié)點，在選擇查詢消息轉發(fā)對象時，只向那些相比于自己距離源節(jié)點更近且距離 匯聚節(jié)點更遠的鄰居節(jié)點轉發(fā)查詢消息；如果沒有滿足條件的鄰居節(jié)點，則丟棄該消息，即 對于節(jié)點K，只轉發(fā)給滿足下式的鄰居節(jié)點％ : cKN^N,) ^ d(Nj,Ns) cKN^N,) ^ d(Nj,Nd) 上式中，Ns表示源節(jié)點，Nd表示匯聚節(jié)點，(1(隊,Ns)表示節(jié)點隊到節(jié)點N s的距離。
6. 根據(jù)權利要求1所述的改進的無線傳感器網(wǎng)絡能量多路徑路由方法，其特征在于：隨著無線傳感器網(wǎng)絡的運行，各個節(jié)點的能量發(fā)生著變化，0值也將隨之變化。0值與網(wǎng) 絡整體剩余能量有關，當網(wǎng)絡整體剩余能量較多時，說明節(jié)點均處于良好的通信狀態(tài)，這時 可以選擇跳數(shù)較小的路徑來降低傳輸延時，當網(wǎng)絡整體剩余能量下降到初始能量的50% 時，0值會隨著剩余能量的減少而緩慢增加，兩者成負相關關系，從而保證有足夠的節(jié)點以 供選擇傳輸路徑，使得網(wǎng)絡處于一個相對較優(yōu)的通信狀態(tài)。
【文檔編號】H04W40/10GK104333883SQ201410551187
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權日:2014年10月16日
【發(fā)明者】李琴 申請人:南京郵電大學