專利名稱：一種Ad Hoc網(wǎng)絡最優(yōu)能量消耗路徑選擇方法
技術領域：
本發(fā)明屬于網(wǎng)絡計算及無線網(wǎng)絡路由協(xié)議領域，具體地講是一種AdHoc網(wǎng)絡最優(yōu)能量消耗路徑選擇方法。

背景技術：
Ad Hoc網(wǎng)絡的特點是各節(jié)點地位平等，能自由移動，并且通過無線信道進行通信，移動終端本身由電池供電。同時，隨著移動終端性能的提升和功能的加強，對電能的需求不斷提高，因此在Ad Hoc網(wǎng)絡中采各種節(jié)能機制成為當前研究的主要熱點。從Ad Hoc網(wǎng)絡層次結(jié)構(gòu)上來分析，整個網(wǎng)絡中的能量消耗主要集中在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層。物理層主要是各個節(jié)點接收到鄰居節(jié)點發(fā)送信號時的接收功率和本身節(jié)點的一些硬件器件(CPU，LCD等)的消耗。數(shù)據(jù)鏈路層主要是基于MAC層的IEEE 802.11的DCF(Distributed Coordination Function)在獨立的網(wǎng)絡配置下共享無線信道的基本接入方式的基礎之上。當某個節(jié)點(處于sleep狀態(tài))將要正常工作時，先要監(jiān)聽無線共享信道是否被占用，如果被占用則要繼續(xù)監(jiān)聽等待若干個隨機時間片段，以此來為占用信道發(fā)送數(shù)據(jù)包做準備；或者當節(jié)點處于Active狀態(tài)，節(jié)點正常發(fā)送數(shù)據(jù)包。但由于物理層和數(shù)據(jù)鏈路層都與硬件的聯(lián)系比較大，因此這部分的能量最少消耗主要來根據(jù)硬件的設計來進行保證。因此，本專利的重點主要集中在網(wǎng)絡層，這部分基本上屬于軟件的處理過程，能量消耗主要集中在每個節(jié)點的發(fā)送，接收和轉(zhuǎn)發(fā)的過程。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在分析Ad hoc網(wǎng)絡中各個節(jié)點能量消耗情況的基礎上，結(jié)合最優(yōu)化理論思想的Ad Hoc網(wǎng)絡最優(yōu)能量消耗路徑選擇方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的方法是 第一步驟源節(jié)點S在發(fā)送的數(shù)據(jù)包(RREQ)中添加一個數(shù)據(jù)項cost，并計算出記錄本節(jié)點i的能量消耗； 第二步驟鄰居節(jié)點i在收到的RREQ數(shù)據(jù)包時，取出cost數(shù)據(jù)項costold，同時根據(jù)此時的能量消耗程度確定所屬區(qū)域； 第三步驟當節(jié)點i在正常區(qū)時，從而來計算能量消耗Ci(t)，更新costnew(costnew＝costold+Ci(t))，記錄前項節(jié)點為S，并依次向下一個鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREQ數(shù)據(jù)包，并向源節(jié)點S發(fā)送RREP數(shù)據(jù)包來建立通向源節(jié)點的路徑，如果當源節(jié)點在嚴重區(qū)或警告區(qū)時，該節(jié)點就向鄰居節(jié)點及其上游節(jié)點發(fā)送RWARN數(shù)據(jù)包，源節(jié)點S在建立路徑的過程中，避免使用該節(jié)點，繞過能量消耗過多的節(jié)點，不再更新costnew，也不再向下一個鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREQ數(shù)據(jù)包。
第四步驟依次類推進行上面的過程，當中間節(jié)點j接收到從不同鄰居節(jié)點(例如k，l，m)發(fā)送RREQ數(shù)據(jù)包，并判斷此時能量消耗程度，當該節(jié)點處于正常區(qū)時，節(jié)點分別取出對應的cost(costk，costl，costm各不相同)進行判斷，得到最小的設為costmin。如果costk＝costl＝costm選取其中之一作為j的上游節(jié)點； 第五步分三種情況 (1)當costmin等于costk時 節(jié)點j更新RREQ數(shù)據(jù)包中的cost＝costk+E(j)，并記錄前項節(jié)點k，同時轉(zhuǎn)發(fā)RREQ數(shù)據(jù)包給下一個節(jié)點。并向上游節(jié)點k發(fā)送RREP數(shù)據(jù)包來建立通向上游節(jié)點的路徑； (2)當costmin等于costl時 節(jié)點j更新RREQ數(shù)據(jù)包中的cost＝costl+E(j)，并記錄前項節(jié)點1，同時轉(zhuǎn)發(fā)RREQ數(shù)據(jù)包給下一個節(jié)點，并向上游節(jié)點1發(fā)送RREP數(shù)據(jù)包來建立通向上游節(jié)點的路徑； (3)當costmin等于costm時 節(jié)點j更新RREQ數(shù)據(jù)包中的cost＝costl+E(j)，并記錄前項節(jié)點m，同時轉(zhuǎn)發(fā)RREQ數(shù)據(jù)包給下一個節(jié)點，并向上游節(jié)點m發(fā)送RREP數(shù)據(jù)包來建立通向上游節(jié)點的路徑； 第六步驟依次類推進行上面的過程，當目的節(jié)點D收到鄰居節(jié)點n發(fā)送的RREQ數(shù)據(jù)包，cost里的數(shù)據(jù)內(nèi)容就是從源節(jié)點S到目的節(jié)點的前項節(jié)點的整個一條路徑所消耗是能量之和costD-1，更新cost＝costD-1+E(D)，記錄前項節(jié)點n，并向上游節(jié)點發(fā)送RREP數(shù)據(jù)包來建立通向上游節(jié)點的路徑，整個過程結(jié)束，同時節(jié)點S到節(jié)點D的路徑建立成功。
本發(fā)明在分析Ad hoc網(wǎng)絡的特點的基礎上，結(jié)合網(wǎng)絡中各個層次上能量消耗的情況，提出了新的能量消耗路徑的計算方法。該方法忽略了節(jié)點的物理層，數(shù)據(jù)鏈路層的能量消耗，重點考慮網(wǎng)絡層的能量消耗，從而利用最優(yōu)化理論來對每個節(jié)點建立能量消耗計算公式，同時由于Adhoc網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)信息的通信都是由節(jié)點與節(jié)點進行多跳來進行轉(zhuǎn)發(fā)的，因此在源節(jié)點向目的節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)尋找最好的路徑時，同時不僅要考慮路徑上每個節(jié)點的能量消耗，而且也要考慮整個路徑上的能量消耗，因此最終根據(jù)整個一條路徑上的能量消耗最小和跳數(shù)較少的原則，來建立最優(yōu)路徑能量模型。從而來避免能量過多消耗所帶來的網(wǎng)絡斷裂和影響傳輸數(shù)據(jù)信息的效率。該方法對研究Ad hoc網(wǎng)絡以及其他無線網(wǎng)絡的能量消耗問題都有很好的參考價值。



圖1為某一源節(jié)點S向目的節(jié)點D進行發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時形成的拓撲結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本發(fā)明的流程圖。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖進一步詳細說明本發(fā)明。
在Ad hoc網(wǎng)絡中，針對某一源節(jié)點S向目的節(jié)點D進行發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，所形成的拓撲結(jié)構(gòu)圖(圖1)。
本發(fā)明在建立路徑選擇方法首先設定 (1)網(wǎng)絡中的每個節(jié)點的初始能量都相等； (2)每個節(jié)點本身的硬件結(jié)構(gòu)和器件相同，從而認為所消耗的能量是相同的，對網(wǎng)絡層的干擾較少； (3)每個節(jié)點在數(shù)據(jù)鏈路層工作時，處于兩種狀態(tài)活動狀態(tài)(active)(正常工作狀態(tài))和睡眠狀態(tài)(sleep)； (4)當節(jié)點處于sleep狀態(tài)時，繼續(xù)監(jiān)聽共享的信道，以此來主動地占用信道發(fā)送數(shù)據(jù)包可能會涉及到能量的消耗，從而認為這些能量也是相同的為Q； (5)每個節(jié)點在物理層發(fā)送功率Pt都是相同的； (6)為了保證節(jié)點與節(jié)點之間通信傳輸?shù)男?，相鄰兩?jié)點之間的距離不得超過D，如果超過D，則認為接收節(jié)點獲取不到發(fā)送節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)包。
本發(fā)明基本方法構(gòu)造 第一部分節(jié)點的能量消耗計算方法 本發(fā)明只考慮網(wǎng)絡層的能量消耗，不考慮物理層，數(shù)據(jù)鏈路層的能量消耗。因此，網(wǎng)絡層的能量消耗主要集中在節(jié)點發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。
因此，節(jié)點i的總能量消耗為 其中，F(xiàn)i為節(jié)點i的初始能量，Ei(t)為節(jié)點i在t時間內(nèi)剩余的能量，Pt(i)為節(jié)點i的傳輸功率，在這里主要針對的是接收功率，α為一個正數(shù)的權(quán)重因子。
第二部分從網(wǎng)絡中的某一源節(jié)點到目的節(jié)點之間最優(yōu)路徑的能量消耗計算方法 考慮到從源節(jié)點到目的節(jié)點需要經(jīng)歷很多的節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)和傳輸數(shù)據(jù)包，假設從源節(jié)點到目的節(jié)點需要經(jīng)過k個節(jié)點，因此可得出該路徑上的能量的中消耗CR 本發(fā)明基本方法的改進 第一部分節(jié)點的能量消耗計算方法的改進 隨著時間的推移，各個節(jié)點的能量消耗程度有快有慢，因此，本發(fā)明中根據(jù)節(jié)點i的能量的消耗程度

定義三個區(qū)域，如下 (1)節(jié)點i處于正常區(qū)，這個區(qū)域內(nèi)節(jié)點都能正常工作。
(2)節(jié)點i處于警告區(qū)，這個區(qū)域內(nèi)節(jié)點暫時能正常工作，但是不要在主干路徑上使用這個區(qū)域中的節(jié)點。
(3)節(jié)點i處于嚴重區(qū)，這個區(qū)域內(nèi)節(jié)點都能量消耗的比較快，應盡量避免使用這些節(jié)點。
基于以上區(qū)域的定義類型，對公式(2)的能量公式進行修改，得出 ki的取值如下 (1)當節(jié)點i處于正常區(qū)內(nèi)，則ki＝1； (2)當節(jié)點i處于警告區(qū)或嚴重區(qū)內(nèi)，則ki為在節(jié)點i的鄰居節(jié)點的總數(shù)，同時必須保證鄰居節(jié)點都在節(jié)點i的傳輸范圍之內(nèi)。
第二部分從網(wǎng)絡中的某一源節(jié)點到目的節(jié)點之間最優(yōu)路徑的能量消耗計算方法的改進 基于公式(3)的最優(yōu)路徑改進公式如下 ki的取值與公式(3)定義的一樣。
本發(fā)明具體的實現(xiàn)以下面的流程圖(圖2)為說明。
本發(fā)明主要的目的是為網(wǎng)絡中從源節(jié)點到目的節(jié)點能夠正常發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，要保證能夠建立一條最優(yōu)的路徑，該路徑滿足的約束條件就是該路徑上節(jié)點的能量消耗均衡，避免過分消耗某些節(jié)點的能量，以及路徑的整體能量消耗最少，但是并不一定要求路徑上的跳數(shù)最少。因此，該方法與以往的路徑建立方法(跳數(shù)最少，不考慮能量)有所區(qū)別。方法的思想主要是基于在網(wǎng)絡中從源節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送的路由請求包RREQ，該RREQ包中包含一個字段cost，以此來記錄整個路徑上的能量消耗。當中間節(jié)點將要轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ包時，首先判斷該節(jié)點現(xiàn)在所屬區(qū)域，根據(jù)不同的區(qū)域來進行做不同的處理。當節(jié)點處于正常區(qū)域時，則逐次比較從上游節(jié)點(與該中間節(jié)點相鄰)接收到RREQ包的字段cost，選擇最小的來更新該RREQ包，同時建立到所選上游節(jié)點的路徑；當節(jié)點處于嚴重區(qū)域或警告區(qū)域時，則該中間節(jié)點會向周圍的鄰居節(jié)點發(fā)送RWARN數(shù)據(jù)包，以此來通知鄰居節(jié)點和上游節(jié)點，避免使用該路徑。此過程以此類推，直到目的節(jié)點，從而來選擇最優(yōu)路徑。
本說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領域?qū)I(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。
權(quán)利要求
1.一種Ad Hoc網(wǎng)絡最優(yōu)能量消耗路徑選擇方法，所采用的方法是
第一步驟源節(jié)點S在發(fā)送的數(shù)據(jù)包(RREQ)中添加一個數(shù)據(jù)項cost，并計算出記錄本節(jié)點i的能量消耗；
第二步驟鄰居節(jié)點i在收到的RREQ數(shù)據(jù)包時，取出cost數(shù)據(jù)項costold，同時根據(jù)此時的能量消耗程度確定所屬區(qū)域；
第三步驟當節(jié)點i在正常區(qū)時，從而來計算能量消耗Ci(t)，更新costnew，記錄前項節(jié)點為S，并依次向下一個鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREQ數(shù)據(jù)包，并向源節(jié)點S發(fā)送RREP數(shù)據(jù)包來建立通向源節(jié)點的路徑，如果當源節(jié)點在嚴重區(qū)或警告區(qū)時，該節(jié)點就向鄰居節(jié)點及其上游節(jié)點發(fā)送RWARN數(shù)據(jù)包，源節(jié)點S在建立路徑的過程中，避免使用該節(jié)點，繞過能量消耗過多的節(jié)點，不再更新costnew，也不再向下一個鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREQ數(shù)據(jù)包；
第四步驟依次類推進行上面的過程，當中間節(jié)點j接收到從不同鄰居節(jié)點k、鄰居節(jié)點1和鄰居節(jié)點m發(fā)送RREQ數(shù)據(jù)包，并判斷此時能量消耗程度，當該節(jié)點處于正常區(qū)時，節(jié)點分別取出對應的costk，cost1，costm進行判斷，得到最小的設為costmin，如果costk＝cost1＝costm選取其中之一作為j的上游節(jié)點；
第五步驟依次類推進行上面的過程，當目的節(jié)點D收到鄰居節(jié)點n發(fā)送的RREQ數(shù)據(jù)包，cost里的數(shù)據(jù)內(nèi)容就是從源節(jié)點S到目的節(jié)點的前項節(jié)點的整個一條路徑所消耗是能量之和costD-1，更新cost＝costD-1+E(D)，記錄前項節(jié)點n，并向上游節(jié)點發(fā)送RREP數(shù)據(jù)包來建立通向上游節(jié)點的路徑，整個過程結(jié)束，同時節(jié)點S到節(jié)點D的路徑建立成功。
2.如權(quán)利要求1所述的Ad Hoc網(wǎng)絡最優(yōu)能量消耗路徑選擇方法，其特征在于第四步驟中當costmin等于costk時，節(jié)點j更新RREQ數(shù)據(jù)包中的cost＝costk+E(j)，并記錄前項節(jié)點k，同時轉(zhuǎn)發(fā)RREQ數(shù)據(jù)包給下一個節(jié)點，并向上游節(jié)點k發(fā)送RREP數(shù)據(jù)包來建立通向上游節(jié)點的路徑。
3.如權(quán)利要求1所述的Ad Hoc網(wǎng)絡最優(yōu)能量消耗路徑選擇方法，其特征在于第四步驟中當costmin等于cost1時，節(jié)點j更新RREQ數(shù)據(jù)包中的cost＝cost1+E(j)，并記錄前項節(jié)點1，同時轉(zhuǎn)發(fā)RREQ數(shù)據(jù)包給下一個節(jié)點，并向上游節(jié)點1發(fā)送RREP數(shù)據(jù)包來建立通向上游節(jié)點的路徑。
4.如權(quán)利要求1所述的Ad Hoc網(wǎng)絡最優(yōu)能量消耗路徑選擇方法，其特征在于第四步驟中當costmin等于costm時，節(jié)點j更新RREQ數(shù)據(jù)包中的cost＝cost1+E(j)，并記錄前項節(jié)點m，同時轉(zhuǎn)發(fā)RREQ數(shù)據(jù)包給下一個節(jié)點，并向上游節(jié)點m發(fā)送RREP數(shù)據(jù)包來建立通向上游節(jié)點的路徑。
5.如權(quán)利要求1所述的Ad Hoc網(wǎng)絡最優(yōu)能量消耗路徑選擇方法，其特征在于第一步驟中的能量消耗的計算方法是
其中，F(xiàn)i為節(jié)點i的初始能量，Ei(t)為節(jié)點i在t時間內(nèi)剩余的能量，Pt(i)為節(jié)點i的傳輸功率，在這里主要針對的是接收功率，α為一個正數(shù)的權(quán)重因子，ki的取值如下
(1)當節(jié)點i處于正常區(qū)內(nèi)，則ki＝1；
(2)當節(jié)點i處于警告區(qū)或嚴重區(qū)內(nèi)，則ki為在節(jié)點i的鄰居節(jié)點的總數(shù)，同時必須保證鄰居節(jié)點都在節(jié)點i的傳輸范圍之內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種Ad Hoc網(wǎng)絡最優(yōu)能量消耗路徑選擇方法，所采用的方法是1.在發(fā)送的數(shù)據(jù)包中添加一個數(shù)據(jù)項cost，并記錄本節(jié)點i的能量消耗；2.取出cost數(shù)據(jù)項，同時根據(jù)此時的能量消耗程度確定所屬區(qū)域；3.當節(jié)點i在正常區(qū)時，記錄前項節(jié)點為S，并依次向下一個鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREQ數(shù)據(jù)包，并向源節(jié)點S發(fā)送RREP數(shù)據(jù)包來建立通向源節(jié)點的路徑；4.得到最小能量消耗的設為costmin作為j的上游節(jié)點；5.向上游節(jié)點發(fā)送RREP數(shù)據(jù)包來建立通向上游節(jié)點的路徑。本發(fā)明在分析Ad hoc網(wǎng)絡的特點的基礎上，忽略節(jié)點的物理層，數(shù)據(jù)鏈路層的能量消耗，重點考慮網(wǎng)絡層的能量消耗來建立最優(yōu)路徑能量模型，從而避免能量過多消耗所帶來的網(wǎng)絡斷裂和影響傳輸數(shù)據(jù)信息的效率。
文檔編號H04L12/56GK101175041SQ20071016851
公開日2008年5月7日 申請日期2007年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月29日
發(fā)明者李臘元, 許重球, 博 王, 趙新偉, 馮美來, 何昆鵬 申請人:武漢理工大學