專利名稱：移動(dòng)無線多跳網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)的隨機(jī)行走路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種移動(dòng)無線多跳網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，特別涉及一種無線多跳網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)的隨機(jī)行走路由方法。
背景技術(shù)：
移動(dòng)無線多跳網(wǎng)絡(luò)是近些年出現(xiàn)的一種綜合電子技術(shù)、無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技 術(shù)的技術(shù)領(lǐng)域，將在災(zāi)難自救、醫(yī)療救護(hù)、環(huán)境檢測(cè)、森林火險(xiǎn)報(bào)警、火山監(jiān)測(cè)和軍事領(lǐng)域具 有非常廣泛的應(yīng)用前景。其發(fā)展和應(yīng)用將會(huì)給人類的生活和生產(chǎn)的各個(gè)方面帶來深遠(yuǎn)影 響。無線多跳網(wǎng)絡(luò)具有無需固定設(shè)備支撐，可以快速部署，同時(shí)具有易于組網(wǎng)、不受有 線網(wǎng)絡(luò)的約束等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)由于受到成本和體積等因素的限制，無線節(jié)點(diǎn)的處理能力、傳 輸能力、無線帶寬和電池容量都很有限。為了提高無線多跳網(wǎng)絡(luò)的性能，路由協(xié)議是研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。針對(duì)這一問題， 有很多協(xié)議，包括最短路由、最可靠路由、最小延遲路由、分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的路由協(xié)議、能量 高效路徑選擇協(xié)議(包括選擇最小功率端到端路徑、最大剩余能量路徑或混合路由協(xié)議) 等等。上述協(xié)議和方法研究成果已經(jīng)較多，它們的共同特性就是路由性能較好、但開銷較 高。隨機(jī)行走(Random Walk)路由協(xié)議是一種非常簡(jiǎn)單的路由協(xié)議，它解決了其他路由協(xié) 議控制包開銷較高的問題，當(dāng)節(jié)點(diǎn)要傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，如果目的節(jié)點(diǎn)不在本節(jié)點(diǎn)鄰居列 表中，則首先從鄰居表中隨機(jī)的選擇一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，然后將數(shù)據(jù)包發(fā) 給這個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)。隨機(jī)行走路由協(xié)議由于不需要節(jié)點(diǎn)預(yù)先收集或維護(hù)過多的路由信息，也 不需要任何路由發(fā)現(xiàn)進(jìn)程，因此開銷極低，在數(shù)據(jù)量小、延遲要求較低的應(yīng)用場(chǎng)景下，常常 被采用。但是，傳統(tǒng)隨機(jī)行走協(xié)議沒有考慮無線鏈路的高丟失特性，將分組轉(zhuǎn)交給任意選擇 的一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，可能需要多次重傳，這又會(huì)消耗大量的無線網(wǎng)絡(luò)帶寬資源和能量資源，從 而影響無線網(wǎng)絡(luò)性能。已有隨機(jī)行走方面的工作主要集中關(guān)注是否允許已經(jīng)執(zhí)行過轉(zhuǎn)發(fā)某 分組的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該分組(如果允許的話，最大轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)設(shè)定)，以及基于上述方法的分 組投遞延遲建模分析。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)背景技術(shù)中提到的采用隨機(jī)行走路由協(xié)議組建的移動(dòng)無線多跳網(wǎng)絡(luò)，本發(fā)明 要解決的技術(shù)問題是在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量很小的情況下，限制控制包的消耗，同時(shí)利用機(jī)會(huì)轉(zhuǎn) 發(fā)的特性來提高端到端的轉(zhuǎn)發(fā)效率，從而實(shí)現(xiàn)在全網(wǎng)范圍內(nèi)帶寬資源和能量資源的減少消耗。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是引入機(jī)會(huì)路由(或稱機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)， Opportunistic Fowarding)，針對(duì)設(shè)計(jì)了基于機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)的隨機(jī)行走路由方法。機(jī)會(huì)路由充分考慮了無線鏈路的丟失特性和廣播特性，即一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送，它的鄰 居都可能收到該分組，如果節(jié)點(diǎn)采用全向天線的話。機(jī)會(huì)路由適合各種無線多跳網(wǎng)絡(luò)，包括無線mesh網(wǎng)絡(luò)、無線自組織網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)的概念首先是針對(duì)無線信道的廣播、時(shí)變、丟失特性和確定性路由在轉(zhuǎn)發(fā)策略方面的不足提出的。與傳統(tǒng)的路由方式不 同，機(jī)會(huì)路由中發(fā)送節(jié)點(diǎn)不首先確定下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，而是選擇多個(gè)潛在中繼節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)、自 主智能判斷，進(jìn)行下一跳節(jié)點(diǎn)選擇。機(jī)會(huì)路由的機(jī)制充分利用了信道廣播特性，可以有效提 高吞吐量和傳輸可靠性。機(jī)會(huì)路由的基本思想是源節(jié)點(diǎn)欲向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，它會(huì)在鄰 居表中以某種機(jī)制選擇幾個(gè)相互之間可以通信的鄰居節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)組成備 選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集，并為每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置優(yōu)先級(jí)。源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包中記錄了備選節(jié)點(diǎn)集中的 節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)和它們的優(yōu)先級(jí)。源節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)包，收到包的鄰居節(jié)點(diǎn)按優(yōu)先級(jí)的次序轉(zhuǎn)發(fā)數(shù) 據(jù)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)如果收到就轉(zhuǎn)發(fā)此數(shù)據(jù)包。如果較優(yōu)先級(jí)較高的節(jié)點(diǎn)沒有收到，則由備 選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集中優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包?；跈C(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)的隨機(jī)行走路由方法綜合利用了隨機(jī)行走路由協(xié)議的簡(jiǎn)單性和機(jī) 會(huì)路由方法的高效性。其無線節(jié)點(diǎn)采用全向天線，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性的發(fā)送Beacon 包，以此來維護(hù)鄰居信息。Beacon包中攜帶節(jié)點(diǎn)ID、節(jié)點(diǎn)剩余能量信息(此項(xiàng)可選)和節(jié) 點(diǎn)鄰居信息。當(dāng)數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送時(shí)(或收到該數(shù)據(jù)包的中間節(jié)點(diǎn))，它會(huì)在本 地鄰居表中隨機(jī)地選出相互之間可達(dá)的1 η個(gè)鄰居，并隨機(jī)指定這些備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的優(yōu) 先級(jí)，鄰居之間的可達(dá)性由節(jié)點(diǎn)中維護(hù)的兩跳鄰居表來去定。參數(shù)η的值可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的 節(jié)點(diǎn)密度、對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)率的要求和對(duì)端到端延時(shí)的要求等因素來選擇，通常是一個(gè)較小 的整數(shù)。其中備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)是隨機(jī)指定的。在此基礎(chǔ)上，為了更進(jìn)一步的提高能量均衡能力，設(shè)計(jì)了 一種改進(jìn)方案即，在機(jī) 會(huì)路由的轉(zhuǎn)發(fā)策略中引入基于剩余能量的優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，即，備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)根據(jù) 各備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的剩余能量來決定。應(yīng)用這些機(jī)制，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量的多少進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提 高了隨機(jī)行走的能量均衡性。本專利設(shè)計(jì)的路由方法不需要預(yù)先計(jì)算路徑，節(jié)點(diǎn)也不需要 收集大量網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，開銷極低，在網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量較小、對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延遲沒有很高要求的 移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)中具有優(yōu)勢(shì)。


圖1是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)的隨機(jī)行走路由方法的例子圖。其中黑色節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的源節(jié)點(diǎn)和sink節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)上的黑色陰影部分表示節(jié) 點(diǎn)的剩余能量，節(jié)點(diǎn)下標(biāo)是備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的剩余能量RE (Residual Energy)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的方案中，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性的發(fā)送Beacon包，以此來維護(hù)鄰居信 息。Beacon包中攜帶節(jié)點(diǎn)ID、節(jié)點(diǎn)剩余能量信息(此項(xiàng)可選)和節(jié)點(diǎn)鄰居信息。如果網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)潇o態(tài)性較強(qiáng)(如傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不動(dòng))，節(jié)點(diǎn)間交互Beacon消息的周期可以比較長(zhǎng)， 而移動(dòng)速度較快的節(jié)點(diǎn)，則需要較為頻繁地發(fā)送Beacon包，以便鄰居節(jié)點(diǎn)能夠獲得較新的 鄰接關(guān)系信息。當(dāng)數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送時(shí)(或收到該數(shù)據(jù)包的中間節(jié)點(diǎn))，如果目的節(jié) 點(diǎn)是本節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)，那么直接將分組轉(zhuǎn)交給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。否則，它會(huì)在本地鄰居表中隨機(jī)地選出相互之間可達(dá)的1 η個(gè)鄰居，并隨機(jī)指定這些備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，鄰居之 間的可達(dá)性由節(jié)點(diǎn)中維護(hù)的兩跳鄰居表來去定。參數(shù)η的值可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)密度、對(duì) 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)率的要求和對(duì)端到端延時(shí)的要求等因素來選擇，通常是一個(gè)較小的整數(shù)。確定 備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集和優(yōu)先級(jí)順序后，源節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)包，收到包的鄰居節(jié)點(diǎn)按優(yōu)先級(jí)的次序 轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)如果收到就轉(zhuǎn)發(fā)此數(shù)據(jù)包，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)聽到被轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù) 包后就丟棄它所收到的此數(shù)據(jù)包，不再發(fā)送。如果較優(yōu)先級(jí)較高的節(jié)點(diǎn)沒有收到，則由備選 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集中優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。如果沒有任何備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行了分組轉(zhuǎn) 發(fā)，那么源節(jié)點(diǎn)將進(jìn)行重傳——即將分組繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)給剛剛選定的備選節(jié)點(diǎn)集。繼續(xù)承擔(dān)分 組轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)的節(jié)點(diǎn)按繼續(xù)上述方式進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，或分組超時(shí) (如TTL值高于某一閾值)。如果低優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)由于某種原因沒有聽到高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的分組轉(zhuǎn)發(fā)，認(rèn)為高優(yōu) 先級(jí)節(jié)點(diǎn)沒有收到此數(shù)據(jù)，因而發(fā)出這個(gè)數(shù)據(jù)包。這時(shí)會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)傳送同一個(gè)數(shù)據(jù) 包的情況，這樣會(huì)浪費(fèi)一些資源，但對(duì)于數(shù)據(jù)投遞來說，可以提高轉(zhuǎn)發(fā)率。由于本專利選擇 的備選節(jié)點(diǎn)集中的節(jié)點(diǎn)是兩兩相鄰的，因此發(fā)生上述現(xiàn)象的概率極低。
上述選擇備選節(jié)點(diǎn)集過程中，可以選擇1 η個(gè)節(jié)點(diǎn)。一般來說η的值不需要太 大——以確保轉(zhuǎn)發(fā)分組的包頭不會(huì)太大。這里轉(zhuǎn)發(fā)集可以僅包含一個(gè)元素，這是為了確保 不與任何其他鄰居相鄰的鄰居節(jié)點(diǎn)也可以被選為備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，從而保證路由協(xié)議的收斂 性。上述機(jī)制中，備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)是隨機(jī)指定的，為了提高網(wǎng)絡(luò)能量均衡性，這 里設(shè)計(jì)了一種結(jié)合節(jié)點(diǎn)剩余能量來設(shè)定備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的機(jī)制。按節(jié)點(diǎn)剩余能量值確 定優(yōu)先級(jí)的高低，剩余能量越高優(yōu)先級(jí)越大，反之越小。這樣，在隨機(jī)的選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的基 礎(chǔ)上，考慮了節(jié)能能量損耗的均衡性，以使剩余能量較高的節(jié)點(diǎn)承擔(dān)更多的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，而剩 余能量較小的節(jié)點(diǎn)盡量減少承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)的機(jī)會(huì)，以此來均衡轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，進(jìn)而使全網(wǎng)能量 均衡，達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期的目的。圖1中描述了此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)的隨機(jī)行走路由協(xié)議的例子，傳感器節(jié)點(diǎn) S發(fā)送數(shù)據(jù)包到移動(dòng)sink節(jié)點(diǎn)D。S隨機(jī)選擇備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)為A、B、C，它們的RE值分別如 圖所示，節(jié)點(diǎn)A為0. 9，節(jié)點(diǎn)B為0. 4，節(jié)點(diǎn)C為0. 7，節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)順序由高到低順序?yàn)锳 CB。 數(shù)據(jù)包發(fā)出后，優(yōu)先級(jí)最高的A節(jié)點(diǎn)收到了此數(shù)據(jù)包，并發(fā)出此數(shù)據(jù)包，其它備選節(jié)點(diǎn)收到 此數(shù)據(jù)包后丟棄本地緩沖區(qū)內(nèi)的此數(shù)據(jù)包，不再發(fā)送。A節(jié)點(diǎn)繼續(xù)向sink節(jié)點(diǎn)D方向轉(zhuǎn)發(fā) 數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)發(fā)過程與前一跳相同，直到數(shù)據(jù)被送到sink節(jié)點(diǎn)為止。
權(quán)利要求
移動(dòng)無線多跳網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)的隨機(jī)行走路由方法，其特征在于所述隨機(jī)行走路由方法結(jié)合了機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)，無線節(jié)點(diǎn)采用全向天線，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性的發(fā)送Beacon包。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)無線多跳網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)的隨機(jī)行走路由方法，其 特征在于備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集的選擇具有隨機(jī)性，包括轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集中節(jié)點(diǎn)的選擇是在鄰居節(jié) 點(diǎn)中隨機(jī)選擇，集合的大小是1 η之間的隨機(jī)正整數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線多跳網(wǎng)絡(luò)中的隨機(jī)行走路由方法，其特征在于轉(zhuǎn)發(fā)節(jié) 點(diǎn)集中的節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)是隨機(jī)設(shè)定的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線多跳網(wǎng)絡(luò)中的隨機(jī)行走路由方法，其特征在于所述 Beacon包中攜帶節(jié)點(diǎn)ID、節(jié)點(diǎn)剩余能量信息和節(jié)點(diǎn)鄰居信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種移動(dòng)無線多跳網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)的隨機(jī)行走路由方法，該隨機(jī)行走路由方法結(jié)合了機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)，其無線節(jié)點(diǎn)采用全向天線，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性的發(fā)送Beacon包。在此基礎(chǔ)上，為了更進(jìn)一步的提高能量均衡能力，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)方案即，在機(jī)會(huì)路由的轉(zhuǎn)發(fā)策略中引入基于剩余能量的優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，即，備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)根據(jù)各備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的剩余能量來決定。應(yīng)用這些機(jī)制，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量的多少進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高了隨機(jī)行走的能量均衡性。本專利設(shè)計(jì)的路由方法不需要預(yù)先計(jì)算路徑，節(jié)點(diǎn)也不需要收集大量網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，開銷極低，在網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量較小、對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延遲沒有很高要求的移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)中具有優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)H04W40/12GK101820661SQ20101014185
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2010年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月8日
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