專利名稱：基于能量感知的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)機(jī)會(huì)路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于能量感知的無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)機(jī)會(huì)路由方法。
背景技術(shù)：
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)發(fā)展中，盡可能的延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作壽命 成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。由于受到成本和體積等因素的限制，無(wú)線傳 感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的處理能力、無(wú)線帶寬和電池容量都十分有限。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)的能量在大多數(shù)的 情況下是無(wú)法得到補(bǔ)充的。為了提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量均衡 問(wèn)題已成為研究的重點(diǎn)問(wèn)題。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以監(jiān)測(cè)區(qū)域和感知數(shù)據(jù)為目的，網(wǎng)絡(luò)由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)和少量 匯聚(sink)節(jié)點(diǎn)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，sink節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)匯總網(wǎng)絡(luò)中傳感 器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，同時(shí)也是網(wǎng)絡(luò)的控制節(jié)點(diǎn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。通常，大 量的傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)被隨機(jī)布撒在監(jiān)測(cè)區(qū)域的內(nèi)部和周圍，無(wú)線信道的廣播特性使得某節(jié)點(diǎn) 的一次分組轉(zhuǎn)發(fā)可能被周圍多個(gè)節(jié)點(diǎn)收到。因而，區(qū)域中每一次數(shù)據(jù)傳輸都總可能有不止 一個(gè)的節(jié)點(diǎn)能夠成為潛在的下一跳節(jié)點(diǎn)，從而提供多個(gè)潛在的傳輸路徑。傳統(tǒng)的確定性路 由方式，在數(shù)據(jù)傳輸前先建立一條端到端的節(jié)點(diǎn)序列，然后在每次分組轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，先確定一個(gè) 下一跳節(jié)點(diǎn)，再執(zhí)行鏈路層轉(zhuǎn)發(fā)。這種方式持續(xù)使用某一特定序列內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸， 沒有利用冗余節(jié)點(diǎn)分擔(dān)負(fù)載，易造成網(wǎng)絡(luò)能耗的不均衡。機(jī)會(huì)路由是一種充分利用信道廣播特性的路由方式。通過(guò)潛在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)、自 主智能判斷等機(jī)制進(jìn)行下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇，使數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)在備選節(jié)點(diǎn)中協(xié)調(diào)分擔(dān)，有助 于均衡能耗，提高網(wǎng)絡(luò)投遞率等。研究機(jī)會(huì)路由算法來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)性能已經(jīng)成為當(dāng)前傳感器 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。機(jī)會(huì)路由的主要問(wèn)題包括如何選擇備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、如何為各 備選節(jié)點(diǎn)分配轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)等。選擇有針對(duì)性的度量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量備選節(jié)點(diǎn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能有 至關(guān)重要的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在發(fā)明一種針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于能量感知的機(jī)會(huì)路由方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸需要時(shí)，首先建立一條 源到目的的最短路徑；之后，節(jié)點(diǎn)將其自身的鄰節(jié)點(diǎn)集與其在最短路徑上的下兩跳節(jié)點(diǎn)的 鄰節(jié)點(diǎn)集的交集中的節(jié)點(diǎn)作為本次數(shù)據(jù)發(fā)送的備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)；然后以備選集中各節(jié)點(diǎn)的能 量情況來(lái)確定節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)，繼而通過(guò)MAC層基于RTS-CTS的控制包應(yīng)答方式 對(duì)備選節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)，完成數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明的路由方法，主要用于在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中使能量較充沛的節(jié)點(diǎn)成為下一跳 節(jié)點(diǎn)，通過(guò)這種機(jī)制，可以均衡節(jié)點(diǎn)間的負(fù)載，從而達(dá)到均衡全網(wǎng)能量消耗的目的。


圖1備選節(jié)點(diǎn)選擇示意圖。圖2節(jié)點(diǎn)發(fā)送CTS時(shí)的時(shí)槽長(zhǎng)度設(shè)置示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。本發(fā)明是在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會(huì)路由機(jī)制中，以節(jié)點(diǎn)的能量情況作為依據(jù)來(lái)判 定備選節(jié)點(diǎn)集里節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)，從而均衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗。當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸需要時(shí)，首先建立一條源到目的的最短路徑。之后，節(jié)點(diǎn)會(huì)將其自身 的鄰節(jié)點(diǎn)集與其在最短路徑上的下兩跳節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)集的交集中的節(jié)點(diǎn)作為本次數(shù)據(jù)發(fā) 送的備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。然后以備選集中各節(jié)點(diǎn)的能量情況來(lái)確定節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)， 繼而通過(guò)MAC層基于RTS-CTS的控制包應(yīng)答方式對(duì)備選節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)，完成數(shù)據(jù)傳輸。備選節(jié)點(diǎn)集的確定
如何確定備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集是機(jī)會(huì)路由機(jī)制中的關(guān)鍵問(wèn)題。在本發(fā)明中，確定備 選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集的方法是當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)時(shí)，首先建立一條源到目的節(jié)點(diǎn)的最短 路徑。則該條路徑中的所有節(jié)點(diǎn)以及它們的一跳鄰居，均可能成為備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集 中的節(jié)點(diǎn)。對(duì)某個(gè)節(jié)點(diǎn)而言，其自身的鄰節(jié)點(diǎn)集與其在最短路徑上的下兩跳節(jié)點(diǎn)的 鄰節(jié)點(diǎn)集的交集中的節(jié)點(diǎn)，即為本次數(shù)據(jù)發(fā)送的備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，換言之，節(jié)點(diǎn)與其在 最短路徑上的下兩跳節(jié)點(diǎn)的共同鄰居即為備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。公式化表示為設(shè)ViR 表i節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)集，j節(jié)點(diǎn)是i節(jié)點(diǎn)在最短路徑上的下一跳節(jié)點(diǎn)，k節(jié)點(diǎn)是j節(jié) 點(diǎn)的下一跳節(jié)點(diǎn)，即k節(jié)點(diǎn)為i節(jié)點(diǎn)的下兩跳節(jié)點(diǎn)。則節(jié)點(diǎn)i的轉(zhuǎn)發(fā)備選集Si為
Si=ViI Vjl Vt。之所以必須是三個(gè)節(jié)點(diǎn)的共同鄰居是避免可能出現(xiàn)一種情況某節(jié)點(diǎn)是
i與j共同鄰居但卻位于k的通信范圍之外，則該節(jié)點(diǎn)一旦被i選擇為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，它很可能 依然必須經(jīng)由j來(lái)到達(dá)k，或不得不選擇過(guò)于繞遠(yuǎn)的路徑，從而造成了能量和時(shí)間的浪費(fèi)。 實(shí)例如附圖1所示。圖中，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S有數(shù)據(jù)要發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)D時(shí)，首先以常規(guī)方式建立 一條S到D的最短路由，該條路由的節(jié)點(diǎn)序列為SAB⑶，與ABC這三個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)僅一跳距離 的節(jié)點(diǎn)，均有可能成為備選轉(zhuǎn)發(fā)集中的節(jié)點(diǎn)。對(duì)于A而言，其與B和C的共同鄰居E、F即為 A可選擇的備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。而節(jié)點(diǎn)G只在A和B的通信范圍內(nèi)，一旦成為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，則依然 需要依靠B與C通信，故其不能被選擇為備選節(jié)點(diǎn)。具體實(shí)現(xiàn)如下在最短路由建立后，使節(jié)點(diǎn)通過(guò)報(bào)文交換了解到其一跳鄰居情況， 并建立相應(yīng)的鄰居表。處于最短路由上的節(jié)點(diǎn)將自己的鄰居情況以分組的形式在最短路徑 上的兩跳內(nèi)傳播。收到該分組的節(jié)點(diǎn)建立對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)來(lái)記錄自己的兩跳鄰節(jié)點(diǎn)集。通過(guò)這 種方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠知道自己兩跳內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)情況，繼而求交集得出節(jié)點(diǎn)自身的備 選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。備選節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)的確定及協(xié)調(diào)
備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集確定以后，需要給予各個(gè)備選節(jié)點(diǎn)不同的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)節(jié) 點(diǎn)。本發(fā)明中節(jié)點(diǎn)間的協(xié)調(diào)通過(guò)MAC層基于RTS-CTS的控制包應(yīng)答方式，有數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求 的節(jié)點(diǎn)首先廣播RTS，備選節(jié)點(diǎn)收到后依照優(yōu)先級(jí)回送CTS，一旦數(shù)據(jù)包發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到第一 個(gè)CTS后，它就會(huì)選擇這個(gè)發(fā)送CTS的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)為數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)預(yù)約了無(wú)線信道；其它備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)聽到數(shù)據(jù)發(fā)送后停止發(fā)送CTS。具體的協(xié)議實(shí)現(xiàn)如下首先，在節(jié)點(diǎn)交換鄰居信息的同時(shí)，通過(guò)在信息中包含各節(jié) 點(diǎn)的能量情況，使節(jié)點(diǎn)可以獲知鄰居節(jié)點(diǎn)的能量狀況，并依據(jù)該情況，對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一個(gè) 能量排位。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，首先廣播RTS，該RTS中包含各備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)所對(duì) 應(yīng)的能量排位；在備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)收到RTS后，以接收RTS的時(shí)間下沿為起點(diǎn)，按各自排位所 確定地優(yōu)先級(jí)，依次在屬于自己的時(shí)槽內(nèi)回送CTS;時(shí)槽的劃分可以采用全網(wǎng)時(shí)間同步的 方式，也可采用從RTS時(shí)間下沿開始各節(jié)點(diǎn)分別計(jì)時(shí)的方法(具體方法為排位號(hào)乘以單個(gè) 時(shí)槽長(zhǎng)度);時(shí)槽長(zhǎng)度??；㈣的設(shè)置必須略大于從節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送CTS到首個(gè)數(shù)據(jù)包抵達(dá)的時(shí)間 長(zhǎng)度，如圖2所示。這樣的設(shè)置是為了避免因隱藏終端所帶來(lái)的碰撞如圖1，E與F并不在 彼此的通信范圍內(nèi)，無(wú)法偵聽到對(duì)方發(fā)送的CTS。假設(shè)F優(yōu)先級(jí)靠后，若E已經(jīng)發(fā)送CTS，且 A開始發(fā)送數(shù)據(jù)給E，則F只有在等待了大于Tsl。t的時(shí)間后，才可能因聽到A發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包 而抑制自己發(fā)送CTS，從而避免了碰撞。選擇基于RTS-CTS的控制包應(yīng)答方式是因?yàn)榕c機(jī)會(huì)路由中其他常見的基于ACK分 組應(yīng)答方式和數(shù)據(jù)包應(yīng)答模式相比，基于RTS-CTS的控制包應(yīng)答方式可以通過(guò)相對(duì)較小的 控制分組開銷，使更少的節(jié)點(diǎn)參與數(shù)據(jù)分組的接收和發(fā)送，從而最大限度的節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能
耗 ο
權(quán)利要求
1.基于能量感知的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)機(jī)會(huì)路由方法，其特征在于在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸需要時(shí)，首先建立一條源到目的的最短路徑；之后，節(jié)點(diǎn)將其自身的鄰節(jié) 點(diǎn)集與其在最短路徑上的下兩跳節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)集的交集中的節(jié)點(diǎn)作為本次數(shù)據(jù)發(fā)送的備 選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)；然后以備選集中各節(jié)點(diǎn)的能量情況來(lái)確定節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)，繼而通 過(guò)MAC層基于RTS-CTS的控制包應(yīng)答方式對(duì)備選節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)，完成數(shù)據(jù)傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于能量感知的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)機(jī)會(huì)路由 方法，其特征在于確定備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集的方法是，設(shè)Vi代表i節(jié)點(diǎn)的鄰居 節(jié)點(diǎn)集，j節(jié)點(diǎn)是i節(jié)點(diǎn)在最短路徑上的下一跳節(jié)點(diǎn)，k節(jié)點(diǎn)是j節(jié)點(diǎn)的下 一跳節(jié)點(diǎn)，即k節(jié)點(diǎn)為i節(jié)點(diǎn)的下兩跳節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)i的轉(zhuǎn)發(fā)備選集Si為 S1^V1I Vj I Vt。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于能量感知的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)機(jī)會(huì)路由方法，其特征在 于，所述節(jié)點(diǎn)間的協(xié)調(diào)通過(guò)MAC層基于RTS-CTS的控制包應(yīng)答方式節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)包之前 首先發(fā)送RTS，該RTS中包含各備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的能量排位；備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)按優(yōu)先級(jí)分時(shí) 槽回送CTS ；—旦數(shù)據(jù)包發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到第一個(gè)CTS后，它就會(huì)選擇這個(gè)發(fā)送CTS的節(jié)點(diǎn)作為 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)為數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)預(yù)約了無(wú)線信道；其它備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)聽到數(shù)據(jù)發(fā)送后停止 發(fā)送CTS。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于能量感知的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)機(jī)會(huì)路由方法，其特征在 于節(jié)點(diǎn)在分時(shí)槽回送CTS時(shí)，時(shí)槽長(zhǎng)度必須略大于從節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送CTS到首個(gè)數(shù)據(jù)包抵達(dá) 的時(shí)間長(zhǎng)度，以避免因隱藏終端所帶來(lái)的碰撞。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種基于能量感知的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)機(jī)會(huì)路由方法，屬于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)領(lǐng)域。具體方法是在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸需要時(shí)，首先建立一條源到目的的最短路徑。之后，節(jié)點(diǎn)會(huì)將其自身的鄰節(jié)點(diǎn)集與其在最短路徑上的下兩跳節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)集的交集中的節(jié)點(diǎn)作為本次數(shù)據(jù)發(fā)送的備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。然后以備選集中各節(jié)點(diǎn)的能量情況來(lái)確定節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)，繼而通過(guò)MAC層基于RTS-CTS的控制包應(yīng)答方式對(duì)備選節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)，完成數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明主要用于在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中使能量較充沛的節(jié)點(diǎn)成為下一跳節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到均衡全網(wǎng)能量消耗的目的。
文檔編號(hào)H04W40/10GK102083164SQ20111004776
公開日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者王嵚, 趙壯, 高雪 申請(qǐng)人:無(wú)錫泛聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司