占空比無線傳感器網(wǎng)絡最小期望延遲路由方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種占空比無線傳感器網(wǎng)絡最小期望延遲路由方法，解決在占空比無線傳感器網(wǎng)絡中所有節(jié)點到匯節(jié)點的最小期望延遲路由問題。其中最小期望延遲時間為占空比無線傳感器網(wǎng)絡中任一節(jié)點在任意時隙以任一鄰居節(jié)點作為下一跳節(jié)點到基站的最小期望延遲時間。最小期望延遲路由方法包括初始化和路由更新，初始化是對所有傳感器節(jié)點路由表和時隙競爭表的內(nèi)容賦初值；根據(jù)網(wǎng)絡的層次結(jié)構(gòu)，路由更新由第0層逐層進行，通過層間路由更新信息的交互實現(xiàn)路由更新，節(jié)點依據(jù)網(wǎng)絡最小期望延遲時間原則選擇下一跳節(jié)點。本發(fā)明綜合考慮了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點休眠調(diào)度、無線鏈路質(zhì)量、節(jié)點競爭程度，具有更大的報文投遞率和更小的報文匯聚完成時間。
【專利說明】占空比無線傳感器網(wǎng)絡最小期望延遲路由方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡【技術領域】，主要涉及到無線傳感器網(wǎng)絡中路由的實 現(xiàn)，具體是一種占空比無線傳感器網(wǎng)絡最小期望延遲路由方法，用于占空比無線傳感器網(wǎng) 絡的路由。

【背景技術】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無 線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡，具有大規(guī)模、自組織、應用相關、資源受限、協(xié)同工 作等特性，無線傳感器網(wǎng)絡應用于對指定區(qū)域或目標信息的實時監(jiān)測、精確感知、快速采 集，已經(jīng)在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等諸多領域發(fā)揮作用。
[0003] 路由是無線傳感器網(wǎng)絡中一項基礎且重要的功能，它為網(wǎng)絡提供互聯(lián)機制，在源 和目的節(jié)點間建立傳輸路徑。由于無線傳感器節(jié)點通常W電池供電，而且電量耗盡后很難 更換，故為了節(jié)省節(jié)點能量，無線傳感器網(wǎng)絡通常采用占空比的工作模式。占空比模式讓 節(jié)點在休眠狀態(tài)和工作狀態(tài)之間進行切換，節(jié)點只在少量時間處于工作狀態(tài)發(fā)送或接收數(shù) 據(jù)，而在大部分時間處于休眠狀態(tài)。占空比模式節(jié)省了節(jié)點的能量，但是也帶來了其它問 題，如等待延遲和時變路由等，該些給路由設計帶來更大的挑戰(zhàn)。因此，路由協(xié)議設計時應 當考慮到傳感器節(jié)點的該種工作模式。
[0004] Shen Z, Zhang P. Routing in Duty-Cycled Surveillance Sensor Networks[J]. International Journal of Distributed Sensor Networks, 2013.提出了一種最小延遲路 由方法，該方法一次執(zhí)行即可為全網(wǎng)中所有節(jié)點確定在任意時隙到基站的最小延遲路由。 在尋找路由的過程中，每個節(jié)點依據(jù)鄰居節(jié)點的路由更新信息更新自身的路由表，最終每 個節(jié)點的路由表都將收斂得到任意時隙到基站的最小延遲W及相應的下一跳節(jié)點。
[0005] 此方法具有高效完備的特點，高效性表現(xiàn)在，該算法一次執(zhí)行，即可完成為任意節(jié) 點尋找最小延遲路由的過程；完備性表現(xiàn)在，該算法的一次執(zhí)行，即可為所有節(jié)點在任意時 隙尋找最小延遲路由，在時間維度上保證完備性。
[0006] 最小延遲路由從理論的角度很好解決了占空比無線傳感器網(wǎng)絡最小延遲路由，但 是還存在W下兩方面問題。
[0007] -方面，沒有考慮無線鏈路質(zhì)量對鏈路延遲的影響。在實際當中，無線鏈路質(zhì)量隨 時間和空間的變化而變化，導致無線鏈路具有不穩(wěn)定性，而基于理想鏈路假設的最小延遲 路由方法，只考慮到由于占空比工作方式造成的鏈路時延，而忽略無線鏈路質(zhì)量對報文傳 輸延遲的影響。
[0008] 另一方面，沒有考慮節(jié)點競爭對鏈路延遲的影響。最小延遲路由采用鏈路延遲計 算節(jié)點的下一跳節(jié)點。但是大量事件并發(fā)需要大量報文匯聚，如此將伴隨節(jié)點競爭的提升， 節(jié)點競爭程度增高，同樣影響到報文傳輸延遲。
[0009] 在網(wǎng)上通過檢索，未發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明密切相關的文獻。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 針對現(xiàn)有技術中最小延遲路由方法沒有考慮到無線鏈路質(zhì)量和節(jié)點競爭程度兩 方面因素，而在占空比無線傳感器網(wǎng)絡尋找路由的過程中，由于不考慮無線鏈路質(zhì)量和節(jié) 點競爭的影響，會直接影響路由有效性，為此本發(fā)明提出一種占空比無線傳感器網(wǎng)絡最小 期望延遲路由方法。
[0011] 本發(fā)明是一種占空比無線傳感器網(wǎng)絡最小期望延遲路由方法，全網(wǎng)W同步周期占 空比的方式工作，一個周期由T個連續(xù)時隙組成，T > 1，依照應用需求，任意節(jié)點在周期T 內(nèi)的一個時隙或多個時隙處于工作狀態(tài)，其余時隙處于休眠狀態(tài)，網(wǎng)絡中每個節(jié)點依據(jù)其 距離基站的最小跳數(shù)確定所屬層次，基站屬于第0層，距離基站最小跳數(shù)為1跳的節(jié)點屬于 第一層，依次類推，最大層用maxLayer表示，節(jié)點內(nèi)還包括一個路由表、一個時隙競爭表、 一個父鄰節(jié)點表化therNei曲bors和一個子鄰節(jié)點表sonNei曲bors，所述最小期望延遲路 由方法包含初始化過程和路由更新過程兩個部分。
[0012] 第1部分，初始化過程：
[0013] 初始化過程在節(jié)點間是相互獨立的，具體是所有傳感器節(jié)點對自身路由表和時 隙競爭表的內(nèi)容賦初值，路由表包含期望延遲信息表expDelay[l，2, . . .，T]和下一跳節(jié) 點信息表nextHop[l, 2, . . .，口，其中expDelay[l, 2, . . .，口包含T項，表示節(jié)點在一個 周期內(nèi)，從第1個時隙至第T個時隙傳輸報文至基站節(jié)點的期望延遲時間，用時隙表示， nex地op[l，2,. . .，T]表示節(jié)點在一個周期內(nèi)，從第1個時隙至第T個時隙傳輸報文至基站 節(jié)點路由中的下一跳節(jié)點，任意節(jié)點i的時隙競爭表為competorsjl，2,. . .，T]，包含T項， 每一項包含在相應時隙W節(jié)點i作為下一跳的節(jié)點。
[0014] 第2部分，路由更新過程：
[0015] 路由更新過程由第0層開始逐層進行，首先由基站構(gòu)造路由更新信息并進行廣 播，逐層更新過程中，任意兩層的層間節(jié)點通過路由更新信息的交互實現(xiàn)較高一層節(jié)點路 由表的更新，節(jié)點依據(jù)網(wǎng)絡最小期望延遲時間原則選擇下一跳節(jié)點，節(jié)點的時隙競爭表或 路由表獲得更新，都將構(gòu)造路由更新信息并進行廣播，層間路由更新過程結(jié)束后，較高一層 節(jié)點獲得任意時隙到基站的最小期望延遲路由，直到網(wǎng)絡中的倒數(shù)第二層即maxLayer-1 層與最大層即maxLayer層的層間路由更新過程結(jié)束，全網(wǎng)路由更新過程完畢。
[0016] 本發(fā)明的實現(xiàn)還在于占空比無線傳感器網(wǎng)絡最小期望延遲路由方法，節(jié)點路由表 的初始化、時隙競爭表的初始化包括有如下步驟：
[0017] 1. a路由表的初始化，初始化基站S的期望延遲信息表和下一跳節(jié)點信息表為 expDelayJl, 2, . . . , 口 = 0, nextHopJl, 2, . . . , 口 = S ;對于除基站外任意節(jié)點 i，初始化 expDelayJl, 2, . . . , T] , nextHopJl, 2, . . . , T] = i，°°通常用一個極大數(shù)表示。
[0018] 1. b時隙競爭表的初始化，初始化所有節(jié)點的時隙競爭表內(nèi)的T項皆為空。
[0019] 本發(fā)明的實現(xiàn)還在于占空比無線傳感器網(wǎng)絡最小期望延遲路由方法，逐層更新過 程中，任意兩層的層間節(jié)點通過路由更新信息的交互實現(xiàn)較高一層節(jié)點路由表的更新，包 括兩種情況：
[0020] 任意節(jié)點i接收化therNei曲bors中任一節(jié)點j發(fā)來的路由更新信息，路由更新 信息中包含節(jié)點j的時隙競爭表和期望延遲信息表，節(jié)點i根據(jù)路由更新信息，對一個周期 內(nèi)的每個時隙計算W節(jié)點j為下一跳到基站sink的期望延遲。
[0021] 2. 1. a在任意時隙，節(jié)點i的期望延遲信息表對應項為初始化狀態(tài)，更新期望延遲 信息表的對應項為W節(jié)點j為下一跳計算得到的期望延遲，更新下一跳節(jié)點信息表對應項 為節(jié)點j。
[0022] 2. 1. b在任意時隙，節(jié)點i的期望延遲信息表對應項不為初始化狀態(tài)，節(jié)點j若為 節(jié)點i在該時隙的下一跳節(jié)點，則直接更新期望延遲信息表對應項為W節(jié)點j為下一跳計 算得到的新的期望延遲，節(jié)點j若不為節(jié)點i的下一跳，同樣在該時隙W節(jié)點j為下一跳計 算得到新的期望延遲，如果新的期望延遲小于節(jié)點i期望延遲信息表對應項，更新期望延 遲信息表對應項為新的期望延遲，并更新下一跳節(jié)點信息表對應項為節(jié)點j。
[002引任意節(jié)點i接收到sonNei曲bors中任一節(jié)點j發(fā)來的路由更新信息，路由更新信 息中包含節(jié)點j的下一跳節(jié)點信息表，根據(jù)路由更新信息，節(jié)點i遍歷節(jié)點j的下一跳節(jié)點 信息表。
[0024] 2. 2. a在任意時隙，節(jié)點j的下一跳節(jié)點信息表對應項為節(jié)點i，若節(jié)點i的時隙 競爭表對應項不包含節(jié)點j，在節(jié)點i的時隙競爭表對應項中添加節(jié)點j。
[0025] 2. 2. b在任意時隙，節(jié)點j的下一跳節(jié)點信息表對應項不為節(jié)點i，若節(jié)點i的時 隙競爭表對應項包含節(jié)點j，從節(jié)點i的時隙競爭表對應項中刪除節(jié)點j，時隙競爭表中不 包含重復項。
[0026] 本發(fā)明采用上述占空比無線傳感器網(wǎng)絡中最小期望延遲路由方法，從基站開始逐 層更新，一次執(zhí)行即可為所有節(jié)點確定在任意時隙至基站的最小期望延遲路由。
[0027] 本發(fā)明的實現(xiàn)還在于：占空比無線傳感器網(wǎng)絡中任一節(jié)點i在任意時隙t W任一 鄰居節(jié)點j作為下一跳節(jié)點到基站sink的期望延遲時間為 SMAX
[0028] expDday'.W 二藝 7^/(s)x[如/uv，,y(t，s) + expDday/((t+^/u>',./(t，s))mocfn] 玄二1
[002引其中，delay。(t，S)表示節(jié)點i到節(jié)點j的延遲時間，具體是節(jié)點i W節(jié) 點j作為下一跳節(jié)點，從第t時隙起，直到報文被第S次嘗試發(fā)送且發(fā)送成功，所經(jīng) 歷的時隙數(shù)；t+delayy (t，S)表示節(jié)點j轉(zhuǎn)發(fā)來自節(jié)點i的報文的時隙；modT表示對 T取模，（t+delayy (t, S)) modT表示在周期內(nèi)，節(jié)點j轉(zhuǎn)發(fā)來自節(jié)點i的報文的時隙； expDelayj((t+delayu(t, s))modT)表示在第（t+delayu(t, s))modT 時隙，節(jié)點 j 到 sink 的 期望延遲時間；(16137。.(1：，3)+6義口06137^(1+(16137。.(1：，3))1]10(11')表示節(jié)點；[^節(jié)點^'作為 下一跳節(jié)點到sink的延遲時間；Py(s)表示節(jié)點i W節(jié)點j作為下一跳節(jié)點，報文在第S 次嘗試發(fā)送才發(fā)送成功的概率；SMAX表示報文最大嘗試發(fā)送次數(shù)，Py(s)與delayu(t，s) + expDelayj((t+delayu(t, s))modT)相乘并進行從s = 1到s = SMAX的累和表示節(jié)點i在 時隙t W鄰居節(jié)點j作為下一跳節(jié)點到基站sink的期望延遲時間。
[0030] 本發(fā)明采用上述公式計算期望延遲作為路由更新過程中節(jié)點選擇下一跳的度量 標準，提高節(jié)點選擇路由的有效性。
[0031] 本發(fā)明的實現(xiàn)還在于：期望延遲時間中用Py(s)表示節(jié)點i向節(jié)點j傳輸報文，報 文在第S次嘗試發(fā)送才發(fā)送成功的概率為
[0032] Pu(s) = (l-(PduXPbu)r-i(PduXPbu)/P。'
[0033] Py表示報文最大嘗試發(fā)送次數(shù)SMAX內(nèi)，報文成功傳輸?shù)母怕蕿?br> [0034

【權(quán)利要求】
1. 一種占空比無線傳感器網(wǎng)絡最小期望延遲路由方法，全網(wǎng)以同步周期占空比的方式 工作，一個周期由T個連續(xù)時隙組成，T彡1，依照應用需求，任意節(jié)點在周期T內(nèi)的一個時 隙或多個時隙處于工作狀態(tài)，其余時隙處于休眠狀態(tài)，其特征在于，網(wǎng)絡中每個節(jié)點依據(jù)其 距離基站的最小跳數(shù)確定所屬層次，基站屬于第〇層，距離基站最小跳數(shù)為1跳的節(jié)點屬于 第一層，依次類推，最大層用maxLayer表不，節(jié)點內(nèi)還包括一個路由表、一個時隙競爭表、 一個父鄰節(jié)點表fatherNeighbors和一個子鄰節(jié)點表sonNeighbors，所述最小期望延遲路 由方法包含初始化過程和路由更新過程兩個部分： 第1部分，初始化過程： 初始化過程在節(jié)點間是相互獨立的，具體是所有傳感器節(jié)點對自身路由表和時隙競爭 表的內(nèi)容賦初值，路由表包含期望延遲信息表expDelay[l，2, . . .，T]和下一跳節(jié)點信息表 nextHop[1，2, ? ? ?，T]，任意節(jié)點i的時隙競爭表為competorSi[1，2, ? . ?，T]; 第2部分，路由更新過程： 路由更新過程由第〇層開始逐層進行，逐層更新過程中，任意兩層的層間節(jié)點通過路 由更新信息的交互實現(xiàn)較高一層節(jié)點路由表的更新，節(jié)點依據(jù)網(wǎng)絡最小期望延遲時間原則 選擇下一跳節(jié)點，層間路由更新過程結(jié)束后，較高一層節(jié)點獲得任意時隙到基站的最小期 望延遲路由，直到網(wǎng)絡中的倒數(shù)第二層即maxLayer-1層與最大層即maxLayer層的層間路 由更新過程結(jié)束，全網(wǎng)路由更新過程完畢。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的占空比無線傳感器網(wǎng)絡最小期望延遲路由方法，其特征在于 節(jié)點路由表的初始化、時隙競爭表的初始化： 1.a路由表的初始化，初始化基站s的期望延遲信息表和下一跳節(jié)點信息表為 expDelays[l, 2, ? ? ?，T] = 0,nextHops[l, 2, ? ? ?，T] =s，對于除基站外任意節(jié)點i，初始化 expDelayj[1, 2, . . . ,T] = 00 ,nextHopj[1, 2, . . . ,T] =i； 1. b時隙競爭表的初始化，初始化所有節(jié)點的時隙競爭表內(nèi)的T項皆為空。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的占空比無線傳感器網(wǎng)絡最小期望延遲路由方法，逐層更新過 程中，任意兩層的層間節(jié)點通過路由更新信息的交互實現(xiàn)較高一層節(jié)點路由表的更新，包 括兩種情況： 任意節(jié)點i接收fatherNeighbors中任一節(jié)點j發(fā)來的路由更新信息，路由更新信息 中包含節(jié)點j的時隙競爭表和期望延遲信息表，節(jié)點i根據(jù)路由更新信息，對一個周期內(nèi)的 每個時隙計算以節(jié)點j為下一跳到基站sink的期望延遲； 2. l.a在任意時隙，若節(jié)點i的期望延遲信息表對應項為初始化狀態(tài)，更新期望延遲信 息表對應項為以節(jié)點j為下一跳計算得到的期望延遲，更新下一跳節(jié)點信息表對應項為節(jié) 占i? 2. 1.b在任意時隙，節(jié)點i的期望延遲信息表對應項不為初始化狀態(tài)，節(jié)點j若為節(jié)點i在該時隙的下一跳節(jié)點，則直接更新期望延遲信息表對應項為以節(jié)點j為下一跳計算得 到的新的期望延遲，節(jié)點j若不為節(jié)點i的下一跳，同樣在該時隙以節(jié)點j為下一跳計算得 到新的期望延遲，如果新的期望延遲小于節(jié)點i期望延遲信息表對應項，更新期望延遲信 息表對應項為新的期望延遲，并更新下一跳節(jié)點信息表對應項為節(jié)點j; 任意節(jié)點i接收到sonNeighbors中任一節(jié)點j發(fā)來的路由更新信息，路由更新信息中 包含節(jié)點j的下一跳節(jié)點信息表，根據(jù)路由更新信息，節(jié)點i遍歷節(jié)點j的下一跳節(jié)點信息 表； 2. 2.a在任意時隙，節(jié)點j的下一跳節(jié)點信息表對應項為節(jié)點i，若節(jié)點i的時隙競爭 表對應項不包含節(jié)點j，在節(jié)點i的時隙競爭表對應項中添加節(jié)點j; 2. 2.b在任意時隙，節(jié)點j的下一跳節(jié)點信息表對應項不為節(jié)點i，若節(jié)點i的時隙競 爭表對應項包含節(jié)點j，從節(jié)點i的時隙競爭表對應項中刪除節(jié)點j，時隙競爭表中不包含 重復項。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的占空比無線傳感器網(wǎng)絡最小期望延遲路由方法，其特征在 于，所述期望延遲時間為
該延遲時間是占空比無線傳感器網(wǎng)絡中任一節(jié)點i在任意時隙t以任一鄰居節(jié)點j作 為下一跳節(jié)點到基站sink的期望延遲時間，其中，delays(t,s)表示節(jié)點i到節(jié)點j的延遲 時間，具體是節(jié)點i以節(jié)點j作為下一跳節(jié)點，從第t時隙起，直到報文被第s次嘗試發(fā)送 且發(fā)送成功，所經(jīng)歷的時隙數(shù)；t+delayyi:，s)表示節(jié)點j轉(zhuǎn)發(fā)來自節(jié)點i的報文的時隙； modT表示對T取模，（t+delayyi:，s))modT表示在周期內(nèi)，節(jié)點j轉(zhuǎn)發(fā)來自節(jié)點i的報文的 時隙；61口〇6]^}^((^+(16135^」（1：，8))1]10(11')表示在第（^+(16135^」（1：，8))1]10(11'時隙，節(jié)點」到 sink的期望延遲時間； delay^U,shexpDelayjUt+delayijU,s))modT)表示節(jié)點i以節(jié)點j作為下一跳節(jié)點 到sink的延遲時間；Pij(s)表示節(jié)點i以節(jié)點j作為下一跳節(jié)點，報文在第s次嘗試發(fā)送 才發(fā)送成功的概率；SMAX表示報文最大嘗試發(fā)送次數(shù)，Pij(s)與delayijU,s)+expDelay」（ (t+delay^U,s))modT)相乘并進行從s= 1到s=SMAX的累和表示節(jié)點i在時隙t以鄰 居節(jié)點j作為下一跳節(jié)點到基站sink的期望延遲時間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的占空比無線傳感器網(wǎng)絡最小期望延遲路由方法，其特征在 于，期望延遲時間中用Pij(s)表示節(jié)點i向節(jié)點j傳輸報文，報文在第s次嘗試發(fā)送才發(fā)送 成功的概率為
Pij表示報文最大嘗試發(fā)送次數(shù)SMAX內(nèi)，報文成功傳輸?shù)母怕蕿?br> Ph表示節(jié)點競爭成功率，0彡Pbu彡1，Pdu表示報文成功傳輸率，0彡Pdu彡1。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的占空比無線傳感器網(wǎng)絡最小期望延遲路由方法，其特征在 于，報文成功傳輸?shù)母怕手杏肞bu表示節(jié)點i向節(jié)點j傳輸報文，節(jié)點i競爭成功的概率， 在某個時隙，節(jié)點i存在n-1個競爭節(jié)點時，節(jié)點i競爭成功的概率為
節(jié)點與節(jié)點i同時有報文的概率， 表示當節(jié)點i與C個有報文的節(jié)點競爭節(jié)點
j，節(jié)點i競爭成功的概率。
【文檔編號】H04W40/02GK104486808SQ201410766764
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月12日
【發(fā)明者】沈中, 張鵬, 楊璐璐 申請人:西安電子科技大學