CN101175041A - 一种Ad Hoc网络最优能量消耗路径选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Ad Hoc网络最优能量消耗路径选择方法，所采用的方法是：1.在发送的数据包中添加一个数据项cost，并记录本节点i的能量消耗；2.取出cost数据项，同时根据此时的能量消耗程度确定所属区域；3.当节点i在正常区时，记录前项节点为S，并依次向下一个邻居节点转发RREQ数据包，并向源节点S发送RREP数据包来建立通向源节点的路径；4.得到最小能量消耗的设为cost_min作为j的上游节点；5.向上游节点发送RREP数据包来建立通向上游节点的路径。本发明在分析Ad hoc网络的特点的基础上，忽略节点的物理层，数据链路层的能量消耗，重点考虑网络层的能量消耗来建立最优路径能量模型，从而避免能量过多消耗所带来的网络断裂和影响传输数据信息的效率。

Description

一种Ad Hoc网络最优能量消耗路径选择方法

技术领域

本发明属于网络计算及无线网络路由协议领域，具体地讲是一种AdHoc网络最优能量消耗路径选择方法。

背景技术

Ad Hoc网络的特点是各节点地位平等，能自由移动，并且通过无线信道进行通信，移动终端本身由电池供电。同时，随着移动终端性能的提升和功能的加强，对电能的需求不断提高，因此在Ad Hoc网络中采各种节能机制成为当前研究的主要热点。从Ad Hoc网络层次结构上来分析，整个网络中的能量消耗主要集中在物理层、数据链路层和网络层。物理层主要是各个节点接收到邻居节点发送信号时的接收功率和本身节点的一些硬件器件(CPU，LCD等)的消耗。数据链路层主要是基于MAC层的IEEE 802.11的DCF(Distributed Coordination Function)在独立的网络配置下共享无线信道的基本接入方式的基础之上。当某个节点(处于sleep状态)将要正常工作时，先要监听无线共享信道是否被占用，如果被占用则要继续监听等待若干个随机时间片段，以此来为占用信道发送数据包做准备；或者当节点处于Active状态，节点正常发送数据包。但由于物理层和数据链路层都与硬件的联系比较大，因此这部分的能量最少消耗主要来根据硬件的设计来进行保证。因此，本专利的重点主要集中在网络层，这部分基本上属于软件的处理过程，能量消耗主要集中在每个节点的发送，接收和转发的过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种在分析Ad hoc网络中各个节点能量消耗情况的基础上，结合最优化理论思想的Ad Hoc网络最优能量消耗路径选择方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的方法是：

第一步骤：源节点S在发送的数据包(RREQ)中添加一个数据项cost，并计算出记录本节点i的能量消耗；

第二步骤：邻居节点i在收到的RREQ数据包时，取出cost数据项cost_old，同时根据此时的能量消耗程度确定所属区域；

第三步骤：当节点i在正常区时，从而来计算能量消耗C_i(t)，更新cost_new(cost_new＝cost_old+C_i(t))，记录前项节点为S，并依次向下一个邻居节点转发RREQ数据包，并向源节点S发送RREP数据包来建立通向源节点的路径，如果当源节点在严重区或警告区时，该节点就向邻居节点及其上游节点发送RWARN数据包，源节点S在建立路径的过程中，避免使用该节点，绕过能量消耗过多的节点，不再更新cost_new，也不再向下一个邻居节点转发RREQ数据包。

第四步骤：依次类推进行上面的过程，当中间节点j接收到从不同邻居节点(例如k，l，m)发送RREQ数据包，并判断此时能量消耗程度，当该节点处于正常区时，节点分别取出对应的cost(cost_k，cost_l，cost_m各不相同)进行判断，得到最小的设为cost_min。如果cost_k＝cost_l＝cost_m选取其中之一作为j的上游节点；

第五步：分三种情况：

(1)当cost_min等于cost_k时

节点j更新RREQ数据包中的cost＝cost_k+E(j)，并记录前项节点k，同时转发RREQ数据包给下一个节点。并向上游节点k发送RREP数据包来建立通向上游节点的路径；

(2)当cost_min等于cost_l时

节点j更新RREQ数据包中的cost＝cost_l+E(j)，并记录前项节点1，同时转发RREQ数据包给下一个节点，并向上游节点1发送RREP数据包来建立通向上游节点的路径；

(3)当cost_min等于cost_m时

节点j更新RREQ数据包中的cost＝cost_l+E(j)，并记录前项节点m，同时转发RREQ数据包给下一个节点，并向上游节点m发送RREP数据包来建立通向上游节点的路径；

第六步骤：依次类推进行上面的过程，当目的节点D收到邻居节点n发送的RREQ数据包，cost里的数据内容就是从源节点S到目的节点的前项节点的整个一条路径所消耗是能量之和cost_D-1，更新cost＝cost_D-1+E(D)，记录前项节点n，并向上游节点发送RREP数据包来建立通向上游节点的路径，整个过程结束，同时节点S到节点D的路径建立成功。

本发明在分析Ad hoc网络的特点的基础上，结合网络中各个层次上能量消耗的情况，提出了新的能量消耗路径的计算方法。该方法忽略了节点的物理层，数据链路层的能量消耗，重点考虑网络层的能量消耗，从而利用最优化理论来对每个节点建立能量消耗计算公式，同时由于Adhoc网络中数据信息的通信都是由节点与节点进行多跳来进行转发的，因此在源节点向目的节点进行转发寻找最好的路径时，同时不仅要考虑路径上每个节点的能量消耗，而且也要考虑整个路径上的能量消耗，因此最终根据整个一条路径上的能量消耗最小和跳数较少的原则，来建立最优路径能量模型。从而来避免能量过多消耗所带来的网络断裂和影响传输数据信息的效率。该方法对研究Ad hoc网络以及其他无线网络的能量消耗问题都有很好的参考价值。

附图说明

图1为某一源节点S向目的节点D进行发送和转发数据包时形成的拓扑结构图。

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细说明本发明。

在Ad hoc网络中，针对某一源节点S向目的节点D进行发送和转发数据包时，所形成的拓扑结构图(图1)。

本发明在建立路径选择方法首先设定：

(1)网络中的每个节点的初始能量都相等；

(2)每个节点本身的硬件结构和器件相同，从而认为所消耗的能量是相同的，对网络层的干扰较少；

(3)每个节点在数据链路层工作时，处于两种状态：活动状态(active)(正常工作状态)和睡眠状态(sleep)；

(4)当节点处于sleep状态时，继续监听共享的信道，以此来主动地占用信道发送数据包可能会涉及到能量的消耗，从而认为这些能量也是相同的为Q；

(5)每个节点在物理层发送功率P_t都是相同的；

(6)为了保证节点与节点之间通信传输的效率，相邻两节点之间的距离不得超过D，如果超过D，则认为接收节点获取不到发送节点传送的数据包。

本发明基本方法构造

第一部分：节点的能量消耗计算方法：

本发明只考虑网络层的能量消耗，不考虑物理层，数据链路层的能量消耗。因此，网络层的能量消耗主要集中在节点发送和转发数据包。

因此，节点i的总能量消耗为：

$C_i\left(t\right)=P_t\left(i\right){\left(\frac{F_i}{E_i\left(t\right)}\right)}^{\mathrm{\α}}---\left(1\right)$

其中，F_i为节点i的初始能量，E_i(t)为节点i在t时间内剩余的能量，P_t(i)为节点i的传输功率，在这里主要针对的是接收功率，α为一个正数的权重因子。

第二部分：从网络中的某一源节点到目的节点之间最优路径的能量消耗计算方法：

考虑到从源节点到目的节点需要经历很多的节点进行转发和传输数据包，假设从源节点到目的节点需要经过k个节点，因此可得出该路径上的能量的中消耗C_R：

$C_R=\underset{i=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_t\left(i\right){\left(\frac{F_i}{E_i\left(t\right)}\right)}^{\mathrm{\α}}---\left(2\right)$

本发明基本方法的改进

第一部分：节点的能量消耗计算方法的改进

随着时间的推移，各个节点的能量消耗程度有快有慢，因此，本发明中根据节点i的能量的消耗程度定义三个区域，如下：

(1) $0<\frac{E_i\left(t\right)}{F_i}<10\%,$ 节点i处于正常区，这个区域内节点都能正常工作。

(2) $10\%\&le;\frac{E_i\left(t\right)}{F_i}\&le;20\%,$ 节点i处于警告区，这个区域内节点暂时能正常工作，但是不要在主干路径上使用这个区域中的节点。

(3) $20\%<\frac{E_i\left(t\right)}{F_i}\&le;1,$ 节点i处于严重区，这个区域内节点都能量消耗的比较快，应尽量避免使用这些节点。

基于以上区域的定义类型，对公式(2)的能量公式进行修改，得出：

$C_i\left(t\right)=P_t\left(i\right){(k_i\&times;\frac{F_i}{E_i\left(t\right)})}^{\mathrm{\&alpha;}}---\left(3\right)$

k_i的取值如下：

(1)：当节点i处于正常区内，则k_i＝1；

(2)：当节点i处于警告区或严重区内，则k_i为在节点i的邻居节点的总数，同时必须保证邻居节点都在节点i的传输范围之内。

第二部分：从网络中的某一源节点到目的节点之间最优路径的能量消耗计算方法的改进：

基于公式(3)的最优路径改进公式如下：

$C_R=\underset{i=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_t\left(i\right){(k_i\&times;\frac{F_i}{E_i\left(t\right)})}^{\mathrm{\&alpha;}}---\left(4\right)$

k_i的取值与公式(3)定义的一样。

本发明具体的实现以下面的流程图(图2)为说明。

本发明主要的目的是为网络中从源节点到目的节点能够正常发送数据包之前，要保证能够建立一条最优的路径，该路径满足的约束条件就是该路径上节点的能量消耗均衡，避免过分消耗某些节点的能量，以及路径的整体能量消耗最少，但是并不一定要求路径上的跳数最少。因此，该方法与以往的路径建立方法(跳数最少，不考虑能量)有所区别。方法的思想主要是基于在网络中从源节点向目的节点发送的路由请求包RREQ，该RREQ包中包含一个字段cost，以此来记录整个路径上的能量消耗。当中间节点将要转发该RREQ包时，首先判断该节点现在所属区域，根据不同的区域来进行做不同的处理。当节点处于正常区域时，则逐次比较从上游节点(与该中间节点相邻)接收到RREQ包的字段cost，选择最小的来更新该RREQ包，同时建立到所选上游节点的路径；当节点处于严重区域或警告区域时，则该中间节点会向周围的邻居节点发送RWARN数据包，以此来通知邻居节点和上游节点，避免使用该路径。此过程以此类推，直到目的节点，从而来选择最优路径。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种Ad Hoc网络最优能量消耗路径选择方法，所采用的方法是：

第一步骤：源节点S在发送的数据包(RREQ)中添加一个数据项cost，并计算出记录本节点i的能量消耗；

第二步骤：邻居节点i在收到的RREQ数据包时，取出cost数据项cost_old，同时根据此时的能量消耗程度确定所属区域；

第三步骤：当节点i在正常区时，从而来计算能量消耗C_i(t)，更新cost_new，记录前项节点为S，并依次向下一个邻居节点转发RREQ数据包，并向源节点S发送RREP数据包来建立通向源节点的路径，如果当源节点在严重区或警告区时，该节点就向邻居节点及其上游节点发送RWARN数据包，源节点S在建立路径的过程中，避免使用该节点，绕过能量消耗过多的节点，不再更新cost_new，也不再向下一个邻居节点转发RREQ数据包；

第四步骤：依次类推进行上面的过程，当中间节点j接收到从不同邻居节点k、邻居节点1和邻居节点m发送RREQ数据包，并判断此时能量消耗程度，当该节点处于正常区时，节点分别取出对应的cost_k，cost₁，cost_m进行判断，得到最小的设为cost_min，如果cost_k＝cost₁＝cost_m选取其中之一作为j的上游节点；

第五步骤：依次类推进行上面的过程，当目的节点D收到邻居节点n发送的RREQ数据包，cost里的数据内容就是从源节点S到目的节点的前项节点的整个一条路径所消耗是能量之和cost_D-1，更新cost＝cost_D-1+E(D)，记录前项节点n，并向上游节点发送RREP数据包来建立通向上游节点的路径，整个过程结束，同时节点S到节点D的路径建立成功。

2.如权利要求1所述的Ad Hoc网络最优能量消耗路径选择方法，其特征在于：第四步骤中当cost_min等于cost_k时，节点j更新RREQ数据包中的cost＝cost_k+E(j)，并记录前项节点k，同时转发RREQ数据包给下一个节点，并向上游节点k发送RREP数据包来建立通向上游节点的路径。

3.如权利要求1所述的Ad Hoc网络最优能量消耗路径选择方法，其特征在于：第四步骤中当cost_min等于cost₁时，节点j更新RREQ数据包中的cost＝cost₁+E(j)，并记录前项节点1，同时转发RREQ数据包给下一个节点，并向上游节点1发送RREP数据包来建立通向上游节点的路径。

4.如权利要求1所述的Ad Hoc网络最优能量消耗路径选择方法，其特征在于：第四步骤中当cost_min等于cost_m时，节点j更新RREQ数据包中的cost＝cost₁+E(j)，并记录前项节点m，同时转发RREQ数据包给下一个节点，并向上游节点m发送RREP数据包来建立通向上游节点的路径。

5.如权利要求1所述的Ad Hoc网络最优能量消耗路径选择方法，其特征在于：第一步骤中的能量消耗的计算方法是：

$C_i\left(t\right)=P_t\left(i\right){(k_i\&times;\frac{F_i}{E_i\left(t\right)})}^{\mathrm{\&alpha;}}$

其中，F_i为节点i的初始能量，E_i(t)为节点i在t时间内剩余的能量，P_t(i)为节点i的传输功率，在这里主要针对的是接收功率，α为一个正数的权重因子，k_i的取值如下：

(1)：当节点i处于正常区内，则k_i＝1；

(2)：当节点i处于警告区或严重区内，则k_i为在节点i的邻居节点的总数，同时必须保证邻居节点都在节点i的传输范围之内。

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