CN101325544A - 无线传感器网络中基于链路多特征值的多路径路由建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络中基于链路多特征值的多路径路由建立方法，其方法是：当从目的节点向源节点发送“兴趣”数据包时，根据网络链路中的三个特征值——能量消耗、延时和带宽，给每条路径赋予一定的选择概率，从而建立起梯度表。当从源节点向目的节点发送探测数据包时，每次选择概率最高的邻居节点作为下一跳的节点；若当概率最高的邻居节点拒绝接收数据包，则选择概率次高的邻居节点作为下一跳的节点，直到到达目的节点为止。最后，目的节点向源节点发送不同等级的加强信号，从而建立起了从源节点到目的节点的多条路径，使得数据总能在链路性能较优的多路径中传输。本发明延长了网络的生存周期，提高传输的可靠性和实现负载均衡。

Description

无线传感器网络中基于链路多特征值的多路径路由建立方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络中路由的建立方法，特别是一种无线传感器网络中基于链路多特征值的多路径路由建立方法。

背景技术

根据数据传输过程使用路径的多少，无线传感器网络路由协议可以分为单路径路由协议和多路径路由协议。单路径路由协议简单，数据通信量少，有利于节省节点能量和节约节点存储空间，但是其容错性和健壮性差。当由于自然或人为原因，某个节点或某个区域中的节点失效导致链路断开时，单路径路由协议需要重新发现新的路由，这将对网络的传输延时、节点能耗以及数据传输的可靠性造成较大影响。多路径路由协议是通过在源节点与目的节点之间建立多条路径，要求更多的节点来承担路由任务。它通过选用多条较好的路径取代单条最好的路径来传输数据，从而可以提高传输可靠性和实现负载均衡。研究表明：多路径路由在有效使用带宽、增加传输可靠性和容错性方面是显著的。

定向扩散(Directed Diffusion，DD)是一种基于查询的路由机制。该协议在通信过程中仅仅利用一条路径进行数据的传输，这种机制在面对网络攻击或者其他灾害时往往不能够及时地进行反馈；再者，在无线传感器网络中，路由协议的设计不仅关心单个节点的能量消耗，同时更关心整个网络能量的均衡消耗，这样才能够延长整个网络的存活时间；而一味地依靠某一条路径进行数据传输往往造成某些节点过早死亡，最终导致网络的分割或者是该网络快速崩溃。

发明内容

本发明的目的是提供一种在源节点和目的节点之间建立多条路径，根据网络链路中的三个特征值--能量消耗、延时和带宽，给每条路径赋予一定的选择概率，使得数据总能在链路性能较优的多路径中传输的无线传感器网络中基于链路多特征值的多路径路由建立方法。

为了实现上述目的，本发明的具体方法是：

步骤一：目的节点构造一个“兴趣”数据包，并将该数据包广播给所有的邻居节点，在数据包的最后添加了一个代价(cost)域，表示节点的代价，在初始化的时候，初始为0；

步骤二：“兴趣”数据包在中间节点转发，当节点n_i转发给节点n_j时，根据链路中的三个特征值--能量消耗，延时和带宽，节点n_j按公式(1)和(3)，计算出该路径的通信代价cost(n_j，n_i)，并且将节点n_i加入到n_j的梯度表：

$\cos t\left(e(i,j)\right)=\frac{\mathrm{\α}\×\mathrm{energy}\left(e(i,j)\right)+\mathrm{\β}\×\mathrm{delay}\left(e(i,j)\right)}{\mathrm{\γ}\×\mathrm{bandwidth}\left(e(i,j)\right)}(\mathrm{\α},\mathrm{\β},\mathrm{\γ}\∈R)---\left(1\right)$

cost(n_j，n_i)＝cost(n_i)+cost(e(i，j))(3)

其中：e(i，j)表示节点n_i与n_j之间的路径、R为正实数集、能量消耗函数energy(e(i，j))、延迟函数delay(e(i，j))、带宽函数bandwidth(e(i，j))、链路通信代价函数cost(e(i，j))、节点代价函数cost(n)、α、β和γ分别代表链路中相应特征值的权重；

步骤三：节点n_j按公式(4)，采用一种加权平均的方式，计算出节点n_j到达目的节点的代价cost(n_j)，并且用cost(n_j)的值来更新“兴趣”数据包中的代价(cost)域，将更新后的数据包继续广播给其它的邻居节点，判断是否到达源节点，若没有达到，则重复步骤二：

$\cos t\left(n_j\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}P(n_j,n_k)\×\cos t(n_j,n_k)---\left(4\right)$

其中P(n_j，n_i)代表从n_j的k个备选节点中选择n_i作为下一个邻居节点的概率；cost(n_j，n_i)代表节点n_j转发数据经由节点n_i路径到达目的节点的通信代价；cost(n_j)代表经过k个备选节点到达目的节点代价的平均值；

步骤四：源节点收到“兴趣”数据包，然后发送探测数据包，以便多路径的建立；

步骤五：中间节点收到探测数据包，从它的梯度表中选择概率最高的一个节点作为下一跳的邻居节点，并将探测数据包转发给它，如果概率最高的下一跳邻居节点拒绝接收该探测数据包，它将回复一个拒绝消息，那么梯度表中概率次大的节点将被选择作为下一跳的邻居节点，并将探测数据包转发给它，重复该过程，直到到达目的节点；

步骤六：如果目的节点从m条路径中都获得了探测数据包，采用不同的加强等级来加强这m条路径，从而从源节点到目的节点就有m条路径被建立进行数据传输，而完成多路径路由的建立。

本发明在源节点和目的节点之间建立多条路径，根据网络链路中的三个特征值--能量消耗、延时和带宽，给每条路径赋予一定的选择概率，使得数据总能在链路性能较优的多路径中传输，避免了一味地依靠某一条路径进行数据传输往往造成某些节点过早死亡，最终导致网络的分割或者是该网络快速崩溃，从而延长了网络的生存周期，提高传输的可靠性和实现负载均衡。

附图说明

图1为本发明实施例网络结构图。

图2为本发明实施例依梯度表建立多路径示意图。

图3为本发明实施例路径加强示意图。

图4为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述

本发明在研究路由问题时，一个网络可表示成一个加权图G<V，E>，其中V表示节点集，E表示连接节点的通信链路集，|V|和|E|分别表示该网络中的节点数和链路数，并且设定在该网络中的一对节点之间最多只有一条链路。

设e(i，j)表示节点n_i与n_j之间的路径，R为正实数集。对于任意链路e(i，j)∈E，可定义某些特征值(metrics)：能量消耗函数energy(e(i，j))∈R，延迟函数delay(e(i，j))∈R，带宽函数bandwidth(e(i，j))∈R，链路通信代价函数cost(e(i，j))∈R；对于任意一个节点n∈V，也可定义某些特征值(metrics)：节点代价函数cost(n)∈R。

引理：链路e(i，j)的通信代价与链路的能量消耗、延时成正比，与链路的带宽成反比，α、β和γ分别代表链路中相应特征值的权重。

$\cos t\left(e(i,j)\right)=\frac{\mathrm{\&alpha;}\&times;\mathrm{energy}\left(e(i,j)\right)+\mathrm{\&beta;}\&times;\mathrm{delay}\left(e(i,j)\right)}{\mathrm{\&gamma;}\&times;\mathrm{bandwidth}\left(e(i,j)\right)}(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&beta;},\mathrm{\&gamma;}\&Element;R)---\left(1\right)$

定义：考虑一个网络G<V，E>，源节点n_s∈V及目的节点n_d∈{V-{n_s}}。p_i表示n_s-＞n_d之间的有效路径，P_sd表示n_s-＞n_d之间所有有效路径的集合，p_i∈P_sd。假若对于网络中的任意一个节点n_j∈{V-{n_d}}，在n_s-＞n_d的所有有效路径集合P_sd中，经过节点n_j并且有k个节点作为n_j的下一跳备选节点{n_j1，n_j2，......n_jk}，则多特征值下的多路径选择问题就是对这k个备选节点依概率从大到小进行排序，即若P(n_j，n_j1′)≥P(n_j，n_j2′)≥......≥P(n_j，n_jk′)，则备选节点排序后的结果为{n_j1′，n_j2′，......，n_jk′}；

$P(n_j,n_i)=\frac{1/\cos t(n_j,n_i)}{\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}1/\cos t(n_j,n_k)}---\left(2\right)$

cost(n_j，n_i)＝cost(n_i)+cost(e(i，j))    (3)

$\cos t\left(n_j\right)=\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}P(n_j,n_k)\&times;\cos t(n_j,n_k)---\left(4\right)$

其中P(n_j，n_i)代表从n_j的k个备选节点中选择n_i作为下一个邻居节点的概率；cost(n_j，n_i)代表节点n_j转发数据经由节点n_i路径到达目的节点的通信代价；cost(n_j)代表经过k个备选节点到达目的节点代价的平均值。

本发明基于链路多特征值的多路径路由建立方法包括梯度表的建立、多路径的建立和路径加强三个阶段。

建立梯度表：

在本发明中中，首先由目的节点(n_d)根据不同应用需求定义不同的“兴趣”消息，然后采用洪泛的方式将兴趣广播到整个区域或部分区域内的所有传感器节点。同时，完成从源节点(n_s)到目的节点(n_d)的梯度表的建立。从n_s-＞n_d依概率建立梯度表的过程：

a.目的节点(n_d)构造一个“兴趣”数据包，并将该数据包广播给所有的邻居节点。兴趣数据包具有如下格式：interest＝(type，interval，rect，timeamp，expiresat，cost)；前五个属性的含义与DD协议相同，只是在数据包的最后添加了一个代价(cost)域，表示节点的代价。在初始化的时候，cost(n_d)＝0。

b.当“兴趣”数据包从节点n_i转发给节点n_j时，根据链路中的三个特征值--能量消耗，延时和带宽，节点n_j按上述公式(1)和(3)，计算出该路径的通信代价cost(n_j，n_i)，并且将节点n_i加入到n_j的梯度表中。

c.假若节点n_j的梯度表中有k个邻居节点{n_j1，n_j2，......，n_jk}，那么节点n_j按上述公式(2)，为每一个邻居节点n_ji计算出一个概率值P(n_j，n_ji)，n_ji∈{n_j1，n_j2，......，n_jk}，并且按照从大到小进行排序{n_j1′，n_j2′，......，n_jk′}。

d.节点n_j按上述公式(4)，采用一种加权平均的方式，计算出节点n_j到达目的节点的代价cost(n_j)，并且用cost(n_j)的值来更新“兴趣”数据包中的代价(cost)域，将更新后的数据包继续广播给其它的邻居节点，重复步骤b，直到转发至源节点(n_s)为止。

为了更好的描述梯度表的建立过程，现举一实施例来进一步说明。图1是本实施例的一个网络结构图，网络的节点数为10，设源节点n_s为0，目的节点n_d为9，中间节点集{1，2，3，4，5，6，7，8}。图中链路的多个特征值可用三元组(e_ij，d_ij，b_ij)来表示，其中e_ij表示节点n_i和节点n_j之间链路的能量消耗，d_ij表示节点n_i和节点n_j之间链路的延迟，b_ij表示节点n_i和节点n_j之间链路的带宽，其数值随机给定。α、β和γ分别代表链路中相应特征值的权重，假设α＝10，β＝1，γ＝1。按照上述梯度表的建立过程，每一个中间节点和目的节点都可得到一个按降序排列的下一跳备选节点集合，如表1所示。

表1.节点的梯度表

节点编号	节点代价cost(ni)	邻居节点的选择概率	邻居节点的有序集合
				1	0.10	[100％]	{1}
2	0.12	[100％]	{1}
				3	0.16	[64％，20％，16％]	{0，2，1}

4	0.28	[63％，37％]	{1，3}
				5	0.30	[61％，39％]	{2，3}
6	0.36	[49％，29％，22％]	{3，4，5}
				7	0.43	[58％，42％]	{4，6}
8	0.44	[57％，43％]	{5，6}
				9	0.58	[35％，33％，32％]	{7，8，6}

依梯度表建立多路径：

当源节点收到“兴趣”数据包时，它将探测数据包发送给所有的相邻节点，以便多路径的建立。当中间的节点收到探测数据包时，它们将遵照以下四个规则去转发：

a.根据节点的梯度表，所有的中间节点都将选择概率最高的一个节点作为下一跳的邻居节点，并将探测数据包转发给它；

b.节点对接收的探测数据包进行判断，如果该探测数据包已经被转发过，那么将会丢弃掉它；

c.如果概率最高的下一跳邻居节点拒绝接收该探测数据包，它将回复一个拒绝消息，那么梯度表中概率次大的节点将被选择作为下一跳的邻居节点，并将探测数据包转发给它；

d.如果梯度表中所有邻居节点都拒绝接收该探测数据包，节点将放弃转发该探测数据包并且删除该节点的梯度表。

依据以上的四条规则，从数据源节点到目的节点的多条路径将被建立。如图2所示，举例说明了两条路径和三条路径建立的情况。

路径加强：

如果目的节点从m条路径中都获得了探测数据包，那么从源节点到目的节点就有m条路径被建立。在本发明中，以数据传输延迟为标准，采用不同的加强等级来加强这m条路径。路径的加强等级以10^m-i来计算，其中i表示目的节点获得最新数据包的次序。例如：目的节点为首先发来最新数据的路径发送加强等级为10^m的路径加强消息。图3显示了两条或三条路径以不同的等级被加强时的情况。

本发明主要的目的是为了在网络中从源节点到目的节点之间建立多条路径来进行数据传输，要求更多的节点来承担路由任务。当从目的节点向源节点发送“兴趣”数据包时，根据网络链路中的三个特征值--能量消耗、延时和带宽，给每条路径赋予一定的选择概率，从而建立起梯度表。当从源节点向目的节点发送探测数据包时，每次选择概率最高的邻居节点作为下一跳的节点；若当概率最高的邻居节点拒绝接收数据包，则选择概率次高的邻居节点作为下一跳的节点，直到到达目的节点为止。最后，目的节点向源节点发送不同等级的加强信号，从而建立起了从源节点到目的节点的多条路径，使得数据总能在链路性能较优的多路径中传输。本发明中采用多条较好的路径来取代单条最好的路径进行传输数据，避免了一味地依靠某一条路径进行数据传输往往造成某些节点过早死亡，最终导致网络的分割或者是该网络快速崩溃，从而延长了网络的生存周期，提高传输的可靠性和实现负载均衡。

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 (1)

1、一种无线传感器网络中基于链路多特征值的多路径路由建立方法，具体方法是：

步骤一：目的节点构造一个“兴趣”数据包，并将该数据包广播给所有的邻居节点，在数据包的最后添加了一个代价(cost)域，表示节点的代价，在初始化的时候，初始为0；

步骤二：“兴趣”数据包在中间节点转发，当节点n_i转发给节点n_j时，根据链路中的三个特征值-能量消耗，延时和带宽，节点n_j按公式(1)和(3)，计算出该路径的通信代价cost(n_j，n_i)，并且将节点n_i加入到n_j的梯度表：

$\cos t\left(e(i,j)\right)=\frac{\mathrm{\&alpha;}\&times;\mathrm{energy}\left(e(i,j)\right)+\mathrm{\&beta;}\&times;\mathrm{delay}\left(e(i,j)\right)}{\mathrm{\&gamma;}\&times;\mathrm{bandwidth}\left(e(i,j)\right)}(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&beta;},\mathrm{\&gamma;}\&Element;R)---\left(1\right)$

cost(n_j，n_i)＝cost(n_i)+cost(e(i，j))(3)

其中：e(i，j)表示节点n_i与n_j之间的路径、R为正实数集、能量消耗函数energy(e(i，j))、延迟函数delay(e(i，j))、带宽函数bandwidth(e(i，j))、链路通信代价函数cost(e(i，j))、节点代价函数cost(n)、α、β和γ分别代表链路中相应特征值的权重；

步骤三：节点n_j按公式(4)，采用一种加权平均的方式，计算出节点n_j到达目的节点的代价cost(n_j)，并且用cost(n_j)的值来更新“兴趣”数据包中的代价(cost)域，将更新后的数据包继续广播给其它的邻居节点，判断是否到达源节点，若没有达到，则重复步骤二：

$\cos t\left(n_j\right)=\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}P(n_j,n_k)\&times;\cos t(n_j,n_k)---\left(4\right)$

其中P(n_j，n_i)代表从n_j的k个备选节点中选择n_i作为下一个邻居节点的概率；cost(n_j，n_i)代表节点n_j转发数据经由节点n_i路径到达目的节点的通信代价；cost(n_j)代表经过k个备选节点到达目的节点代价的平均值；

步骤四：源节点收到“兴趣”数据包，然后发送探测数据包，以便多路径的建立；

步骤五：中间节点收到探测数据包，从它的梯度表中选择概率最高的一个节点作为下一跳的邻居节点，并将探测数据包转发给它，如果概率最高的下一跳邻居节点拒绝接收该探测数据包，它将回复一个拒绝消息，那么梯度表中概率次大的节点将被选择作为下一跳的邻居节点，并将探测数据包转发给它，重复该过程，直到到达目的节点；

步骤六：如果目的节点从m条路径中都获得了探测数据包，采用不同的加强等级来加强这m条路径，从而从源节点到目的节点就有m条路径被建立进行数据传输，而完成多路径路由的建立。

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