CN101594379A - 一种无线传感器网络中的能量有效性机会路由协议 - Google Patents

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赵壮
张宝贤
田克
高雪
黄奎
姚郑
张锋
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Abstract

本发明属于无线传感器网络协议技术领域，具体涉及一种无线传感器网络中的能量有效性机会路由协议。本发明针对传感器网络能量不能再生的性质对传统的机会路由做了修改，将机会路由中的备选转发节点的优先级根据转发节点的剩余能量做调整，将剩余能量较低的节点的优先级降低，剩余能量较高的转发节点的优先级升高。经过转发节点的优先级顺序的调整，剩余能量低的节点来承担实际转发任务的概率降低，从而使得其能量消耗减缓；相反，剩余能量高的节点有更大的机率来承担转发任务。应用这种机制，数据转发任务根据节点剩余能量的多少进行动态的调节，以达到全网能量均衡的目的。

Description

一种无线传感器网络中的能量有效性机会路由协议
技术领域
本发明属于无线传感器网络协议技术领域，具体涉及一种无线传感器网络中的能量有效性机会路由协议。该方法利用机会路由可以有效提高网络吞吐率的优势，同时充分考虑传感器网络的能量不能再生的特点，提出了一种能量均衡的机会路由协议。
背景技术
无线传感器网络是近些年出现的一种综合微电子技术、无线通信技术、计算机技术的新兴技术领域，在环境、医疗、军事等领域具有非常广泛的前应用前景，其发展和应用将会给人类的生活和生产的各个方面带来深远影响。虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器和传感器体积越来越小，已经有为数不少的无线传感器网络开始投入使用。
但由于受到成本和体积等因素的限制，传感器节点的处理能力、无线带宽和电池容量都很有限。无线传感器节点的能量在多数的情况下无法得到补充，因此尽可能的延长无线传感器网络的工作寿命成为无线传感器网络设计中的关键问题之一。为了提高无线传感器网络的寿命，网络中每个节点的能量均衡问题已成为研究的重点问题。传感器网络领域可以使用很多方法来实现能量均衡：将网络中的节点分簇，节点轮流充当簇头，非簇头节点休眠；在多条路径中选择一条，这条路中能量最低节点的能量最高；选择能够减小不同路由之间的剩余能量的方差的路由。
机会路由方法是在无线多跳网络(包括无线网格网络、无线自组织网络、无线传感器网络)中通用的一种路由方法。这种路由方法针对无线信道的广播、时变、丢失特性和确定性路由在转发策略方面的不足，提出了机会转发的概念，可以通过多个潜在中继节点竞争、自主智能判断，进行下一跳节点选择，充分利用信道广播特性，提高吞吐量和传输可靠性。这种路由策略主要从两个方面来提高无线多跳网络的吞吐量，一是增加单跳传输的可靠性，二是减少端到端传输跳数。机会路由的提出得到了学术界的广泛关注，很多知名研究机构都投入到了机会路由的研究工作当中。
其基本思想是：源节点欲向目的节点发送数据，它会选择到目的节点的距离小于自身的节点作为转发节点，这些节点组成备选转发节点集，并按到目的节点的距离设置优先级，距离越近优先级越高。源节点发出的数据包中记录了备选节点集中的节点标号和它们的优先级。源节点发出数据包，收到包的邻居节点按优先级的次序转发数据，优先级高的节点如果收到就转发此数据包，被转发的数据包被优先级低的节点听到后不在重新转发此数据包，如果较高节点没有收到，则由备选转发节点集中较低优先级的节点来转发数据包。每个备选节点集中的转发节点按此方式转发，直到数据包到达目的节点为止。
发明内容
本发明针对传感器网络能量不能再生的性质对传统的机会路由做了修改，将机会路由中的备选转发节点的优先级根据转发节点的剩余能量做调整。，将剩余能量较低的节点的优先级降低，剩余能量较高的转发节点的优先级升高。经过转发节点的优先级顺序的调整，剩余能量低的节点来承担实际转发任务的概率降低，从而使得其能量消耗减缓；相反，剩余能量高的节点有更大的机率来承担转发任务。应用这种机制，数据转发任务根据节点剩余能量的多少进行动态的调节，以达到全网能量均衡的目的。
附图说明
图1是无线传感器网络中能量有效性机会路由协议的例子图。其中黑色节点是数据转发的源节点和目的节点，节点上的黑色阴影部分表示节点的剩余能量，节点下标是备选转发节点的剩余能量RE(Residual Energy)和其到目的节点的ETX(Expect Transmit Count)。
具体实施方式
本发明是在机会路由算法这一可靠而又高效的路由方法的基础上加入了节点能量均衡的策略，形成了一个能量有效性和数据转发效率都较高的跨层协议。
假定网络中每个节点都获知网络中每个链路的ETX值(可以用节点将相邻链路的ETX做全网扩散的方法实现)。数据包转发时，源节点将邻居节点中到目的节点的ETX值小于自身到目的节点的ETX值的邻居节点作为备选转发节点，并保证每个备选转发节点都在彼此的传输半径范围内，并加入备选转发节点集。源节点在转发之前根据备选转发节点到目的节点的ETX与转发节点的剩余能量的倒数的乘积作为度量来排列备选转发节点的优先级，所得的乘积越小的优先级越高，反之越低。
确定备选转发节点集和优先级顺序后，源节点发出数据包，如果最高优先级的节点收到数据包，则向源节点回送ACK包，其它备选转发节点也会依较高的概率收到此ACK，从而不再转发自己收到的数据包。如果最高优先级的节点没有收到数据包，则第一个ACK时隙就没有消息发送，若第二优先级的节点收到了数据包则在第二个ACK时隙发送ACK，源节点和其它备选转发节点也会因收到此ACK而丢弃本地缓冲区中的数据包。当所有ACK时隙结束，收到数据包的备选转发节点中优先级最高的节点接续向目的节点方向以此策略转发数据包，直到数据包到达目的节点位置。
图1中描述了此无线传感器网络中能量有效性机会路由协议的例子，源节点Src发送数据包到目的节点Dst。源节点的备选转发节点为A、B、C，它们的ETX和RE值分别如图所示，节点A为4.1/0.9＝4.56，节点B为3.2/0.4＝8，节点C为4.9/0.7＝7，节点优先级顺序由高到低顺序为ACB。数据包发出后，优先级最高的A节点收到了此数据包，并在第一个ACK时隙发出ACK包，其它备选节点收到此ACK包后不再发送此数据包，并从缓冲区中删除。经过三个ACK时隙后，A节点继续向目的节点Dst方向转发数据包，转发过程与前一跳相同，直达数据被送到目的节点为止。

Claims (3)

1、一种无线传感器网络中的能量有效性机会路由协议，其特征在于：利用机会路由可以有效提高网络吞吐率的优势，同时充分考虑传感器网络的能量不能再生的特点，提出了一种能量均衡的机会路由协议。
2、根据权利要求1所述的无线传感器网络中的能量有效性机会路由协议，其特征在于：使用根据剩余能量动态调整备选转发节点集中节点的优先级的方法，使传感器网络在节能的前提下达到数据吞吐量和传输可靠性等多方面的优化。
3、根据权利要求1所述的无线传感器网络中的能量有效性机会路由协议，其特征在于：决定转发节点集中节点优先级顺序的测度为备选转发节点到目的节点的ETX值与转发节点的剩余能量的倒数的乘积。
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