CN101645829B - 一种无线传感器网络数据转发方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线传感器网络数据转发方法和系统。该方法包括：步骤1，目的节点发送自身地理位置信息，普通节点发送自身地理位置和剩余能量信息；步骤2，该普通节点接收所述目的节点的地理位置信息和邻居节点的地理位置和剩余能量信息；步骤3，该普通节点依据所述目的节点和邻居节点的地理位置信息，选择距离所述目的节点比自身近的邻居节点作为前趋邻居节点；步骤4，该普通节点估算以各个所述前趋邻居节点为下一跳到达所述目的节点的总传输次数；步骤5，该普通节点比较各个所述前趋邻居节点的总传输次数和剩余能量，从中选择出到达所述目的节点的路由的下一跳普通节点。本发明能够在保证数据可靠传输的同时，进行负载均衡，提高能量使用效率。

Description

一种无线传感器网络数据转发方法及系统

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，尤其涉及种无线传感器网络数据转发方法及系统。

背景技术

在许多无线传感器网络应用中，传感器普通节点在向目的节点，例如基站或簇头，发送采集数据时需要同时汇报普通节点的位置。目的节点在接收到数据后可以准确判断该事件发生的区域，并采取相应的行动。例如：在森林防火应用中，当传感器网络监测到火灾的发生时，消防人员需要准确定位火灾发生的具体位置。因此，如何在无线传感器网络应用中实现基于节点地理信息的数据传输将非常有意义。节点可以利用GPS(Global Positioning System，全球定位系统)定位装置或相关定位协议确定地理位置，并通过广播数据包与邻居节点交换位置信息。数据传输路径上的每个路由中继节点可以利用邻居节点和目标节点的位置信息局部地选择下一跳转发节点。

在基于地理信息的路由协议中，节点在转发数据包时通常采用贪婪转发策略，在前趋邻居节点中选择距离目的节点最近的节点作为下一跳转发节点。但是，由于基于理想模型的地理信息路由协议，不考虑链路状况使用距离贪婪策略转发数据，所选择的下一跳节点处于非连通区域的概率较高，造成数据传输成功率较低。如图1所示，无线链路传递范围可分为三个区域：连通区域、过渡区域和非连通区域。尽管非连通区域中仍然在节点的通信范围之内，但处于这个区域的节点间数据传输成功率非常低，接近于零。节点采用贪婪策略选择的下一跳节点处于非连通区域的概率很高，这将导致较高的数据包丢失率，增加数据重传的概率，造成网络能量的浪费。

一种现有技术是针对事件驱动的无线传感器网络提出了基于地理信息的数据转发方法。在该方法中，节点将地理位置信息与节点缓冲区队列长度和节点剩余能量等综合因素作为选择下一跳节点的路由选择标准。显然，缓冲区队列长度并不能作为当前链路状况的评价标准。该方法在实际链路中数据丢失率仍然较高。

还有一种现有技术是一个基于地理信息的能量高效转发方法，采用链路包接收率与节点间距离的乘积作为路由选择标准。理论分析和仿真实验表明，采用该路由选择标准可以在有损长链路与信道质量好的短链路之间做出平衡，并取得最优值。但是该方法主要是关注如何提高数据包在有损链路传输时的能量效率，没有提出如何实现数据可靠传输的方法。另外，该工作也没有考虑到不对称链路及负载不均衡对节点传输的影响。

负载均衡是无线传感器网络路由协议性能的一个重要指标，网络中不均衡负载将导致网络中负载较重的节点能量迅速消耗，使得网络寿命减短。

研究表明在转发数据时始终采用链路质量最好的节点作为下一跳选择，将导致路径上的节点能量消耗非常快，甚至可能导致节点缓冲区溢出，引发网络拥塞。在GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing，贪婪周长无状态路由)协议中，当数据传送到路由空洞区域时，将采用右手准则沿空洞边界节点绕过空洞区域继续向基站前进。路由空洞边界节点的能量将迅速消耗，使得空洞逐渐增大，并有可能导致整个网络的不连通。如图2所示，空心圆点代表活动节点，实心圆点表示失效节点，最小的圆表示空洞初始大小。随着数据包的不断传递，空洞将逐渐变大，最终有可能导致网络的不连通。

一种针对负载均衡问题的现有技术是使用流延长和流重定向算法平衡网络节点能量消耗，该技术需要获取全局流量信息，无法及时处理网络动态性。因此，上述的负载均衡协议并不适用于地理信息路由。

GEAR(Geographicaland Energy Aware Routing，地理能量考量路由)协议在数据包转发时考虑了前驱邻居节点能量因素。当节点接收到数据包后，在所有前驱邻居节点中将平衡能量消耗，最大化的延长网络寿命。但是GEAR协议也是建立在理想信道模型上的，并不适用于实际链路。另外，GEAR仅采用广播数据包的方式获得邻居节点能量信息，导致能量浪费严重。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种无线传感器网络数据转发方法及系统，从而能够在保证数据可靠传输的同时，进行负载均衡，提高能量使用效率，延长整个无线传感器网络寿命。

本发明公开了一种无线传感器网络数据转发方法，包括：

步骤1，目的节点发送自身地理位置信息，普通节点发送自身地理位置信息和剩余能量信息；

步骤2，所述普通节点接收所述目的节点的地理位置信息和邻居节点的地理位置信息和剩余能量信息；

步骤3，所述普通节点依据所述目的节点和邻居节点的地理位置信息，选择距离所述目的节点比自身近的邻居节点作为前趋邻居节点；

步骤4，所述普通节点为所述普通节点的每个前趋邻居节点估算以所述前趋邻居节点为路由的下一跳到达所述目的节点时，所述前趋邻居节点对应的总传输次数；

步骤5，所述普通节点比较各个所述前趋邻居节点的总传输次数和剩余能量，从中选择出到达所述目的节点的路由的下一跳普通节点。

所述步骤3还包括：将所述前趋邻居节点记录到前趋邻居表；

所述步骤3和步骤4之间包括：

步骤21，估算所述普通节点同每个所述前趋邻居节点间的数据传输次数；

步骤22，判断所述数据传输次数是否大于设置的门限值，如果是，执行步骤23；

步骤23，将所述数据传输次数对应的前趋邻居节点从所述前趋邻居表中屏蔽掉。

所述门限值为确认帧重传次数上限值的平方。

所述步骤3和所述步骤4之间还包括：

步骤41，所述普通节点侦听所述邻居节点的数据包，判断所述数据包的发送者是否为所述前趋邻居节点，如果是，执行步骤42；

步骤42，所述普通节点估算发送所述数据包的前趋邻居节点的消耗能量；

步骤43，所述普通节点将所述前趋邻居节点的剩余能量减去所述消耗能量，以更新所述前趋邻居节点的剩余能量。

所述步骤21进一步包括：

步骤51，接收并获得每个所述前趋邻居节点发送的所述普通节点到所述前趋邻居节点间的数据包接收率，估算每个所述前趋邻居节点到所述普通节点间的数据包接收率；

步骤52，按公式 $\mathrm{ETX}(i,j)=\frac{1}{{\mathrm{PRR}}_{(i,j)}\left(d\right)\·{\mathrm{PRR}}_{(j,i)}\left(d\right)}$ 计算所述普通节点同每个

所述前趋邻居节点间的数据传输次数，

其中，ETX(i，j)为所述数据传输次数，i为所述普通节点，j为一个所述前趋邻居节点，PRR_(i，j)(d)为所述普通节点到所述前趋邻居节点j间的数据包接收率，PRR_(j，i)(d)为所述前趋邻居节点j到所述普通节点间的数据包接收率。

所述步骤4进一步包括：

步骤61，接收并获得每个所述前趋邻居节点发送的所述普通节点到所述前趋邻居节点间的数据包接收率，估算每个所述前趋邻居节点到所述普通节点间的数据包接收率；

步骤62，按公式 $\mathrm{ETX}(i,j)=\frac{1}{{\mathrm{PRR}}_{(i,j)}\left(d\right)\·{\mathrm{PRR}}_{(j,i)}\left(d\right)}$ 计算所述普通节点同每个

所述前趋邻居节点间的数据包传输次数，

其中，ETX(i，j)为所述数据包传输次数，i为所述普通节点，j为一个所述前趋邻居节点，PRR_(i，j)(d)为所述普通节点到所述前趋邻居节点j间的数据包接收率，PRR_(j，i)(d)为所述前趋邻居节点j到所述普通节点间的数据包接收率；

步骤63，按公式 $\mathrm{ETX}=\frac{d_{i,d}}{d_{i,d}-d_{j,d}}\·\mathrm{ETX}(i,j)$ 计算所述总传输次数，

其中，ETX为所述总传输次数，ETX(i，j)为所述数据传输次数，i为所述普通节点，j为一个所述前趋邻居节点，d为所述目的节点，d_i，d为所述普通节点到所述目的节点的距离，d_j，d为所述前趋邻居节点j到所述目的节点的距离。

所述方法还包括：

步骤71，所述普通节点发送自身的平均包接收率信息；

步骤72，所述普通节点接收所述邻居节点的平均包接收率信息；

所述步骤42进一步包括：

步骤73，判断发送所述数据包的前趋邻居节点是否为所述数据包的源节点，如果是，执行步骤74，否则，执行步骤75；

步骤74，所述消耗能量为普通节点发送单位数据包所消耗的能量除以发送所述数据包的前趋邻居节点到所述普通节点间的数据包接收率的值；

步骤75，所述消耗能量为普通节点发送单位数据包所消耗的能量除以发送所述数据包的前趋邻居节点到所述普通节点间的数据包接收率的值，同普通节点接收单位数据包所消耗的能量除以发送所述数据包的前趋邻居节点平均包接收率的值的加和。

所述步骤5进一步包括：

步骤81，按公式W_ij＝αpd(N_j)+(1-α)e(N_j)计算所述前趋邻居节点的路由选择权值，

其中，α为设置参数，N_j为一个所述前趋邻居节点，W_ij为前趋邻居节点N_j的路由选择权值，pd(N_j)为前趋邻居节点N_j相对于所有所述前趋邻居节点的总传输次数倒数归一化值，e(N_j)为前趋邻居节点N_j相对于所有所述前趋邻居节点的剩余能量归一化值；

步骤82，比较所述前趋邻居节点的路由选择权值，选择所述路由选择权值最大的前趋邻居节点为所述路由的下一跳普通节点。

本发明还公开了一种无线传感器网络数据转发系统，包括普通节点和发送自身地理位置信息的目的节点，所述普通节点包括：

信息发送模块，用于发送所述普通节点的地理位置和剩余能量信息；

信息接收模块，用于接收目的节点的地理位置信息和邻居节点的地理位置和剩余能量信息；

节点选择模块，用于依据所述接收的地理位置信息，选择距离所述目的节点比自身近的邻居节点作为前趋邻居节点；

次数计算模块，用于为所述普通节点的每个前趋邻居节点估算以所述前趋邻居节点为路由的下一跳到达所述目的节点时，所述前趋邻居节点对应的总传输次数；

路由选择模块，用于比较各个所述前趋邻居节点的总传输次数和剩余能量，从所述前趋邻居节点中选择出到达所述目的节点的路由的下一跳普通节点。

所述普通节点还包括用于记录前趋邻居节点的前趋邻居表；

所述节点选择模块，还用于在选择出前趋邻居节点后，将所述前趋邻居节点记录到所述前趋邻居表中；

所述普通节点还包括前趋邻居选择模块，所述前趋邻居选择模块包括：

估算模块，用于估算所述普通节点同每个所述前趋邻居节点间的数据传输次数；

判断模块，用于判断所述数据传输次数是否大于设置的门限值，如果大于，则将所述数据传输次数对应的前趋邻居节点从所述前趋邻居表中屏蔽掉。

所述门限值为确认帧重传次数上限值的平方。

所述普通节点还包括剩余能量更新模块，所述剩余能量更新模块包括：

侦听模块，用于侦听所述邻居节点的数据包，判断所述数据包的发送者是否为所述前趋邻居节点；

消耗能量估算模块，用于在所述侦听模块侦听到前趋邻居节点发送的数据包时，估算发送所述数据包的前趋邻居节点的消耗能量；

更新模块，用于在所述消耗能量估算模块估算完消耗能量后，将所述前趋邻居节点的剩余能量减去所述消耗能量，以更新所述前趋邻居节点的剩余能量。

所述估算模块进一步用于接收并获得每个所述前趋邻居节点发送的所述普通节点到所述前趋邻居节点间的数据包接收率，估算每个所述前趋邻居节点到所述普通节点间的数据包接收率；按公式 $\mathrm{ETX}(i,j)=\frac{1}{{\mathrm{PRR}}_{(i,j)}\left(d\right)\·{\mathrm{PRR}}_{(j,i)}\left(d\right)}$ 计算所述普通节点同每个所述前趋邻居节点间的数据包传输次数，其中，ETX(i，j)为所述数据包传输次数，i为所述普通节点，j为一个所述前趋邻居节点，PRR_(i，j)(d)为所述普通节点到所述前趋邻居节点j间的数据包接收率，PRR_(j，i)(d)为所述前趋邻居节点j到所述普通节点间的数据包接收率。

所述次数计算模块进一步用于接收并获得每个所述前趋邻居节点发送的所述普通节点到所述前趋邻居节点间的数据包接收率，估算每个所述前趋邻居节点到所述普通节点间的数据包接收率；

按公式 $\mathrm{ETX}(i,j)=\frac{1}{{\mathrm{PRR}}_{(i,j)}\left(d\right)\·{\mathrm{PRR}}_{(j,i)}\left(d\right)}$ 计算所述普通节点同每个所述前趋邻居节点间的数据传输次数，其中，ETX(i，j)为所述数据传输次数，i为所述普通节点，j为一个所述前趋邻居节点，PRR_(i，j)(d)为所述普通节点到所述前趋邻居节点j间的数据包接收率，PRR_(j，i)(d)为所述前趋邻居节点j到所述普通节点间的数据包接收率；

按公式 $\mathrm{ETX}=\frac{d_{i,d}}{d_{i,d}-d_{j,d}}\·\mathrm{ETX}(i,j)$ 计算所述总传输次数，其中，ETX为所述总传输次数，ETX(i，j)为所述数据传输次数，i为所述普通节点，j为一个所述前趋邻居节点，d为所述目的节点，d_i，d为所述普通节点到所述目的节点的距离，d_j，d为所述前趋邻居节点j到所述目的节点的距离。

所述信息发送模块，还用于发送所述普通节点的平均包接收率信息；

所述信息接收模块，还用于接收所述邻居节点的平均包接收率信息；

所述消耗能量估算模块进一步用于判断发送所述数据包的前趋邻居节点是否为所述数据包的源节点，如果是，所述消耗能量为普通节点发送单位数据包所消耗的能量除以发送所述数据包的前趋邻居节点到所述普通节点间的数据包接收率的值；否则，所述消耗能量为普通节点发送单位数据包所消耗的能量除以发送所述数据包的前趋邻居节点到所述普通节点间的数据包接收率的值，同普通节点接收单位数据包所消耗的能量除以发送所述数据包的前趋邻居节点平均包接收率的值的加和。

所述路由选择模块进一步用于按公式W_ij＝αpd(N_j)+(1-α)e(N_j)计算所述前趋邻居节点的路由选择权值，其中，α为设置参数，N_j为一个所述前趋邻居节点，W_ij为前趋邻居节点N_j的路由选择权值，pd(N_j)为前趋邻居节点N_j相对于所有所述前趋邻居节点的总传输次数倒数归一化值，e(N_j)为前趋邻居节点N_j相对于所有所述前趋邻居节点的剩余能量归一化值；比较所述前趋邻居节点的路由选择权值，选择所述路由选择权值最大的前趋邻居节点为所述路由的下一跳普通节点。

本发明的有益效果在于，考虑数据链路的非对称性，在保证数据可靠传输的同时，进行负载均衡，提高能量使用效率，延长整个无线传感器网络寿命。通过仿真发现，本发明相比GEAR和GPSR地理信息路由协议在数据传输成功率、能量效率以及网络寿命方面均有所提高。

附图说明

图1是现有的无线传感器网络有损链路采样分析结果示意图；

图2是现有的无线传感器网络负载不均衡导致的路由空洞扩大示意图；

图3是本发明无线传感器网络数据转发方法实施例的流程图；

图4是本发明无线传感器网络数据转发方法中对前趋邻居节点进行屏蔽的方法实施例的流程图；

图5是本发明无线传感器网络数据转发方法中进行剩余能量更新的方法实施例的流程图；

图6是本发明无线传感器网络数据转发系统中普通节点的结构图；

图7是本发明同GEAR以及GPSR的数据传输成功率对比效果图；

图8是本发明同GEAR以及GPSR在不同节点密度下的能量效率对比效果图；

图9是本发明同GEAR以及GPSR在不同节点密度下的网络寿命对比效果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步的详细描述。

如图3所示，本发明方法的一个具体实施例包括如下步骤。

步骤S301，目的节点发送自身地理位置信息，普通节点发送自身地理位置和剩余能量信息。

在无线传感器网络中，每个普通节点为普通传感器，普通节点通过定位装置，如GPS，或通过相关定位算法，如通过测距进行定位的算法，获得自己的地理位置，同时普通节点检查获得自身剩余能量。

普通节点在获取到自身地理位置和剩余能量信息后，广播一个信标帧，该信标帧中包含普通节点的地理位置和剩余能量信息。普通节点的信标帧按周期广播，当普通节点位置发生变化时，普通节点通过广播信标帧，以向其他普通节点通告该普通节点的新的地理位置。

目的节点可以为无线传感器网络中的基站或分簇无线传感器网络中每个簇的簇头。本实施例中目的节点为无线传感器网络中的基站。基站的通信范围能够覆盖整个无线传感器网，因而，无线传感器网络中所有普通节点都可以获取基站的地理位置。

步骤S302，普通节点接收并获得目的节点的地理位置信息和邻居节点的地理位置和剩余能量信息，并建立邻居表。

在无线传感器网络中，位于某普通节点通信范围内，能够同该普通节点间通过发送接收直接通信的普通节点为该普通节点的邻居节点。

每一普通节点维持一个邻居表，当接收到邻居节点的信标帧后，将该邻居节点添加到邻居表中，并在邻居表中记录该邻居节点的地理位置和剩余能量。

步骤S303，普通节点运用获得的目的节点和邻居节点的地理位置信息，选择距离目的节点比自身近的邻居节点作为前趋邻居节点，建立前趋邻居表。

普通节点根据目的节点和邻居表中邻居节点的地理位置信息，选择距离目的节点比自身近的节点添加到前趋邻居表中。前趋邻居表记录的每个前趋邻居节点的信息包括该前趋邻居节点的位置信息、剩余能量、以及普通节点到该前趋邻居节点的数据包接收率和该前趋邻居节点到普通节点的数据包接收率。

普通节点在MAC(Medium Access Control，媒体接入控制)层设计基于WMEWMA(Window Mean Exponentially Weighted Moving Average Estimator，指数加权滑动平均窗口)的链路估计器通过给每个数据包编号，根据编号计算累计发送和接收的数据包比值，通过加权滑动平均窗口计算数据包接收率。其中，普通节点到前趋邻居节点的数据包接收率由前趋邻居节点测得后，通过广播数据包通告给当前普通节点。

步骤S304，普通节点将前趋邻居表中传输次数大于门限值的前趋邻居节点屏蔽掉。

前趋邻居节点被屏蔽掉表示该前趋邻居节点为无效前趋邻居节点，在进行下一跳选择时不被考虑。

对于每个前趋邻居节点的实施方法如图4所示。

步骤S401，计算前趋邻居节点的数据报传输次数。

根据链路稳定模型，考虑到链路的非对称性，并且由于无线传感器网络中采用ARQ(Automatic Request for Repetition，自动请求重发)机制，因此按如下公式计算普通节点同每个前趋邻居节点间的数据包传输次数，

$\mathrm{ETX}(i,j)=\frac{1}{{\mathrm{PRR}}_{(i,j)}\left(d\right)\·{\mathrm{PRR}}_{(j,i)}\left(d\right)}$

其中，ETX(i，j)为普通节点和前趋邻居节点j间数据包传输次数，i为普通节点，j为一个前趋邻居节点，PRR_(i，j)(d)为普通节点i到前趋邻居节点j间的数据包接收率，PRR_(j，i)(d)为前趋邻居节点j到普通节点i间的数据包接收率。

步骤S402比较前趋邻居节点对应的数据包传输次数是否大于设置的门限值，如果大于，执行步骤S403，否则，执行步骤S404。

本实施例中，MAC层采用IEEE802.11协议中DCF(DistributedCoordination Function，分布协调功能)应用ACK(确认帧)确认重传保证传输可靠性，考虑到链路非对称性，当前向链路或后向链路的传输数据包次数超过确认帧重传次数上限值时，普通节点将直接丢弃该数据包，因此将门限值设置为确认帧重传次数上限值的平方。

步骤S403，将数据传输次数对应的前趋邻居节点从前趋邻居表屏蔽掉。

步骤S404，结束。

进行上述屏蔽是因为在无线网络中进行路由选择时，通过屏蔽掉链路质量差的前趋邻居节点，有助于提高数据传输可靠性。

此外，在门限值设置时，门限值被设置的越高，网络端到端的数据传输可靠性越高，但是可能导致局部网络的不连通，并可能加剧网络负载不均衡；门限值被设置的越低，前趋邻居列表中链路质量差的前趋邻居节点越多，可能导致在进行负载均衡时数据传输成功率显著下降。

步骤S305，普通节点估算通过每个前趋邻居表中的前趋邻居节点到达目的节点的总传输次数，记录到前趋邻居表中。

假设到达目的节点路由的每一跳普通节点间的数据包接收率相同，相邻路由节点到达目的节点的距离差与普通节点和被估算的前趋邻居节点间的距离差相同。

按公式

$\mathrm{ETX}=\frac{d_{i,d}}{d_{i,d}-d_{j,d}}\·\mathrm{ETX}(i,j)$

计算总传输次数，其中，ETX为总传输次数，ETX(i，j)为普通节点和前趋邻居节点j间数据传输次数，i为普通节点，j为一个前趋邻居节点，d为目的节点，d_i，d为普通节点i到目的节点的距离，d_j，d为前趋邻居节点j到目的节点的距离。

每个前趋邻居节点的总传输次数为进行路由下一跳普通节点选择时的一个考量参数。显然对于无线多跳路由来说，选择总传输次数最小的路径将保证端到端传输的可靠性最高。举例来说，如果普通节点有两个普通节点A和B分别可以作为下一跳的路由选择。如果普通节点到普通节点A的数据包传输次数估计为5次，通过普通节点A到达目的节点的路由跳数估计为2跳，总传输次数估算为10次。普通节点到另一个普通节点B的数据包传输次数估计为4次，路由跳数估计为3跳，总传输次数估计为12次。通过普通节点A的总传输次数将少于通过普通节点B的总传输次数，能够更好地保证数据的传输成功率。因此将总传输次数作为进行路由下一跳普通节点选择时的一个考量参数，能够更好地满足数据可靠传输的需要。

步骤S306，普通节点更新前趋邻居表中前趋邻居节点的剩余能量。

步骤S501，无线传感器网络中的普通节点在广播的信标帧中包含自身的平均包接收率信息，

平均包接收率按如下公式估算。

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{PRR}}^{\′}}=\frac{\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PRR}}_{(j,t)}\left(d\right)}{n}$

其中，PRR′为普通节点j的平均包接收率，t为普通节点j的一个前趋邻居节点，n为普通节点j的前趋邻居节点总数，PRR_(j，i)(d)为普通节点j到前趋邻居节点t间的数据包接收率。

步骤S502，普通节点接收到信标帧，获得前趋邻居节点的平均包接收率。

步骤S503，普通节点进行侦听。

步骤S504，侦听到数据包后，判断数据包的发送者是否为前趋邻居节点，如果是，执行步骤S505，否则，结束。

步骤S505，判断发送数据包的前趋邻居节点是否为数据包的源节点，如果是，执行步骤S506，否则，执行步骤S507；

步骤S506，按如下公式更新剩余能量，

${E^j}_{\mathrm{remain}}={E^j}_{\mathrm{remain}}-\frac{e_{\mathrm{tx}}}{{\mathrm{PRR}}_{(j,i)}\left(d\right)},$

其中，E^j _remain为前趋邻居节点j的剩余能量，j表示接收的数据包对应的前趋邻居节点，e_tx为无线传感器网路中普通节点发送单位数据包所消耗的能量，PRR_(j，i)(d)为前趋邻居节点j到该普通节点间的数据包接收率。

步骤S507，按如下公式更新剩余能量，

${E^j}_{\mathrm{remain}}={E^j}_{\mathrm{remain}}-\frac{e_{\mathrm{tx}}}{{\mathrm{PRR}}_{(j,i)}\left(d\right)}-e_{\mathrm{rx}}\·\stackrel{\‾}{{\mathrm{PRR}}^{\′}},$

其中，E^j _remain为前趋邻居节点j的剩余能量，j表示接收的数据包对应的前趋邻居节点，e_tx为无线传感器网路中普通节点发送单位数据包所消耗的能量，e_rx为无线传感器网路中普通节点接收单位数据包所消耗的能量，PRR_(j，i)(d)为前趋邻居节点j到该普通节点间的数据包接收率，PRR′为前趋邻居节点j的平均包接收率。

进行剩余能量更新是因为，虽然普通节点可以通过广播信标帧中的剩余能量信息获得邻居节点剩余能量，但是无线传感器网络中普通节点位置通常是固定的，不需要频繁的广播信标帧，因此广播周期相对较长，普通节点无法准确实时地获取邻居节点的剩余能量信息，从而影响普通节点的路由选择的准确性。如果为获取精确的邻居节点能量，而将广播信标帧的时间间隔减小，将增加全网广播数据包个数，加大网络负载，并使得数据传输冲突的概率增加，增大网络能量消耗和开销。在无线传感器网络中，数据包在共享的无线信道中传输时，普通节点因为串音(Overhearing)会接收并处理不是发送给自己的数据包。因此，利用该特性，应用上述剩余能量更新方法，能够在不减少广播信标帧时间间隔、不增加额外开销的基础上，获取周围邻居节点的剩余能量。

步骤S307，普通节点比较各个前趋邻居节点的总传输次数和剩余能量，从前趋邻居节点中选择出到达目的节点的路由的下一跳普通节点。

按公式

W_ij＝αpd(N_j)+(1-α)e(N_j)

计算前趋邻居节点的路由选择权值，其中，α为设置参数，N_j为一个前趋邻居节点，W_ij为前趋邻居节点N_j的路由选择权值，pd(N_j)为前趋邻居节点N_j相对于所有前趋邻居节点的总传输次数倒数归一化值，e(N_j)为前趋邻居节点N_j相对于所有前趋邻居节点的剩余能量归一化值；

比较前趋邻居节点的路由选择权值，选择路由选择权值最大的前趋邻居节点为路由的下一跳普通节点。

在无线传感器网络应用中，普通节点在不同时刻采集到的数据包重要程度通常有很大的不同。以森林防火为例，当周围环境温度正常时，采集到的温度数据重要程度较低，在数据转发时可以选择其他不是最可靠的路径，以均衡网络负载。而当有火灾发生时，此时采集到的温度数据异常重要，需要最大程度地保证数据的传输可靠性。本实施例中根据普通节点采集到的数据包重要性不同，将重要性分为10个等级，分别对应α值为0.1，0.2，0.3，04，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1。在转发数据时可以根据数据包的重要性自适应地调整当前的α参数，满足实际应用的要求。

如果所有邻居节点距目标节点的距离都比普通节点自身远，则此时网络出现了路由空洞，路由协议进入空洞环绕模式。在空洞环绕模式中，路由协议将根据右手规则沿路由边界普通节点传输数据包，直到该数据包抵达比空洞普通节点距目的节点更近的普通节点为止。

本发明的系统的一个具体实施例中普通节点的结构如图6所示，系统包括普通节点和发送自身地理位置信息的目的节点，普通节点包括：信息发送模块601、信息接收模块602、节点选择模块603、前趋邻居选择模块604、次数计算模块605、剩余能量更新模块606和路由选择模块607。

信息发送模块601，用于发送普通节点的地理位置、剩余能量和平均包接收率信息。

普通节点通过周期发送广播信标帧通告消息。其中平均包接收率信息在普通节点确定完前趋邻居节点后发送。

平均包接收率按如下公式估算。

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{PRR}}^{\′}}=\frac{\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PRR}}_{(j,t)}\left(d\right)}{n}$

其中，PRR′为普通节点j的平均包接收率，t为普通节点j的一个前趋邻居节点，n为普通节点j的前趋邻居节点总数，PRR_(j，t)(d)为普通节点j到前趋邻居节点t的数据包接收率。

本实施例中，普通节点在MAC(Medium Access Control，媒体接入控制)层设计基于WMEWMA的链路估计器通过给每个数据包编号，根据编号计算累计发送和接收的数据包比值，通过加权滑动平均窗口计算数据包接收率。其中，普通节点到前趋邻居节点的数据包接收率由前趋邻居节点测得后，通过广播数据包通告给当前节点。

信息接收模块602，用于接收并获得目的节点的地理位置信息和邻居节点的地理位置、剩余能量信息和平均包接收率，建立并维持邻居表。

节点选择模块603，用于运用获得的地理位置信息，选择距离目的节点比自身近的邻居节点作为前趋邻居节点，建立并维持前趋邻居表。前趋邻居表记录每个前趋邻居节点的信息包括普通节点的位置信息、剩余能量、以及普通节点到该前趋邻居节点和该前趋邻居节点到普通节点的数据包接收率。

前趋邻居选择模块604包括：估计模块和判断模块。

估算模块，用于估算普通节点同每个前趋邻居节点间的数据传输次数。

估算模块获得普通节点到每个前趋邻居节点间的数据包接收率，和每个前趋邻居节点到普通节点间的数据包接收率；按公式

$\mathrm{ETX}(i,j)=\frac{1}{{\mathrm{PRR}}_{(i,j)}\left(d\right)\·{\mathrm{PRR}}_{(j,i)}\left(d\right)}$

计算普通节点同每个前趋邻居节点间的数据包传输次数，其中，ETX(i，j)为数据包传输次数，i为普通节点，j为一个前趋邻居节点，PRR_(i，j)(d)为普通节点i到前趋邻居节点j间的数据包接收率，PRR_(j，i)(d)为前趋邻居节点j到普通节点i间的数据包接收率。

判断模块，用于判断数据传输次数是否大于设置的门限值，如果大于，则将数据传输次数对应的前趋邻居节点从前趋邻居表中屏蔽掉。门限值被设置为确认帧重传次数上限值的平方。

次数计算模块605，用于估算通过每个前趋邻居节点到达目的节点的总传输次数。

次数计算模块605获得普通节点到每个前趋邻居节点间的数据包接收率，和每个前趋邻居节点到普通节点间的数据包接收率；

按公式

$\mathrm{ETX}(i,j)=\frac{1}{{\mathrm{PRR}}_{(i,j)}\left(d\right)\·{\mathrm{PRR}}_{(j,i)}\left(d\right)}$

计算普通节点同每个前趋邻居节点间的数据传输次数，其中，ETX(i，j)为数据传输次数，i为普通节点，j为一个前趋邻居节点，PRR_(i，j)(d)为普通节点i到前趋邻居节点j间的数据包接收率，PRR_(j，i)(d)为前趋邻居节点j到普通节点i间的数据包接收率；

按公式

$\mathrm{ETX}=\frac{d_{i,d}}{d_{i,d}-d_{j,d}}\·\mathrm{ETX}(i,j)$

计算总传输次数，其中，ETX为总传输次数，ETX(i，j)为数据传输次数，i为普通节点，j为一个前趋邻居节点，d为目的节点，d_i，d为普通节点i到目的节点的距离，d_j，d为前趋邻居节点j到目的节点的距离。

剩余能量更新模块606包括：侦听模块、消耗能量估算模块和更新模块。

侦听模块，用于侦听邻居节点的数据包，判断数据包的发送者是否为前趋邻居节点。

消耗能量估算模块，用于在侦听模块侦听到前趋邻居节点发送的数据包时，估算发送数据包的前趋邻居节点的消耗能量。

消耗能量估算模块判断发送数据包的前趋邻居节点是否为数据包的源节点，如果是，消耗能量为普通节点发送单位数据包所消耗的能量除以发送数据包的前趋邻居节点到该普通节点间的数据包接收率的值；否则，消耗能量为普通节点发送单位数据包所消耗的能量除以发送数据包的前趋邻居节点到该普通节点间的数据包接收率的值，同普通节点接收单位数据包所消耗的能量除以发送数据包的前趋邻居节点平均包接收率的值的加和。

更新模块，用于在消耗能量估算模块估算完消耗能量后，将前趋邻居节点的剩余能量减去消耗能量，以更新前趋邻居节点的剩余能量。

路由选择模块607，用于比较各个前趋邻居节点的总传输次数和剩余能量，从前趋邻居节点中选择出到达目的节点的路由的下一跳普通节点。

路由选择模块公式

W_ij＝αpd(N_j)+(1-α)e(N_j)

计算前趋邻居节点的路由选择权值，其中，α为设置参数，N_j为一个前趋邻居节点，W_ij为前趋邻居节点N_j的路由选择权值，pd(N_j)为前趋邻居节点N_j相对于所有前趋邻居节点的总传输次数倒数归一化值，e(N_j)为前趋邻居节点N_j相对于所有前趋邻居节点的剩余能量归一化值；比较前趋邻居节点的路由选择权值，选择路由选择权值最大的前趋邻居节点为路由的下一跳普通节点。

本发明的仿真效果如图7至9所示。图中LEGR表示本发明。

实验仿真了100-400个普通节点随机部署在200×200的网络中，普通节点传输距离固定，定义节点密度为单位传输距离内的节点个数。在实验中分别对应100到400个普通节点设置了4种节点密度，4、8、12、16。在仿真实验中将普通节点发送单位数据包所消耗的能量的值分别归一化为1，普通节点接收单位数据包所消耗的能量归一化为0.375。同时为简单起见，仿真中解数据包头所消耗的能量忽略不计。每个普通节点的初始能量为1000J。在仿真中目的节点为基站，随机选取位于网络左下角的普通节点向位于网络右上角的基站定期发送数据。源数据普通节点产生一个CBR(恒定比特率)数据流，每秒产生0.5个数据包，一共发送500秒。仿真平台中有损链路模型的实现方式如下：

$\mathrm{PRR}\left(d\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& d<D_1\\ {[\frac{D_2-d}{D_2-D_1}+X]}_0^1& D_1\&le;d\&le;D_2\\ 0& d>D_2\end{array}\right.$

当普通节点间的通信距离小于D₁处于连通区域时，数据包接收率为1(PRR(d)＝100％)。当普通节点间的通信距离超过D₂处于不连通区域，数据包接收率可视为0(PRR(d)＝0)。当普通节点间通信距离位于D₁与D₂之间处于传递区域时，数据包接收率将有变化的平滑下降。 ${\left[y\right]}_a^b=\max \{a,\min \{b,y\left\}\right\},$ X服从方差为σ²的标准正态分布X～N(0，σ)。在仿真实验中，对D₁，D₂分别取值为D₁＝10，D₂＝30，σ＝0.3。

不同的节点密度下，本发明同GEAR以及GPSR的数据传输成功率对比效果如图7所示。α＝1.0时本转发方法的数据传输成功率最高，而且随着节点密度的增加，数据传输成功率也在增加。当取值α＝0.5本发明选择的路由不总是链路最好的路由，数据传输成功率相对α＝1.0时有所降低。由于本发明估计了有损链路的影响，因此数据传输成功率相比GPSR和GEAR协议有较大的改善。GPSR和GEAR协议由于没有考虑有损链路的影响，而仅采用距离贪婪转发策略，因此其数据传输成功率相对较低。

本发明同GEAR以及GPSR在不同节点密度下的能量效率对比效果如图8所示。α＝1.0时本发明转发方法的效率最高。

本发明同GEAR以及GPSR在不同节点密度下的网络寿命对比效果如图9所示。由于当取值α＝0.5时，本发明在路由选择时考虑了负载均衡的影响，因此其寿命比当取值α＝1.0时提高了30％-40％。由于GEAR协议在设计时也考虑了负载均衡的影响，因此网络寿命相对α＝1.0时的本发明以及GPSR也有较大的提高。

本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (14)

1.一种无线传感器网络数据转发方法，其特征在于，包括：

步骤1，目的节点发送自身地理位置信息，普通节点发送自身地理位置信息和剩余能量信息；

步骤2，所述普通节点接收所述目的节点的地理位置信息和邻居节点的地理位置信息和剩余能量信息；

步骤3，所述普通节点依据所述目的节点和邻居节点的地理位置信息，选择距离所述目的节点比自身近的邻居节点作为前趋邻居节点；

步骤4，所述普通节点为所述普通节点的每个前趋邻居节点估算以所述前趋邻居节点为路由的下一跳到达所述目的节点时，所述前趋邻居节点对应的总传输次数；

所述步骤4进一步包括，步骤61、步骤62、步骤63：

步骤61，接收并获得每个所述前趋邻居节点发送的所述普通节点到所述前趋邻居节点间的数据包接收率，估算每个所述前趋邻居节点到所述普通节点间的数据包接收率；

步骤62，按公式 $\mathrm{ETX}(i,j)=\frac{1}{{\mathrm{PRR}}_{(i,j)}\left(d\right)\&CenterDot;{\mathrm{PRR}}_{(j,i)}\left(d\right)}$ 计算所述普通节点同每个

所述前趋邻居节点间的数据包传输次数，

其中，ETX(i，j)为所述数据包传输次数，i为所述普通节点，j为一个所述前趋邻居节点，PRR_(i，j)(d)为所述普通节点到所述前趋邻居节点j间的数据包接收率，PRR_(j，i)(d)为所述前趋邻居节点j到所述普通节点间的数据包接收率；

步骤63，按公式 $\mathrm{ETX}=\frac{d_{i,d}}{d_{i,d}-d_{j,d}}\&CenterDot;\mathrm{ETX}(i,j)$ 计算所述总传输次数，

其中，ETX为所述总传输次数，ETX(i，j)为所述数据传输次数，i为所述普通节点，j为一个所述前趋邻居节点，d为所述目的节点，d_i，d为所述普通节点到所述目的节点的距离，d_j，d为所述前趋邻居节点j到所述目的节点的距离；

步骤5，所述普通节点比较各个所述前趋邻居节点的总传输次数和剩余能量，从中选择出到达所述目的节点的路由的下一跳普通节点。

2.如权利要求1所述的无线传感器网络数据转发方法，其特征在于，

所述步骤3还包括：将所述前趋邻居节点记录到前趋邻居表；

所述步骤3和步骤4之间包括：

步骤21，估算所述普通节点同每个所述前趋邻居节点间的数据传输次数；

步骤22，判断所述数据传输次数是否大于设置的门限值，如果是，执行步骤23；

步骤23，将所述数据传输次数对应的前趋邻居节点从所述前趋邻居表中屏蔽掉。

3.如权利要求2所述的无线传感器网络数据转发方法，其特征在于，所述门限值为确认帧重传次数上限值的平方。

4.如权利要求1所述的无线传感器网络数据转发方法，其特征在于，所述步骤3和所述步骤4之间还包括：

步骤41，所述普通节点侦听所述邻居节点的数据包，判断所述数据包的发送者是否为所述前趋邻居节点，如果是，执行步骤42；

步骤42，所述普通节点估算发送所述数据包的前趋邻居节点的消耗能量；

步骤43，所述普通节点将所述前趋邻居节点的剩余能量减去所述消耗能量，以更新所述前趋邻居节点的剩余能量。

5.如权利要求3所述的无线传感器网络数据转发方法，其特征在于，所述步骤21进一步包括：

步骤51，接收并获得每个所述前趋邻居节点发送的所述普通节点到所述前趋邻居节点间的数据包接收率，估算每个所述前趋邻居节点到所述普通节点间的数据包接收率；

步骤52，按公式 $\mathrm{ETX}(i,j)=\frac{1}{{\mathrm{PRR}}_{(i,j)}\left(d\right)\&CenterDot;{\mathrm{PRR}}_{(j,i)}\left(d\right)}$ 计算所述普通节点同每个

所述前趋邻居节点间的数据传输次数，

其中，ETX(i，j)为所述数据传输次数，i为所述普通节点，j为一个所述前趋邻居节点，PRR_(i，j)(d)为所述普通节点到所述前趋邻居节点j间的数据包接收率，PRR_(j，i)(d)为所述前趋邻居节点j到所述普通节点间的数据包接收率。

6.如权利要求1所述的无线传感器网络数据转发方法，其特征在于，所述方法还包括：

步骤71，所述普通节点发送自身的平均包接收率信息；

步骤72，所述普通节点接收所述邻居节点的平均包接收率信息；

所述步骤42进一步包括：

步骤73，判断发送所述数据包的前趋邻居节点是否为所述数据包的源节点，如果是，执行步骤74，否则，执行步骤75；

步骤74，所述消耗能量为普通节点发送单位数据包所消耗的能量除以发送所述数据包的前趋邻居节点到所述普通节点间的数据包接收率的值；

步骤75，所述消耗能量为普通节点发送单位数据包所消耗的能量除以发送所述数据包的前趋邻居节点到所述普通节点间的数据包接收率的值，同普通节点接收单位数据包所消耗的能量除以发送所述数据包的前趋邻居节点平均包接收率的值的加和。

7.如权利要求1至6任一所述的无线传感器网络数据转发方法，其特征在于，所述步骤5进一步包括：

步骤81，按公式W_ij＝αpd(N_j)+(1-α)e(N_j)计算所述前趋邻居节点的路由选择权值，

其中，α为设置参数，N_j为一个所述前趋邻居节点，W_ij为前趋邻居节点N_j的路由选择权值，pd(N_j)为前趋邻居节点N_j相对于所有所述前趋邻居节点的总传输次数倒数归一化值，e(N_j)为前趋邻居节点N_j相对于所有所述前趋邻居节点的剩余能量归一化值；

步骤82，比较所述前趋邻居节点的路由选择权值，选择所述路由选择权值最大的前趋邻居节点为所述路由的下一跳普通节点。

8.一种无线传感器网络数据转发系统，包括普通节点和发送自身地理位置信息的目的节点，其特征在于，所述普通节点包括：

信息发送模块，用于发送所述普通节点的地理位置和剩余能量信息；

信息接收模块，用于接收目的节点的地理位置信息和邻居节点的地理位置和剩余能量信息；

节点选择模块，用于依据所述接收的地理位置信息，选择距离所述目的节点比自身近的邻居节点作为前趋邻居节点；

次数计算模块，用于为所述普通节点的每个前趋邻居节点估算以所述前趋邻居节点为路由的下一跳到达所述目的节点时，所述前趋邻居节点对应的总传输次数；

所述次数计算模块进一步用于接收并获得每个所述前趋邻居节点发送的所述普通节点到所述前趋邻居节点间的数据包接收率，估算每个所述前趋邻居节点到所述普通节点间的数据包接收率；

按公式 $\mathrm{ETX}(i,j)=\frac{1}{{\mathrm{PRR}}_{(i,j)}\left(d\right)\&CenterDot;{\mathrm{PRR}}_{(j,i)}\left(d\right)}$ 计算所述普通节点同每个所述前趋邻居节点间的数据传输次数，其中，ETX(i，j)为所述数据传输次数，i为所述普通节点，j为一个所述前趋邻居节点，PRR_(i，j)(d)为所述普通节点到所述前趋邻居节点j间的数据包接收率，PRR_(j，i)(d)为所述前趋邻居节点j到所述普通节点间的数据包接收率；

按公式 $\mathrm{ETX}=\frac{d_{i,d}}{d_{i,d}-d_{j,d}}\&CenterDot;\mathrm{ETX}(i,j)$ 计算所述总传输次数，其中，ETX为所述

总传输次数，ETX(i，j)为所述数据传输次数，i为所述普通节点，j为一个所述前趋邻居节点，d为所述目的节点，d_i，d为所述普通节点到所述目的节点的距离，d_j，d为所述前趋邻居节点j到所述目的节点的距离；

路由选择模块，用于比较各个所述前趋邻居节点的总传输次数和剩余能量，从所述前趋邻居节点中选择出到达所述目的节点的路由的下一跳普通节点。

9.如权利要求8所述的无线传感器网络数据转发系统，其特征在于，

所述普通节点还包括用于记录前趋邻居节点的前趋邻居表；

所述节点选择模块，还用于在选择出前趋邻居节点后，将所述前趋邻居节点记录到所述前趋邻居表中；

所述普通节点还包括前趋邻居选择模块，所述前趋邻居选择模块包括：

估算模块，用于估算所述普通节点同每个所述前趋邻居节点间的数据传输次数；

判断模块，用于判断所述数据传输次数是否大于设置的门限值，如果大于，则将所述数据传输次数对应的前趋邻居节点从所述前趋邻居表中屏蔽掉。

10.如权利要求9所述的无线传感器网络数据转发系统，其特征在于，所述门限值为确认帧重传次数上限值的平方。

11.如权利要求8所述的无线传感器网络数据转发系统，其特征在于，

所述普通节点还包括剩余能量更新模块，所述剩余能量更新模块包括：

侦听模块，用于侦听所述邻居节点的数据包，判断所述数据包的发送者是否为所述前趋邻居节点；

消耗能量估算模块，用于在所述侦听模块侦听到前趋邻居节点发送的数据包时，估算发送所述数据包的前趋邻居节点的消耗能量；

更新模块，用于在所述消耗能量估算模块估算完消耗能量后，将所述前趋邻居节点的剩余能量减去所述消耗能量，以更新所述前趋邻居节点的剩余能量。

12.如权利要求10所述的无线传感器网络数据转发系统，其特征在于，所述估算模块进一步用于接收并获得每个所述前趋邻居节点发送的所述普通节点到所述前趋邻居节点间的数据包接收率，估算每个所述前趋邻居节点到所述普通节点间的数据包接收率；按公式

$\mathrm{ETX}(i,j)=\frac{1}{{\mathrm{PRR}}_{(i,j)}\left(d\right)\&CenterDot;{\mathrm{PRR}}_{(j,i)}\left(d\right)}$ 计算所述普通节点同每个所述前趋邻居节点间的数据包传输次数，其中，ETX(i，j)为所述数据包传输次数，i为所述普通节点，j为一个所述前趋邻居节点，PRR_(j，i)(d)为所述普通节点到所述前趋邻居节点j间的数据包接收率，PRR_(j，i)(d)为所述前趋邻居节点j到所述普通节点间的数据包接收率。

13.如权利要求8所述的无线传感器网络数据转发系统，其特征在于，

所述信息发送模块，还用于发送所述普通节点的平均包接收率信息；

所述信息接收模块，还用于接收所述邻居节点的平均包接收率信息；

所述消耗能量估算模块进一步用于判断发送所述数据包的前趋邻居节点是否为所述数据包的源节点，如果是，所述消耗能量为普通节点发送单位数据包所消耗的能量除以发送所述数据包的前趋邻居节点到所述普通节点间的数据包接收率的值；否则，所述消耗能量为普通节点发送单位数据包所消耗的能量除以发送所述数据包的前趋邻居节点到所述普通节点间的数据包接收率的值，同普通节点接收单位数据包所消耗的能量除以发送所述数据包的前趋邻居节点平均包接收率的值的加和。

14.如权利要求8至13任一所述的无线传感器网络数据转发系统，其特征在于，所述路由选择模块进一步用于按公式W_ij＝αpd(N_j)+(1-α)e(N_j)计算所述前趋邻居节点的路由选择权值，其中，α为设置参数，N_j为一个所述前趋邻居节点，W_ij为前趋邻居节点N_j的路由选择权值，pd(N_j)为前趋邻居节点N_j相对于所有所述前趋邻居节点的总传输次数倒数归一化值，e(N_j)为前趋邻居节点N_j相对于所有所述前趋邻居节点的剩余能量归一化值；比较所述前趋邻居节点的路由选择权值，选择所述路由选择权值最大的前趋邻居节点为所述路由的下一跳普通节点。

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