CN101820661A - 移动无线多跳网络中结合机会转发的随机行走路由方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种移动无线多跳网络中结合机会转发的随机行走路由方法，该随机行走路由方法结合了机会转发，其无线节点采用全向天线，网络中的每个节点周期性的发送Beacon包。在此基础上，为了更进一步的提高能量均衡能力，设计了一种改进方案：即，在机会路由的转发策略中引入基于剩余能量的优先转发机制，即，备选转发节点的优先级根据各备选转发节点的剩余能量来决定。应用这些机制，数据转发任务根据节点剩余能量的多少进行动态调节，进一步提高了随机行走的能量均衡性。本专利设计的路由方法不需要预先计算路径，节点也不需要收集大量网络状态信息，开销极低，在网络中数据量较小、对数据转发延迟没有很高要求的移动无线网络中具有优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种移动无线多跳网络协议，特别涉及一种无线多跳网络中结合机会转发的随机行走路由方法。
背景技术
移动无线多跳网络是近些年出现的一种综合电子技术、无线通信技术、计算机技术的技术领域，将在灾难自救、医疗救护、环境检测、森林火险报警、火山监测和军事领域具有非常广泛的应用前景。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。
无线多跳网络具有无需固定设备支撑，可以快速部署，同时具有易于组网、不受有线网络的约束等优点，但同时由于受到成本和体积等因素的限制，无线节点的处理能力、传输能力、无线带宽和电池容量都很有限。
为了提高无线多跳网络的性能，路由协议是研究的一个热点问题。针对这一问题，有很多协议，包括最短路由、最可靠路由、最小延迟路由、分簇网络结构下的路由协议、能量高效路径选择协议(包括选择最小功率端到端路径、最大剩余能量路径或混合路由协议)等等。上述协议和方法研究成果已经较多，它们的共同特性就是路由性能较好、但开销较高。随机行走(Random Walk)路由协议是一种非常简单的路由协议，它解决了其他路由协议控制包开销较高的问题，当节点要传输一个数据包时，如果目的节点不在本节点邻居列表中，则首先从邻居表中随机的选择一个邻居节点作为下一跳转发节点，然后将数据包发给这个邻居节点。随机行走路由协议由于不需要节点预先收集或维护过多的路由信息，也不需要任何路由发现进程，因此开销极低，在数据量小、延迟要求较低的应用场景下，常常被采用。但是，传统随机行走协议没有考虑无线链路的高丢失特性，将分组转交给任意选择的一个邻居节点，可能需要多次重传，这又会消耗大量的无线网络带宽资源和能量资源，从而影响无线网络性能。已有随机行走方面的工作主要集中关注是否允许已经执行过转发某分组的节点继续转发该分组(如果允许的话，最大转发次数设定)，以及基于上述方法的分组投递延迟建模分析。
发明内容
针对背景技术中提到的采用随机行走路由协议组建的移动无线多跳网络，本发明要解决的技术问题是：在网络数据量很小的情况下，限制控制包的消耗，同时利用机会转发的特性来提高端到端的转发效率，从而实现在全网范围内带宽资源和能量资源的减少消耗。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是引入机会路由(或称机会转发，Opportunistic Fowarding)，针对设计了基于机会转发的随机行走路由方法。
机会路由充分考虑了无线链路的丢失特性和广播特性，即：一个节点发送，它的邻居都可能收到该分组，如果节点采用全向天线的话。机会路由适合各种无线多跳网络，包括无线mesh网络、无线自组织网络、无线传感器网络。机会转发的概念首先是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的。与传统的路由方式不同，机会路由中发送节点不首先确定下一跳转发节点，而是选择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。机会路由的机制充分利用了信道广播特性，可以有效提高吞吐量和传输可靠性。机会路由的基本思想是：源节点欲向目的节点发送数据，它会在邻居表中以某种机制选择几个相互之间可以通信的邻居节点作为转发节点，这些节点组成备选转发节点集，并为每个节点设置优先级。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。如果较优先级较高的节点没有收到，则由备选转发节点集中优先级较低的节点来转发数据包。
基于机会转发的随机行走路由方法综合利用了随机行走路由协议的简单性和机会路由方法的高效性。其无线节点采用全向天线，网络中的每个节点周期性的发送Beacon包，以此来维护邻居信息。Beacon包中携带节点ID、节点剩余能量信息(此项可选)和节点邻居信息。当数据源节点有数据包需要发送时(或收到该数据包的中间节点)，它会在本地邻居表中随机地选出相互之间可达的1～n个邻居，并随机指定这些备选转发节点的优先级，邻居之间的可达性由节点中维护的两跳邻居表来去定。参数n的值可以根据网络的节点密度、对数据的转发率的要求和对端到端延时的要求等因素来选择，通常是一个较小的整数。其中备选转发节点的优先级是随机指定的。
在此基础上，为了更进一步的提高能量均衡能力，设计了一种改进方案：即，在机会路由的转发策略中引入基于剩余能量的优先转发机制，即，备选转发节点的优先级根据各备选转发节点的剩余能量来决定。
应用这些机制，数据转发任务根据节点剩余能量的多少进行动态调节，进一步提高了随机行走的能量均衡性。本专利设计的路由方法不需要预先计算路径，节点也不需要收集大量网络状态信息，开销极低，在网络中数据量较小、对数据转发延迟没有很高要求的移动无线网络中具有优势。
附图说明
图1是无线传感器网络中结合机会转发的随机行走路由方法的例子图。
其中黑色节点是数据转发的源节点和sink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)。
具体实施方式
本发明的方案中，网络中的每个节点周期性的发送Beacon包，以此来维护邻居信息。Beacon包中携带节点ID、节点剩余能量信息(此项可选)和节点邻居信息。如果网络拓扑静态性较强(如传感器节点的位置不动)，节点间交互Beacon消息的周期可以比较长，而移动速度较快的节点，则需要较为频繁地发送Beacon包，以便邻居节点能够获得较新的邻接关系信息。
当数据源节点有数据包需要发送时(或收到该数据包的中间节点)，如果目的节点是本节点的邻居节点，那么直接将分组转交给目标节点。否则，它会在本地邻居表中随机地选出相互之间可达的1～n个邻居，并随机指定这些备选转发节点的优先级，邻居之间的可达性由节点中维护的两跳邻居表来去定。参数n的值可以根据网络的节点密度、对数据的转发率的要求和对端到端延时的要求等因素来选择，通常是一个较小的整数。确定备选转发节点集和优先级顺序后，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，优先级低的节点听到被转发的数据包后就丢弃它所收到的此数据包，不再发送。如果较优先级较高的节点没有收到，则由备选转发节点集中优先级较低的节点来转发数据包。如果没有任何备选转发节点执行了分组转发，那么源节点将进行重传——即：将分组继续转发给刚刚选定的备选节点集。继续承担分组转发任务的节点按继续上述方式进行分组转发，直到数据包到达目的节点，或分组超时(如TTL值高于某一阈值)。
如果低优先级的节点由于某种原因没有听到高优先级节点的分组转发，认为高优先级节点没有收到此数据，因而发出这个数据包。这时会出现网络中同时传送同一个数据包的情况，这样会浪费一些资源，但对于数据投递来说，可以提高转发率。由于本专利选择的备选节点集中的节点是两两相邻的，因此发生上述现象的概率极低。
上述选择备选节点集过程中，可以选择1～n个节点。一般来说n的值不需要太大——以确保转发分组的包头不会太大。这里转发集可以仅包含一个元素，这是为了确保不与任何其他邻居相邻的邻居节点也可以被选为备选转发节点，从而保证路由协议的收敛性。
上述机制中，备选转发节点的优先级是随机指定的，为了提高网络能量均衡性，这里设计了一种结合节点剩余能量来设定备选转发节点优先级的机制。按节点剩余能量值确定优先级的高低，剩余能量越高优先级越大，反之越小。这样，在随机的选择转发节点的基础上，考虑了节能能量损耗的均衡性，以使剩余能量较高的节点承担更多的转发任务，而剩余能量较小的节点尽量减少承担转发任务的机会，以此来均衡转发任务，进而使全网能量均衡，达到延长网络生存周期的目的。
图1中描述了此无线传感器网络中机会的随机行走路由协议的例子，传感器节点S发送数据包到移动sink节点D。S随机选择备选转发节点为A、B、C，它们的RE值分别如图所示，节点A为0.9，节点B为0.4，节点C为0.7，节点优先级顺序由高到低顺序为A CB。数据包发出后，优先级最高的A节点收到了此数据包，并发出此数据包，其它备选节点收到此数据包后丢弃本地缓冲区内的此数据包，不再发送。A节点继续向sink节点D方向转发数据包，转发过程与前一跳相同，直到数据被送到sink节点为止。
Claims (4)
1.移动无线多跳网络中结合机会转发的随机行走路由方法，其特征在于：所述随机行走路由方法结合了机会转发，无线节点采用全向天线，网络中的每个节点周期性的发送Beacon包。
2.根据权利要求1所述的移动无线多跳网络中结合机会转发的随机行走路由方法，其特征在于：备选转发节点集的选择具有随机性，包括转发节点集中节点的选择是在邻居节点中随机选择，集合的大小是1～n之间的随机正整数。
3.根据权利要求1所述的无线多跳网络中的随机行走路由方法，其特征在于：转发节点集中的节点的优先级是随机设定的。
4.根据权利要求1所述的无线多跳网络中的随机行走路由方法，其特征在于：所述Beacon包中携带节点ID、节点剩余能量信息和节点邻居信息。
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