CN101860981B - 无线传感器网络的路由方法及系统 - Google Patents

Abstract

公布了一种无线传感器网络的路由方法和系统，其方法包括：S1.从指定节点接收广播消息，该广播消息包括：由两个以上指定节点构成的指定路径；S2.若本节点的邻居节点中包含至少两个所述指定节点，则本节点作为保护节点与所述指定路径组成鲁棒路径；S3.本保护节点协同所述指定节点转发分组。上述无线传感器网络的路由方法，保护节点是根据从指定节点获得的指定路径确定的，当指定路径上的一个指定节点失效或移动，该节点的保护节点将代替它转发分组，因此上述方法以较小的开销快速建立一条鲁棒路径，有效减少路径断裂和适应拓扑变化；此外，由于避免了从不稳定或失效的连接上重传分组，节省了能源消耗。

Description

无线传感器网络的路由方法及系统

【技术领域】

本发明涉及无线传感器网络，尤其涉及无线传感器网络的路由方法及系统。 

【背景技术】

无线传感器网络的广泛应用影响到日常生活中的方方面面。在许多应用中，无线传感器网络中的传感节点是移动的。例如，野外监控、环境勘探、或者把传感器装备到动物身上进行跟踪监测。 

在移动无线传感器网络中，由于信道衰减、屏蔽、干扰、节点失效或移动等因素使得连接断裂频繁发生。一旦连接断裂，必须立刻进行重新路由或者替换路由。否则，就会出现分组丢失和很大的延迟。因此路径的鲁棒性成为移动无线传感器网络路由设计的关键，一方面要保证路径上的连接不易断裂，更重要的是在连接断裂时，可以以较小的代价绕过断裂连接，高效恢复路径，使分组继续按着路由路径转发。 

而无线传感器网络的另一特点就是传感器计算、存储、通信能力受限，特别是能量有限，因此路由的方法不能过于复杂而导致开销过大，节约能耗提高传感器节点寿命是一个不得不考虑的问题。虽然有许多不同的针对移动无线传感器网络的路由协议被提出，然而对路径的鲁棒性考虑的并不充分，大多并不考虑传感器节点频繁移动的情况，对于路径的恢复也使用传统的重新路由，寻找另一条到达目标节点的路径，这势必会带来巨大的开销和较低的路由性能。它们都不适合于高动态的网络拓扑，尤其不适合能量与计算能力都受限的移动传感器节点。因此，快速路径恢复、高效使用能量以及高鲁棒性便成为在移动无线传感网络中设计路由协议的主要目标。 

【发明内容】

提供一种减少能量消耗、快速适应拓扑变化的无线传感器网络的路由方法及系统。 

技术方案如下： 

一种无线传感器网络的路由方法，包括以下步骤：S1.从指定节点接收广播 消息，该广播消息包括：由两个以上指定节点构成的指定路径；S2.若本节点的邻居节点中包含至少两个所述指定节点，则本节点作为保护节点与所述指定路径组成鲁棒路径；S3.本保护节点协同所述指定节点转发分组。 

一种无线传感器网络的路由系统，包括：分组接收模块，从指定节点接收广播消息，该广播消息包括由两个以上指定节点构成的指定路径；保护节点决策模块，本节点的邻居节点中包含至少两个所述指定节点，则本节点作为保护节点与所述指定路径组成鲁棒路径；协同模块，本保护节点协同所述指定节点转发分组。 

上述无线传感器网络的路由方法和系统，保护节点是根据从指定节点获得的指定路径分组确定的，当指定路径上的一个指定节点移动，该指定节点的保护节点集将随之变化，能够以较小的开销实时更新，快速建立一条新鲁棒路径适应拓扑变化；此外，由于避免了从不稳定或失效的连接上重新传递，节省了能源消耗。 

【附图说明】

图1是一种实施方式中无线传感器网络的路由方法的流程图； 

图2是鲁棒路径组成的示意图； 

图3是保护节点协同所述指定节点转发分组的示意图； 

图4是等效回退时间示意图； 

图5是补救回退时间示意图； 

图6是等效节点分布区域示意图； 

图7是补救节点分布区域示意图； 

图8是一种实施方式中无线传感器网络的路由系统的结构框图； 

图9是节点移动对路由性能影响仿真的分组成功投递率图； 

图10是节点移动对路由性能影响仿真的端到端时延图； 

图11是节点移动对路由性能影响仿真的能量消耗图； 

图12是在节点最大速率为10m/s情况下，连接错误率对路由性能影响仿真的分组成功投递率图； 

图13是在节点最大速率为10m/s情况下，连接错误率对路由性能影响仿真的端到端时延图； 

图14是在节点最大速率为10m/s情况下，连接错误率对路由性能影响仿真的能量消耗图。 

【具体实施方式】

以下结合具体实施方式和附图做出详细描述。 

一种无线传感器网络的路由方法，如图1所示，包括以下步骤： 

100.从指定节点接收广播消息，该广播消息包括：由两个以上指定节点构成的指定路径(intended path)；广播消息可以是控制信息或数据分组；指定路径信息可以是局部的指定路径消息，也可以整体的指定路径消息。 

本步骤包括： 

110.在起始节点和目标节点建立指定路径，指定路径上的每个节点称为指定节点； 

120.作为优选，本实施方式中，每个指定节点广播局部的指定路径消息，局部的指定路径消息包括起始节点、目标节点、当前节点ID以及它的上位节点和下位节点。起始节点和目标节点用来识别一条指定路径。 

130.本节点接收所述局部的指定路径消息。 

200.若所述指定路径中有至少两个指定节点是本节点的邻居节点，则本节点作为保护节点与所述指定路径组成鲁棒路径； 

图2显示了一条节点s和节点d作为起始节点和目标节点的鲁棒路径，其中指定路径是节点s—>节点1—>节点2—>节点d，其上的每个节点都是指定节点，节点3、节点4、节点5都邻近指定路径，并作为保护节点与指定路径一同组成鲁棒路径。鲁棒路径上所有节点都有指定路径的局部信息，这些节点间的协作可以加快对路径失效的反应，因为他们可以使用既有信息进行恢复。以节点1和节点2为例说明鲁棒路径的组成过程。 

节点1广播其所在指定路径的局部指定路径消息：起始节点为s，目标节点为d，节点ID为1，上位节点s，下位节点2。节点1传输范围内的节点3、节点4、节点5接收到该消息。 

同时，节点2广播消息：起始节点为s，目标节点为d，节点ID为2，上位节点1，下位节点d。位于节点2的传输范围内的节点3、节点4和节点5也接 收到该广播消息。 

假设所有节点都有相同的传输范围，由于无线介质的传播特性，发送节点的相邻节点都可以接收到分组，这叫做无线广播优(Wireless BroadcastAdvantage)，节点3、节点4、节点5比较监听到节点1和节点2发出的广播消息，发现节点1、节点2同为一条指定路径上的节点，节点1是节点2的上位节点，因此，节点3、节点4、节点5作为指定路径的保护节点，节点3、节点4、节点5同节点1、节点2之间的连接组成鲁棒连接，它们在此路径上的下一跳为节点2。如果一个节点属于几条鲁棒路径，它对每条路径保存一个记录。 

300.本保护节点协同所述指定节点转发分组。保护节点有等效节点(equivalent node)和补救节点两种方式： 

第一种方式是等效节点：若间隔至少两跳的两个指定节点之间的路径断裂，且该两个指定节点都是本保护节点的邻居节点，则本保护节点作为等效节点代替所述断裂的路径完成所述两个指定节点间分组的传递。 

以下结合实施例进行详细描述。首先在起始节点和目标节点之间已近建立一条指定路径，如图2所示，节点1、节点2和节点d是该指定路径中的指定节点，节点1要发送一个分组到节点d，通过的指定路径是节点1—>节点2—>节点d。较之图2，图3中的节点4移动出了节点1的传输范围，所以当节点1发送分组到节点2时，只有节点3和节点5接收到分组。 

节点1和节点2都是指定节点、同时又都是节点5的邻居节点，所以节点5是等效节点，当间隔两跳的指定节点1和指定节点d之间的路径断裂，即指定节点2失效不能正确接收分组，在重新路由或是丢弃分组之前，不必再通过不可靠甚至是已断裂的连接节点1—>节点2来重传分组，而是用节点5作为等效节点替代节点2传输分组给节点d。通过等效节点可以最快地回到指定路径上。 

当两个指定节点的间隔超过两跳，首选最靠近目标节点的保护节点作为等效节点，靠近目标节点的量度可以通过广播消息中的指定路径来确定。 

第二种方式是补救节点：所述鲁棒路径中的一个指定节点或者保护节点未能收到上位指定节点的分组，且该上位指定节点与所述指定节点或者保护节点都是本保护节点的邻居节点，则本保护节点作为补救节点将接收到的所述分组发送至所述指定节点或者保护节点。该方式又可拆分为以下两种实施例： 

A.结合图3，所述鲁棒路径中的一个指定节点(节点2)未能收到上位指定节点(节点1)的分组，且该上位指定节点(节点1)与所述指定节点(节点2)都是本保护节点(节点3)的邻居节点，则本保护节点(节点3)作为补救节点将接收到的所述分组发送至所述指定节点(节点2)。 

B.结合图3，所述鲁棒路径中的一个保护节点(节点5)未能收到上位指定节点(节点1)的分组，且该上位指定节点(节点1)与所述保护节点(节点5)都是本保护节点(节点3)的邻居节点，则本保护节点(节点3)作为补救节点将接收到的所述分组发送至所述保护节点(节点5)。从该实施例可以看出，作为优化，等效节点优先于补救节点。 

补救节点就是，当一个指定节点没有接收到来自其上位指定节点发送的分组，成功接收了分组保护节点将不需要等待路由指令(重新路由)而发送该分组给下位节点；如果下位节点(路径上两条以外的节点)可达，则把分组发送给它；否则，发送给另一个保护节点。 

所有保护连接和期望连接同时失效的概率是要远远小于期望连接失效的概率的。因此，保护节点可以提高路径可靠性，减少端到端时延。虽然保护节点的代价是要消耗能源进行监听，由于可以避免从不稳定或是失效的连接上重传分组，这些节省的能源节约又抵消了监听带来的能源消耗，所以，保护节点之间相互协同增加路径鲁棒性，同时还能减少能量消耗。 

保护节点需要指定路径的局部信息，这带来了鲁棒路径的另外一个优点，即，快速适应拓扑变化。当指定路径上的一个指定节点移动，该指定节点的保护节点集将随之变化。因此，在移动无线网络中，有效的保护节点集也是动态的。较之传统路由，本无线传感器网络的路由方法可以以较小的开销实时更新自动建立一条新鲁棒路径。 

基于保护节点可以分为两种等效节点和补救节点两种不同的策略和行为，在优选的实施方式中，规定等效节点的优先于补救节点，即图3中的节点2未能把节点1发送的分组转发出时，首选等效节点(节点5)转发出去；若等效节点没能转发出去，则通过补救节点(节点3)发送。 

以下结合媒体访问控制(Media Access Control，MAC)层协议具体说明转发过程。MAC层协议使用IEEE 802.11MAC层协议的修改版本，请求发送/允 许发送(Request To Send/Clear To Send，RTS/CTS)协议也与IEEE 802.11的相同，见图4，当完成数据传输(DATA)后，发送节点(sender)等待一个确认字符(ACK)。如果下位指定节点(receiver)成功接收了该分组，它在一个优先级帧间隔(Short interframe spacing，SIFS)后回复一个ACK消息；否则信道在这个SIFS时间间隔中没有消息，保护节点发现指定路径失效，它发送一个ACK给发送节点，然后作为等效节点继续转发分组(这一点是不同于IEEE802.11MAC层协议的)。 

但是，因为载波侦听距离通常大于传输距离的两倍，比如，在NS2中，载波侦听距离默认是传输距离的2.2倍，ACK可以被其他保护节点探测或监听到，因此有可能多个保护节点都是等效节点。为了解决这个问题减少潜在的冲突，引入了等效回退时间(back off time)，表示做T_boe，m，见图4，每个保护节点等待一个等效回退时间后回复发送节点，很明显，等效回退时间最短的保护节点首先回复ACK。一旦正在计数回退时间的保护节点监听到ACK即停止竞争回复，这样，选择转发节点的过程就结束了。N_e来表示等效节点集，等效回退时间T_boe，m由下列公式表示：Y_boe，m＝SIFS+T_eV_mP_m，for node m∈N_e

其中， 

T_e是等效节点的回退窗口。 

对于节点m与失效指定节点的下位节点之间的连接，D_m是该连接分组传递的时延，E_m是该连接的传递错误率。 

为了更好适应节点移动的动态环境，V_m表示对下位指定节点的相对运动，它的取值是一种综合的考虑。即V_m是一个规格化的相对移动速度的平均值，取值[0.01，1]。如果取零值，多个静止节点会等待相同的回退时间SIFS，这会导致冲突。因此V_m被规格化在[0.01，1]。V_m用于预测节点的稳定性。一个快速移动的节点会导致连接不稳定。一个节点的V_m值为零或是很小表明该连接在进行传输时断裂的可能性小。 

可靠性E_m表示连接的衰减和屏蔽情况。连接时延指通过该连接转发一个分组的时延，是一个经验均值。它也表示该区域的通信负载状况。负载较重说明该连接上正在进行多个任务，因此出现较长的连接时延。考虑上述两个因素，选择拥有任务较少可靠性较高的连接的节点作为转发节点。等效回退时间不会超过SIFS+T_e。 

如果经过T_e没有监听到ACK消息，表示没有等效节点可以使用，此时，优先级低于等效节点的补救节点开始竞争。补救节点是指定节点和其下位指定的共有邻居，或是指定节点和等效节点的共同邻居。如果一个指定节点未能正确接收到分组，分组可以绕开该指定节点而通过补救节点。分组到达补救节点，再通过下一跳的指定节点或是等效节点重新回到指定路径上的下位节点。对于转发分组，补救节点的优先权小于等效节点。 

见图5，如果在第一阶段没有等效节点转发分组，则开始第二阶段补救节点的竞争。第一阶段，只有等效节点参与。在开始第二阶段之前，所有补救节点已经经过一个等效回退时间T_e。N_r表示补救节点集，T_bor表示补救回退时间，与计算等效节点时延方式相似，补救回退时间服从下式 

T_bor，m＝SIFS+T_e+T_rV_mP_m  for node m∈N_r

T_r是补救节点的回退窗口。设任何一个保护节点监听到发自另一个保护节点的ACK表示一次成功的协同。因此该节点丢弃接收到的分组。对于补救回退时间最大是SIFS+T_e+T_r。该值被限定在DATA和ACK之间的时间间隔内。因此，占据信道传输一个分组的最大时间可以由图5得出。 

每个保护节点的回退时间是不可预测的，但是最大回退时间和竞争间隔是可以得到的。一个保护节点在发出ACK之前监听到来自其他节点的RTS，则DATA/ACK握手将会中断。为了避免此种情况，需要修改网络分配向量(networkallocation vector，NAV)。每个节点设置各自的NAV为IEEE802.11中的NAV(表示为NAV802.11)与最大回退时间T_max之和： 

NAV＝NAV_802.11+T_e+T_r＝NAV_802.11+T_max

若保护节点存在，且ACK已在NAV归零之前被发出，NAV保证当前的握手过程不会被中断。使用新的NAV值的缺点是如果NAV归零之前，一个ACK发给了发送节点，保护节点在NAV归零过程中都是保持空闲状态的，T_max大约是几百毫秒，这要比重传的时间小的多(大约是传输1K数据分组的时间是毫秒级的)。鲁棒性协同路由协议相对传统的重传方式，仍然有较小的时延。T_max的值由网络节点密度决定。如果密度大，潜在的会有更多的节点可以担当协同路由的任务。因此，T_max应该被设置的足够大来减少保护节点之间出现ACK冲突的概率。 

以下结合具体数据说明鲁棒性协同路由的能量使用效率。 

首先需要找到保护节点的平均数： 

把保护节点分成两个集合进行计算，假设节点以密度D均匀分布。从起始节点到目标节点的路径为n₀，n₁，...，n_h，n₀＝s，n_h＝d，用d_i，j表示节点i和j之间的距离。每个节点的传输距离是R，一次传输的能量消耗是E_t。 

图6中的阴影区域是等效节点可能出现的区域，R＜d_i-1，i+1≤d_i-1，i+d_i，i+1节点i所在的阴影区域的面积用S_e(i)表示 

$S_e\left(i\right)=2(\frac{\∠\mathrm{AiB}}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\π}{R}^2-\frac{d_{i-1,i+1}}{2}\sqrt{R^2-{\left(\frac{d_{i-1,i+1}}{2}\right)}^2})---\left(3\right)$

$=2R^2\arccos \left(\frac{d_{i-1,i+1}}{2R}\right)-d_{i-1,i+1}\sqrt{R^2-{\left(\frac{d_{i-1,i+1}}{2}\right)}^2}$

等效节点的平均数N_e(i) 

$N_e\left(i\right)=S_e\left(i\right)\·D-1$

$=2D{R}^2\arccos \left(\frac{d_{i-1,i+1}}{2R}\right)-d_{i-1,i+1}\sqrt{R^2-{\left(\frac{d_{i-1,i+1}}{2}\right)}^2}-1---\left(4\right)$

图7中的阴影区域表示补救节点所在的区域。与公式(3)相似，节点i-1和i重叠的传输区域是 

$S_{\mathrm{overlap}}\left(i\right)=2R^2\mathrm{rc}\cos \left(\frac{d_{i-1,i}}{2R}\right)-d_{i-1,i}\sqrt{R^2-{\left(\frac{d_{i-1,i}}{2}\right)}^2}---\left(5\right)$

图7中用点状区表示有等效节点覆盖而没有补救节点覆盖的区域，该区域很小，可以忽略。因此在节点i-1和节点i之间，节点i的补救节点区域S_r(i)可以近似表示为： 

S_r(i)≥S_overlap(i)-S_e(i)                                    (6) 

在节点i-1和节点i之间补救节点平均个数的下限表示为N_r(i) 

N_r(i)＝S_r(i)·D-2                                            (7) 

这里做一个合理简化，假设在鲁棒路径上所有节点之间的连接错误率均为p，因此一次传输的成功率是 

用E_r表示接收时的能量消耗。N_e+1个节点中有k个节点接受到分组的概率满足二项式分布。因此总的能量消耗E_k和k各节点成功接收的概率P_k表示为： 

E_k＝(E_t＝kE_r)， 

因此，在没有重传的情况下，从节点i-1一次成功传输的能量消耗是： 

$C_1^e=\underset{k=1}{\overset{N_e+1}{\mathrm{\Σ}}}{E}_k{P}_{k}P,(k\≥1)$

$=\frac{1}{1-p^{N_e+1}}\underset{k=1}{\overset{N_e+1}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}k\\ N_e+1\end{array}\right)p^{N_e+1-k}{(1-p)}^k{(E_k+k{E}_r)}_k$

$=E_t+E_r\frac{(N_e+1)(1-p)}{1-p^{N_e+1}}$

理想状态假设重传可以是无限次。因此从节点i-1到等效节点或节点i一次成功的传输的能量消耗是： 

$C^e=\underset{l=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(C_1^e+l{E}_t){(1-P_{\mathrm{succ}})}^l,P_{\mathrm{succ}}=C_1^e+E_t\frac{1-P_{\mathrm{succ}}}{P_{\mathrm{succ}}}---\left(8\right)$

把C₁ ^e和P_succ ^e代入C^e

$C^e=E_t+E_r\frac{(N_e+1)(1-p)}{1-p^{N_e+1}}+E_t\frac{p^{N_e+1}}{1-p^{N_e+1}}---\left(9\right)$

$=E_r\frac{(N_e+1)(1-p)}{1-p^{N_e+1}}+E_t\frac{1}{1-p^{N_e+1}}$

现在计算在没有协同节点的情况下路由，此时从节点i-1到i一次成功传输消耗的能量C_nc

$C_{\mathrm{nc}}=E_s{N}_e+E_r+(1-p)E_t+p(1-p)2E_t+...$

$=E_r+\underset{l=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{p}^{l-1}(1-p)l{E}_t---\left(10\right)$

$=E_s{N}_e+E_r+\frac{E_t}{1-p}$

实验显示节点在空闲、接受、发送时的能量消耗比例是1∶1.05∶1.4，因此一个节点在再载波侦听(空闲)和接收时的能量消耗大致相同。因此(10)可以重写为： 

$C_{\mathrm{nc}}=E_r(N_e+1)+\frac{E_t}{1-p}---\left(11\right)$

因为0≤p≤1 

$\frac{E_t}{1-p^{N_e+1}}\≤\frac{E_t}{1-p},$ $E_r\frac{(N_e+1)(1-p)}{1-p^{N_e+1}}\≤E_r(N_e+1)$

因此C^e≤C_nc

由于假设所有连接的错误率是相同，并没有强调协同的多样化，然而协同路由在能源利用率方面仍然要优于非协同路由。因此协同路由更加适用于不可靠的移动无线路由器网络中。 

当没有等效节点只有补救节点时，在鲁棒性协同路由中，从节点i-1到i的重传次数收到非协同路由的重传次数限制。如同以上所述，假设所有连接的错误率相同，这点并没有强调在多种情况下的效率。当不同的连接有不同的连接错误率，这更符合实际情况，鲁棒性协同路由倾向使用最可靠的连接，结果是更少的重传次数，这样仍然会获得相对较好的性能。 

当指定节点i离开，连接失效，因此连接错误率是1。在这种情况下，非协同路由会不停重发，直到达到最大重发数报告连接失效。假设到达或是来自于指定节点i的连接具有更高的错误率，表示为p_i，而其余的连接具有相同的错误率p。在协同路由中，一个分组从一个补救节点发送到下一跳的补救节点，然后重新回到指定路径上的期望下位节点。因为绝大多数分属于两个后继的补救节点集的节点对之间的距离都大于一跳，假设补救节点只能到达一个下一跳的补救节点。在系统路由中，一次传输成功的概率是： 

$P_{\mathrm{succ}}^r=1-p+p^{N_e+1}(1-p^{N_r})(1-p)$

而非协同路由的为 

$P_{\mathrm{succ}}^{\mathrm{nc}}=1-p_i$

显然， 

相似于计算等效节点，能量消耗C₁ ^r表示为 

$C_1^r=2E_t+E_r\frac{N_r(1-p)}{1-p^{N_r}}+E_r---\left(12\right)$

当一个补救节点转发分组时，该分组不得不经过两跳来绕过是小的指定节点。相似于(8)，协同路由中通过补救节点的能量消耗可以近似表示为： 

$C^r=2E_t+E_r\frac{N_r(1-p)}{1-p^{N_r}}+E_r+E_t\frac{p-p^{N_e+1}(1-p^{N_r})(1-p)}{1-p+p^{N_e+1}(1-p^{N_r})(1-p)}---\left(13\right)$

$=E_r(\frac{N_r(1-p)}{1-p^{N_r}}+1)+E_t(1+\frac{1}{1-p+p^{N_e+1}(1-p^{N_r})(1-p)})$

与 

比较 

$E_r(\frac{N_r(1-p)}{1-p^{N_r}}+1)\≤E_r(N_r+1)$

当p→1 

$E_t(1+\frac{1}{1-p+p^{N_e+1}(1-p^{N_r})(1-p)})\≤\frac{E_t}{1-p}$

因此，使用补救节点，当连接错误率很高时，鲁棒性协同路由仍能有效节约能量。 

如图8所示，本实施方式的无线传感器网络的路由系统，包括：分组接收模块、保护节点决策模块、协同模块；协同模块又包括：等效判断单元、等效执行单元，补救判断单元、补救执行单元。 

分组接收模块，从指定节点接收广播消息，该广播消息包括由两个以上指定节点构成的指定路径； 

保护节点决策模块，本节点的邻居节点中包含至少两个所述指定节点，则本节点作为保护节点与所述指定路径组成鲁棒路径； 

协同模块，本保护节点协同所述指定节点转发分组。其中的： 

等效判断单元，当间隔至少两跳的两个指定节点之间的路径断裂，且该两个指定节点都是本保护节点的邻居节点，则本保护节点作为等效节点；该所述等效判断单元又包括：第一计时器，第一确认监听单元，等效确认单元。 

第一计时器，用于在监听到所述分组后等待一个等效回退时间； 

第一确认监听单元，用于监听来自其他节点的确认消息； 

等效确认单元，在所述等效回退时间内未监听到来自其他节点的确认消息，则本保护节点作为等效节点。 

等效执行单元，本保护节点代替所述断裂的路径完成所述两个指定节点间分组的传递。 

补救判断单元，当所述鲁棒路径中的一个指定节点或者保护节点未能收到上位指定节点的分组，且该上位指定节点与所述指定节点或者保护节点都是本保护节点的邻居节点，则本保护节点作为补救节点；该补救判断单元又包括：第二计时器，第二确认监听单元，补救确认单元。 

第二计时器，用于等待一个补救回退时间； 

第二确认监听单元，用于监听来自其他节点的确认消息； 

补救确认单元，在所述补救回退时间内未监听到来自其他节点的确认消息，则本保护节点作为补救节点。 

补救执行单元，将本保护节点接收到的所述分组发送至所述指定节点或者保护节点。 

下面给出无限传感器网络的路由系统的鲁棒路径(Robust Routing)、目的序列距离矢量路由协议(Destination Sequenced Distance Vector，DSDV)与对等网络按需多路距离矢量路由协议(Ad hoc On-demand Multipath Distance Vector，AOMDV)在NS-2(The Network Simulator)网络仿真器中的仿真结果。AOMDV在路径建立阶段建立了多条可选择的路径。为了方便比较，在AOMDV中为每一条起始-目的节点对建立三条路径。在户外环境中，使用双径传播(tow-ray ground)模型作为物理传播模型来研究三个路由协议的性能。15个节点随机分布到600m*600m的环境中。随机产生两条数据流。起始节点以每秒20个分组的速率进行发送，每个分组大小是1000字节。随机路径移动(Random waypoint mobility)模型进行随机的移动。节点移动的最小速度为1米每秒，最大的移动速度(Maximum Mobility)为5米每秒到20米每秒。仿真持续600秒，计算平均分组投递率(Average packet delivery ratio)、平均端到端时延(Average end-to-end delay)与平均每比特的能量消耗(Average energy consumption per bit)。每一比特的能量消耗即为数据流从起始点传输到目的节点的能量损耗。 

图9、图10、图11显示了节点移动程度与分组投递率之间的关系，可以看出的本鲁棒性路由(Robust Routing)比DSDV和AOMDV投递率分别高出了167％与23％。这些性能的提高归功于它对拓扑结构改变的及时响应。当鲁棒路径中的节点具有指定路径的信息，通过协同，当连接断开的时候可以很快的做出反应。 

鲁棒性路由在端到端时延方面要优于AOMDV，但是与DSDV比，如图10所示优势不明显。鲁棒性的路由协议通过协同在建立起的鲁棒路径中选择一个条可用的路径，因为在传递过程中，节点的选择会占用一点时间，分组的延时会长于DSDV，但远远短于AOMDV。 

从图11可以看到，在鲁棒性路由协议中，每比特消耗的能量随节点移动性 增加而增加。在AOMDV中，能量消耗与节点移动的关系并不明显，因为节点移动时，路径发现带来的控制开销并没有多少改变。而在DSDV中因为节点移动是能量消耗剧烈增加，因为频繁的拓扑变化导致巨大的开销。虽然鲁棒性路由也随节点移动性增加而消耗更多的能量，但是要远远小于DSDV。它通过适度的信息交互选择一个最好的转发节点而不是建立一条全新的端到端路径。而在节点相对移动缓慢的情况下，鲁棒路由消耗的能量也小于AOMDV，随着节点移动性的增加才慢慢接近。原因是在快速移动的情况下，分组不得不频繁地使用协同方式发送。同时，指定路径上新成为的指定节点频繁地发送消息来更新路径信息，这些都会增加能量消耗。 

连接错误率也是影响路由协议性能的一个重要因素，因此在不同连接错误率的情况下检验这些路由方法的性能。节点以10m/s的速度移动，连接错误率从0增加到0.3，如预料的那样，分组成功投递率随之下降。然而鲁棒路由方法相对来说是不受连接错误影响的。从图12可以看到，鲁棒路由的分组成功投递率只是轻微降低，而DSDV和AOMDV大幅下降。图13显示DSDV有最好的端到端时延性能，鲁棒路由次之，AOMDV最差。如预料，鲁棒路由中端到端时延随连接错误率增大而增加，原因是选择合适路径带来的时延和更多的重传。鲁棒路由在转发分组时，时延要大于DSDV，因为更大的回退时延和协同机制。鲁棒路由无需依靠MAC层的重传和寻找新路径，它在鲁棒路径上选择最可靠的路劲转发分组从图14可以看到鲁棒性协同路由的能量利用效率最高。其根本原因是该方法只在有限区域内进行路径恢复，而AOMDV和DSDV要在全网络中进行路径恢复。跨层设计使鲁棒性协同路由获得了很好的性能。这也充分地说明了该协议可以有效应用于能量受限的移动无线传感器网络。 

以上仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种无线传感器网络的路由方法，其特征是，包括以下步骤：

S1.从指定节点接收广播消息，该广播消息包括：由两个以上指定节点构成的指定路径；

S2.若本节点的邻居节点中包含至少两个所述指定节点，则本节点作为保护节点与所述指定路径组成鲁棒路径；

S3.本保护节点协同所述指定节点转发分组。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络的路由方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

若间隔至少两跳的两个指定节点之间的路径断裂，且该两个指定节点都是本保护节点的邻居节点，则本保护节点作为等效节点代替所述断裂的路径完成所述两个指定节点间分组的传递。

3.根据权利要求2所述的无线传感器网络的路由方法，其特征在于，还包括：本保护节点在等待一个等效回退时间后回复确认消息，并在该等效回退时间内没有监听到来自其他节点的确认消息，则本保护节点才作为所述等效节点。

4.根据权利要求1至3任一所述的无线传感器网络的路由方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

所述鲁棒路径中的一个指定节点或者保护节点未能收到上位指定节点的分组，且该上位指定节点与所述指定节点或者保护节点都是本保护节点的邻居节点，则本保护节点作为补救节点将接收到的所述分组发送至所述指定节点或者保护节点。

5.根据权利要求4所述的无线传感器网络的路由方法，其特征在于，还包括：本保护节点在等待一个补救回退时间后回复确认消息，并在该补救回退时间内没有监听到来自其他节点的确认消息，则本保护节点才作为所述补救节点。

6.一种无线传感器网络的路由系统，其特征是，包括：

分组接收模块，从指定节点接收广播消息，该广播消息包括由两个以上指定节点构成的指定路径；

保护节点决策模块，本节点的邻居节点中包含至少两个所述指定节点，则 本节点作为保护节点与所述指定路径组成鲁棒路径；

协同模块，本保护节点协同所述指定节点转发分组。

7.根据权利要求6所述的无线传感器网络的路由系统，其特征在于，所述协同模块包括：

等效判断单元，当间隔至少两跳的两个指定节点之间的路径断裂，且该两个指定节点都是本保护节点的邻居节点，则本保护节点作为等效节点；

等效执行单元，本保护节点代替所述断裂的路径完成所述两个指定节点间分组的传递。

8.根据权利要求7所述的无线传感器网络的路由系统，其特征在于，所述等效判断单元包括：

第一计时器，用于在监听到所述分组后等待一个等效回退时间；

第一确认监听单元，用于监听来自其他节点的确认消息；

等效确认单元，在所述等效回退时间内未监听到来自其他节点的确认消息，则本保护节点作为等效节点。

9.根据权利要求6至8任一所述的无线传感器网络的路由系统，其特征在于，所述协同模块包括：

补救判断单元，当所述鲁棒路径中的一个指定节点或者保护节点未能收到上位指定节点的分组，且该上位指定节点与所述指定节点或者保护节点都是本保护节点的邻居节点，则本保护节点作为补救节点；

补救执行单元，将本保护节点接收到的所述分组发送至所述指定节点或者保护节点。

10.根据权利要求9所述的无线传感器网络的路由系统，其特征在于，所述补救判断单元包括：

第二计时器，用于等待一个补救回退时间；

第二确认监听单元，用于监听来自其他节点的确认消息；

补救确认单元，在所述补救回退时间内未监听到来自其他节点的确认消息，则本保护节点作为补救节点。 

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