CN101951656B - 具有能量有效和编码感知的无线网络路由协议的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有能量有效和编码感知的无线网络路由协议的设计方法。主要解决现有技术不能检测出更多合理的编码机会以及不能延长网络生存期的问题。该方法包含路由判据的设计、路由发现和路由维护三部分，其中在路由判据设计中将编码感知和能量有效相结合，定义新的路由判据EECAR；在路由发现中将路径中节点的最小剩余能量值作为整条路径的能量水平，在路径选择时避开剩余能量值小的节点，以延长网络生存期，并主动检测节点两跳范围内的编码机会，选择编码机会多的路径作为传输路径，提高吞吐量。在路由维护中hello包中包含两跳范围内的邻居信息，用来判断两跳范围内的编码机会。本发明可用于能量受限的无线网络，节点间相互通信选择最优传输路径。

Description

具有能量有效和编码感知的无线网络路由协议的设计方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及网络编码与路由协议的设计，可用于能量受限的无线网络中移动节点根据路径的能量水平和编码机会来选择最优路径进行通信。

背景技术

2000年，德国数学家Ahlswede等人提出了网络编码的思想，打破了原有的存储转发机制中节点一次只能转发一个数据包的限制，允许中间节点对来自不同链路的数据包进行编码组合后再发送，从而减少了传输次数，提高了网络吞吐量。同时网络编码被证明可以使网络达到传输上限。网络编码一经提出便引起了国际学术界的广泛关注，其理论和应用已成为通信领域研究的新热点。

2005年，Katti等人提出的COPE协议是第一个将网络编码应用到实际网络中的编码协议，实验结果证明，此编码协议显著地提高了网络吞吐量。然而在COPE协议中路由与网络编码是相互独立进行，也就是说这种完全机会式的路由-编码技术在选择路径时并没有考虑潜在的编码机会，这使得网络不能完全获得编码的增益。2007年以来，学术界开始讨论具有编码意识(coding-aware)的路由机制，即在寻找路由时充分考虑编码机会，尽可能选择编码机会多的路径作为最佳传输路径。在众多的编码感知的路由协议中最具代表性的协议是DCAR路由机制，见文献“Jilin Le，John C.S.Lui，Dah Ming Chiu，DCAR：distributed coding-aware routing in wireless networks.The 28th International Conference onDistributed Computing Systems(ICDCS 2008)，pp.462-469，2008.”。DCAR能找出源和目的节点间的潜在路径并能找出这些路径上的所有潜在的网络编码机会，并且定义了新的编码感知度量CRM，用于衡量某条路径上期望的传输次数。然而检测整条路径上所有潜在的网络编码机会并不一定能够带来好的增益，在网络节点移动快，网络负载增大时，会造成编码数据包的丢失和重传，造成网络拥塞，进而引起吞吐量的下降。然而其它编码感知的路由协议仅仅检测出一跳范围内的编码机会，限制了编码增益。因此合理寻找潜在的编码机会，充分利用编码增益是设计编码感知路由协议的关键。

同时现有的编码感知路由协议都没有考虑能量有限的问题。在无线网络中节点多采用电池供电，许多场景中电池能量的补充或电池的更换是很困难的甚至是不可能的，因此节点的能量供应受到限制。然而现有的编码感知的路由协议在选择路径时并没有考虑节点的能耗问题，使得一些节点较其他节点更多的参与通信，很快耗尽了能量，进而缩短了网络生存期。因此制定一种能量有效的路由协议，延长网络生存期变得十分重要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种具有能量有效和编码感知的无线网络路由协议的设计方法，以检测出更多合理的编码机会，且在有效地考虑节点的剩余能量下，延长了网络生存期。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括如下步骤：

(1)路由判据设计步骤：

(1a)在源节点和目的节点之间的任意一条路径中选择节点剩余能量值中的最小值作为该条路径的剩余能量值，则路径l的剩余能量值为：A为路径l上的节点集合，|A|为节点的个数，E_l(n_i)是路径l上节点n_i的剩余能量值；

(1b)检测源节点到目的节点之间的任意一条路径上节点两跳邻居范围内的潜在编码机会，用一个编码增益函数

来衡量路径l上获得的编码增益，其中NC_l(n_i)为路径l上节点n_i的编码增益函数，

k为节点n_i中可以编码的原始数据包的个数；

(1c)根据(1a)和(1b)得到一种新的具有能量有效和编码感知的路由判据：

H(l)为路径l的跳数，L为源节点到目的节点之间的路径集合，NC(l)为路径l上的编码增益函数，IE(l)为路径l中节点的初始能量值，E(l)为路径l的剩余能量值，α为调整系数，取值范围为：0≤α≤1；

(2)路径发现步骤：

(2a)源节点向邻居节点广播路径请求数据包RREQ，该RREQ包在AODV路由协议中RREQ包的基础上增加了Path_addr区域，用来存放路径信息即路径上节点的IP地址；

(2b)中间节点接收到RREQ包，先检测此RREQ包是否已经到达过此节点，如果是，则丢弃此RREQ包以防止出现路由环，否则，更新此RREQ包并判断该节点中是否有到目的节点n_dest的路径，如果有，则沿着此路径单播此RREQ包，否则，广播此RREQ包；

(2c)目的节点n_dest接收到RREQ包后沿着反向路由单播路径回复数据包RREP给源节点n_src，RREP包中设有增加Path_addr、Energy、Coding_Cost区域，分别存储从对应的RREQ包中得到的路径信息、整条路径上节点剩余能量的最小值即

路径的编码增益函数NC(l)的值；

(2d)中间节点接收到RREP后，首先判断编码机会，并根据

以及

更新Coding Cost区域；然后比较Energy区域与本节点的剩余能量值，如果本节点的剩余能量值低于Energy区域的值，则用本节点的剩余能量值更新Energy区域；最后沿着反向路由单播更新后的RREP包；

(2e)源节点接收到第一个RREP包等待2秒后，选择路由判据EECAM(l)最小的路径作为最佳路径进行数据传输，即当

时，路径k为最佳传输路径；

(3)路径维护步骤：

每一个节点定期向它的邻居节点广播hello包，以检测链路是否失效，该hello包中包含了节点的两跳范围内的邻居信息，当节点一定时间内没有收到它的邻居节点发送的hello包，则判定该节点到此邻居节点的链路断开了，否则，判定此链路是连通的。

本发明由于考虑了节点的剩余能量水平，在选择路由时避开了剩余能量值小的节点，并且感知路径中节点两跳范围内潜在的编码机会，与现有技术相比较，具有如下优点：

a)检测到更多合理的编码机会，能充分利用编码增益，提高了网络吞吐量；

b)选择路径时避开了剩余能量值小的节点，均衡了网络中节点的能量消耗，延长了网络生存期。

附图说明

图1为本发明的总体框架图；

图2为本发明的路由判据设计中两跳编码机会检测的示意图；

图3为本发明的路由判据设计中节点n_i编码增益函数的示意图；

图4为本发明的路径发现流程图；

图5为Y型拓扑下本发明与COPE协议的对比实验结果图；

图6为本发明实验中用到的20个节点的栅格网络的示意图；

图7为用本发明与COPE协议对20个节点的栅格网络下的路径发现结果图；

图8为用本发明与COPE协议对20个节点的栅格网络下的性能结果对比图。

具体实施方式

本发明的核心思想是采用能量有效以及编码感知的思想设计出一种新的路由判据，在路径选择时避开剩余能量值低的节点，同时检测节点两跳范围内的编码机会，充分利用编码增益，提高网络吞吐量，延长网络生存期。

参照图1，本发明的具体实施包括如下步骤：

一.路由判据设计步骤

(1a)在源节点和目的节点之间的任意一条路径中选择节点剩余能量值中的最小值作为该条路径的剩余能量值，则路径l的剩余能量值为：

A为路径l上的节点集合，|A|为节点的个数，E_l(n_i)是路径l上节点n_i的剩余能量值；

(1b)检测源节点到目的节点之间的任意一条路径上节点两跳邻居范围内的潜在编码机会，是指在路径l₁和路径l₂相交的节点n_i上检测路径l₁上n_i的下两跳范围内的节点能否监听到路径l₂上n_i的上两跳范围内的节点发送的数据包以及路径l₂上n_i的下两跳范围内的节点能否监听到路径l₁上n_i的上两跳范围内的节点发送的数据包，如果能，则节点n_i具有编码机会，否则，节点n_i不具有编码机会。如图2所示：数据流1→2→4→5→6和数据流3→2→1相交于节点2，节点2检测到节点5监听到节点3发送的数据包，数据流3→2→1的目的节点1是数据流1→2→4→5→6的源节点，则节点2具有一次编码

点n_i中可以编码的原始数据包的个数，如图3所示：节点n_i的缓存区中存在P₁，P₂LP_k共k个数据包，其中数据包P₁和P₂编码成数据包P₁′，则节点n_i的编码增益函数NC_l(n_i)＝0；

(1c)根据(a)和(b)得到一种新的具有能量有效和编码感知的路由判据：

H(l)为路径l的跳数，L为源节点到目的节点之间的路径集合，NC(l)为路径l上的编码增益函数，IE(l)为路径l中节点的初始能量值，E(l)为路径l的剩余能量值，α为调整系数，取值范围为：0≤α≤1，α的取值取决于路径的剩余能量值，当路径的剩余能量值高时α的取值趋近于1，当路径的剩余能量值低时α的取值趋近于0；

二.路径发现步骤

参照图4，本步骤的具体实现如下：

(2a)源节点向邻居节点广播路径请求数据包RREQ，该RREQ包在AODV路由协议中RREQ包的基础上增加了Path_addr区域，用来存放路径信息即路径上节点的IP地址；

(2b)中间节点接收到RREQ包，先检测此RREQ包是否已经到达过此节点，如果是，则丢弃此RREQ包以防止出现路由环，否则，更新此RREQ包并判断该节点中是否有到目的节点n_dest的路径，如果有，则沿着此路径单播此RREQ包，否则，广播此RREQ包；

(2c)目的节点n_dest接收到RREQ包后沿着反向路由单播路径回复数据包RREP给源节点n_src，RREP包中设有增加Path_addr、Energy、Coding_Cost区域，分别存储从对应的RREQ包中得到的路径信息、整条路径上节点剩余能量的最小值即

路径的编码增益函数NC(l)的值；

(2d)中间节点接收到RREP后，首先判断编码机会，并根据

以及

更新Coding Cost区域；然后比较Energy区域与本节点的剩余能量值，如果本节点的剩余能量值低于Energy区域的值，则用本节点的剩余能量值更新Energy区域；最后沿着反向路由单播更新后的RREP包；

(2e)源节点接收到第一个RREP包等待2秒后，选择路由判据EECAM(l)最小的路径作为最佳路径进行数据传输，即当

时，路径k为最佳传输路径；

三.路径维护步骤

每一个节点定期向它的邻居节点广播hello包，以检测链路是否失效，该hello包中包含了节点的下两跳邻居信息，当节点一定时间内没有收到它的邻居节点发送的hello包，则判定该节点到此邻居节点的链路断开了，否则，判定此链路是连通的；

本发明的效果可通过以下实验进一步说明：

1)实验条件

实验中使用ns-2网络仿真工具，采用UDP数据源，节点的传输半径为250米，缓存队列大小为50个封包，取α＝0.7。

2)实验内容

实验1：本实验设计了一种Y型网络，如图2所示，以寻找从源节点1到目的节点6的路径。所有节点的初始能量值均设置为50焦耳，节点4不能监听到节点3发送的数据包，节点5能监听到节点3发送的数据包，实验开始时已存在节点3到节点1的数据流，在实验开始的第3秒，启动路径发现过程。实验结果如图5所示，从图5中可以看出，本发明与COPE协议相比，能检测到两跳范围内的潜在编码机会，充分利用编码增益，提高网络吞吐量。

实验2：本实验设计了一个20个节点的栅格网络，如图6所示，以寻找从源节点0到目的节点19的路径。关键节点2、5、6的初始能量值设置为20焦耳，其它普通节点的初始能量值设置为50焦耳，存在节点3到节点1的数据流和节点12到节点4的数据流，在实验开始的第3秒，启动路径发现过程。路径发现结果如图7所示，性能结果图如图8所示，其中图8(a)为网络平均吞吐量与负载之间的关系，图8(b)为关键节点死亡时间。

从图7可以看出：使用本发明得到的路径为0→4→8→9→10→14→18→19，此路径的剩余能量值高，避开了剩余能量值低的节点，路径中存在潜在的编码机会，充分利用了编码增益；使用COPE协议得到的路径为0→1→2→3→7→11→15→19，此路径存在潜在的编码机会，但没有避开剩余能量值低的节点，当数据在此路径上进行传输时，节点2将先于其他节点死亡，缩短了网络生存期。

从图8(a)中可以看出，本发明与COPE协议相比显著地提高了吞吐量，从图8(b)中可以看出，本发明与COPE协议相比，延长了节点的死亡时间，进而延长了网络生存期。

Claims (2)

1.一种具有能量有效和编码感知的无线网络路由协议的设计方法，包括：

（1）路由判据设计步骤：

（1a）在源节点和目的节点之间的任意一条路径中选择节点剩余能量值中的最小值作为该条路径的剩余能量值，则路径l的剩余能量值为：A为路径l上的节点集合，|A|为节点的个数，E_l(n_i)是路径l上节点n_i的剩余能量值；

（1b）检测源节点到目的节点之间的任意一条路径上节点两跳邻居范围内的潜在编码机会，用一个编码增益函数

来衡量路径l上获得的编码增益，其中NC_l(n_i)为路径l上节点n_i的编码增益函数，

k为节点n_i中可以编码的原始数据包的个数；

（1c）根据（1a）和（1b）得到一种新的具有能量有效和编码感知的路由判据： $\mathrm{EECAM}\left(l\right)=\mathrm{\α}\frac{\mathrm{NC}\left(l\right)}{\underset{l\∈L}{\max }H\left(l\right)}+(1-\mathrm{\α})\frac{\mathrm{IE}\left(l\right)-E\left(l\right)}{\mathrm{IE}\left(l\right)},$ H(l)为路径l的跳数，L为源节点到目的节点之间的路径集合，NC(l)为路径l上的编码增益函数，IE(l)为路径l中节点的初始能量值，E(l)为路径l的剩余能量值，α为调整系数，取值范围为：0≤α≤1；

（2）路径发现步骤：

（2a）源节点向邻居节点广播路径请求数据包RREQ，该RREQ包在AODV路由协议中RREQ包的基础上增加了Path addr区域，用来存放路径信息即路径上节点的IP地址；

（2b）中间节点接收到RREQ包，先检测此RREQ包是否已经到达过此节点，如果是，则丢弃此RREQ包以防止出现路由环，否则，更新此RREQ包并判断该节点中是否有到目的节点n_dest的路径，如果有，则沿着此路径单播此RREQ包，否则，广播此RREQ包；

（2c）目的节点n_dest接收到RREQ包后沿着反向路由单播路径回复数据包RREP给源节点n_src，RREP包中设有增加Path addr、Energy、Coding_Cost区域，分别存储从对应的RREQ包中得到的路径信息、整条路径上节点剩余能量的最小值即

路径的编码增益函数NC(l)的值；

（2d）中间节点接收到RREP后，首先判断编码机会，并根据

更新Coding_Cost区域；然后比较Energy区域与本节点的剩余能量值，如果本节点的剩余能量值低于Energy区域的值，则用本节点的剩余能量值更新Energy区域；最后沿着反向路由单播更新后的RREP包；

（2e）源节点接收到第一个RREP包等待2秒后，选择路由判据EECAM(l)最小的路径作为最佳路径进行数据传输，即当

时，路径k′为最佳传输路径；

（3）路径维护步骤：

每一个节点定期向它的邻居节点广播hello包，以检测链路是否失效，该hello包中包含了节点的两跳范围内的邻居信息，当节点一定时间内没有收到它的邻居节点发送的hello包，则判定该节点到此邻居节点的链路断开了，否则，判定此链路是连通的。

2.根据权利要求1所述的无线网络路由协议设计方法，其中步骤（1b）所述的检测源节点到目的节点之间的任意一条路径上节点两跳邻居范围内的潜在编码机会，是在路径l₁和路径l₂相交的节点n_i上进行如下检测：

（I）检测路径l₁上n_i的下两跳范围内的节点能否监听到路径l₂上n_i的上两跳范围内的节点发送的数据包；

（II）检测路径l₂上n_i的下两跳范围内的节点能否监听到路径l₁上n_i的上两跳范围内的节点发送的数据包；

（III）如果能，则节点n_i具有编码机会，否则，节点n_i不具有编码机会。

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