CN102137463A - 无线网络的基于能量的多路径路由方法 - Google Patents

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高雪
王嵚
王江
张锦刚
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Abstract

无线网络的基于能量的多路径路由方法，涉及无线网络。其中，路径发现方法是：源节点以洪泛RREQ信令方式发起寻径过程；中间节点根据接收到该RREQ信令的链路的质量状况和自身剩余能量信息设置迟滞转发时间；迟滞过程中，如果收到更好的路径，则更新路径信息和迟滞时间；每个中间节点仅转发一次RREQ信令；宿节点根据所收到的RREQ消息获得多条节能路径。本发明路由方法能够通过按需路径发现过程，发现多条能量高效路径，从而提高节点能量效率、降低路径发现频率，降低协议开销，延长网络寿命，并易于在现有无线节点平台之上实现。

Description

无线网络的基于能量的多路径路由方法
技术领域
本发明涉及无线网络，特别是一种无线网络的节能路由方法。
背景技术
当前，无线网络技术发展迅速，其中一个重要的技术瓶颈是供电。因为无线网络的单元——节点都是使用电池供电，在使用过程中无法充电，所以节能路由方法是业界的重要研究内容。
现有的无线网络的节能路由主要分为两类：集中式路由方法和分布式路由方法。
集中式路由方法需要具备全局拓扑信息、流量分布信息，路径计算过程可以根据上述信息计算源和宿之间的最优路径，每次计算可以以每分组为单位，也可以以每连接为单位执行。计算过程中基本不考虑信令传送带来的开销，也未考虑路由计算和信令传输延迟等的代价。因此，虽然集中式算法具有较好的路由代价性能，却难以在较大规模的、动态无线网络中使用，它仅使用网络规模较小，连接需求静态的情况。
分布式路由方法通常通过源节点在网络中扩散一条信令，来寻找到达宿节点的路径。当宿节点收到这样的一条信令时，即可以认为找到了一条连接源和宿的路径。通常采用的路由度量包括端到端跳数、端到端延迟、端到端功率之和、剩余能量的倒数之和等。上述方法，虽然简单，易于实现，并且能够一定程度上降低节点能耗，但没有充分考虑如何更有效地均衡网络中的节点能耗，以延长网络寿命。并且，已有分布式无线网络节能路由方法多是每会话单路径的路径发现/维护方式，而即使采用多路径方式，对于路径选择的优化也有很大的局限性，难以充分利用网络中的节点能量并利用网络的宽度平衡网络中的能量损耗。
发明内容
本发明旨在引入新的路由度量机制和寻径方法，设计一种保持在低复杂度和简单性基础上的、路由效率更高的多路径路由方法。
本发明所涉及的无线网络，具备以下条件：节点采用电池供电；节点是全向天线；节点可以自由移动也可以静止。
本发明包括路径发现方法、路径维护方法、数据发送和流量分配方法三部分；路径发现方法是：源节点以洪泛RREQ信令方式发起寻径过程；中间节点根据接收到该RREQ信令的链路的质量状况和自身剩余能量信息设置迟滞转发时间；迟滞过程中，如果收到更好的路径，则更新路径信息和迟滞时间；每个中间节点仅转发一次RREQ信令；宿节点根据所收到的RREQ消息获得多条节能路径。
路径维护方法和数据发送方法是惯用方法，即在链路中断时，源节点从本地路由表中删除路径，重新寻径；数据发送过程中，每个数据分组携带该分组走过路径的节点列表信息。
本路由方法的多路径上的流量分配方法的优选方案：根据连接信源和信宿的多条路径代价进行分配，某个路径Px的流量比例R（Px）的值为：R(Px)                                                
Figure 2011100559483100002DEST_PATH_IMAGE001
。
路径代价的计算方法是：一条路径PATH的代价由该路径上的链路功耗和节点剩余能量决定，具体如下：
Figure 79671DEST_PATH_IMAGE002
  。
进一步优选的剩余能量信息的状态判别方法：每个节点当自身能量变化超过一定门限ΔE之后，将向两跳邻居扩散新的剩余能量信息，每个节点则可以根据自己的剩余能量在两跳邻居中剩余能量排名确定自己是否在局部处于能量饥饿状态。
本发明的路由方法的结合了节点的分组发送能耗、节点剩余能量均衡特性以及节点饥饿度特性，能够通过按需路径发现过程，发现多条能量高效路径，从而提高节点能量效率、降低路径发现频率，降低协议开销，延长网络寿命，并易于在现有无线节点平台之上实现。
具体实施方式
本发明涉及的路由方案基于以下条件：
1)    节点采用电池供电，且无法在工作过程中二次充电；
2)    节点采用全向天线；
3)    每个节点具备功率控制能力，可以自适应地判别与邻居节点通信所需的能量，如相邻节点i和节点j之间成功传输所需的最小功率为Pij，则我们称链路(i,j)的功率值为Pij；
4)    节点不需要了解位置信息，不了解全局拓扑和网络中的流量分布信息；
5)    节点可以自由移动，也可以静止。
对于一条从s到t的路径PATH，其代价记做COST(P)，计算方法如下：
Figure 661831DEST_PATH_IMAGE002
                            ——公式（1）
其中Puv代表链路(u,v)进行正常通信所需的最小功率值，Ev代表节点v的剩余能量。
本发明涉及的路由方法包括以下几个组成部分。
1)  分布式节点剩余能量饥饿度局部化判别方法
网络中的每个节点x，当网络初始部署之后，将向它的邻居节点广播一个beacon消息，该消息中携带了x的ID及其自身剩余能量Ex的值，该beacon消息将会被进一步扩散到x的两跳邻居，收到该消息的每个节点，将本地为节点x创建一个表项，记录其ID和剩余能量。随着网络的运行，节点的能量不断消耗，当剩余能量下降ΔE之后（通常，与电池容量相比，ΔE是一个比较小的值），节点x将再次广播一个beacon消息，该消息中携带新的剩余能量，并扩散到两跳邻居，收到该消息的节点将记录这一变化。
通过上述机制，每个节点可以保存两跳范围内的邻居节点的剩余能量信息。如果本节点在两跳范围内节点剩余能量由大到小排名在最后r%之内（如r=15），那么该节点称作一个能量饥饿节点。
虽然，随着网络中的节点移动，上述判断可能会导致一定程度的失真（即：不一定是当前两跳邻居内所有节点的剩余能量排名），但我们仍然可以根据上述数据一定程度上得到网络中节点的能量分布以及当前节点在其中所处的位置。
2)   按需多路径路由发现方法
当一个源节点s需要与宿节点t进行通信，但却没有到达节点t的路径时，信源s将发起一个多路径寻径进程。节点s首先生成一个路径请求报文（RREQ，Route Request），该报文携带源节点ID、目的节点ID、端到端路径代价（初始值为0）、该RREQ已经走过的路径上的节点列表（初始为s节点本身）。然后节点s向邻居节点广播该报文，并打开一个定时器。如果超时之后没有收到相应的路由应答报文（RREP，Route Reply），则随机等待一段时间后再次发起寻径进程——直到找到到达t的路径或者发起k（k>=1）次寻径后，仍然没有找到可行路径，那么这时信源s认为网络中不存在到达目的节点t的路径。
当一个中间节点u（u≠s,t）从邻居节点v收到一条RREQ消息时，如果它之前没有转发过该报文，则继续处理；否则，丢弃该报文。如果u决定继续处理该报文的话，那么处理过程如下：
/* T是一个比较大的正数，f(Pvu/Eu)是一个和Pvu/Eu的值成正比的一个延迟值。*/
如果节点u第一次收到该RREQ的话，那么
如果节点u是一个能量饥饿节点的话，那么节点u将该报文延迟如下时间
DeferTimeu = T+f(Pvu/Eu)
否则
DeferTimeu =  f(Pvu/Eu)
节点u打开一个定时器DeferTimeu  。
当定时器DeferTimeu超时后，节点u把自己的ID附在该RREQ已经走过的路径上的节点列表后面，并更新迄今为止的路径代价（计算方法见公式(1)）。
如果节点u从邻居节点v收到重复的RREQ包，那么它将执行以下操作
/* Psx代表迄今为止找到的从源节点s到节点x的最好的路径 */
如果COST(Psv+Pvu/Eu)<COST(Psu)，那么   /*即：从节点v收到的RREQ所走过的路径代价小于节点u之前已经收到的RREQ所走过的路径的代价。*/
如果节点u是一个能量饥饿节点的话，那么节点u将该报文延迟如下时间
DeferTimeu = T+f(Pvu/Eu)
否则
DeferTimeu =  f(Pvu/Eu)
节点u打开一个定时器DeferTimeu
否则，直接丢弃该RREQ。
当定时器DeferTimeu超时后，节点u把自己的ID附在该RREQ已经走过的路径上的节点列表后面，并更新迄今为止的路径代价（计算方法见公式(1)）。
当节点u已经转发该RREQ之后，将不再接受任何相同的RREQ包。
当目的节点t收到一条RREQ包之后，说明已经找到一条连接s和t的路径，它将等待一段时间，当（从不同的邻居节点）收到K条RREQ后，说明已经找到K条路径。目的节点t将沿反向路径将这些路径信息发回到源节点s。当源节点s收到该路由应答消息后，它就可以沿着所找到的多路径进行数据传输了。
3)   路径维护与重新发现方法
在数据传输过程中，当发生链路中断时，发生链路中断的链路的上游节点将向源节点发送路由差错报文，该报文将一直传送到源节点s。收到该报文后，源节点s（以及其他收到该报文的节点）将从本地路由表中删除那些用到该中断了的链路的路径，并利用多路径中的剩余路径进行数据传输，直到数据传输完毕或所找到的K条路径全部中断了。这时，如果源节点s仍然需要向宿节点t传输数据时，需要从启动新的寻径进程。
4)   数据发送与流量分配方法
本路由方案中，要求每个数据分组中携带该分组将走过路径的节点列表信息——这些信息可以从路由应答报文中找到。
多路径上的流量分配可以根据不同路径的代价进行分配。具体分配方法如下。假定K条路径分别为P1,P2,…PK。那么路径Px上的流量比例R(Px)应为
R(Px)
Figure 476203DEST_PATH_IMAGE001
                 ——公式(2)
上述分配方法可以使得代价小的路径上分配到的流量大，从而优化网络性能。

Claims (3)

1.无线网络的基于能量的多路径路由方法，所述的无线网络，具备以下条件：节点采用电池供电；节点是全向天线；节点可以自由移动也可以静止；
其特征是：包括路径发现方法、路径维护方法、数据发送和流量分配方法三部分；路径发现方法是：源节点以洪泛RREQ信令方式发起寻径过程；中间节点根据接收到该RREQ信令的链路的质量状况和自身剩余能量信息设置迟滞转发时间；迟滞过程中，如果收到更好的路径，则更新路径信息和迟滞时间；每个中间节点仅转发一次RREQ信令；宿节点根据所收到的RREQ消息获得多条节能路径；路径维护方法和数据发送方法是惯用方法，即在链路中断时，源节点从本地路由表中删除路径，重新寻径；数据发送过程中，每个数据分组携带该分组走过路径的节点列表信息。
2.无线网络的基于能量的多路径路由方法，其特征是：多路径上的流量分配方法的优选方案：根据连接信源和信宿的多条路径代价进行分配，某个路径Px的流量比例R（Px）的值为：R(Px)                                                
Figure 2011100559483100001DEST_PATH_IMAGE001
；
路径代价的计算方法是：一条路径PATH的代价由该路径上的链路功耗和节点剩余能量决定，具体如下：
Figure 2011100559483100001DEST_PATH_IMAGE002
  。
3.根据权利要求1所述的无线网络的基于能量的多路径路由方法，其特征是：引入剩余能量信息的状态判别方法：每个节点当自身能量变化超过一定门限ΔE之后，将向两跳邻居扩散新的剩余能量信息，每个节点则可以根据自己的剩余能量在两跳邻居中剩余能量排名确定自己是否在局部处于能量饥饿状态。
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