CN102271378A

CN102271378A - 一种基于自组织网按需距离矢量协议的路由方法

Info

Publication number: CN102271378A
Application number: CN2011102712967A
Authority: CN
Inventors: 李世银; 孙珍; 程德强; 刘玉英; 肖淑艳
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2031-09-14
Also published as: CN102271378B

Abstract

本发明提供一种基于自组织网按需距离矢量协议的路由方法，包括步骤：目标节点根据路由跳数及传输节点网络层从物理层、MAC层提取的传输节点发射功率、传输节点剩余能量，获取路径路由度量；源节点向目标节点转发所述增加能量条目的路由请求RREQ；目标节点收到增加能量条目的路由请求RREQ后，判断各传输节点剩余能量等级；根据判断结果，将路由度量最小的路径作为数据传输路径，由该数据传输路径向源节点发送增加路由度量的路由应答RREP，建立路由。本发明具有节能效果较好、网络生存时间较强、网络整体性能较好等特点，可广泛应用于Ad Hoc网络中。

Description

一种基于自组织网按需距离矢量协议的路由方法

技术领域

本发明涉及节能技术，特别是涉及一种基于自组织网按需距离矢量协议的路由方法。

背景技术

Ad Hoc网络是由一组无线移动用户终端组成的临时多跳自组织网络系统，其以组网灵活、覆盖范围广、网络建设时间短、节点廉价等优点满足某些特定需求，如，军事通信、救援通信、野外临时通信等。但是，由于Ad Hoc网络设备主要依赖电池供能，而Ad Hoc网络的主机能源有限，因此，Ad Hoc网络节能问题成为了一个亟待解决的关键问题。目前，采用低功耗硬件设备降低Ad Hoc网络能量消耗，如，低功耗CMOS器件、低功耗显示技术、低功耗的I/O设备、CPU应用改进等，已取得较大成果；但由于硬件设备所固有的技术瓶颈，Ad Hoc网络无法通过硬件设备的改进进一步节能降耗。

基于上述原因，通过改进协议提高能量利用率、延长网络生存时间已成为近年来的研究热点。协议改进涉及网络各个层次。在物理层，通过硬件技术与调制/解调方式、编/解码和信号压缩方式相结合的方法；或者通过节点间距离、移动趋势，根据信道特性自适应分配发射功率的方法，提高节点能量的利用率。在MAC层，通过不同信道接入方式或者节点状态转换来减少能耗，如，可实现节点状态转换的协议IEEE802.11、通过请求发送/允许发送RTS/CTS(Request toSent/Clear to Send)消息确定节点睡眠时间的带信令的功率感知多址接入协议PAMAS(Power-Aware Multiple Access protocol with Signaling)。LLC层通过差错控制、流量控制、帧同步等实现节能，如，减少重传次数的自适应差错控制自动请求重传机制。网络层通过功率消耗、节点剩余能量或组合因素等实现节能。在传输层，通过减少端到端的重传，以减少时延、增加网络吞吐量，提高能量效率。应用层根据节点当前能量状况、无线链路状况，确定压缩编码方法或者对业务进行取舍，减少能量消耗。

由此可见，在现有技术中，上述各种节能技术均起到了一定的节能作用；但是，由于这些节能技术均针对Ad Hoc网络局部进行改进，节能效果有限、网络生存时间较短，因而网络整体性能较差。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种节能效果较好、网络生存时间较强、网络整体性能较好的基于自组织网按需距离矢量协议的路由方法。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：

一种基于自组织网按需距离矢量协议的路由方法，包括如下步骤：

步骤A、Ad Hoc网络由源节点S至目标节点D有至少一条路径L_m，路径L_m由相互链接的传输节点N_mn组成，路由跳数为

目标节点D根据路径L_m上的路由跳数及路径L_m上各传输节点网络层从物理层、MAC层提取的传输节点发射功率、传输节点剩余能量，获取路径路由度量cost_m；其中，m、n均为自然数；

步骤B、根据自组织网按需距离矢量路由协议，源节点S通过广播向相邻传输节点N_m1发送增加能量条目的路由请求RREQ，传输节点N_m1向相邻传输节点N_m2转发所述增加能量条目的路由请求RREQ，...，传输节点N_mk向相邻传输节点N_m(k+1)转发所述增加能量条目的路由请求RREQ，...，传输节点N_mn向目标节点D转发所述增加能量条目的路由请求RREQ；能量条目格式为

其中，

为路径L_m上第k个传输节点的传输节点功耗，

为路径L_m上所有传输节点功耗之和，P_Lmax为所有路径上各路径传输节点总功耗的最大值，

为路径L_m上各传输节点剩余能量，k＝1，2，...，n；

步骤C、目标节点D收到各路径L_m传输的所述增加能量条目的路由请求RREQ后，判断各传输节点剩余能量等级：当传输节点剩余能量等级为非危险等级时，目标节点D存储能量条目后，执行步骤D；当传输节点剩余能量等级为危险等级时，目标节点D禁止传输节点/N_mn服务；

步骤D、目标节点D将路由度量cost_m最小的路径作为数据传输路径，由该数据传输路径向源节点S发送增加路由度量cost_m的路由应答RREP，建立路由。

综上所述，本发明所述基于自组织网按需距离矢量协议的路由方法根据跨层获取的能量、功率等信息获得的传输节点剩余能量和路由度量，当传输节点剩余能量等级为危险等级时，禁止传输节点服务；当传输节点剩余能量等级为正常级或警告级时，将最小路由度量所属路径作为数据传输路径，向源节点发送增加路由度量的路由应答RREP，建立路由。因此，本发明路由方法避开剩余能量低的传输节点，即，避免一些关键传输节点由于过度使用而过早死亡，并通过剩余能量高的传输节点建立数据传输路径，减少了Ad Hoc网络中能量低的传输节点的能量消耗，延长了Ad Hoc网络的生存时间并改善了Ad Hoc网络的连通度，因此，本发明提升了Ad Hoc网络的整体性能。

附图说明

图1为本发明所述基于自组织网按需距离矢量协议的路由方法的流程示意图。

图2为本发明中加权系数α、β、γ的确定方法的流程示意图。

图3为本发明实施例Ad Hoc网络局部组成结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

图1为本发明所述基于自组织网按需距离矢量协议的路由方法的流程示意图。如图1所示，本发明所述基于自组织网按需距离矢量协议的路由方法包括如下步骤：

目标节点D根据路径L_m上的路由跳数

及路径L_m上各传输节点网络层从物理层、MAC层提取的传输节点发射功率、传输节点剩余能量，获取路径路由度量cost_m；其中，m、n均为自然数。

实际应用中，各路径L_m上的传输节点数可以不同。路由跳数由目标节点D从网络层提取得到。

步骤B、根据自组织网按需距离矢量路由协议AODV(Ad hoc On-demandDistant Vector)，源节点S通过广播向相邻传输节点N_m1发送增加能量条目的路由请求RREQ，传输节点N_m1向相邻传输节点N_m2转发增加能量条目的路由请求RREQ，...，依次地，传输节点N_mk向相邻传输节点N_m(k+1)转发增加能量条目的路由请求RREQ，...，传输节点N_mn向目标节点D转发增加能量条目的路由请求RREQ；能量条目格式为

[\begin{matrix} P_{L_{m}}, & P_{L \max}, & E_{L_{m} kr}, & \cos t_{m} \end{matrix}];

其中，

为路径L_m上第k个传输节点的传输节点功耗，

为路径L_m上所有传输节点功耗之和，P_Lmax为所有路径上各路径传输节点总功耗中的最大值，

为路径L_m上各传输节点剩余能量，k＝1，2，...，n。

步骤C、目标节点D收到各路径L_m传输的增加能量条目的路由请求RREQ后，判断各传输节点剩余能量等级：当传输节点剩余能量等级为非危险等级时，目标节点D存储能量条目后，执行步骤D；当传输节点剩余能量等级为危险等级时，目标节点D禁止传输节点N_mn服务。

总之，本发明所述基于自组织网按需距离矢量协议的路由方法中，传输节点网络层从物理层、MAC层提取传输节点发射功率、传输节点剩余能量，实现跨层提取信息，目标节点根据网络层路由跳数与提取信息获得各路径路由度量；基于AODV(Ad hoc On-demand D istant Vector)，源节点通过各条路径向目标节点发送增加能量条目的路由请求RREQ；目标节点收到各增加能量条目的路由请求RREQ后，判断各传输节点剩余能量等级，当传输节点剩余能量等级为危险等级时，禁止传输节点服务；当传输节点剩余能量等级为非危险等级时，将路由度量最小的路径作为数据传输路径，向源节点发送增加路由度量的路由应答RREP，建立路由。本发明根据跨层获取的能量、功率等信息获得的传输节点剩余能量和路由度量，避开剩余能量低的传输节点，即，避免一些关键传输节点由于过度使用而过早死亡，并通过剩余能量高的传输节点建立数据传输路径，减少了Ad Hoc网络中能量低的传输节点的能量消耗，延长了Ad Hoc网络的生存时间并改善了Ad Hoc网络的连通度，因此，本发明提升了Ad Hoc网络的整体性能。

本发明中，基于自组织网按需距离矢量协议路由方法实质上是对路由能耗、网络生存时间和路由跳数进行综合处理，减少Ad Hoc网络中能量低的传输节点的能耗，延长了Ad Hoc网络的生存时间并改善了Ad Hoc网络连通度，提升了Ad Hoc网络的整体性能。

实际应用中，假设路径L_m上传输节点N_mk所传输数据的数据分组比特长度为l，则传输节点N_mk的数据接收时间

和数据发送时间

为：

根据数据接收时间

数据发送时间

接收功率

发送功率

得到传输节点能耗

路径L_m上所有传输节点能耗之和

且满足其中，C为电磁波在理想空间的传播速度，

为所有路径上各路径传输节点总能耗中的最大值。

实际应用中，根据路径L_m上各传输节点剩余能量得到传输节点剩余生命期为

在一定的情况下，

为路径L_m上所有传输节点剩余生命期中的最小传输节点剩余生命期、T_Lmax为所有路径上所有传输节点剩余生命期中的最大传输节点剩余生命期，E_Lrmax为所有路径上所有传输节点剩余能量中的最大传输节点剩余能量。

这样，所述基于自组织网按需距离矢量协议路由方法对路由能耗、网络生存时间和路由跳数的综合处理，就转化为了对路由功耗、传输节点剩余能量、路由跳数的综合处理。

因此，步骤A中，设置路由度量cost_m为：

其中，P_Lmax为所有路径上各路径传输节点总功耗的最大值，E_Lrmax为所有路径上所有传输节点剩余能量中的最大传输节点剩余能量，

为路径L_m上所有传输节点剩余能量中的最小传输节点剩余能量，H_Lmax为各路径路由跳数中的最大路由跳数，加权系数α、β、γ均为实数，且α+β＝1。

本发明中，步骤C中，传输节点剩余能量等级包括正常级(normal)、警告级(warning)和危险级(danger)：当

时，路径L_m上的传输节点剩余能量级为正常级；当

时，路径L_m上的传输节点剩余能量级为警告级；当

时，路径L_m上的传输节点剩余能量级为危险级；其中，

为路径L_m上各传输节点初始能量。

步骤C中，非危险等级包括正常级和警告级。

图2为本发明中加权系数α、β、γ的确定方法的流程示意图。如图2所示，本发明中，加权系数α、β、γ的确定方法包括如下步骤：

步骤A1、将

P_Lmax与E_Lrmax、

设置为最高优先级，

H_Lmax设置为次优先级。

实际应用中，本发明采用部分分层法，即，将被处理对象分为多个优先级，且同一个优先级中有多个被处理量；并通过对被处理对象的阶梯式控制，简化了对被处理对象的综合处理过程。

实际应用中，若取

F_{1} = α \frac{P_{L_{m}}}{P_{L \max}} + β \frac{E_{Lr \max}}{E_{L_{m} r \min}},

F_{2} = \frac{H_{L_{m}}}{H_{L \max}},

则cost_m＝F₁+γF₂。

步骤A2、根据路径L_m上的传输节点剩余能量级确定加权系数α、β、γ：当路径L_m上的传输节点剩余能量级为正常级时，设置

γ＝1；当路径L_m上的传输节点剩余能量级为警告级时，设置α＝0、β＝1、γ＝0；当路径L_m上的传输节点剩余能量级为危险级时，目标节点D禁止传输节点服务。

实际应用中，在寻找路由的初始阶段，加权系数α、γ的值接近于1，这时对

P_Lmax、

H_Lmax进行综合处理；在

P_Lmax减小到一定程度时，α的值接近于0，这时对E_Lrmax、

H_Lmax进行综合处理。当传输节点剩余能量级为警告级时，α＝0、β＝1、γ＝0，这时对E_Lrmax、

进行综合处理，绕开低能量节点，选择剩余生命期长的链路。

本发明中，步骤B中，增加能量条目的路由请求RREQ的结构为：

路由跳数

RREQ ID

目的节点序列号

源节点序列号

能量条目

增加路由度量cost_m的路由应答RREP的结构为：

路由跳数

目的节点IP地址

目的节点序列号

源节点序列号

传输节点剩余生命期

cost_m

实施例

图3为本发明实施例Ad Hoc网络局部组成结构示意图。如图3所示，用带有字母或数字的圆圈表示节点，比如，带有字母S的圆圈为源节点，带有字母D的圆圈为目标节点，带有数字的圆圈为传输节点，数字表示传输节点的序号；源节点、各传输节点和目标节点之间链接线路上的数字表示源节点能耗、传输节点能耗。本实施例中，源节点S至目标节点D存在三条路径L₁、L₂、L₃。路径L₁：源节点S-传输节点1-传输节点2-传输节点3-目标节点D，路径L₂：源节点S-传输节点4-传输节点5-目标节点D，路径L₃：源节点S-传输节点6-传输节点7-传输节点8-传输节点5-目标节点D。

为简化说明过程，假设源节点剩余能量级、各传输节点剩余能量级均为正常级。本实施例各路径能量消耗、路由跳数、路由度量cost_m如表1所示。由表1可知，本实施例中，路径L₂路由跳数最少，路径L₁路由度量cost_m最小。当源节点S与目标节点D之间不存在有效路由时，启动路由发现过程。源节点S通过路径L₁、L₂、L₃向目标节点D发送增加能量条目的路由请求RREQ。目标节点D收到三组增加能量条目的路由请求RREQ后，将最小路有度量cost_min所属路径L₁作为传输数据路径，并通过该传输数据路径L₁向源节点S返回增加路由度量cost_m的路由应答RREP。

表1

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于自组织网按需距离矢量协议的路由方法，其特征在于，所述路由方法包括如下步骤：

步骤B、根据自组织网按需距离矢量路由协议，源节点S通过广播向相邻传输节点N_ml发送增加能量条目的路由请求RREQ，传输节点N_m1向相邻传输节点N_m2转发所述增加能量条目的路由请求RREQ，...，传输节点N_mk向相邻传输节点N_m(k+1)转发所述增加能量条目的路由请求RREQ，...，传输节点N_mn向目标节点D转发所述增加能量条目的路由请求RREQ；能量条目格式为其中，