CN102413538A - 基于aodv且考虑延时能量节省的路由改进方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于AODV且考虑延时能量节省的路由改进方法，涉及新型的兼顾延时效应的节能路由协议，该协议首先判断低速运动的Ad Hoc网络中所有结点的剩余能量是否小于阈值γ，如果所有结点的剩余能量都大于阈值γ，则说明网络有充足的能量，这时，本发明只要寻找一条通信能耗最小的路径即可；如果网络中有一个以上结点的剩余能量小于阈值γ，则说明网络中部分结点能量消耗较快，这时，综合运用了动态功率调整、能量意识的路由选择、广播控制、被动路由更新等方法，均匀网络中结点的消耗，延长无线传感器网络的工作寿命。

Description

基于AODV且考虑延时能量节省的路由改进方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，适用于低速运动的Ad Hoc网络的低延时节能的路由改进策略。
背景技术
随着移动计算平台和小型无线设备的普及，Ad Hoc无线网络因其无物理位置限制而且能随时随地自组网络而得到越来越多的关注。智能雷场作为本发明此项研究的应用平台，Ad Hoc更是显示出其特有的优势。实际战争环境中的雷场因其地理环境的多变性和不确定性，所以对无线数据通信网络的自组性提出了很高的要求，又由于无线通信结点自身携带的电池供电能力有限，因此，在保证结点间数据通信及时性和可靠性的基础上，高效地管理能量，能够延长结点及整个网络的工作时间。
AODV是在Ad Hoc网络中较常用的一种通信传输协议。在硬件或软件设计上，前人已经提出了很多适用于AODV的节能方法，像AODVjr，AODVsimplified，自适应AODV，适用于低速运动网络的低功耗AODV协议等，但是发明人发现前人的这些改进算法在智能雷场环境中，表现效果并不是很理想，因为低能耗往往是以牺牲网络的数据传输率和提高数据传输延时为代价的，虽然延长了整个智能雷场的网络工作时间，但是数据传输延时时间过久，在实际工作中是非常危险的。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于AODV且考虑延时能量节省的路由改进方法。
根据本发明的一个方面，提供基于AODV且考虑延时能量节省的路由改进方法，其特征在于，包括如下流程步骤：
步骤一：遍历邻结点的剩余能量R；
步骤二：判断所述剩余能量R是否大于等于第一阈值r；若所述剩余能量R大于等于第一阈值r，则计算所有路径的消耗P，选出消耗最小的路径，结束流程；若所述剩余能量R小于第一阈值r，则进入步骤三；
步骤三：判断该结点是否为目的结点；若该结点为目的结点，则结束流程；若该结点不为目的结点，则进入步骤四；
步骤四：判断该结点的当前剩余能量E与网络平均剩余能量
Figure BDA0000115471430000021
的比值是否小于第二阈值B；若该结点的当前剩余能量E与网络平均剩余能量
Figure BDA0000115471430000022
的比值小于第二阈值B，则不使用该结点；若该结点的当前剩余能量E与网络平均剩余能量
Figure BDA0000115471430000023
的比值大于等于第二阈值B，则使用该结点，进入步骤五；
步骤五：计算该结点到下一跳结点的连接功率消耗gi；
步骤六：判断该结点到下一跳结点的连接功率消耗gi是否小于第三阈值gmin；若该结点到下一跳结点的连接功率消耗gi大于等于第三阈值gmin，则不使用这条路径；若该结点到下一跳结点的连接功率消耗gi小于第三阈值gmin，则使用这条路径，并返回所述步骤三。
优选地，路由代价评价函数如下：
Figure BDA0000115471430000024
Figure BDA0000115471430000025
其中Pt_consumei是结点i到它的下一跳结点传送信息所需要消耗的能量，Ei是结点i的剩余能量，
Figure BDA0000115471430000026
是网络的平均剩余能量，α是调节剩余能量的权重系数，ηi是结点热噪声，G是整条路由代价评价，其中，公式(1)是计算结点i到它的下一跳结点的连接功率消耗，整条路由的消耗如公式(2)所示，源结点会选择G值较小的路由，Pt_consumei表示的是收发模块内部实际能量的消耗。
优选地，在RREQ中增加一个
Figure BDA0000115471430000027
只要结点i收到一个RREQ，它就将包中的
Figure BDA0000115471430000028
更新为
Figure BDA0000115471430000029
如式(3)所示：
Figure BDA00001154714300000210
其中，Bi是节点i的剩余能量，N是RREQ中记录的跳数；然后，它将
Figure BDA00001154714300000211
更新为
Figure BDA00001154714300000212
如式(4)所示：
其中，β是反映网络运动情况的权重系数。
Figure BDA0000115471430000031
的初值为节点的初始能量。
优选地，当一个结点接收到一个RREQ时，其计算自己剩余能量和网络平均剩余能量的比值如果该值小于第二阈值B，结点不再将RREQ广播出去，也将不参于此次路由发现。
优选地，当一个路由建立后，一个名为established_energy的域会在相应路由表项中建立，用来记录当前结点建立路由时的剩余能量。
优选地，如果最小结点剩余能量
Figure BDA0000115471430000033
Figure BDA0000115471430000034
Figure BDA0000115471430000035
Figure BDA0000115471430000036
公式(5)为结点nj和结点ni之间的传输功率，公式(6)为路由的总传输功率，公式(7)是最理想的路由K所满足的条件。其中n0和nD分别是源结点和目的结点，Ptransmit是结点ni和nj之间的传输功率，Ptranscerver是结点nj接收数据的接收功率，A是所有可能路由的集合。
本发明提出了一种新的自动调节的能量控制协议。为了在保持结点响应速度的基础上，延长智能雷场网络的工作时间，本发明根据结点电池的剩余能量，结点会根据具体情况调节自身的传输协议。在能量充足时，会以减小数据传输延时为重点，保证雷场工作的高反应性；在低能量状态时，会转换到能量保护状态，用节能算法来延长网络的工作时间。
本发明旨在实现，如果源结点，目的结点，以及路由可能经过的结点都有充足的剩余能量(比如，都大于某个阈值)，则本发明只要挑选总体传输能量最小的路由即可，这样可减小路由选择算法的计算复杂度，从而减小数据传输的延时，保证数据传输的及时性。然而，当路由上某些结点都处于较低能量时(比如小于某个阈值)，本发明就需要用到被动能量调节，从而来延长这些结点的工作时间，从来保证整个无线传输网络不会过早的衰亡。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是网络寿命随暂停时间的变化；
图2是不同工作阶段的数据传输延时时间；
图3是不同阈值时，平均延时和网络寿命关系图；
图4是本发明的实现流程图。
具体实施方式
根据本发明提供的基于AODV且考虑延时能量节省的路由改进方法，包括如下流程步骤：
步骤一：遍历邻结点的剩余能量R；
步骤二：判断所述剩余能量R是否大于等于第一阈值r；若所述剩余能量R大于等于第一阈值r，则计算所有路径的消耗P，选出消耗最小的路径，结束流程；若所述剩余能量R小于第一阈值r，则进入步骤三；
步骤三：判断该结点是否为目的结点；若该结点为目的结点，则结束流程；若该结点不为目的结点，则进入步骤四；
步骤四：判断该结点的当前剩余能量E与网络平均剩余能量
Figure BDA0000115471430000041
的比值是否小于第二阈值B；若该结点的当前剩余能量E与网络平均剩余能量
Figure BDA0000115471430000042
的比值小于第二阈值B，则不使用该结点；若该结点的当前剩余能量E与网络平均剩余能量的比值大于等于第二阈值B，则使用该结点，进入步骤五；
步骤五：计算该结点到下一跳结点的连接功率消耗gi；
步骤六：判断该结点到下一跳结点的连接功率消耗gi是否小于第三阈值gmin；若该结点到下一跳结点的连接功率消耗gi大于等于第三阈值gmin，则不使用这条路径；若该结点到下一跳结点的连接功率消耗gi小于第三阈值gmin，则使用这条路径，并返回所述步骤三。
网络平均能量的估计和自适应路由的算法如下所述：
新的路由代价评价函数：
Figure BDA0000115471430000044
Figure BDA0000115471430000051
其中Pt_consumei是结点i到它的下一跳结点传送信息所需要消耗的能量，Ei是结点i的剩余能量，
Figure BDA0000115471430000052
是网络的平均剩余能量，α是调节剩余能量的权重系数，ηi是结点热噪声，G是整条路由代价评价。公式(1)是计算结点i到它的下一跳结点的连接功率消耗，整条路由的消耗如公式(2)所示，源结点会选择G值较小的路由。需要特别注意的是，Pt_consumei不同于Pt。它表示的是收发模块内部实际能量的消耗，而Pt是发射出去的电磁波的能量。在公式(2)中，可以发现本发明考虑了三个因素：传输所需能量，结点剩余能量，跳数。
在RREQ中增加一个
Figure BDA0000115471430000053
只要结点i收到一个RREQ，它就将包中的
Figure BDA0000115471430000054
更新为
Figure BDA0000115471430000055
如式(3)所示：
Figure BDA0000115471430000056
其中，Bi是节点i的剩余能量，N是RREQ中记录的跳数。然后，它将
Figure BDA0000115471430000057
更新为如式(4)所示：
其中，β是反映网络运动情况的权重系数。
Figure BDA00001154714300000510
的初值为节点的初始能量。
RREQ的广播控制和被动路由更新则是进一步平衡网络结点间的能量消耗，从而延长网络寿命。
当一个结点接收到一个RREQ时，它不是判断这个是不是重复的RREQ，而是计算自己剩余能量和网络平均剩余能量的比值，
Figure BDA00001154714300000511
如果该值小于某一预设值A，结点不再将RREQ广播出去，它也将不参于此次路由发现。
当一个路由建立后，一个名为established_energy的域会在相应路由表项中建立，用来记录当前结点建立路由时的剩余能量。随着时间过去，结点不断地收发数据包，如果当前剩余能量和established_energy的比值小于一个预设值B，比如B＝0.7，该路由项会宣布为不活动状态，并启动RERR来触发该路由的源结点启动路由重新更新，这称为被动路由更新。相比AODV中的主动路由更新，它是使用剩余能量而不是时间来触发路由更新，更有利于路由更新随着能量消耗的多少来调节。如果某条路由上的数据包很少，它可以有效减少不必要的路由更新(也是对于低速运动的网络而言)，如果某条路由上的数据包太多，它可以及时切换到能量更多的路由上去。
如果最小结点剩余能量
Figure BDA0000115471430000063
Figure BDA0000115471430000064
公式(5)为结点nj和结点ni之间的传输功率，公式(6)为路由的总传输功率，公式(7)是最理想的路由K所满足的条件。其中n0和nD分别是源结点和目的结点，Ptransmit是结点ni和nj之间的传输功率，Preceiver是结点nj接收数据的接收功率，A是所有可能路由的集合。
如果最小结点剩余能量
Figure BDA0000115471430000065
则说明部分结点的能量已经消耗过快，这时本发明要启动网络平均能量的估计和自适应路由的算法来均衡网络中的结点能量分布，延长路由的工作时间。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种基于AODV且考虑延时能量节省的路由改进方法，其特征在于，包括如下流程步骤：
步骤一：遍历邻结点的剩余能量R；
步骤二：判断所述剩余能量R是否大于等于第一阈值r；若所述剩余能量R大于等于第一阈值r，则计算所有路径的消耗P，选出消耗最小的路径，结束流程；若所述剩余能量R小于第一阈值r，则进入步骤三；
步骤三：判断该结点是否为目的结点；若该结点为目的结点，则结束流程；若该结点不为目的结点，则进入步骤四；
步骤四：判断该结点的当前剩余能量E与网络平均剩余能量
Figure FDA0000115471420000011
的比值是否小于第二阈值B；若该结点的当前剩余能量E与网络平均剩余能量
Figure FDA0000115471420000012
的比值小于第二阈值B，则不使用该结点；若该结点的当前剩余能量E与网络平均剩余能量
Figure FDA0000115471420000013
的比值大于等于第二阈值B，则使用该结点，进入步骤五；
步骤五：计算该结点到下一跳结点的连接功率消耗gi；
步骤六：判断该结点到下一跳结点的连接功率消耗gi是否小于第三阈值gmin；若该结点到下一跳结点的连接功率消耗gi大于等于第三阈值gmin，则不使用这条路径；若该结点到下一跳结点的连接功率消耗gi小于第三阈值gmin，则使用这条路径，并返回所述步骤三。
2.根据权利要求1所述的基于AODV且考虑延时能量节省的路由改进方法，其特征在于，路由代价评价函数如下：
g i = Pt _ consume i ( E i E ‾ ) α + η j - - - ( 1 )
G = Σ i = 1 hopcount - 1 g i - - - ( 2 )
其中Pt_consumei是结点i到它的下一跳结点传送信息所需要消耗的能量，Ei是结点i的剩余能量，
Figure FDA0000115471420000016
是网络的平均剩余能量，α是调节剩余能量的权重系数，ηi是结点热噪声，G是整条路由代价评价，其中，公式(1)是计算结点i到它的下一跳结点的连接功率消耗，整条路由的消耗如公式(2)所示，源结点会选择G值较小的路由，Pt_consumei表示的是收发模块内部实际能量的消耗。
3.根据权利要求1或2所述的基于AODV且考虑延时能量节省的路由改进方法，其特征在于，在RREQ中增加一个
Figure FDA0000115471420000021
只要结点i收到一个RREQ，它就将包中的
Figure FDA0000115471420000022
更新为
Figure FDA0000115471420000023
如式(3)所示：
R ‾ new = R ‾ old * N + B i N + 1 - - - ( 3 )
其中，Bi是节点i的剩余能量，N是RREQ中记录的跳数；然后，它将
Figure FDA0000115471420000025
更新为
Figure FDA0000115471420000026
如式(4)所示：
E ‾ new = ( 1 - β ) E ‾ old + β R ‾ old - - - ( 4 )
其中，β是反映网络运动情况的权重系数。
Figure FDA0000115471420000028
的初值为节点的初始能量。
4.根据权利要求3所述的基于AODV且考虑延时能量节省的路由改进方法，其特征在于，当一个结点接收到一个RREQ时，其计算自己剩余能量和网络平均剩余能量的比值
Figure FDA0000115471420000029
如果该值小于第二阈值B，结点不再将RREQ广播出去，也将不参于此次路由发现。
5.根据权利要求3或4所述的基于AODV且考虑延时能量节省的路由改进方法，其特征在于，当一个路由建立后，一个名为established_energy的域会在相应路由表项中建立，用来记录当前结点建立路由时的剩余能量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于AODV且考虑延时能量节省的路由改进方法，其特征在于，如果最小结点剩余能量
Figure FDA00001154714200000210
P(ni，nj)＝Ptransmit(ni，nj)+Preceiver(nj)               (5)
P l = Σ i = 0 D - 1 P ( n i , n i + 1 ) - - - ( 6 )
P K = min l ∈ A P l - - - ( 7 )
公式(5)为结点nj和结点ni之间的传输功率，公式(6)为路由的总传输功率，公式(7)是最理想的路由K所满足的条件。其中n0和nD分别是源结点和目的结点，Ptransmit是结点ni和nj之间的传输功率，Ptranscerver是结点nj接收数据的接收功率，A是所有可能路由的集合。
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