CN102448140A - 基于无线传感网路径转发质量的路由选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感网路径转发质量的路由选择方法，属于无线自组织网络与传感器网络领域。对每一个节点，分别计算该节点经过其各邻居节点到目的节点的各路径的路径转发质量，选择其中路径转发质量最高的一条路径作为传输路径；并且将这个最高的路径转发质量对应的那个邻居节点作为其父节点，即路由中的下一跳节点。本发明提出方法有效解决了目前无线传感网应用受到链路不稳定性和节点不稳定性影响比较严重的问题，在保证路由稳定性的前提下，本方法能够兼顾选择开销最小的路径，有效减少能量有限的传感网节点上的能量消耗。

Description

基于无线传感网路径转发质量的路由选择方法

技术领域

本发明属于无线自组织网络与传感器网络领域，涉及基于无线传感网节点质量和转发质量的无线网络路由方法。

背景技术

近几年无线网络通讯的发展，出现了许多基于无线传感网的应用系统。这些应用系统利用自组织成网络的小体积，低能耗，短通信半径的无线传感网节点，在特殊环境如野外、森林、海岛上进行工作，感知并采集外界环境和监测对象的信息，并将信息以无线的多跳方式传回基站。因此，无线多跳传输作为无线传感网的应用基础，在无线传感网实际应用中显得尤为重要。

在一个多跳的网络中传输，通常采用的方法是先建立一个路由方案，然后在这个路由方案的指导下每一个节点选择对应的下一个节点并将信息传递给该节点，直至到达目的地节点。无线传感网中最早出现的路由技术是基于位置信息的[Karp，B.，and Kung.H.T.(2000).GPSR：Greedy Perimeter Stateless Routingfor Wireless Networks，Proc.6th Annual International Conference on MobileComputing and Networking(MobiCom 2000)，243-254]。在这个路由技术中，假设每一个节点都知道自己的位置信息和目的地节点的位置信息，路由策略如下：

1.每个节点寻找一个距离目的地节点比自己更近的节点作为下一跳节点，若有这样的节点，则重复1直到目的地；如果没有这样的节点，则

2.该节点所有邻居节点距离目的地都比该节点距离远的时候，该节点就会采取右手定则的原则，选择一个顺时针方向的遇到节点中的第一个节点作为下一跳，然后转到1。这样的路由要求每个节点必须有自己和周围邻居节点精确的位置信息。现有的基于全球定位系统(GPS)的节点不适合于很多实际应用，比如没有GPS信号的室内和地下环境。传感网中也有很多定位算法(localizationalgorithm)可以获得节点的位置，但是在实际网络中，很有可能有一部分节点是无法通过任何定位算法获得准确位置信息。

由于基于位置的方法路由很多情况下并不适用，而且这样的路由方法并没有考虑的链路质量，所以这样的方法在利用无线传感网传送信息如图像的时候，考虑到无线传感网中链路的不稳定特性，无法在最快的时间传送完所有的信息，从而导致了信息的延迟和发送时间变长带来的更多能量消耗。另外一类的路由方法是基于链路质量的，比如基于链路信号强度(Radio Signal Strength Indicator，RSSI)路由策略。目前无线传感网中使用最多的路由方案为收集树路由协议Collection Tree Protocol，CTP)[Omprakash Gnawali，Rodrigo Fonseca，KyleJamieson，David Moss，and Philip Levis.Collection Tree Protocol.In Proceedings ofthe 7th ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems(SenSys)，2009.]。该协议由美国斯坦福大学提出，基于链路的最小期望传输次数(ExpectedTransmission Count，ETX)。链路最小期望传输次数为该链路上要成功的传输成功一个包所需要的期望总传输次数，比如链路的发包成功率为q(即每个包有概率q传送成功，0≤q≤1)，则该链路的最小期望传输次数则为1/q。收集树路由协议在进行路由的时候就选择所有路径中的最小期望传输次数最小的路径。

收集树路由协议尽管作为现在使用得最多的协议，它仍然存在着各种问题，尤其在实际应用中存在着与实际系统相关问题：

首先，收集树路由协议并没有考虑到节点本身的内部的丢包，而只考虑到了路径上所有链路的质量，并不符合实际系统的应用情况。如图1所示，图中显示为在一个实际的无线传感网系统中节点内部的丢包(并非链路丢包)，由图1可以看出节点本身也有着非常大的丢包，从而对路径质量产生影响。

其次，收集树路由协议并没有考虑到路径上链路和节点在路径上的排列顺序对路径的影响，等下我们将会介绍链路顺序对路径质量也有着非常大的影响。图2中显示了两条不同的路径，在这两条路径中，路径1和路径2有着相同的最小期望传输次数，但是这两条路径在路径的稳定性方面是截然不同的。路径2显然要比路径1好，而在收集树路由协议中，是无法区分这两种情况的。

再次，收集树协议并没有考虑到节点重传次数对路径质量的影响，在实际系统中，节点重传次数设置是跟应用紧密相关的，其对路径质量的影响也是不一样的。收集树路由协议基于重传次数为无限的假设，并为考虑到重传次数的影响。

发明内容

为解决现有技术问题，本发明提出一种新型路由方法，针对目前现有的路由方法中对路径质量的估计的不完整和不合理性，着重考虑了路径上节点本身质量对路径质量的影响，和节点和链路在路径上出现的顺序对路径质量的影响，从而选择一条路径质量最好的路径。理论证明该方法综合了路径上影响数据传输的所有因素，能够选择一条吞吐率最大的路径。实际系统中的应用结果也证明了该方法能够比目前世界上最广泛使用的传感网中最新的路由算法有着更高的性能。

本发明所述基于无线传感网路径转发质量的路由选择方法，是通过如下方法实现的：

对每一个节点，分别计算该节点经过其各邻居节点到目的节点的各路径的路径转发质量，选择其中路径转发质量最高的一条路径作为传输路径；并且将这个最高的路径转发质量对应的那个邻居节点作为其父节点，即路由中的下一跳节点；

所述路径转发质量是指在一条路径上发送成功一个数据包需要的总的传输次数，其中总的传输次数指该路径的每一条链路上传输次数的总和；

进一步地，

对于一条由节点n到节点1的路径，其路径转发质量PathQoF_n，1计算方法包括如下步骤：

①.首先将该路径上的n个节点依次编号，目的节点为节点1，源节点为n；

②.该路径的路径转发质量PathQoF_n，1根据下式获得：

$\mathrm{PathQo}{F}_{n,1}=\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{n,1}}{\mathrm{LinkET}{C}_{n,n-1}+\mathrm{LinkPD}{R}_{n,n-1}\×{\mathrm{NodePDR}}_{n-1}\×\frac{{\mathrm{PathPdR}}_{n-\mathrm{1,1}}}{P{\mathrm{athQoF}}_{n-\mathrm{1,1}}}}---\left(7\right)$

公式(7)中：

PathPDR_n，1为由节点n到节点1的路径传输成功率，PathPDR_n-1，1为由节点n-1到节点1的路径传输成功率，所述的路径传输成功率是该路径的各物理链路数据包传输成功率和各节点的内部链路数据包传输成功率的乘积，即

PathPDR_n，1＝LinkPDR_n，n-1×NodePDR_n-1×...×LinkPDR_2，1×NodePDR₁

PathPDR_n-1，1＝LinkPDR_n-1，n-2×NodePDR_n-2×...×LinkPDR_2，1×NodePDR₁

LinkETC_n，n-1表示节点n和节点n-1之间的物理链路的传输次数，由下式算出：

$\mathrm{LinkET}{C}_{n,n-1}=\frac{1-{(1-q_{n,n-1})}^{r+1}}{q_{n,n-1}}---\left(8\right)$

公式(8)中物理链路质量q_n，n-1是节点n发送的数据包中被接收节点n-1收到的数据包所占的比例；重传次数r是指一个数据包在一个一般化链路能够被重传的次数限制，r是预先设置的；

NodePDR_n-1为节点n-1的内部链路数据包传输成功率，由下式算出；

NodePDR_n-1＝1-(1-q_n-1)^r+1    (9)

公式(9)中内部链路质量q_n-1＝b/a，其中a为进入该节点的数据包数目，即该节点收到的数据包的数目，b为该节点发出的数据包数目；作为优选的方式：对于无线传感网络，节点的内部链路数据包传输成功率NodePDR_A＝b/a，其中a是无线传感网上进入该节点的数据包数目，即该节点收到的数据包的数目，通过统计该节点中由数据访问控制层递交到网络层的数据包的数目获得；b是该节点发出的数据包数目，通过统计网络层递交给介质访问控制层的数据包的数目获得。

LinkPDR_n，n-1表示节点n和节点n-1之间的物理链路数据包传输成功率，由下式算出；

LinkPDR_n，n-1＝1-(1-q_n，n-1)^r+1    (10)

PathQoF_n-1，1根据下式获得：

${\mathrm{PathQoF}}_{n-\mathrm{1,1}}=\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{n-\mathrm{1,1}}}{{\mathrm{LinkETC}}_{n-1,n-2}+\mathrm{LinkPD}{R}_{n-1,n-2}\×{\mathrm{NodePDR}}_{n-2}\×\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{n-\mathrm{2,1}}}{{\mathrm{PathQoF}}_{n-\mathrm{2,1}}}}---\left(11\right)$

公式(11)所涉及的PathPDR_n-1，1、PathPDR_n-2，1、LinkETC_n-1，n-2、NodePDR_n-2、LinkPDR_n-1，n-2依照前述获得PathPDR_n，1、PathPDR_n-1，1、LinkETC_n，n-1、NodePDR_n-1、LinkPDR_n，n-1的方法计算，以此类推获得PathQoF_n-2，1，PathQoF_n-2，1，……直至最后PathQoF_2，1由下式获得：

${\mathrm{PathQoF}}_{\mathrm{2,1}}=\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{\mathrm{2,1}}}{{\mathrm{LinkETC}}_{\mathrm{2,1}}+{\mathrm{LinkPDR}}_{\mathrm{2,1}}\×{\mathrm{NodePDR}}_1}---\left(12\right)$

公式(12)中路径传输成功率PathPDR_2，1为节点2到节点1的链路传输成功率与节点1的节点传输成功率的乘积，即NodePDR₁×LinkPDR_2，1。

进一步地，本发明所述基于无线传感网路径转发质量的路由选择方法，其分布式实现方法包括如下步骤：

①首先获得如下参数：

各节点的内部链路数据包传输成功率：节点A的内部链路数据包传输成功率NodePDR_A：是无线传感网上进入该节点的数据包数目与该节点发出的数据包数目之比；

各物理链路质量q_A，B：每一个节点A到其邻居节点B的物理链路质量，即节点A发送的数据包中被接收节点B收到的数据包所占的比例；即在节点A上统计总共发出的数据包a，然后统计这些发出的数据包中被接收节点B正确收到的数据包b；然后通过计算b/a得到物理链路质量q_A，B；

各物理链路的数据包传输成功率：每一个节点A到其邻居节点B的物理链路的数据包传输成功率LinkPDR_A，B由物理链路质量q_A，B和预设的重传次数r计算得出：

LinkPDR_A，B＝1-(1-q_A，B)^r+1

各物理链路的传输次数LinkETC_A，B：每一个节点A到其邻居节点B的物理链路的传输次数LinkETC_A，B由物理链路质量q_A，B和预设的重传次数r计算得出：

${\mathrm{LinkETC}}_{A,B}=\frac{1-{(1-q_{A,B})}^{r+1}}{q_{A,B}}$

各路径的路径传输成功率PathPDR：是该路径上所有物理链路数据包传输成功率和各节点的内部链路数据包传输成功率的连乘积；

②将网络中所有节点到目的节点1的路径转发质量初始化为0；

③目的节点1广播自己的NodePDR₁，PathPDR_1，1，PathQoF_1，1，其中PathPDR_1，1＝1，PathQoF_1，1＝1；

④网络中除目的节点以外的其它节点则根据收到的广播信息，按照如下方法更新自己到目的节点1的路径转发质量：

对于节点i，收到节点j的广播信息NodePDR_j、PathPDR_j，1、PathQoF_j，1后按照下式计算从节点i经过节点j到目的节点的路径转发质量PathQoF_i，1：

${\mathrm{PathQoF}}_{i,1}=\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{i,1}}{{\mathrm{LinkETC}}_{i,j}+L{\mathrm{inkPDR}}_{i,j}\×{\mathrm{NodePDR}}_j\×\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{j,1}}{{\mathrm{PathQoF}}_{j,1}}},$

其中PathPDR_i，1＝LinkPDR_i，j×PathPDR_j，1；

若节点i收到多个邻居节点的广播信息，则分别计算PathQoF_i，1的值，选取其中最大的转发质量PathQoF_i，1；若当前获得的这个PathQoF_i，1比该节点当前记录的PathQoF_i，1大，则用这个较大的PathQoF_i，1更新该节点记录的PathQoF_i，1，并广播当前该节点对应的PathQoF_i，1、NodePDR_i和PathPDR_i，1；同时把这个路径转发质量PathQoF_i，1所对应的发送广播信息的节点作为父节点，即下一跳节点。

对比现有技术，本发明提出的方法基于转发质量，具有以下特点和有益效果，是目前所有无线传感网其他路由技术所不具备的(包括最广泛使用的收集树路由协议)，该方法也解决了现有方法中所不能解决的若干亟待解决的问题。具体特点描述如下：

1.该方法基于目前世界上最大规模实际的室外无线传感网系统之一，发现了节点本身丢包特征以及其丢包对路由影响。节点丢包在以前所有路由协议中都没有考虑到，导致了以前所有路由策略的不准确性和对路由估计的不完整性。

2.该方法考虑了节点位置和链路位置对路由质量的影响。对于同样的一条链路，按照不同顺序排列节点对最后的路由质量有着非常大的影响，这也是以前方法中没有考虑到的。

3.由于传感网节点的本身不稳定性，目前所有的方法都不可能保证传感网节点100％可靠。该方法不依赖于假设节点100％可靠，相反使用该发明提到方法能够有效避免由于传感网节点的不稳定性带来的对数据收集的影响。

4.该方法考虑到了重传次数对路由的影响，这在收集树路由协议中也是没有考虑到的。

5.可分布式计算，每个节点可以根据其他节点发送的信息计算对应到根节点的转发质量，不需要集中服务器来进行计算

6.复杂度低，需要的信息非常有限，适合应用于低能耗需求的无线传感网系统

综合来看，目前无线传感网应用受到链路不稳定性和节点不稳定性影响比较严重，本发明提出方法有效解决了该两方面问题。在保证路由稳定性的前提下，本方法能够兼顾选择开销最小的路径，有效减少能量有限的传感网节点上的能量消耗。

附图说明

图1.实际无线传感网节点内部丢包示意图；

图2.期望传输次数无法准确评价路径的例子，相同的期望传输次数，完全不同的路径质量；

图3.转发质量计算图示；

图4.转发质量具体实施示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容和实施方式等进行解释。

本发明用到三个术语，如下：

定义1.物理链路：无线传感网中若节点A能够与节点B进行数据传输，则A与B之间存在一条物理链路。

定义2.路径：无线传感网每一条链路范围是有限的，完成一次传输的路径是由多个物理链路首尾连接而成的一条多跳传输路径。

定义3.一般化链路：一般化链路有2种，一种是指相邻节点间的物理链路(如节点A和节点B间的无线传输链路，以下简称物理链路AB)，另外一种是一个数据包在节点内部需要经过的处理过程(例如在节点A内部，从将该数据包接收到的处理程序到将包发送出去的处理程序，以下简称内部链路A)。

一个一般化链路，该链路对应有四个参数，解释如下：

参数1.链路质量：链路质量(通常用q表示)是指一个数据包能成功通过一个一般化链路的概率。对应所述的2种一般化链路，链路质量分别有物理链路质量q_A，B和内部链路质量q_A。物理链路质量q_A，B可以根据每个节点成功发送到达接收者的数据包的数量和发送的总数据包的比值算出，内部链路质量q_A可以根据该节点内部发送处理程序中的数据包与接收处理程序接收到数据包的比值算出。

参数2.重传次数：由于链路质量不一定为1，即在一般化链路上有可能丢掉数据包，重传次数指的是一个数据包在一个一般化链路能够被重传的次数限制(通常用r表示)，即该数据包在第一次传输失败后能够重新传输r次。对于物理链路，该值通常在程序中人为预先设定，对于内部链路，该r值设为0。实际系统中每条链路r一般相同。

参数3.一般化链路传输次数(用ETC表示)：表示在每个数据包在一定重传次数限制情况下，一个一般化链路上一个数据包要经历过的传输次数。经过ETC次传输次数之后，这个数据包要么被传送成功，要么由于超过了重传次数r而被丢弃。一般来讲，传输次数ETC可以看做一个数据包在某个一般化链路上带来的传输开销。更为具体的，对于一个物理链路AB，传输次数通常用LinkETC_A，B表示，可以如下计算

${\mathrm{LinkETC}}_{A,B}=\left(\underset{k=1}{\overset{r+1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kq}}_{A,B}{(1-q_{A,B})}^{k-1}\right)+(r+1){(1-q_{A,B})}^{r+1}=\frac{1-{(1-q_{A,B})}^{r+1}}{q_{A,B}}---\left(1\right)$

对于内部链路A，传输次数通常用NodeETC_A表示，可以如下计算

${\mathrm{NodeETC}}_A=\left(\underset{k=1}{\overset{r+1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kq}}_A{(1-q_A)}^{k-1}\right))+(r+1){(1-q_A)}^{r+1}=\frac{1-{(1-q_A)}^{r+1}}{q_A}---\left(2\right)$

其中在LinkETC_A，B和NodeETC_A计算公式中，和式的第一项

为该数据包在重传次数r限制下的传输次数，和式的第二项(r+1)(1-q)^r+1表示r次重传都失败的传输次数。同时对于NodeETC_A，由于r取值为0，所以NodeETC_A＝1。

参数4.数据包传输成功率(通常用PDR表示)：表示一个数据包在一定重传次数情况下，能够成功通过一条链路的概率，对于物理链路数据包传输成功率，通常用LinkPDR_A，B表示，可以计算为：

LinkPDR_A，B＝1-(1-q_A，B)^r+1    (3)

对于内部链路数据包传输成功率，通常用NodePDR_A表示，可以计算为

NodePDR_A＝1-(1-q_A)^r+1    (4)

式(3)(4)中的(1-q)^r+1均表示在r次重传下一个数据包都不能通过的概率。同时对于NodePDR_A，r取值始终为0，所以NodePDR_A＝q_A。

对于节点n到1的路径，基于所述节点和链路的数据包传输成功率通常用路径传输成功率PathPDR_n，1表示，可以计算为该路径上所有物理链路数据包传输成功率LinkPDR_i，i-1和内部链路数据包传输成功率NodePDR_i-1的乘积，i的取值为大于1且小于等于n的整数，其中节点1为目的节点。

基于以上定义，我们首先提出一般化链路转发质量：表示一条链路在发送成功一个数据包情况下需要的传输次数。对于物理链路AB，表示为QoF_A，B，计算为

${\mathrm{QoF}}_{A,B}=\frac{x\×{\mathrm{LinkPDR}}_{A,B}}{x\×{\mathrm{LinkETC}}_{A,B}}=\frac{{\mathrm{LinKPDR}}_{A,B}}{{\mathrm{LinkETC}}_{A,B}}$

对于内部链路A，表示为QoF_A，计算为

${\mathrm{QoF}}_A=\frac{x\×{\mathrm{NodePDR}}_A}{x\×{\mathrm{NodeETC}}_A}=\frac{{\mathrm{NodePDR}}_A}{{\mathrm{NodeETC}}_A}$

其中x×PDR表示发送x个数据包，最后能够通过这个链路的包的个数，x×ETC为这x个数据包带来的总共数据包传输次数。PDR与ETC的商表示了平均每次传输能够带来的成功发送数据包个数，即为链路转发质量。由定义可以看出转发质量优化的是每发送成功一个数据包所需要的传输次数。

进一步地，路径转发质量是本文提出的路由算法的基本出发点。路径转发质量是指在一条路径上发送成功一个数据包需要的总的传输次数。这里的总传输次数是指该路径的每一条链路上传输次数的总和。因此，对于从节点n到1的某一条具有n个节点的路径，路径转发质量PathQoF_n，1可以计算为

如附图3所示，为了表述方便，用PathQoF_n，1表示路径n到1的路径转发质量，其中节点1为目的节点，PathPDR_n，1表示路径n到1的数据包传输成功率，PathETC_n，1表示路径n到1的传输次数。LinkETC_n，n-1和LinkPDR_n，n-1分别表示节点n和n-1之间的物理链路的传输次数和数据包传输成功率，则路径转发质量PathQoF_n，1可以表示为：

${\mathrm{PathQoF}}_{n,1}=\frac{x\×{\mathrm{PathPDR}}_{n,1}}{x\×{\mathrm{PathETC}}_{n,1}}---\left(5\right)$

$=\frac{x\×{\mathrm{PathPDR}}_{n,1}}{x\×{\mathrm{LinkETC}}_{n,n-1}+x\×{\mathrm{LinkPDR}}_{n,n-1}\×{\mathrm{NodePDR}}_{n-1}\×{\mathrm{PathETC}}_{n-\mathrm{1,1}}}$

其中分子x×PathPDR_n，1根据定义表示x个数据包最后通过这条路径的个数。分母中x×LinkETC_n，n-1表示x个数据包在路径上造成的传输开销。x×LinkPDR_n，n-1×NodePDR_n-1表示x个数据包中能够成功的通过节点n和n-1之间的链路且成功被第n-1个节点传输出来的概率。x×LinkPDR_n，n-1×NodePDR_n-1×PathETC_n-1，1则表示能够成功的被第n-1个节点传输的数据包在节点n-1到1之间的路径上带来的传输开销。

当n＝2时，公式(5)化为：

${\mathrm{PathQoF}}_{\mathrm{2,1}}=\frac{x\×{\mathrm{PathPDR}}_{\mathrm{2,1}}}{x\×{\mathrm{PathETC}}_{\mathrm{2,1}}}$

$=\frac{x\×{\mathrm{PathPDR}}_{\mathrm{2,1}}}{x\×{\mathrm{LinkETC}}_{\mathrm{2,1}}+x\×{\mathrm{LinkPDR}}_{\mathrm{2,1}}\×{\mathrm{NodePDR}}_1\×{\mathrm{PathETC}}_{\mathrm{1,1}}}$

$=\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{\mathrm{2,1}}}{{\mathrm{LinkETC}}_{\mathrm{2,1}}+{\mathrm{LinkPDR}}_{\mathrm{2,1}}\×{\mathrm{NodePDR}}_1\×{\mathrm{PathETC}}_{\mathrm{1,1}}}$

对比现有技术，本发明提出的方法基于路径转发质量，即PathQoF_n，1值，每一个节点计算到目的节点的所有路径的路径转发质量，对于节点n到节点1的不同路径，这个转发质量PathQoF_n，1取值不同，然后选择一条转发质量最高的路径作为传输路径。由路径转发质量的定义和计算方法可以看出来，在选择转发质量最高的一条路径的时候，能够保证传送成功每一个数据包所带来的网络中的传输开销最小，能够最大限度的减小传输次数和提高发送成功率，这是以前所有的路由策略中没有考虑到的。

下面先说明在传感网中怎么计算这个路径转发质量的，在后面会具体举例说明该方法是如何在传感网中实现的。发明简介中介绍到的路径转发质量的计算可以进一步转化为：

${\mathrm{PathQoF}}_{n,1}=\frac{x\×{\mathrm{PathPDR}}_{n,1}}{x\×{\mathrm{PathETC}}_{n,1}}$

$=\frac{x\×{\mathrm{PathPDR}}_{n,1}}{x\×{\mathrm{LinkETC}}_{n,n-1}+x\×{\mathrm{LinkPDR}}_{n,n-1}\×{\mathrm{NodePDR}}_{n-1}\×{\mathrm{PathETC}}_{n-\mathrm{1,1}}}---\left(6\right)$

$=\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{n,1}}{{\mathrm{LinkETC}}_{n,n-1}+{\mathrm{LinkPDR}}_{n,n-1}\×{\mathrm{NodePDR}}_{n-1}\×\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{n-\mathrm{1,1}}}{{\mathrm{PathQoF}}_{n-\mathrm{1,1}}}}$

并且根据(6)式可推知：

${\mathrm{PathQoF}}_{\mathrm{2,1}}=\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{\mathrm{2,1}}}{{\mathrm{LinkETC}}_{\mathrm{2,1}}+{\mathrm{LinkPDR}}_{\mathrm{2,1}}\×{\mathrm{NodePDR}}_1\×\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{\mathrm{1,1}}}{{\mathrm{PathQoF}}_{\mathrm{1,1}}}}$

其中PathPDR_1，1和PathQoF_1，1值都为1，因此：

${\mathrm{PathQoF}}_{\mathrm{2,1}}=\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{\mathrm{2,1}}}{{\mathrm{LinkETC}}_{\mathrm{2,1}}+{\mathrm{LinkPDR}}_{\mathrm{2,1}}\×{\mathrm{NodePDR}}_1}$

上述公式显示了从节点n到1的某条路径的转发质量PathQoF_n，1是可以递归来计算的。因此：

对于一条由节点n到节点1的路径，其路径转发质量PathQoF_n，1计算方法如下，首先将该路径上的节点依次编号，目的节点为节点1，源节点为n：

1.PathPDR_n，1为由节点n到节点1的路径传输成功率，PathPDR_n-1，1为由节点n-1到节点1的路径传输成功率，根据参数4的定义，所述的路径传输成功率是该路径的各物理链路数据包传输成功率和各节点的内部链路数据包传输成功率的乘积，即

PathPDR_n，1＝LinkPDR_n，n-1×NodePDR_n-1×...×LinkPDR_2，1×NodePDR₁

PathPDR_n-1，1＝LinkPDR_n-1，n-2×NodePDR_n-2×...×LinkPDR_2，1×NodePDR₁

2.LinkETC_n，n-1表示节点n和节点n-1之间的物理链路的传输次数，由下式算出；

${\mathrm{LinkETC}}_{n,n-1}=\frac{1-{\left({1-q}_{n,n-1}\right)}^{r+1}}{q_{n,n-1}};$

所述物理链路质量q_n，n-1是节点n发送的数据包中被接收节点n-1收到的数据包所占的比例；重传次数r是指一个数据包在一个一般化链路能够被重传的次数限制，r是预先设置的；

3.NodePDR_n-1为节点的内部链路数据包传输成功率，然后由下式算出；

NodePDR_n-1＝1-(1-q_n-1)^r+1

q_n-1的获得方法为：首先计算无线传感网上进入该节点的数据包数目a，即该节点收到的数据包的数目，然后统计该节点发出的数据包数目b，q_n-1通过计算b/a得到；

4.LinkPDR_n，n-1表示节点n和节点n-1之间的物理链路数据包传输成功率，根据定义由物理链路质量q_n，n-1依照公式(3)计算得出；

LinkPDR_n，n-1＝1-(1-q_n，n-1)^r+1

5.然后将以上参数PathPDR_n，1、PathPDR_n-1，1、LinkETC_n，n-1、NodePDR_n-1、LinkPDR_n，n-1带入下式，获得该条由节点n到节点1的路径的路径转发质量PathQoF_n，1：

${\mathrm{PathQoF}}_{n,1}=\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{n,1}}{{\mathrm{LinkETC}}_{n,n-1}+{\mathrm{LinkPDR}}_{n,n-1}\×{\mathrm{NodePDR}}_{n-1}\×\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{n-\mathrm{1,1}}}{{\mathrm{PathQoF}}_{n-\mathrm{1,1}}}}$

其中，

${\mathrm{PathQoF}}_{n-\mathrm{1,1}}=\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{n-\mathrm{1,1}}}{{\mathrm{LinkETC}}_{n-1,n-2}+{\mathrm{LinkPDR}}_{n-1,n-2}\×{\mathrm{NodePDR}}_{n-2}\×\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{n-\mathrm{2,1}}}{{\mathrm{PathQoF}}_{n-\mathrm{2,1}}}}$

所涉及的参数PathPDR_n-1，1、PathPDR_n-2，1、LinkETC_n-1，n-2、NodePDR_n-2、LinkPDR_n-1，n-2依照步骤1-4所述的方法同理计算，以此类推，直至PathQoF_2，1：

${\mathrm{PathQoF}}_{\mathrm{2,1}}=\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{\mathrm{2,1}}}{{\mathrm{LinkETC}}_{\mathrm{2,1}}+{\mathrm{LinkPDR}}_{\mathrm{2,1}}\×{\mathrm{NodePDR}}_1}$

所述路径传输成功率PathPDR_2，1为节点2到节点1的链路传输成功率与节点1的节点传输成功率的乘积，即NodePDR₁×LinkPDR_2，1。PathPDR_1，1和PathQoF_1，1值都为1。

基于以上5步以及公式(6)，路径转发质量PathQoF_n，1可以成功计算。然后每个节点根据不同节点发过来的信息，计算由当前节点通过不同路径到目的节点的路径转发质量的值，从中选择转发质量最高的一条，并且将发送给当前节点这个消息的邻居节点作为其父节点，即路由中的下一跳节点。

实施例：

由算法可以看出，每一个无线传感网节点可以分布式计算所需要的转发质量值，从而找到转发质量最优的一条路径。本方法已经在香港科技大学等多所大学的一个大规模无线传感网原型系统绿野千传(GreenOrbs)中实现并进行了测试。具体到实际传感网中，例如如图3所示的一个网络中，实现方法如下，主要分为两个部分，第一部分为参数测量部分，第二部分为节点操作部分。

首先是参数测量部分，根据当前广泛使用的传感器的能力和实际应用需求，对每一个节点A需要预先测量如下参数：

实际节点和链路参数测量：

1.各节点的内部链路数据包传输成功率NodePDR_A：首先计算无线传感网上进入该节点的数据包数目a，即该节点收到的数据包的数目，可以通过统计该节点中由数据访问控制层(MAC)递交到网络层(NET)的数据包的数目获得；然后统计该节点发出的数据包数目b，可以通过统计网络层递交给介质访问控制层的数据包的数目获得；NodePDR_A即可以通过计算b/a得到。

2.各物理链路质量q_A，B：每一个节点A到其邻居节点B的物理链路质量，即节点A发送的数据包中被接收节点B收到的数据包所占的比例；即在节点A上统计总共发出的数据包a，然后统计这些发出的数据包中被接收节点B正确收到的数据包b；b可以由接收节点主动反馈给发送节点，然后通过计算b/a得到物理链路质量q_A，B；

3.各物理链路的数据包传输成功率LinkPDR_A，B：可以由物理链路质量q_A，B和预设的重传次数r，由公式(3)计算得出。

4.各物理链路的传输次数LinkETC_A，B：可以由物理链路质量q_A，B和预设的重传次数r，根据公式(1)直接计算得出。

5.各路径的路径传输成功率PathPDR：可以由该路径上所有物理链路传输质量LinkPDR和节点传输质量NodePDR的乘积计算得出

第二部分为节点操作部分，即分布式算法部分，主要为节点需要发送的数据包和收到数据包后需要进行的计算操作。每个节点只需要进行如下的一些操作，即可完成路径转发质量的计算，并在路径转发质量的计算过程中，选择一条转发质量最高的路径。

实际节点操作(分布式算法)：

1.将网络中所有节点到目的节点1的路径转发质量初始化为0，即为最小值。

2.如果节点是根节点1，(即目的节点，见图4中1号节点)则广播自己的NodePDR₁，PathPDR_1，1，PathQoF_1，1，其中PathPDR_1，1＝1，PathQoF_1，1＝1。

3.网络中除目的节点以外的其它节点则根据收到的广播信息，则根据收到的广播信息和实际节点和链路参数测量信息，按照如下方法更新自己到目的节点1的路径转发质量：

对于节点i，收到节点j的广播信息NodePDR_j，PathPDR_j，1，PathQoF_j，1后按照下式计算从节点i经过节点j到目的节点的路径转发质量PathQoF_i，1：

${\mathrm{PathQoF}}_{i,1}=\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{i,1}}{{\mathrm{LinkETC}}_{i,j}+{\mathrm{LinkPDR}}_{i,j}\×{\mathrm{NodePDR}}_j\×\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{j,1}}{{\mathrm{PathQoF}}_{j,1}}},$

其中PathPDR_i，1＝LinkPDR_i，j×PathPDR_j，1；

若节点i收到多个节点的广播信息，则分别计算PathQoF_i，1的值，选取其中最大的转发质量PathQoF_i，1；若当前获得的这个PathQoF_i，1比该节点当前记录的PathQoF_i，1大，则用这个较大的PathQoF_i，1更新该节点记录的PathQoF_i，1，并广播当前该节点对应的PathQoF_i，1、NodePDR_i和PathPDR_i，1；同时把这个路径转发质量PathQoF_i，1所对应的发送广播信息的节点作为父节点，即下一跳节点。

例如图4中的4号节点，它能收到节点2和5的广播信息，并能分别计算通过节点2和节点5到根节点的转发质量，4号节点会选择转发质量较大的节点作为父节点。同时由算法计算步骤可以看出，每个节点不断的监听广播信息，若通过广播信息来计算的转发质量不再更新时，算法自动终止。

根据上述步骤，每个节点只需要在节点上进行对应的参数测量，在收到对应的消息时候，对路径转发质量进行更新，如果有转发质量更大的路径，则将路由设置为该路径，并将父节点指向发送该信息的节点。因此每个节点通过上述过程都获得了到目的节点的转发质量最高的路径，并将其作为最终选定的路由。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.基于无线传感网路径转发质量的路由选择方法，其特征在于：

对每一个节点，分别计算该节点经过其各邻居节点到目的节点的各路径的路径转发质量，选择其中路径转发质量最高的一条路径作为传输路径；并且将这个最高的路径转发质量对应的那个邻居节点作为其父节点，即路由中的下一跳节点；

所述路径转发质量是指在一条路径上发送成功一个数据包需要的总的传输次数，其中总的传输次数指该路径的每一条链路上传输次数的总和。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感网路径转发质量的路由选择方法，其特征在于，对于一条由节点n到节点1的路径，其路径转发质量PathQoF_n，1计算方法包括如下步骤：

①.首先将该路径上的n个节点依次编号，目的节点为节点1，源节点为n；

②.该路径的路径转发质量PathQoF_n，1根据下式获得：

$\mathrm{PathQo}{F}_{n,1}=\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{n,1}}{\mathrm{LinkET}{C}_{n,n-1}+\mathrm{LinkPD}{R}_{n,n-1}\×{\mathrm{NodePDR}}_{n-1}\×\frac{{\mathrm{PathPdR}}_{n-\mathrm{1,1}}}{P{\mathrm{athQoF}}_{n-\mathrm{1,1}}}}---\left(7\right)$

公式(7)中：

PathPDR_n，1为由节点n到节点1的路径传输成功率，PathPDR_n-1，1为由节点n-1到节点1的路径传输成功率，所述的路径传输成功率是该路径的各物理链路数据包传输成功率和各节点的内部链路数据包传输成功率的乘积，即

PathPDR_n，1＝LinkPDR_n，n-1×NodePDR_n-1×...×LinkPDR_2，1×NodePDR₁

PathPDR_n-1，1＝LinkPDR_n-1，n-2×NodePDR_n-2×...×LinkPDR_2，1×NodePDR₁

LinkETC_n，n-1表示节点n和节点n-1之间的物理链路的传输次数，由下式算出：

$\mathrm{LinkET}{C}_{n,n-1}=\frac{1-{(1-q_{n,n-1})}^{r+1}}{q_{n,n-1}}---\left(8\right)$

公式(8)中物理链路质量q_n，n-1是节点n发送的数据包中被接收节点n-1收到的数据包所占的比例；重传次数r是指一个数据包在一个一般化链路能够被重传的次数限制，r是预先设置的；

NodePDR_n-1为节点n-1的内部链路数据包传输成功率，由下式算出；

NodePDR_n-1＝1-(1-q_n-1)^r+1    (9)

公式(9)中内部链路质量q_n-1＝b/a，其中a为进入该节点的数据包数目，即该节点收到的数据包的数目，b为该节点发出的数据包数目；

LinkPDR_n，n-1表示节点n和节点n-1之间的物理链路数据包传输成功率，由下式算出；

LinkPDR_n，n-1＝1-(1-q_n，n-1)^r+1    (10)

PathQoF_n-1，1根据下式获得：

${\mathrm{PathQoF}}_{n-\mathrm{1,1}}=\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{n-\mathrm{1,1}}}{{\mathrm{LinkETC}}_{n-1,n-2}+\mathrm{LinkPD}{R}_{n-1,n-2}\×{\mathrm{NodePDR}}_{n-2}\×\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{n-\mathrm{2,1}}}{{\mathrm{PathQoF}}_{n-\mathrm{2,1}}}}---\left(11\right)$

公式(11)所涉及的PathPDR_n-1，1、PathPDR_n-2，1、LinkETC_n-1，n-2、NodePDR_n-2、LinkPDR_n-1，n-2依照前述获得PathPDR_n，1、PathPDR_n-1，1、LinkETC_n，n-1、NodePDR_n-1、LinkPDR_n，n-1的方法计算，以此类推获得PathQoF_n-2，1，PathQoF_n-2，1，……直至最后PathQoF_2，1由下式获得：

${\mathrm{PathQoF}}_{\mathrm{2,1}}=\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{\mathrm{2,1}}}{{\mathrm{LinkETC}}_{\mathrm{2,1}}+{\mathrm{LinkPDR}}_{\mathrm{2,1}}\×{\mathrm{NodePDR}}_1}---\left(12\right)$

公式(12)中路径传输成功率PathPDR_2，1为节点2到节点1的链路传输成功率与节点1的节点传输成功率的乘积，即NodePDR₁×LinkPDR_2，1。

3.根据权利要求1所述的基于无线传感网路径转发质量的路由选择方法，其特征在于，其分布式实现方法包括如下步骤：

①首先获得如下参数：

各节点的内部链路数据包传输成功率：节点A的内部链路数据包传输成功率NodePDR_A：是无线传感网上进入该节点的数据包数目与该节点发出的数据包数目之比；

各物理链路质量q_A，B：每一个节点A到其邻居节点B的物理链路质量，即节点A发送的数据包中被接收节点B收到的数据包所占的比例；即在节点A上统计总共发出的数据包a，然后统计这些发出的数据包中被接收节点B正确收到的数据包b；然后通过计算b/a得到物理链路质量q_A，B；

各物理链路的数据包传输成功率：每一个节点A到其邻居节点B的物理链路的数据包传输成功率LinkPDR_A，B由物理链路质量q_A，B和预设的重传次数r计算得出：

LinkPDR_A，B＝1-(1-q_A，B)^r+1

各物理链路的传输次数LinkETC_A，B：每一个节点A到其邻居节点B的物理链路的传输次数LinkETC_A，B由物理链路质量q_A，B和预设的重传次数r计算得出：

${\mathrm{LinkETC}}_{A,B}=\frac{1-{(1-q_{A,B})}^{r+1}}{q_{A,B}}$

各路径的路径传输成功率PathPDR：是该路径上所有物理链路数据包传输成功率和各节点的内部链路数据包传输成功率的连乘积；

②将网络中所有节点到目的节点1的路径转发质量初始化为0；

③目的节点1广播自己的NodePDR₁，PathPDR_1，1，PathQoF_1，1，其中PathPDR_1，1＝1，PathQoF_1，1＝1；

④网络中除目的节点以外的其它节点则根据收到的广播信息，按照如下方法更新自己到目的节点1的路径转发质量：

对于节点i，收到节点j的广播信息NodePDR_j、PathPDR_j，1、PathQoF_j，1后按照下式计算从节点i经过节点j到目的节点的路径转发质量PathQoF_i，1：

${\mathrm{PathQoF}}_{i,1}=\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{i,1}}{{\mathrm{LinkETC}}_{i,j}+L{\mathrm{inkPDR}}_{i,j}\×{\mathrm{NodePDR}}_j\×\frac{{\mathrm{PathPDR}}_{j,1}}{{\mathrm{PathQoF}}_{j,1}}},$

其中PathPDR_i，1＝LinkPDR_i，j×PathPDR_j，1；

若节点i收到多个邻居节点的广播信息，则分别计算PathQoF_i，1的值，选取其中最大的转发质量PathQoF_i，1；若当前获得的这个PathQoF_i，1比该节点当前记录的PathQoF_i，1大，则用这个较大的PathQoF_i，1更新该节点记录的PathQoF_i，1，并广播当前该节点对应的PathQoF_i，1、NodePDR_i和PathPDR_i，1；同时把这个路径转发质量PathQoF_i，1所对应的发送广播信息的节点作为父节点，即下一跳节点。

4.根据权利要求1或2所述的基于无线传感网路径转发质量的路由选择方法，其特征在于，对于无线传感网络，节点的内部链路数据包传输成功率NodePDR_A＝b/a，其中：

a是无线传感网上进入该节点的数据包数目，即该节点收到的数据包的数目，通过统计该节点中由数据访问控制层递交到网络层的数据包的数目获得；

b是该节点发出的数据包数目，通过统计网络层递交给介质访问控制层的数据包的数目获得。

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