CN102802230A - 一种能量高效的无线传感器网络路由算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能量高效的优化路由算法，属于无线自组织网络与传感器网络领域。引入邻居表，利用簇树分布式地址分配机制，转发数据分组，并对RREQ分组的大致方向进行控制，在尽量减少路由开销的同时，充分考虑了对能量偏低节点的保护，本发明提出的方法有效的降低了网络总体能耗，合理分担网络负载，降低死亡节点数，延长了网络的生命周期。

Description

一种能量高效的无线传感器网络路由算法

技术领域

本发明涉及无线传感网络路由算法，具体涉及一种能量高效的无线传感网络路由算法。

背景技术

无线传感器网络需要满足能量利用的高效性，传感器节点的电池能量有限，其路由机制不仅要考虑选择能量消耗小的传输路径，而且要选择使整个网络能量均衡消耗的路由，以达到延长无线传感器网络寿命的目的。另外还要满足快速的收敛性，传感器网络拓扑结构动态变化，节点能量资源和通信带宽有限，路由协议必须满足快速的收敛性等要求，才能适应网络拓扑的变化，减少通信开销，提高消息传输效率。

当前的无线传感网络路由协议种类很多，大多以Ad hoc路由协议为基础，结合无线传感网络的特性而设计。针对不同的应用场景和性能要求，路由协议又有很大的不同。总体来说，无线传感器网络有如下特征：网络规模大，节点数目较多，节点密度大，节点能量极为有限，需要频繁发送分组等。

无线传感器网络路由协议所要考虑的主要性能指标有时延，可靠性，能量利用的高效性，网络寿命和移动性等。在一些特定的应用中，能量利用的高效性和均衡性，避免网络过快出现分割，延长网络的寿命往往具有重要的意义。

当节点的移动性不强，网络拓扑比较稳定的情况下，树状网络在网络拓扑形成后就已形成默认路由(不一定最优)，而不需要寻路，尤其在节点需要频繁与根节点通信的情况下，树形网络可以节省寻路时间而减少时延。但树状网络的缺点也非常明显，当某个节点失效，其下游节点与上游节点的通信就随之失效，这就需要高效地修复机制。同时，网络中大多数的默认路由不是最优，造成能量的浪费。基于树状拓扑进而形成网状拓扑可以一定程度上解决如上问题，尤其使网络的可靠性得到很大加强，分组可以通过多条路径到达目的节点而不是单纯的按树形参与路由，但即使非常巧妙的设计也不能确保默认的路由为最佳路由。

当前的Ad hoc平面型路由协议大多数以尽力寻求最短路径为目的，例如AODV，DSR等。此类路由均能寻找最佳路由，但当网络节点密集且需要频繁发送分组时，控制消息所带来的开销和分组的碰撞将会比较严重。但洪泛寻址消息和路由维护都需要大量额外开销，最短路径的选择也常常使处在特殊位置的节点能耗快速消耗，造成网络能耗的不均衡。

Cluster-Tree路由算法仅考虑转发节点与父节点和子节点之间的关系，却忽略了邻居节点。这样就存在一些问题，例如即使目的节点就在发送节点的一跳邻居之内，数据包也必须沿树拓扑传送到目的节点，而不能直接传送到目的节点。另外，如果频繁需要某些节点传送数据，则可能过早耗尽这些节点电池能量，形成死点，造成网络分割。

AODVjr路由算法是基于AODV路由算法，通过洪泛RREQ分组寻找最优路径。AODVjr舍弃了AODV中的目的序列号和跳数，利用目标节点来对最先到达的RREQ信号做出响应，这种策略也被称作点到点策略。AODVjr算法虽然能够找到一条最短路径，但洪泛寻址消息和路由维护都需要大量额外开销，最短路径的选择也常常使处在特殊位置的节点能耗快速消耗，造成网络能耗的不均衡。

现有的WSN路由算法都是针对具体环境和应用设计的，如2010年8月25日，中国专利局公开了名为“基于树状网的无线传感网路由方法及路由系统”的发明专利申请(申请号2010101229113)，它首先建立基于骨干节点的树状网结构，并为树状网结构中的每一骨干节点分配地址；增加骨干节点间的非树路径，以建立网状网结构；一跳子节点根据自身位置及能量选取一个骨干节点作为该一跳子节点的父节点，由该父节点为所包含的一跳子节点分配不同低位的地址；查找地址块，对数据包进行转发，并进行寻路，以建立多余备份路径；在网络中存在单点失效的情况下，启动一条备份路径。它减少了传感器网络时延，提高可靠性，缩短网络修复时间。但其在路由发现阶段没有考虑节点的剩余能量，可能过早耗尽关键节点的电池能量，形成死点，从而造成网络分割。2012年5月9日，中国专利局公开了名为“一种采用分层的无线传感网路由方法”的发明专利申请(申请号201110445380.6)它将整个网络生命周期分为若干轮，在每轮中节点先判断自己的能量能否维持一轮所需的消耗，能够维持一轮的节点根据一定的簇头选举机制选举出簇头节点，簇头节点在相互通信中确定多跳传输路径。不能维持一轮的节点直接成为普通节点，其它未当选簇头的普通节点则加入距自己最近的簇中。它能够降低能量的损耗，延长网络的生命周期，并有效的降低了信息的延迟。但它不适应大规模的场景应用，并且动态簇头的维护，为整个网络带来了额外的开销。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能量高效的优化路由算法。基于本发明，有效的降低了网络总体能耗，合理分担网络负载，降低死亡节点数，延长了网络的生命周期。

本发明所述的一种能量高效的优化路由算法，是通过如下方法实现的：

本发明结合Cluster-Tree和AODVjr算法，将节点分为2类：RN+和RN-。RN+是具有足够存储空间和能力执行AODVjr协议的节点(FFD节点)，RN-是存储能力和计算能力受限的终端节点(RFD节点)。RN-收到数据分组后只能用簇树算法处理。RN+收到分组后，发起AODVjr中的路由发现过程，找到一条通往目的节点的最短路径，如果某条路径链路发生中断，RN+节点将发起本地修复过程修复路由。

路由代价用于表示路由发现过程中，该节点被选择为新的路由节点的概率，路由代价越大，则被选为新的路由节点的概率越小。路由代价的计算公式如式(1)所示：

$\mathrm{RoutingCost}=\frac{K}{\mathrm{Depth}+1}---\left(1\right)$

式中：K为固定系数，调节路由代价的能量值，Depth为节点深度。

本发明将节点能量划分为3个等级；充足，偏低，警戒。能量充足的节点可以根据节点类型选择Cluster-Tree算法或AODVjr算法发现路由，能量偏低节点根据一定的公式延迟发送AODVjr泛洪包，能量警戒节点只对目的地址是自身的做出回应。

节点能量充足值，偏低值和警戒值计算如下：

PowerSufficient＝α×Power    (2)

PowerSufficient＝β×Power    (3)

PowerSufficient＝γ×Power    (4)

式中：Power为节点的初始能量值，α，β，γ，K为固定系数。

通过计算路由代价，上层节点的功耗被降低，而负载则被分摊至下层节点。

本发明中，节点首先利用本地信息和簇树结构寻找转发节点，在需要使用AODVjr算法寻找路径时，新策略依据本地信息，限制RREQ分组的转发范围，并改进对RREQ分组的处理方法。

除了节点本身的信息以外，本发明中还需要使用节点一跳传输范围内邻居节点的信息，所以需要节点维护邻居列表。比较邻居表中节点与Cluster-Tree算法中下一条节点的路由代价，选择路由代价最小的节点作为下一跳节点，从而达到针对RN-节点和RN+节点改进Cluster-Tree算法的目的。

本发明中，RN-节点收到数据分组后，不直接转发给父节点，而是使用针对RN-节点改进的Cluster-Tree算法进行处理。

本发明中，RN+节点收到数据分组后，如果本地路由表存在到达目的节点的路由信息，则直接按照路由表进行转发；否则，节点不立即发起AODVjr路由发现过程，而是采用RN+节点Cluster-Tree算法。

附图说明

图1RN-节点改进Cluster-Tree路由处理流程；

图2RN+节点改进Cluster-Tree路由处理流程；

图3RN+节点改进的aodvjr路由处理方法流程。

具体实施方式

为使本发明的上述目的，特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1，新算法中，RN-节点收到数据分组后，不直接转发给父节点，而是使用针对RN-节点改进的Cluster-Tree算法进行处理。设本节点为S，目标节点为D，寻找转发节点过程如下：

(1)S搜索邻居表，如果D是S的邻居节点(包括S的父节点)，则直接将数据转发给这个邻居节点。否则，执行(2)；

(2)如果目的节点D为S节点的邻居节点的子节点时，则发送给邻居节点；如果D是S的多个邻居节点的子孙节点，则选择d最大的节点转发。如果没有符合要求的邻居节点，则执行(3)；

(3)如果目的节点D为S节点的邻居节点的父节点时，则发送给邻居节点；如果D是S的多个邻居节点的父节点，则选择能量最大的节点进行转发。否则执行(4)；

(4)转发给父节点。

参照图2，RN+节点收到数据分组后，如果本地路由表存在到达目的节点的路由信息，则直接按照路由表进行转发；否则，节点不立即发起AODVjr路由发现过程，而是采用RN+节点Cluster-Tree算法。设本节点为S，目标节点为D，寻找转发节点过程如下：

(1)S搜索邻居表，如果D是S的邻居节点(包括S的父节点)，则直接将数据转发给这个邻居节点。否则，执行(2)。

(2)如果D是S的祖父节点或是兄弟节点，则直接将数据转发给父节点。否则执行(3)。

(3)如果D是S的孙子节点，则直接将数据转发给子节点。

(4)如果目的节点D为S的邻居节点的子节点时，则发送给邻居节点；如果D是S的多个邻居节点的子孙节点，则选择d最大的节点转发。如果没有符合要求的邻居节点，则执行(5)。

(5)如果目的节点D为S的邻居节点的父节点时，则发送给邻居节点；如果D是S的多个邻居节点的父节点，则选择能量最大的节点进行转发。否则执行(6)。

(6)根据本地信息寻找转发节点失败，启动改进的AODVjr算法寻找路径。

参照图3，改进的AODVjr算法结合Cluster-Tree的基本思想，判断出RREQ的大致方向，从而避免了RREQ分组沿与目标节点相反的方向洪泛，删除这些对寻找最优路径作用不明显的RREQ分组，能有效避免广播风暴，降低能耗。

路由发现阶段，当RN+节点作为中间节点接收到RREQ包时，将按如下步骤处理：

(1)任意节点收到前一跳发来的RREQ分组时，首先检测本节点是不是该RREQ分组的目的节点，如果是，则直接回复RREP分组，否则转(2)。

(2)判断前一跳是不是子节点，如果是并且目的节点为子节点的下属节点。则丢弃RREQ分组。否则转(3)

(3)检测自身剩余能量是否处于警戒能量区，若是则直接丢弃RREQ包，否则转(4)。

(4)判断跳数是否超过极限，如按Cluster-Tree路由计算，源节点的网络深度为Ls，则源节点与目的节点之间的最大距离不应超过Lm+Ls。当跳数大于Lm+Ls时丢弃RREQ分组，否则转(5)

(5)判断自己的能量是否位于偏低能量区，如果是，则表明本节点尚能转发数据，但能量储备已不是很充足，稍微延迟一段时间再转到(6)，延迟时间为：T＝μ×RoutingCost。式中μ为固定系数，路由代价RoutingCost越大则延迟时间越长。否则直接转到(6)处理RREQ分组。这样可以延迟低能量节点转发的RREQ分组到达目的节点的时间，让能量充足的节点转发的RREQ分组先到达目的节点，从而实现数据尽可能由能量大的节点进行转发，总体平衡网路负载。

(6)判断目的节点是否在邻居表内，若在邻居表里内，则向目的节点单播RREQ包，否则转(7)。

(7)判断目的节点是否是祖父节点或兄弟节点，若是并且父节点的能量大于能量偏低值，则转发RREQ包到父节点。否则转(8)。

(8)判断目的节点是否是孙子节点，若是并且子节点的能量大于能量偏低值则转发RREQ包到子节点。否则转(9)。

(9)判断目的节点是否是邻居节点的子节点，若是并且该邻居节点的能量大于能量偏低值，则转发RREQ包到该邻居节点。否则转(10)。

(10)判断目的节点是否是邻居节点(邻居节点必须为RN+节点)的父节点，若是并且该邻居节点的能量大于能量偏低值，则转发RREQ包到该邻居节点。否则转(11)。由第(2)步骤及第(5)到(10)步骤的结合，达到控制AODVjr泛洪方向的目的。

(11)广播RREQ分组。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种能量高效的优化路由算法，其特征在于：

结合Cluster-Tree算法和AODVjr算法，将节点分为2类：RN+和RN-。RN+是具有足够存储空间和能力执行AODVjr协议的节点，RN-是存储能力和计算能力受限的终端节点。RN-收到数据分组后只能用簇树算法处理。RN+收到分组后，发起AODVjr中的路由发现过程，找到一条通往目的节点的最短路径，如果某条路径链路发生中断，RN+节点将发起本地修复过程修复路由；

对节点能量进行分级，考虑节点的路由代价，在路由发现过程中对处于不同能量等级的节点采用不同的处理方式；

RN-节点收到数据分组后，不直接转发给父节点，而是使用针对RN-节点改进的Cluster-Tree路由算法进行处理；

RN+节点收到数据分组后，如果本地路由表存在到达目的节点的路由信息，则直接按照路由表进行转发；否则，节点不立即发起AODVjr路由发现过程，而是采用RN+节点改进Cluster-Tree路由算法。

2.根据权利要求1所述的一种能量高效的优化路由算法，其特征在于：

路由代价用于表示路由发现过程中，该节点被选择为新的路由节点的概率，路由代价越大，则被选为新的路由节点的概率越小，路由代价的计算公式如式(1)所示：

$\mathrm{RoutingCost}=\frac{K}{\mathrm{Depth}+1}---\left(1\right)$

式中：K为固定系数，调节路由代价的能量值，Depth为节点深度。

3.根据权利要求1所述的一种能量高效的优化路由算法，其特征在于：

将节点能量划分为3个等级：充足，偏低，警戒，能量充足的节点可以根据节点类型选择Cluster-Tree算法或AODVjr算法发现路由，能量偏低节点根据一定的公式延迟发送AODVjr泛洪包，能量警戒节点只对目的地址是自身的做出回应，节点能量充足值，偏低值和警戒值计算如下：

PowerSufficient＝α×Power    (2)

PowerSufficient＝β×Power    (3)

PowerSufficient＝γ×Power    (4)

式中：Power为节点的初始能量值，α，β，γ，K为固定系数。

4.根据权利要求1所述的一种能量高效的优化路由算法，其特征在于所述的RN-节点收到数据分组后，不直接转发给父节点，而是使用针对RN-节点改进的Cluster-Tree算法进行处理的步骤为：设本节点为S，目标节点为D，寻找转发节点过程如下：

(1)S搜索邻居表，如果D是S的邻居节点(包括S的父节点)，则直接将数据转发给这个邻居节点。否则，执行(2)；

(2)如果目的节点D为S节点的邻居节点的子节点时，则发送给邻居节点；如果D是S的多个邻居节点的子孙节点，则选择d最大的节点转发。如果没有符合要求的邻居节点，则执行(3)；

(3)如果目的节点D为S节点的邻居节点的父节点时，则发送给邻居节点；如果D是S的多个邻居节点的父节点，则选择能量最大的节点进行转发。否则执行(4)；

(4)转发给父节点。

5.根据权利要求1所述的一种能量高效的优化路由算法，其特征在于所述的RN+节点收到数据分组后，如果本地路由表存在到达目的节点的路由信息，则直接按照路由表进行转发；否则，节点不立即发起AODVjr路由发现过程，而是采用RN+节点Cluster-Tree算法处理的步骤为：设本节点为S，目标节点为D，寻找转发节点过程如下：

(1)S搜索邻居表，如果D是S的邻居节点(包括S的父节点)，则直接将数据转发给这个邻居节点。否则，执行(2)；

(2)如果D是S的祖父节点或是兄弟节点，则直接将数据转发给父节点。否则执行(3)。

(3)如果D是S的孙子节点，则直接将数据转发给子节点；

(4)如果目的节点D为S的邻居节点的子节点时，则发送给邻居节点；如果D是S的多个邻居节点的子孙节点，则选择d最大的节点转发。如果没有符合要求的邻居节点，则执行(5)；

(5)如果目的节点D为S的邻居节点的父节点时，则发送给邻居节点；如果D是S的多个邻居节点的父节点，则选择能量最大的节点进行转发。否则执行(6)；

(6)根据本地信息寻找转发节点失败，启动改进的AODVjr算法寻找路径。

6.根据权利要求1，2，3所述的一种能量高效的优化路由算法，其特征在于改进的AODVjr路由算法的步骤为：

(1)任意节点收到前一跳发来的RREQ分组时，首先检测本节点是不是该RREQ分组的目的节点，如果是，则直接回复RREP分组，否则转(2)。

(2)判断前一跳是不是子节点，如果是并且目的节点为子节点的下属节点。则丢弃RREQ分组。否则转(3)

(3)检测自身剩余能量是否处于警戒能量区，若是则直接丢弃RREQ包，否则转(4)。

(4)判断跳数是否超过极限，如按Cluster-Tree路由计算，源节点的网络深度为Ls，则源节点与目的节点之间的最大距离不应超过Lm+Ls。当跳数大于Lm+Ls时丢弃RREQ分组，否则转(5)

(5)判断自己的能量是否位于偏低能量区，如果是，则表明本节点尚能转发数据，但能量储备已不是很充足，稍微延迟一段时间再转到(6)，延迟时间为：T＝μ×RoutingCost。式中μ为固定系数，路由代价RoutingCost越大则延迟时间越长。否则直接转到(6)处理RREQ分组。这样可以延迟低能量节点转发的RREQ分组到达目的节点的时间，让能量充足的节点转发的RREQ分组先到达目的节点，从而实现数据尽可能由能量大的节点进行转发，总体平衡网路负载。

(6)判断目的节点是否在邻居表内，若在邻居表里内，则向目的节点单播RREQ包，否则转(7)。

(7)判断目的节点是否是祖父节点或兄弟节点，若是并且父节点的能量大于能量偏低值，则转发RREQ包到父节点。否则转(8)。

(8)判断目的节点是否是孙子节点，若是并且子节点的能量大于能量偏低值则转发RREQ包到子节点。否则转(9)。

(9)判断目的节点是否是邻居节点的子节点，若是并且该邻居节点的能量大于能量偏低值，则转发RREQ包到该邻居节点。否则转(10)。

(10)判断目的节点是否是邻居节点(邻居节点必须为RN+节点)的父节点，若是并且该邻居节点的能量大于能量偏低值，则转发RREQ包到该邻居节点。否则转(11)。由第(2)步骤及第(5)到(10)步骤的结合，达到控制AODVjr泛洪方向的目的。

(11)广播RREQ分组。

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