CN102821437B - 一种无线自组网按需距离矢量路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于降低无线网络整体功耗的基于无线自组网按需距离矢量路由协议的改进方法，适用于较大规模无线传感器网络。该方法利用改进的握手周期广播建立二级邻居表，并在基于该邻居表的信息上决定路由请求帧广播方向及其延迟。同时，通过路由回复帧广播来追捕广播的方式从而达到抑制路由请求泛洪的效果，利用采用广播的方式回复还能选择出一条最稳定的双向链路而不是在某个时刻广播路由请求的最佳路径。本发明利用二级邻居表和路由回复追捕广播结合邻居稳定性算法来进行协议的优化，从而使得路由开销和网络寿命得到进一步提升。

Description

一种无线自组网按需距离矢量路由方法

技术领域

本发明适用于较大规模的无线传感器网络的中，利用多级邻居表以及“追捕”方式解决路由请求(RREQ)广播泛洪问题，并利用多级邻居表计算网络通信稳定性。属于无线传感器网络的技术领域。

背景技术

无线自组网按需距离矢量路由协议(Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing，AODV)是在动态源路由(DSR)和目的编号距离矢量路由(DSDV)两者的基础上发展起来的，它的特点是采用了目的编号距离矢量路由编号的方式结合动态源路由按需路由的思想。在寻路阶段，源节点会广播一个包含目的节点地址的路由请求帧，其中间结点采取泛洪的方式将有编号的路由请求转发到目的节点或能够到达目的节点的其他结点，并在此过程中建立反向路由(目的节点到源节点路由)。当有能够到达目的节点的中间结点或者目的节点收到路由请求后，则会以单播的方式将路由回复(RREP)同样有编号的路由回复沿着第一个路由请求广播到达的路径发给源节点并在单播路由回复的过程中建立正向路由(源节点到目的节点)。一旦发生断路，发现断路的节点则重新发起路由请求以打到修复路由的目的。虽然无线自组网按需距离矢量路由协议性能优于动态源路由和目的编号距离矢量路由，但是在路由开销、功耗、断路发生的频率以及路由最优方面仍存在不足。

目前已有的无线自组网按需距离矢量路由协议的在降低路由开销以及功耗方面改进一般是从两个方面着手：

第一种对无线自组网按需距离矢量路由协议的改进需要结合硬件本身提供的功能，如通过根据网络拓扑结构、网络规模和自身能量水平动态的调节发射功率或者使节点定期进入休眠状态。若当前网络密度较大，则可以降低发射功率从而减少数据发送方面的功耗；若当前网络数据业务不多，则可以周期性的使节点进入休眠状态，对于整体提高网络寿命也有极大的提高。在已有方案中有利用节点进入休眠状态时告知邻居节点自己已休眠并通知一跳范围内的节点自己将休眠T时。一旦有路由请求发起，邻居节点会暂时回复源节点目的节点已进入休眠状态，并保存本次RREQ等待目的节点恢复正常。另外还增加全球定位系统(Global Positioning System，GPS)芯片解决无线自组网按需距离矢量路由协议路由最优化的方法。

第二种解决方案是从无线自组网按需距离矢量路由协议本身的缺陷进行改进，如限制广播跳数、评估节点能量进行转发选择以及延迟等。在已有方案中，有利用接收的信号强度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)决定路由请求/路由回复是否转发，来减少无效的路由请求/路由回复转发。还有其他如采用了路由回复捕获的方式获得将来“可能”需要的路由路径。

在现有的无线自组网按需距离矢量路由协议改进技术方案里，第一种方案受硬件、成本限制，如在路由最优方面需要增加全球定位系统芯片，而接收的信号强度指示信号近几年的研究表明其稳定性仍然需要进行评估。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种无线自组网按需距离矢量路由方法，是一种基于无线自组网按需距离矢量路由协议的改进通信方法，以期解决路由发现过程中广播泛洪、路由开销、通信稳定性等问题。在较大规模传感器网络中通过建立二级甚至多级邻居解决网络通信稳定性，通过路由回复追捕路由请求的方式解决路由请求包的泛洪问题。

技术方案：本发明的目的是为了解决以上罗列的几个问题，即网络通信稳定性以及路由请求泛洪问题，提供了一种基于二级邻居和路由回复追捕的无线自组网按需距离矢量路由协议的改进协议。为实现上述目的，其具体方法为：

该方法在握手Hello消息中增加一层邻居信息，通过Hello消息建立二级邻居表；在发起路由请求RREQ中加入邻居信息及其邻居稳定值，各个转发节点根据一层和二层邻居差异度决定路由请求的转发延迟；对于路由回复RREP则采用广播的方式，通过评估路由请求转发时差、一、二层邻居差异度和剩余跳数来决定是否进行追捕，其具体方法为：

1).二级邻居建立方法：

无线传感器网络中各个节点周期性广播Hello消息，节点在收到其它节点的Hello消息后将该节点存入自己的一层邻居表中，并剖析出其携带的一层邻居信息并与自身一层邻居相比较，将本节点没有而Hello包中有的邻居放入接收节点的二层邻居中；在广播Hello消息期间，任何数据的发送可将下一周期要发送的Hello消息取消，任意节点一旦侦听到某个邻居节点所发出的数据，则认为该邻居正常在网；

在节点建立好二级邻居表后，则开始对一层邻居进行稳定性评估，一层邻居需要增加稳定值p和邻居信息侦听次数n；假设Hello消息周期为T，节点在T时刻内侦听到某个邻居的信息时n累加1并且认为该周期内该邻居在网；假设经过N个周期T，节点在N-3个周期内侦听到某邻居信息，则p＝(N-3)/N；p越接近1标明该邻居约稳定，而n/N值越大则标明该邻居越繁忙；

2).一层和二层邻居差异度决定路由请求的转发延迟率具体步骤：

源节点需要发送数据却没有到达目的地址的路径后，则发起路由请求包，在节点收到由上一节点转发的路由请求包以后，首先查询上一节点转发的路由请求包的邻居表本节点稳定率决定是否转发，从而保证路由的稳定性，若转发则再计算一层邻居差异度ρ和二层邻居差异度β加权值决定转发延迟；其中，邻居差异度为：

$\mathrm{\ρ}=\frac{s_1\∪s_2-s_1\∩s_2}{s_1\∪s_2}$

s₁和s₂分别为路由请求中和本节点中的对应层邻居，β计算方法同ρ；

RREQ广播包延时率公式为：

γ为调节值，该值需要根据网络实际情况设置，ρ为邻居差异度；

转发延时为：

$\mathrm{delay}=\mathrm{\μ}*T+\frac{n}{N}$

μ为路由请求广播包延时率，T为延时阈值，n/N为邻居拥塞度；

一层邻居差异度可以理解为节点的覆盖范围的异同，该值越大，说明转发节点的广播可扩散的范围越大；而二层邻居差异度则说明了该节点在转发路由请求后的扩散成功率；

在成功转发路由请求后，转发节点需要记录该节点的转发时刻、转发后该节点的剩余跳数，以及一二层的邻居差异度，同时建立反向路由以及该路径的稳定率；

3).路由回复采用广播的方式，通过评估路由请求转发时差来决定是否进行追捕的具体步骤：

路由回复包的网络层目的地址为反向路由地址，MAC层地址为广播地址；当路由请求广播到达含有有到达目的节点的路径的中间结点或者目的节点时，该节点立即广播路由回复包，该路由回复包的主方向为路由请求到达该节点的路径，即反向路由，而反向路由上的节点收到路由回复包后需要建立正向路由；路由回复包的追捕也主要是针对反向路由上的支路，对于非反向路由的节点在收到路由回复广播包后要将追捕标志位置一，以表示该包进入追捕模式；此时，对于路由回复包的处理分为两种情况：

a)对于已经收到路由请求包的节点，需要根据实际信息综合评估是否进行追捕该节点发出的路由请求，若该节点是反向路由的一跳节点，建议立即转发，此时它的一层邻居可能在做延迟，对于反向路由上其他节点，在收到路由回复追捕包后首先要计算该节点路由请求的生存时间TTL是否小于源节点设置的TTL值的一半来判断是否值得追捕，然后再根据路由请求的转发时刻决定是否转发路由回复，如果超过阈值δ，则不转发，否则转发直至追捕到未收到路由请求的节点；其中，要根据网络规模决定δ的值；

b)对于未收到路由请求包的节点，在收到路由回复包后做记录防止以后收到转发的路由请求包；

4).路由维护的具体步骤

当路由的某个节点发生断链，其维护过程为：

若当前路由没有数据收发或者数据量不大，则可以通过Hello包进行修复：首先在Hello包中加入路由修复数据，即该路由目的地址和发现断链的节点到达目的节点的跳数；当其他节点收到这种类型的Hello包则根据跳数决定是否在自己的Hello包加入相关路由修复数据，一旦某个节点发现自己有到达目的节点的路由，就更新自己的路由表，并通过Hello包告知发起路由修复的节点；若当前路由有数据拥塞，进行正常的路由修复。

有益效果：利用改进的握手周期广播建立二级邻居表并在有数据发送的周期内取消本次握手广播降低了功耗，并利用握手广播包评估邻居稳定性从而降低了稳定性评估的复杂度。通过分级邻居表决定路由请求帧广播延迟可以有效控制广播泛洪。同时，通过路由回复帧广播来追捕路由请求广播的方式能够在一定程度上抑制路由侧路由请求泛洪。在出现断链的时候首先评估当前节点是否繁忙，若不繁忙则可以通过带有修复功能的握手包进行局部路由修复，从而降低了不必要的开支。

附图说明

图1是一二层邻居图，以A为中心半斤为r的范围内的节点为A的第一层邻居，其余为A的第二层，但是A没有到达第二层的路由，若A要到达二层邻居则要询问一层邻居的；

图2是Hello包的处理流程，包含了普通广播Hello包以及带有路由修复功能的Hello包；

图3是RREQ转发过程的流程图；

图4是RREP进行RREQ追捕的流程图。

具体实施方式

本发明主要由扩展Hello消息功能、建立二级邻居表和增加路由回复RREP追捕功能组成。通过扩展Hello包，建立二级邻居表；扩展RREQ报文格式计算邻居稳定值，每个转发节点将会根据一层和二层邻居差异度计算和RREQ的转发延迟；将路由回复RREP由单播改成广播的方式，通过评估RREQ转发时差、一二层邻居差异度和剩余跳数来决定是否进行“追捕”。通过以上几种方式改进AODV路由协议在无线传感器网络中的通信性能。

下面将结合附图阐述其具体实施方法：

首先，如图2的流程图，每个周期性广播Hello消息，例如A节点在收到B节点的Hello消息后将该节点存入自己的一层邻居表中，并剖析出B节点Hello消息中携带的一层邻居信息并与A节点自身的一层邻居相比较，将A节点没有而B节点Hello包中有的邻居放入A节点的二层邻居中。当在n周期发送数据后，n周期要发送的Hello消息将会被取消。任意节点一旦侦听到某个邻居节点所发出的数据，则本节点的该邻居在网信息更新。

在节点建立好二级邻居表后，则开始对一层邻居进行稳定性评估，一层邻居需要增加稳定值p和邻居信息侦听次数n。假设Hello消息周期为T，A节点在T时刻内侦听到邻居B发送了x次，n在原数据上加上x，并更新该邻居在网信息。在经过N个周期T，节点在N-3个周期内侦听到某邻居信息，则p＝(N-3)/N。p约接近1标明该邻居约稳定，而n/N值越大则标明该邻居越繁忙。

如图3所示，当源节点A需要发送数据却没有到达目的地址的路径后，就会发起路由请求RREQ，在B节点收到A节点的RREQ包以后，首先查询RREQ包的邻居表里B节点和B节点邻居表里A节点的稳定率再决定是否转发，从而保证了双向路由的稳定性。若转发则再计算一层邻居差异度ρ和二层邻居差异度β加权值决定转发延迟。其中，邻居差异度的计算公式为：

$\mathrm{\ρ}=\frac{s_1\∪s_2-s_1\∩s_2}{s_1\∪s_2}$

s₁和s₂分别为RREQ中和本节点中的对应层邻居，β计算方法同ρ。

RREQ广播包延时率公式为：

μ＝γ*ρ+(1-γ)*β

γ为调节值，该值需要根据网络实际情况设置，ρ为邻居差异度；

转发延时为：

$\mathrm{delay}=\mathrm{\μ}*T+\frac{n}{N}$

μ为路由请求广播包延时率，T为延时阈值，n/N为邻居拥塞度；

一层邻居差异度可以理解为节点的覆盖范围的异同，该值越大，说明转发节点的广播可扩散的范围越大；而二层邻居差异度则说明了该节点在转发RREQ后A节点和B节点二层邻居的接收重复率。

在成功转发RREQ后，转发节点需要记录该节点的转发时刻、转发后该节点的剩余跳数，以及一二层的邻居差异度,同时建立反向路由以及该路径的稳定率，其他剩余的节点依次按这种方式转发直到广播包寿命结束。

如图4所示，当含有到达目的节点Z的路由节点X收到RREQ包后，立即将路由回复RREP采用广播的方式发送出去。在节点Y收到路由回复RREP包后，查询后如果发现网络层目的地址为其之前转发过的RREQ的源地址，MAC层地址为广播地址，解析该包后发现节点Y为反向路由的下一跳地址且为第一级，节点Y立即广播RREP并建立正向路由。在其他节点收到RREP包后，除非解析包后发现自己为反向路由上的节点，否则其他支路节点均要加上追捕标志位以表示该包进入追捕模式。此时，对于RREP包的处理分为两种情况：A)当节点Q收到了RREP后，发现它曾经收到了RREQ包且没有收到过RREP包，节点Q首先查询源节点A发出的RREQ里的TTL值是否小于初始值的二分之一从而确定该由其转发的RREQ是否值得追捕，最后再根据RREQ的转发时刻t1和收到转发RREP的他时刻差是否大于δ，大于的话不转发，否则转发直至追捕到未收到RREQ的节点；其中，要根据网络规模决定δ的值。B)对于未收到RREQ包的节点，在收到RREP包后做记录防止以后收到转发的RREQ包。

当路由的B节点发生断链后，且知道当前路由没有数据收发或者数据量不大时，则可以通过Hello包进行修复：首先在A节点的Hello包中加入路由修复数据，即该路由目的地址和发现断链的节点到达目的节点的跳数。当其他节点收到这种类型的Hello包首先查看自己是否有到达目的节点Z的路由，一旦某个节点发现自己有到达目的节点的路由，就更新自己的路由表，并通过Hello包告知发起路由修复的节点。若没有，则根据跳数决定是否在自己的Hello包加入相关路由修复数据进行修复。

当A节点发现自己有大量数据需要发送给Z节点时，A节点则触发局部常规的路由修复。

表1是Hello包的扩展报文格式。若发送一帧的数据最大值为256个字节，那么除去Hello包中必要的70个字节后，以及每个邻居节点的短地址为2个字节，理论上邻居节点N最大值限制为80即可。若特殊情况下，一跳范围内出现80个以上的节点，则该扩展包将需要通过分片进行传输。

表1Hello扩展报文

Claims (1)

1.一种无线自组网按需距离矢量路由方法，其特征在于，该方法在握手Hello消息中增加一层邻居信息，通过Hello消息建立二级邻居表；在发起路由请求RREQ中加入邻居信息及其邻居稳定值，各个转发节点根据一层和二层邻居差异度决定路由请求的转发延迟；对于路由回复RREP则采用广播的方式，通过评估路由请求转发时差、一、二层邻居差异度和剩余跳数来决定是否进行追捕，其具体方法为：

1).二级邻居建立方法：

无线传感器网络中各个节点周期性广播Hello消息，节点在收到其它节点的Hello消息后将该节点存入自己的一层邻居表中，并剖析出其携带的一层邻居信息并与自身一层邻居相比较，将本节点没有而Hello包中有的邻居放入接收节点的二层邻居中；在广播Hello消息期间，任何数据的发送可将下一周期要发送的Hello消息取消，任意节点一旦侦听到某个邻居节点所发出的数据，则认为该邻居正常在网；

在节点建立好二级邻居表后，则开始对一层邻居进行稳定性评估，一层邻居需要增加稳定值p和邻居信息侦听次数n；假设Hello消息周期为T，节点在T时刻内侦听到某个邻居的信息时n累加1并且认为该周期内该邻居在网；假设经过N个周期T，节点在N-3个周期内侦听到某邻居信息，则p＝(N-3)/N；p越接近1标明该邻居越稳定，而n/N值越大则标明该邻居越繁忙；

2).一层和二层邻居差异度决定路由请求的转发延迟率具体步骤：

源节点需要发送数据却没有到达目的地址的路径后，则发起路由请求包，在节点收到由上一节点转发的路由请求包以后，首先查询上一节点转发的路由请求包的邻居表本节点稳定率决定是否转发，从而保证路由的稳定性，若转发则再计算一层邻居差异度ρ和二层邻居差异度β加权值决定转发延迟；其中，邻居差异度为：

$\mathrm{\ρ}=\frac{s_1\∪s_2-s_1\∩s_2}{s_1\∪s_2}$

s₁和s₂分别为路由请求中和本节点中的对应层邻居，β计算方法同ρ；

RREQ广播包延时率公式为：

μ＝γ*ρ+(1-γ)*β

γ为调节值，该值需要根据网络实际情况设置，ρ为邻居差异度；

转发延时为：

$\mathrm{delay}=\mathrm{\μ}*T+\frac{n}{N}$

μ为路由请求广播包延时率，T为延时阈值，n/N为邻居拥塞度；

一层邻居差异度可以理解为节点的覆盖范围的异同，该值越大，说明转发节点的广播可扩散的范围越大；而二层邻居差异度则说明了该节点在转发路由请求后的扩散成功率；

在成功转发路由请求后，转发节点需要记录该节点的转发时刻、转发后该节点的剩余跳数，以及一二层的邻居差异度，同时建立反向路由以及该路径的稳定率；

3).路由回复采用广播的方式，通过评估路由请求转发时差来决定是否进行追捕的具体步骤：

路由回复包的网络层目的地址为反向路由地址，MAC层地址为广播地址；当路由请求广播到达含有有到达目的节点的路径的中间结点或者目的节点时，该节点立即广播路由回复包，该路由回复包的主方向为路由请求到达该节点的路径，即反向路由，而反向路由上的节点收到路由回复包后需要建立正向路由；路由回复包的追捕也主要是针对反向路由上的支路，对于非反向路由的节点在收到路由回复广播包后要将追捕标志位置一，以表示该包进入追捕模式；此时，对于路由回复包的处理分为两种情况：

a)对于已经收到路由请求包的节点，需要根据实际信息综合评估是否进行追捕源节点发出的路由请求，若该节点是反向路由的一跳节点，建议立即转发，此时它的一层邻居可能在做延迟，对于反向路由上其他节点，在收到路由回复追捕包后首先要计算源节点路由请求的生存时间TTL是否小于源节点设置的TTL值的一半来判断是否值得追捕，然后再根据路由请求的转发时刻决定是否转发路由回复，如果超过阈值δ，则不转发，否则转发直至追捕到未收到路由请求的节点；其中，要根据网络规模决定δ的值；

b)对于未收到路由请求包的节点，在收到路由回复包后做记录防止以后收到转发的路由请求包；

4).路由维护的具体步骤

当路由的某个节点发生断链，其维护过程为：

若当前路由没有数据收发或者数据量不大，则可以通过Hello包进行修复：首先在Hello包中加入路由修复数据，即该路由目的地址和发现断链的节点到达目的节点的跳数；当其他节点收到这种类型的Hello包则根据跳数决定是否在自己的Hello包加入相关路由修复数据，一旦某个节点发现自己有到达目的节点的路由，就更新自己的路由表，并通过Hello包告知发起路由修复的节点；若当前路由有数据拥塞，进行正常的路由修复。