CN102970722A - 一种低时延的容迟容断传感器网络的组播路由算法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于分簇的容迟容断传感器网络组播路由算法，该算法是利用分簇的方法将网络分级，将网络划分为若干个簇，根据相应的簇头选举算法选举簇头，簇间节点与簇内节点利用不同传输方式进行消息的传输，该算法能降低所述网络的传输延迟以及实现所述网络中节点的能量均衡。本发明的有益效果是：通过将网络进行分簇，实现了簇内与簇间的不同传输模式，使得分组因为拥塞、能量等因素造成的延迟大为降低，同时延长了网络的生命周期。

Description

一种低时延的容迟容断传感器网络的组播路由算法

技术领域

本发明属于移动性较强的大规模网络中的组播路由领域，特别是涉及容迟容断传感器网络（DTSN）中的组播路由，针对基于低时延的组播路由算法进行了设计。

背景技术

面对传统网络结构不能有效的适用于星际互联网问题，KevinFall等相关科研工作者提出一种称为“容迟容断网络”（DelayTolerant Network，DTN）的新术语，之后又将这一概念推广到某些地面无线通信网络，如海底网络、军事战术网络、Ad hoc网络、传感器网络等，将这些受限网络统称为“容迟容断网络”。

容迟容断传感器网络指的是将传感器节点分散在某个区域自由移动或者绑定在某些移动的物体上（如车辆、动物）以收集指定信息，而形成的网络拓扑结构不断变化、通信链路频繁割裂的无线网络。网络的汇聚中心负责将接收到的传感器节点发送的信息转发给骨干网络接入点。容迟容断传感器网络由于应用了传感器技术，可以在许多因技术条件限制、地理环境恶劣的特殊场景实现自主组网，实现数据传输，因此容迟容断传感器网络的应用场景非常广泛，有陆地民用网络，包括各种基础设施薄弱的地域的移动无线设备的互联；军用战场无线网络，包括军事环境中的各种移动无线设备的互联；外太空网络，包括太空中各种人类发射的各种设备间的互联。

本发明涉及容迟容断传感器网络的组播路由算法（协议），其特点如下：

（1）网络拓扑结构随机变化，移动的传感器节点以自组织方式完成组网过程，受能量因素的制约，节点的生存时间有限。

（2）通信链路间呈现歇连接，实时性传输困难，消息的传输以多跳路由的方式完成以达到均衡能量损耗的目的。

（3）应用场景的特殊性，使得带宽具有时变的特性。

（4）由于传感器节点的自身能量的有限性，协议设计过程中必须考虑节点能量损耗问题，防止传感器节点因为能源耗尽原因而造成的节点死亡。

（5）受传感器节点的存储能力和数据处理能力的制约，要求协议的的设计简单有效。

容迟容断传感器网络由于其应用场景比较特殊，设计一个适用于所有场景的组播路由算法是不太现实的，本发明主要是研究容迟容断传感器网络组播路由算法，主要的是为了实现数据传输的实时、可靠，能够满足一些的应用场景下的服务质量需求。

发明内容

本发明为了解决DTSN网络的高间断性连接引起的路由失败以及节点能源消耗进行优化，实现降低传输时延以及均衡能量消耗的目标，提出一种基于分簇的容迟容断传感器网络组播路由算法：MRPBC（Multicast Routing Protocol Based on Cluster of Delay TolerantSensor Network),该算法的核心思想是：以簇间节点间、簇内节点间不同传输功率来实现路由的快速发现，从而降低了数据传输延迟；以高效的分簇算法来实现网络的能量均衡，从而延长网络生命周期；同时传感器节点数据融合的技术的引进也能够极大地减小信息冗余量，使得数据传输量大为减少。

本发明提供一种基于分簇的容迟容断传感器网络组播路由算法，该算法是利用分簇的方法将网络分级，将网络划分为若干个簇，根据相应的簇头选举算法选举簇头，簇头节点间与簇内节点间利用不同的数据发送功率进行消息的传输，簇头节点间开启大功率传输模式，簇内节点间开启普通功率传输模式，该算法能降低所述网络的传输延迟以及实现所述网络中节点的能量均衡。设置普通功率和大功率两种模式的目的主要是利用发送功率大小的不同来控制消息传输的覆盖范围，从而有效的降低节点因传输消息而造成的的能量损耗。

本发明的有益效果是：通过将网络进行分簇，实现了簇内与簇间的不同传输模式，所以分组可以快速的在网络中进行传输；由于分簇中考虑到节点缓存、能量等因素，网络中的缓存和能量较小的节点当选为簇头节点的概率大为降低，使得分组因为拥塞、能量等因素造成的延迟大为降低，同时延长了网络的生命周期。通过请求分组的传输构建从组播组节点到源节点的逆向路由，实现分组传输的有效性。

附图说明

图1为本发明中的分簇网络结构图；

图2为本发明组播路由的请求过程的流程图；

图3为本发明中组播路由应答过程的流程图；

图4为本发明中的JOIN_ASK数据包格式示意图；

图5为JOIN_REPLY数据包格式示意图。

具体实施方式：

以下结合说明书附图对本发明的具体实施方式作详细说明：

本发明的方案的核心思想是利用分簇对网络中节点的能量以及缓存等因素进行管理，将数据传输主要集中于各方面性能较好的节点上，在有效降低网络中的传输延迟的基础上实现能量的均衡，防止节点因为能量耗尽而进入“死亡状态”，从而延长了网络的生命周期。并且通过前传列表构建逆向路由保证了分组传输的有效性。

本路由算法称为MRPBC（Multicast Routing Protocol Based onClusterof Delay Tolerant Sensor Network)算法，该算法主要是利用分簇的方法将网络分级，其算法主体框架是将网络划分为若干个簇，根据相应的簇头选举算法选举簇头，簇间节点与簇内节点利用不同传输方式进行消息的传输，如图1所示，主要目标是降低网络的传输延迟以及实现网络中节点的能量均衡。

MRPBC算法的具体实现过程分为簇头选举、簇的形成、组播路由的构建三个步骤：

1、簇头选举：

虽然WCA分簇算法在性能上有优于现有的大多数算法，但是WCA算法中没有考虑节点缓存因素，特别是在大规模网络中可能因簇头节点等待转发的分组过大，而造成网络的拥塞，所以本发明提出的MRPBC协议中的分簇算法是对在WCA算法的基础上对其进行改进优化，引入节点缓存因子使得缓存过小的节点被选举为簇头的概率减少，从而减小因簇头的缓存不够而造成的网络拥塞。簇头选举过程中综合考虑节点的能量、缓存、速度、位置以及周围节点邻居的密集度，并对其进行加权计算，选权重最小的节点担任簇头节点。过程如下：

（1）在初始状态下，网络的中所有传感器节点向邻居节点广播Hello消息，以确定每一个节点i周围邻居节点信息，如邻居节点个数、节点剩余能量、节点移动速度、节点剩余缓存以及节点间的距离。

（2）对相对节点度进行计算

节点度表示的是传感器节点与其距离小于传感器发射功率r₀覆盖范围内的邻居节点的数目，其计算公式如下：

$\mathrm{Deg}\left(i\right)=\underset{(i\&NotEqual;j,j\&Subset;V)}{\mathrm{\&Sigma;}}\{\mathrm{dist}(i,j)<r_0\}$

节点的相对节点度计算公式如下：

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{Deg}\left(i\right)}=|\mathrm{Deg}\left(i\right)-\mathrm{\&theta;}|$

其中θ是预设的最佳节点度。

（3）对节点的相对距离进行计算

计算公式如下：

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{dist}}\left(i\right)=\underset{i\&NotEqual;j,j\&Subset;V}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{\sqrt{{(x_i-x_j)}^2+{(y_i-y_j)}^2}}{\mathrm{Deg}\left(i\right)}$

（4）节点的相对移动速率的计算

$\stackrel{\&OverBar;}{v_i}=\underset{i\&NotEqual;j,j\&Subset;V}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{\sqrt{{(v_{\mathrm{xi}}-v_{\mathrm{xj}})}^2+{(v_{\mathrm{yi}}-v_{\mathrm{yj}})}^2}}{\mathrm{Deg}\left(i\right)}$

（5）节点的损耗能量和缓存

由于预设的情况下，所有的传感器节点的初始能量P₀和初始缓存C₀是相同的，所以在t时刻的节点的损耗能量因子的计算公式是：

P_i=P₀-P_t(i)，

P_t(i)表示的是t时刻传感器节点的剩余缓存。

C_i=C₀-C_t(i)，

C_t(i)表示的是t时刻传感器节点的剩余缓存大小。

（6）计算节点综合权重，选择权重最小的节点的作为簇头节点：

$W_i=w_1\mathrm{Deg}\left(i\right)+w_2\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{dist}\left(i\right)}+w_3\stackrel{\&OverBar;}{v_i}+w_4{P}_i+w_5{C}_i$

其中w₁、w₂、w₃、w₄和w₅是相关系统参数的加权系数，这些系数是根据应用场景需求的不同而设置的（如在某些场景传感器节点的能量非常充足，则w₄=0），且w₁+w₂+w₃+w₄+w₅=1。

如在深空中当主要考虑节点的能量因素时，将能量的加权系数设置的相对较大一些，又如在许多节点能量非常充足的场景中，主要考虑节点的缓存问题，可以将缓存加权系数设置的大一些，能量的加权系数可以设置为0；总之，节点各个参数的加权系数在某种程度上来说是定性的，至于最后的定量计算主要是针对应用场景中对节点的各个参数而设置的，如在本发明的实际仿真中就可将5个参数分别设置为0.3、0.1、0.1、0.2、0.3。

2、簇的形成

（1）分簇完成之后，权重最小的节点向周围的其他节点发送广播，宣布自己当选簇头节点。与簇头节点跳数为1的邻居节点接收消息包后，对簇头节点做出响应并发送请求加入该簇。对于跳数为2的邻居节点在检测到该簇的簇内成员数小于θ时，同样向该簇头节点发送加入请求。

（2）对于接收到多个簇头当选广播数据包的情况，节点会选择加入簇头权重最小的节点簇。

（3)对于未加入任何簇的节点，将宣布自己是一个簇，并当选为簇头节点。

3、组播路由的构建

路由构建过程如图2和图3所示。具体流程如下：

（1）若一个非簇头普通信源S节点需要传递消息给组播组，首先会将向邻居节点广播一个JOIN_ASK的请求数据包。数据包的格式如图4所示。这个数据包包括J_ASKID表示当前数据包ID、SrcID表示源节点ID、DstID表示组播组成员节点ID、C_srcID表示源节点所在簇的簇头节点(HS)ID、FG_Table表示数据包传输过程中被标记的簇头节点ID的前传组列表。簇头节点HS接收到数据包后，启动较大的发射功率将数据包广播到其他簇头节点。

（2）其他簇头节点接收到该数据包后，先检查该数据包是否重复，若重复，则继续以大功率广播方式发送给其他簇头节点；若不重复则进一步检测簇内是否含有组播组的信宿节点，若有则通过普通功率方式广播发送该请求包至信宿节点。

（3）若信源节点S本身就是簇头节点，则首先检查簇内是否有组播组节点，若有，则以普通功率方式广播该数据包至信宿节点，若无则开启大功率传输模式，将数据包广播至其他邻居簇头节点。

（4）簇头节点在接收到一个非重复的数据包时都将上一跳簇头节点ID添加至前传组列表FG_Table中。该数据结构是簇头节点的核心数据结构之一，它用于记录信源节点在路由请求和应答过程中被标记的簇头节点ID，作为信源簇头与信宿簇头通讯的前传组簇头节点。

（5）当组播组成员节点接收到JOIN_ASK数据包时，会创建并广播一个JOIN_REPLY数据包至所处的簇的簇头节点,该簇头节点在此启动大功率传输模式，将JOIN_REPLY数据包广播至其他簇头节点。JOIN_REPLY数据包的格式如图5所示，其中SrcID、C_srcID和FG_Table表示的含义不变，J_REPLYID表示应答包的序列号，Dst_Address表示当前组播组成员节点的地址。

（6）其他簇头节点接收到非重复的JOIN_REPLY数据包时，簇头节点首先检测自己的ID是否与路由缓冲中下一跳ID相同。若是，则该簇头节点声称自己是到源节点的簇头节点路径的一部分，并继续广播以寻找与路由表缓存记录符合的下一跳节点，路由以这样逐步靠近的策略向源节点蔓延，直至到达源节点的簇头节点。

（7）组播组节点所在簇的簇头节点接收到JOIN_REPLY数据包时，通过普通功率广播的方式，将消息传输至簇内的所有组播组节点，并由此构建了从源节点的到组播组节点的路由和网格。

本发明通过将网络进行分簇，实现了簇内与簇间的不同传输模式，所以分组可以快速的在网络中进行传输；由于分簇中考虑到节点缓存、能量等因素，网络中的缓存和能量较小的节点当选为簇头节点的概率大为降低，使得分组因为拥塞、能量等因素造成的延迟大为降低，同时延长了网络的生命周期。通过请求分组的传输构建从组播组节点到源节点的逆向路由，实现分组传输的有效性。

Claims (6)

1.一种基于分簇的容迟容断传感器网络组播路由算法，其特征在于，该算法是利用分簇的方法将网络分级，将网络划分为若干个簇，根据相应的簇头选举算法选举簇头，簇间节点与簇内节点利用不同传输方式进行消息的传输，该算法能降低所述网络的传输延迟以及实现所述网络中节点的能量均衡。

2.根据权利要求1所述的算法，其特征在于，所述算法包括三个步骤：1）簇头选举；2）簇的形成；3）组播路由的构建。

3.根据权利要求2所述的算法，其特征在于，所述步骤1）的具体算法如下：

（1）在初始状态下，网络中的所有传感器节点向邻居节点广播Hello消息，以确定每一个节点i周围邻居节点的信息。

（2）对相对节点度进行计算，计算公式如下：

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{Deg}\left(i\right)}=|\mathrm{Deg}\left(i\right)-\mathrm{\&theta;}|$

其中Deg(i)表示节点度，θ是预设的最佳节点度。

（3）对节点的相对距离进行计算，计算公式如下：

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{dist}}\left(i\right)=\underset{i\&NotEqual;j,j\&Subset;V}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{\sqrt{{(x_i-x_j)}^2+{(y_i-y_j)}^2}}{\mathrm{Deg}\left(i\right)}$

（4）节点的相对移动速率的计算，计算公式如下：

$\stackrel{\&OverBar;}{v_i}=\underset{i\&NotEqual;j,j\&Subset;V}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{\sqrt{{(v_{\mathrm{xi}}-v_{\mathrm{xj}})}^2+{(v_{\mathrm{yi}}-v_{\mathrm{yj}})}^2}}{\mathrm{Deg}\left(i\right)}$

（5）节点的损耗能量和缓存

P_i=P₀-P_t(i)

P_t(i)表示的是t时刻传感器节点的剩余缓存，P₀为初始能量。

C_i=C₀-C_t(i)

C_t(i)表示的是t时刻传感器节点的剩余缓存大小，初始缓存为C₀。

（6）计算节点综合权重，选择权重最小的节点作为簇头节点：

$W_i=w_1\mathrm{Deg}\left(i\right)+w_2\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{dist}\left(i\right)}+w_3\stackrel{\&OverBar;}{v_i}+w_4{P}_i+w_5{C}_i$

其中w₁、w₂、w₃、w₄和w₅是相关系统参数的加权系数，且w₁+w₂+w₃+w₄+w₅=1。

4.根据权利要求3所述的算法，其特征在于，所述步骤2）的具体步骤如下：

（1）分簇完成之后，权重最小的节点向周围的其他节点发送广播，宣布自己当选簇头节点；与簇头节点跳数为1的邻居节点接收消息包后，对簇头节点做出响应并发送请求加入该簇；对于跳数为2的邻居节点在检测到该簇的簇内成员数小于θ时，同样向该簇头节点发送加入请求。

（2）对于接收到多个簇头当选广播数据包的情况，节点会选择加入簇头权重最小的节点簇。

（3)对于未加入任何簇的节点，将宣布自己是一个簇，并当选为簇头节点。

5.根据权利要求4所述的算法，其特征在于，所述步骤3）的具体步骤如下：

（1）若一个非簇头普通信源S节点需要传递消息给组播组，首先会将向邻居节点广播一个JOIN_ASK的请求数据包；簇头节点HS接收到数据包后，启动较大的发射功率将数据包广播到其他簇头节点；

（2）其他簇头节点接收到该数据包后，先检查该数据包是否重复，若重复，则继续以大功率广播方式发送给其他簇头节点；若不重复则进一步检测簇内是否含有组播组的信宿节点，若有则通过普通功率方式广播发送该请求包至信宿节点；

（3）若信源节点S本身就是簇头节点，则首先检查簇内是否有组播组节点，若有，则以普通功率方式广播该数据包至信宿节点，若无则开启大功率传输模式，将数据包广播至其他邻居簇头节点；

（4）簇头节点在接收到一个非重复的数据包时都将上一跳簇头节点ID添加至前传组列表FG_Table中；

（5）当组播组成员节点接收到JOIN_ASK数据包时，会创建并广播一个JOIN_REPLY数据包至所处的簇的簇头节点,该簇头节点由此启动大功率传输模式，将JOIN_REPLY数据包广播至其他簇头节点。

（6）其他簇头节点接收到非重复的JOIN_REPLY数据包时，簇头节点首先检测自己的ID是否与路由缓冲中下一跳ID相同；若是，则该簇头节点声称自己是到源节点的簇头节点路径的一部分，并继续广播以寻找与路由表缓存记录符合的下一跳节点，路由以这样逐步靠近的策略向源节点蔓延，直至到达源节点的簇头节点；

（7）组播组节点所在簇的簇头节点接收到JOIN_REPLY数据包时，通过普通功率广播的方式，将消息传输至簇内的所有组播组节点，并由此构建了从源节点到组播组节点的路由和网格。

6.根据权利要求1所述的算法，其特征在于，容迟容断传感器网络指的是将传感器节点分散在某个区域自由移动或者绑定在某些移动的物体上以收集指定信息，而形成的网络拓扑结构不断变化、通信链路频繁割裂的无线网络。

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