CN103002536A

CN103002536A - 一种基于随机行走的能量高效型无线多跳网络路由机制

Info

Publication number: CN103002536A
Application number: CN2011102718821A
Authority: CN
Inventors: 郝洁; 焦臻桢; 姚郑
Original assignee: University of Chinese Academy of Sciences
Current assignee: University of Chinese Academy of Sciences
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2013-03-27

Abstract

本发明属于无线网络协议技术领域，具体涉及一种基于随机行走的能量高效型无线多跳网络路由机制。该机制主要用于在数据传输过程中使数据发送节点以更大概率选择能量较充沛且传输开销较低的节点成为下一跳节点，从而达到节约、均衡网络能量消耗，提高网络容错性的目的。具体方法是当节点进行数据传输时，并不建立固定的路由，而是通过随机行走的方式，以一定概率选择某个邻居节点作为数据传输的下一跳节点，该概率以邻居节点的剩余能量多少及发送数据给该邻居所需发射功率的大小所决定。

Description

一种基于随机行走的能量高效型无线多跳网络路由机制

技术领域

本发明属于无线网络协议技术领域，具体涉及一种基于随机行走的能量高效型无线多跳网络路由机制。该机制主要用于在数据传输过程中使数据发送节点以更大概率选择能量较充沛且传输开销较低的节点成为下一跳节点，从而达到节约、均衡网络能量消耗，并提高网络容错性的目的。

背景技术

近些年来，无线多跳网络(无线传感器网络、移动Ad hoc网络等)领域的相关技术得到了学术界和工业界的广泛关注，并取得了迅猛的发展。

在这一领域的诸多研究方向中，尽可能的延长网络工作寿命成为无线多跳网络设计中的关键问题之一。由于在实际应用中，受到成本和体积等因素的限制，无线多跳网络的网络节点其处理能力、无线带宽和电池容量通常十分有限，而节点的能量在大多数的情况下却是无法得到补充的。如，无线传感器网络往往被部署在人们难以到达的地区以代替人对该区域进行监测，传感器节点通常配备能量有限的电池。一旦电池耗尽，节点将无法工作，其采集的数据可能会丢失。而当网络中众多节点因电池耗尽而失效时，实际即宣告了网络工作寿命的终结。在诸如环境监测等诸多应用领域中，提高网络的工作寿命常常成为网络协议设计中首要关键的问题。如何在保证网络性能甚至少量牺牲非关键性能的同时最大限度地节约并均衡网络能耗，已成为研究的一个重点问题。

随机行走，顾名思义，是指一种依靠随机移动来形成移动轨迹的方法。随机行走的思想已被广泛应用于计算机、物理、生态学、经济学及心理学等科学领域的研究并取得了很多成果。同样地，将随机行走的思想与无线多跳网络的协议设计相结合，也已转化成了许多有意义的工作。其中，在无线多跳网络网络层协议的设计中采用随机行走的思想尤其得到了研究人员的关注。随机行走路由，即：使网络节点在路由时随机选择传输的下一跳节点。显而易见，这一方法有利于分摊网络负载从而均衡网络能耗。围绕如何在路由中更好运用随机行走思想以均衡网络能耗这一问题已展开了很多的相关工作。尽管随机行走方式不可避免的在较大规模网络中可能带来更高的端到端延迟，但在许多延迟不敏感的应用中，它的简单高效使其成为一种极佳的选择。同时，随机行走路由还能够极大地提高网络结构的容错性，这在链路时变的无线多跳网络中是一项极为可贵的增益。

发明内容

本发明是针对无线多跳网络的一种基于随机行走的能量高效型路由机制。

本发明的技术方案的主要思想是：在无线多跳网络中，节点不需维护固定端到端路由进行数据传输，而是通过逐跳随机行走的方式，以一定概率选择某个邻居节点作为数据分组的下一跳节点，该发送概率以其邻居节点的剩余能量及发送数据给该邻居所需发射功率的大小所决定。收到数据分组的节点继续执行这一过程。

通过这种机制，可以减少每次数据传输的能量消耗并均衡节点间的负载，同时提高网络的容错性。

附图说明

图1能量信息表结构示意图。

图2实例网络示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明是无线多跳网络中的一种基于随机行走的能量高效型路由机制。节点依靠以剩余能量和通信开销为依据而确定的概率来随机选择数据发送的下一跳节点，以达到节约并均衡网络能耗、提高网络容错性的目的。

当一个节点进行数据发送时，并不建立固定的端到端路由，而是通过随机行走的方式，以一定概率选择邻居节点作为数据传输的下一跳节点。具体而言：节点通过在一跳范围内周期性与邻居节点交换HELLO分组，得知各邻居的剩余能量情况以及成功发送数据给各邻居节点所需的最低发射功率；之后，剩余能量较多且通信开销较小(需较低的发射功率)的邻居节点将有更高的概率被选择为传输的下一跳节点。节点将始终采取这种随机行走的方式进行逐跳(hop-by-hop)数据传输，直到发现数据的目的节点是自己的邻居时，才将数据直接转发给目的节点。如果一个分组行走的累积路径长度已经超过给定门限(如超过预定的跳数)，则意味着网络中可能不存在从源节点到达目的节点的路径，这时最后收到该分组的节点丢弃该分组，不再做任何其他处理。

一跳范围内的能量信息交互

一跳范围内的能量信息交互包含两个方面：

一、节点在一跳范围内广播包含自身剩余能量情况的HELLO报文，从而使邻居节点可以获知自己的剩余能量情况。

二、节点以最大发射功率发送HELLO报文，每个节点在收到HELLO报文的同时，根据接收到信号的能量大小，藉由无线传输模型(propagation model)计算出与各邻居节点通信所需的最小发射功率。

节点间交换HELLO报文的周期T_hello根据网络节点是否具有移动性而选择不同的值。当网络节点具有移动性时，节点间的邻居关系常常因节点移动而改变，因此T_hello应选择一个较小的值，以适应时变的网络拓扑。当网络节点不具有移动性时，T_hello可选择一个较大的值，从而减少因交换HELLO报文而带来的传输开销。

在通过HELLO报文获得邻居的能量信息后，每个节点将维护一个邻居能量信息表。表内包含各个邻居节点ID及其对应的剩余能量情况和发送节点与其通信所需的发射功率值，如图1所示。

确定下一跳节点的选择概率

当一个节点(如S)要发送数据时，它将采用随机行走的方式，以一定概率选择某个邻居节点作为数据传输的下一跳节点。该概率值的确定考虑了邻居节点的剩余能量、以及节点S与该邻居节点通信所需发射功率。

转发概率计算方法如下：

设R_i为节点i的剩余能量比例，E_i节点i的剩余能量实际值，E_o为节点i的初始能量值：

R_{i} = \frac{E_{i}}{E_{o}} - - - (1)

P_i为节点的最大发射功率P_max与发送数据给节点i所需的发射功率P_need的比值：

P_{i} = \frac{P_{\max}}{P_{need}} - - - (2)

则，发送节点从邻居节点中选择节点i作为下一跳节点的概率S_i为：

(n为当前发送节点的邻居数) (3)

以图2为例(需要特别指出的是，图2中只示意了S及其四个邻居A、B、C、D四个邻居，A、B、C、D以外的网络部分并没有画出)，当节点S需要在邻居节点ABCD中随机选择一个节点作为数据传输的下一跳节点时，如图所示，假设A、B、C、D的剩余能量比率分别为E_A＝30％，E_B50％，E_C＝80％，E_D＝20％。节点S的最大发射功率为1mW，发送给节点ABCD所需的最低发射功率分别为0.5mW，0.1mW，0.8mW和0.05mW，则P_A＝2，P_B＝10，P_C＝1.25，P_D＝20。

根据计算公式(3)可知，节点S选择节点ABCD为下一跳节点的概率分别为S_A≈6％，S_B≈47％，S_C≈9％，S_D≈38％。

可以看出，剩余能量相对充沛且所需通信开销较低的节点B有最高的概率成为下一跳节点。节点C虽然剩余能量最为充沛，但发送节点给其发送数据包的开销较大，故其被选为下一跳节点的概率较低。类似地，虽然发送节点与节点D的通信开销最小，但因节点D剩余能量较少，因此选择D为下一跳节点的概率也不是太高。

需要注意的是，类似于图2的网络，当出现不同邻居节点所需的发射功率差距很大的情况时(在图2的网络中差距达到十倍)，则由式(3)所计算出的概率S_i中与发射功率相关的P_i分量就会对结果产生更大的影响。这一结果是合理的：考虑到在实际网络运行中，当发送节点的某个邻居节点有充沛的能量，但与其通信需要很高的开销时，实际上是不应鼓励发送节点将其选择为下一跳节点的。这是因为：该邻居节点可能处于网络边缘或信号质量很差的区域，这一状况决定其不应过多参与数据传输(这可能恰是其能量充沛的原因)。与之相比，发送节点可能处于数据交互的热点区域，因而节约其自身能量消耗就显得更加重要。

通过概率进行随机选择的方法

在确定了下一跳节点的选择概率后，采用以下方法，利用概率来随机选择下一跳节点：

首先，数据发送节点S生成一个数列{m_k}。对该数列的要求有：(1)数列中数字的个数是100的整数倍，即kmod 100＝0。(2)数列中不能存在相等的数。

其次，数据发送节点S用之前所计算出的各邻居节点被选取概率S_i对数列{m_k}中的数进行分配。具体而言，假设节点S的所有邻居节点以ID排序，排序后的首节点被选取的概率为Q，则数列{m_k}中前Q×k个数(四舍五入取整后)将被分配给该节点。之后，其他节点再依次对剩下的数进行分配。仍以图2所示网络为例，已知节点S选择节点A、B、C、D为下一跳节点的概率分别为S_A≈6％，S_B≈47％，S_C≈9％，S_D≈38％。，设节点S生成了一个含100个数的数列{m₁₀₀}，则分配{m₁，m₂....m₆}共6个数给节点A，分配{m₇，m₈....m₅₃}共47个数给节点B，分配{m₅₄，m₅₅....m₆₂}共9个数给节点C，分配{m₆₃，m₆₄......m₁₀₀}共38个数给节点D。

最后，数据发送节点S从数列{m_k}中随机选取一个数。判断该数被分配给了哪个节点，则相应地节点将被选择为数据传输的下一跳节点。例如，设S从数列{m₁₀₀}中随机选出了m₉₄，则节点D将被选择为下一跳节点。

Claims

1.一种基于随机行走的能量高效型无线多跳网络路由机制，其特征在于：在无线多跳网络中，当一个节点进行数据转发时，存在以下三种情况。第一种情况，如果它是数据目的节点的邻居节点，则直接将数据转发给目的节点；否则，执行第二种情况，如果该分组行走的累积路径长度已经超过给定门限(如超过预定的跳数)，则意味着网络中可能不存在从源节点到达目的节点的路径，这时该节点丢弃该分组，不再做任何其他处理；否则，执行第三种情况，该节点通过逐跳随机行走的分组转发方式，以一定概率选择某个邻居节点作为数据传输的下一跳节点。

2.根据权利要求1所述的基于随机行走的能量高效型无线多跳网络路由机制，其特征在于：为了解邻居节点的能量情况，必须在一跳内进行能量信息的交互。该交互包含两个方面内容，一是节点在一跳范围内广播包含自身剩余能量情况的HELLO报文，从而使邻居节点可以获知自己的剩余能量情况。二是节点以最大发射功率发送HELLO报文，每个节点在收到HELLO报文的同时，根据接收到的能量大小，藉由无线传输模型计算出与各邻居节点通信所需的最小发射功率。

3.根据权利要求1所述的基于随机行走的能量高效型无线多跳网络路由机制，其特征在于，所述第三种情况中，对于当前数据转发节点，对于其某邻居节点i，其转发概率S_i的计算公式为

其中R_i为节点i自网络运行至今的剩余能量比例，P_i＝P_max/P_need，P_max为节点的最大发射功率，P_need为当前数据发送节点成功发送数据给节点i所需的最小发射功率，n为当前数据发送节点的邻居节点数量。

4.根据权利要求1所述的基于随机行走的能量高效型无线多跳网络路由机制，其特征在于：利用概率来随机选择下一跳节点的方法是：发送节点生成一个数列{m_k}，以邻居节点被选择成为下一跳节点的概率为依据，按比例分配数列{m_k}中的数给各个邻居节点；然后，发送节点从{m_k}中随机选出一个数，通过判断该数被分配给了哪个节点，相应地选择该节点为数据传输的下一跳节点。