CN103078793B - 基于网络编码的改进定向扩散路由协议 - Google Patents

Abstract

本发明提出了基于网络编码的改进定向扩散路由协议；该协议在兴趣扩散与梯度建立过程中建立跳数场并且使用网络编码策略，将原始兴趣信息先编码后发送，显著减少发送次数；在探测数据传播过程中使用预测跳数和可视路径，缩小数据探测的转发范围，并将探测数据进行网络编码后发送；在路径加强阶段评估判据综合考虑了节点剩余能量、能量阈值、邻居节点的平均剩余能量及节点间传输距离，均衡了网络能耗。所述协议在节点平均剩余能量、网络吞吐量等性能指标上比定向扩散协议有明显的提高。

Description

基于网络编码的改进定向扩散路由协议

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，具体指的是基于网络编码的改进定向扩散路由协议。

背景技术

无线通信、嵌入式、传感器、集成电路等技术的日趋成熟，带动了体积小、功耗低、功能强的传感器飞速发展。具有感知能力、通信能力和计算能力的微型传感器开始在全世界范围内出现。无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量廉价的微型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中对象的信息，并发送给观察者。目前，无线传感器网络已广泛应用在各个领域。虽然无线传感器网络具有潜在的优势和广阔的应用前景，但是传感器节点的能源受限和应用高度相关性，使得其路由协议具有多样化的特点，设计中应当根据具体应用来对路由协议进行研究比较，从而确定哪一种路由协议更加适合当前的实际环境。

定向扩散协议(DirectedDiffusion,DD）是一个重要的、以数据为中心的、查询驱动的平面路由协议，具有很好的鲁棒性，是无线传感器网络路由协议设计的一个里程碑。它的出现，从此改变了无线传感器网络路由协议设计空白的历史。但是，该协议在能量高效方面考虑并不充分。第一，定向扩散路由协议周期性地进行兴趣洪泛和所有探测数据的全网转发，不仅增加了网络延时而且也增加了能耗。第二，协议未考虑节点能量，当多条加强路径使用同一节点的情况下，会造成该节点能量提前耗尽，影响了整个网络的工作。

网络编码思想是RudolfAhlswede、蔡宁、李硕彦等在2000年提出的。V.Raghunathan等指出传感器节点使用无线方式传输1比特信息到100m距离所消耗的能量相当于执行3000条计算指令的消耗。可见，尽可能在本地进行计算，获取有效信息，减少信息的发送量，可以大量减少能耗。在某些实时性要求不高网络中，采用网络编码技术，将原始数据信息编码计算之后发送，可以显著减小网络中数据的发送次数，进而达到节约能量消耗、延长网络生存周期的目的。

发明内容

为了解决上述问题，提供了基于网络编码的改进定向扩散路由协议，所述协议改进了定向扩散路由协议网络延时性能，降低了能耗；加入节点能量系数判据，避免多条加强路径使用同一节点，解决了点能量提前耗尽问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于网络编码的改进定向扩散路由协议，所述协议以定向扩散路由协议为基础，包括三个过程，分别是：兴趣扩散与梯度建立、探测数据传播、路径加强；

所述兴趣扩散与梯度建立过程中，兴趣被洪泛到网络中的每个中间节点，中间节点只对兴趣分组中的区分不同兴趣的字段进行网络编码处理，到达源节点时进行解码即可获得不同的兴趣；源节点接收到足够多的编码兴趣后，即可获取到Sink节点洪泛的所有兴趣；兴趣扩散过程建立跳数场，获取能量信息；

所述探测数据传播过程中，探测数据分组转发时受到了预测跳数和可视范围的限制，使得分组不会被转发到所有的邻居节点，中间节点直接将本地所有的不同探测数据分组编码后转发，编码方法是只对探测数据分组中的区分不同探测数据分组的字段进行网络编码处理；目的节点接收到分组后，更新编码矩阵以使其编码矩阵满秩；

所述路径加强过程中，当前节点通过获取其所有有效的邻居节点的加强评估判据值来确定下一跳需要被加强的节点。

所述不同兴趣是指Sink节点编号字段或者Sink数据类型字段两者至少有一个不同的兴趣。

所述不同的探测数据分组，是指源节点编号字段或者源数据类型字段两者之中至少有一个不同的探测数据分组。

所述改进定向扩散路由协议在兴趣扩散及梯度建立和探测数据传播的分组格式中增加了编码域；编码域包括数据分组源节点ID和数据类型字段；非中间节点更新的分组字段也需要进行网络编码。

所述探测数据传播过程中，探测数据分组转发时受到可视范围的限制，是指汇聚节点S、转发节点F和转发节点F的任意邻居节点X构成的三角形SFX中，转发角度∠SFX为θ，设定的可视范围为ψ，如果θ<ψ/2，则节点X是节点F的下一跳转发节点。

所述加强评估判据值的确定方法如下：

用L(X)表示传输距离对数据转发能耗的影响因素，则

$L\left(X\right)=\sqrt{\frac{{(x_f-x)}^2+{(y_f-y)}^2}{{(x_f-x_s)}^2+{(y_f-y_s)}^2}}$

其中，(x_s,y_s)为Source节点的坐标，(x,y)表示下一跳节点X的坐标，(x_f,y_f)表示当前节点F坐标

L(X)的值越大，说明节点X距离源节点越近，当进行数据传输时，所消耗的能量越小；同时，数据探测阶段的可视转发路径限制了节点X必定在Source-Sink的正确方向上，令：

$E\left(X\right)=\frac{\ln (E_{\mathrm{residual}}-\mathrm{\&phi;}+1)}{\ln (E_{\mathrm{average}}+1)}$

其中E_residual表示下一跳节点的剩余能量，E_average表示当前节点所有邻居节点的平均剩余能量，φ表示能量阈值，初值设置为原始能量的1/32；

设当前节点下一跳的有效邻居节点加强评估判据为P，则定义：

P=αE(X)+βL(X)

其中α,β为权值，且α+β=1，用来调节节点剩余能量因素及传输距离影响因素各自的比例，根据不同的需求，来改变α,β的值；为防止节点能量低于阈值时仍然被选作数据传输，还需对每个节点的加强评估判据P设定一个最小值：当该节点P<L(X)时，置其P=0；若所有邻居节点的P<L(X）时，告知源节点增大可视范围ψ和跳数比例系数μ，同时重新发起探测数据分组转发的过程，以增大分组扩散范围；评估判据综合考虑了节点剩余能量、能量阈值、邻居节点的平均剩余能量及节点间传输距离；当路径加强时，选择评估值最高的节点进行加强，这样可以尽量使得邻居节点中能量较高且通信能耗较小的节点被当选为下一跳节点。

本发明的有益效果是：本发明提出了基于网络编码的改进定向扩散路由协议；该协议在兴趣洪泛过程中建立跳数场并且使用网络编码策略，将原始兴趣信息先编码后发送，显著减少发送次数；在数据探测过程中使用预测跳数和可视路径，缩小数据探测的转发范围，并将原始数据信息也进行网络编码后发送；在路径加强阶段评估判据综合考虑了节点剩余能量、能量阈值、邻居节点的平均剩余能量及节点间传输距离，均衡了网络能耗。所述协议在节点平均剩余能量、网络吞吐量等性能指标上比定向扩散协议有明显的提高。

附图说明

图1为可视转发路径示意图。

图2为传输距离影响因素的示意图。

图3为140个节点的剩余能量。

图4为网络的平均剩余能量比较。

图5为不同Source时网络平均剩余能量。

图6为不同Sink时网络平均剩余能量。

图7为网络的吞吐量。

图8为分组的端到端平均延时。

具体实施方式

为了更加详细的描述本发明提出的基于网络编码的改进定向扩散路由协议，结合附图，说明如下：

本发明提出的基于网络编码的改进定向扩散路由协议NC_IDD的理论依据有：

A.随机线性网络编码作为一种分布式的网络编码方式，在无需了解整个网络的拓扑结构情况下，就可以解码出原始信息。

设节点S有h个原始数据包记为d₁,d₂,…,d_h，编码后的k，k≥h个新的数据包，记为f₁,f₂,…,f_k。则新数据包的计算公式为：

$f_j={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^h{g}_{j,i}{d}_i$ j=1,2,…,k

其中编码向量[g_j，1,g_j，2,…,g_j，h]为第j个数据包所使用的局部编码向量，它的每一个分量均是从有限域F_q上产生的随机值；

中间节点F在某个的时间间隔内按照一定规则找出m个数据包，记为f₁,f₂,…,f_m。用随机产生的m个系数对数据包进行重编码，新编码向量记为记经节点F编码之后生成的m个新数据包为那么中间节点F对收到的数据包可以使用下式进行再次编码： $f_t^F={\mathrm{\&Sigma;}}_{l=1}^m{g}_{t,l}^F\&CenterDot;f_l$ t=1,2,…,m

令

$h_{t,i}^F={\mathrm{\&Sigma;}}_{l=1}^m{g}_{t,l}^F\&CenterDot;g_{l,i}$ t=1,2,…,mi=1,2,…h

则，

$f_t^F={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^h{h}_{t,i}^F\&CenterDot;d_i$ t=1,2,…,m

由此得出了中间节点F再编码后的数据和原始数据d₁,d₂,…,d_h之间的关系，其中就是中间节点F编码第t个数据包所使用的相对于原始数据包的编码系数；

当目标节点D接收到一定数量的编码包后，会首先判断数据包的总数是否大于等于h，然后从中找到h个数据包各个数据包携带的编码向量为 $[h_{t,1}^D,h_{t,2}^D,...,h_{t,h}^D]$ (t=1,2,…,h)，则有：

$\left[\begin{array}{c}{f}_1^D\\ f_2^D\\ .\\ .\\ .\\ f_h^D\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{\mathrm{1,1}}^D& h_{\mathrm{1,2}}^D& ...& h_{1,h}^D\\ h_{\mathrm{2,1}}^D& h_{\mathrm{2,2}}^D& ...& h_{2,h}^D\\ .& .& & .\\ .& .& ...& .\\ .& .& & .\\ h_{h,1}^D& h_{h,2}^D& ...& h_{h,h}^D\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}{d}_1\\ d_2\\ .\\ .\\ .\\ d_h\end{array}\right]=G_{h,h}^D\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}{d}_1\\ d_2\\ .\\ .\\ .\\ d_h\end{array}\right]$

若要使目的节点从它的h个数据包中成功解码出原始信息d₁,d₂,…,d_h，只要求出矩阵的逆即可，也就是必须要求由h个数据包所携带的局部编码向量构成的全局编码矩阵满秩。而如果从一个足够大的有限域F_q中产生全局编码矩阵的各元素，那么成功解码出原始数据具有较大的可能性。

B.预测跳数；定向扩散路由协议中，所有探测分组被全部转发，适当地减少数据转发到下一跳的有效邻居数目，可显著减少网络的平均能耗，故引入源节点到达汇聚节点的预测跳数公式：

HOP(H_max,H_min)=μH_max+(1-μ)H_min

式中：H_min和H_max分别表示源节点到汇聚节点的最小和最大跳数值；μ取值范围为0~1，可根据需要选取不同值；源节点在兴趣洪泛结束后获取到了距离Sink的最大、最小跳数，从而计算出预测跳数值；只有邻居节点距离Sink的最小跳数小于该预测跳数时，才可以作为有效的下一跳节点。

C.可视转发路径(VisibleForwardingPath,VFP)

如图1所示，汇聚节点位置坐标为(x_d，y_d)，任意转发节点F位置坐标为(x_f，y_f)，对于转发节点的任意邻居节点X位置坐标为(x，y)，转发角度∠SFX为θ，可视范围ψ；设源节点将数据转发到它的邻居节点F，此时F将根据它的可视范围找到其邻居节点X，通过X将数据进一步转发；

根据各点的坐标值首先得到各边的长度，然后计算出转发角度θ：

$\mathrm{\&theta;}=\arccos \left(\frac{{(x_f-x)}^2+{(y_f-y)}^2+{(x_d-x_f)}^2+{(y_d-y_f)}^2-{(x_d-x)}^2-{(y_d-y)}^2}{2\sqrt{{(x_f-x)}^2+{(y_f-y)}^2}\sqrt{{(x_d-x_f)}^2+{(y_d-y_f)}^2}}\right)$

在数据探测阶段，若由该节点构成的转发角度θ≤ψ/2，则该节点就可以作为有效的下一跳转发节点；可视范围ψ默认值为π/2，实际应用中可以根据不同的需求，来改变其值。

D.加强评估判据

路径加强阶段，当前节点通过获取其所有有效的邻居节点中的加强评估判据的值来判断下一跳的哪个节点被加强。如图2所示。(x_s,y_s)为Source节点的坐标，(x，y)表示下一跳节点X的坐标，(x_f,y_f)表示当前节点F坐标。

用L(X)表示传输距离对数据转发能耗的影响因素，则：

$L\left(X\right)=\sqrt{\frac{{(x_f-x)}^2+{(y_f-y)}^2}{{(x_f-x_s)}^2+{(y_f-y_s)}^2}}$

L(X)的值越大，说明节点X距离Source节点越近，当进行数据传输时，所消耗的能量越小。同时，数据探测阶段的可视转发路径限制了节点X必定在Source-Sink的“正确”方向上。令：

$E\left(X\right)=\frac{\ln (E_{\mathrm{residual}}-\mathrm{\&phi;}+1)}{\ln (E_{\mathrm{average}}+1)}$

其中E_residual表示下一跳节点的剩余能量，E_average表示当前节点所有邻居节点的平均剩余能量，φ表示能量阈值，初值设置为原始能量的1/32；

设当前节点下一跳的有效邻居节点加强评估判据为P，则定义：

P=αE(X)+βL(X)

其中α,β为权值，且α+β=1，用来调节节点剩余能量因素及传输距离影响因素各自的比例，实际应用中可根据不同的需求，来改变α,β的值；

为防止节点能量低于阈值时仍然被选作数据传输，还需对每个节点的加强评估判据P设定一个最小值，大小为等式右边第二项的值L(X)；当该节点P<L(X)时，置其P=0；若所有邻居节点的P<L(X)时，告知源节点增大可视范围ψ和跳数比例系数μ，同时重新发起探测数据分组转发的过程，以增大分组扩散范围。评估判据综合考虑了节点剩余能量、能量阈值、邻居节点的平均剩余能量及节点间传输距离。当路径加强时，选择评估值最高的节点进行加强，这样可以尽量使得邻居节点中能量较高且通信能耗较小的节点被当选为下一跳节点。

依托上述理论，本发明基于网络编码的改进定向扩散路由协议NC_IDD，以定向扩散路由协议为基础，包括三个过程，分别是：兴趣扩散与梯度建立、探测数据传播、路径加强；其具体实施步骤如下：

步骤A，兴趣扩散与梯度建立

步骤A-1，汇聚节点Sink1,Sink2,…,SinkN产生了h个原始兴趣分组d₁,d₂,…,d_h，赋予相同的组标识gen，并分别缓存到一个合适的位置i(i＝1,2,…,h)。对于每一个兴趣分组d_i(i＝1,2,…,h)都携带一个初始的编码向量，该向量是一个第i维被初始化为1的单位向量。将分组最大、最小跳数字段初始化为0，SinkPosition字段初始化为各Sink的位置信息。然后转发新兴趣分组到各自的邻居节点。邻居节点接收到兴趣分组后进行必要的处理。

步骤A-2，邻居节点M收到一个节点S发来的兴趣分组，该兴趣分组已经带有编码向量，且编码向量是单位向量或是带有随机系数的向量，如果分组携带的最小跳数加1后小于节点M保存的最小跳数，则更新M保存的最小跳数为当前分组的最小跳数加1。如果分组最大跳数加1后大于节点M的中保存的最大跳数，则更新M的最大跳数为分组最大跳数加1。更新本地的剩余能量、平均剩余能量、加强评估判据值，以及位置信息等；加强评估判据值初始值为-1。

进一步，判断M的邻居列表中是否存在S，若不存在，则将S添加到M的邻居列表，并保存相应的信息；若存在，则更新其跳数、能量等信息。

进一步，根据不同的分组标识，在节点M本地找到合适的缓冲区位置。如果没有合适的位置则新建一个缓冲区结构，并将分组插入该位置；若有合适的位置，则无需建立直接将分组插入。插入分组的方法是将编码向量和编码数据插入到编码矩阵最后一行的位置。目的是根据接收分组所携带的编码向量中非零值(表明携带了相应的原始数据)的个数来判断是否可以更新缓冲区中全局编码矩阵的秩，编码向量中非零值表明携带了相应的原始数据：

如果不能更新，则说明本节点已经具备该兴趣分组所能解码出的所有原始数据，缓存一段随机时间后直接将该分组丢弃；

如果可以更新，则进行解码，同时保存已经解码的分组，更新矩阵秩的值。设置一个短暂的随机延时，在该随机延时时间内所接收的分组均按照上述流程进行处理。

当延时时间超时后，节点对自己所拥有的原始分组进行编码，过程如下：

从有限域中随机产生一组编码系数将这组系数在伽罗瓦域上处理后所构成的编码向量与节点本地保存的编码矩阵做矩阵乘积(t=1,2,…,mi＝1,2,…h)，得到了一组新的编码系数这组系数即为该节点所拥有的原始数据分组对应的编码系数。编码后的数据为t＝1,2,…,m。将编码系数、编码后的数据分别填充到兴趣分组中，同时更新节点M保存的兴趣分组的最大、最小跳数值，然后随兴趣一起转发到邻居节点。

步骤A-3，源节点的邻居节点接收到分组后，同样按照步骤A-2的方式处理。当源节点收到h个或者更多的兴趣分组时，则完全解码的概率很大。解码时，由h个或者更多的兴趣分组中携带的编码向量所构成的全局编码矩阵使用高斯消去法，如果能被转化成单位矩阵，那么编码兴趣信息就被解码成原始的兴趣信息。若中间节点产生随机编码系数所使用的有限域F_q足够大，则解码失败的概率很小。此外，还需更新本地最大、最小跳数为所有接收分组中的最大、最小跳数值，更新能量信息等。至此，兴趣扩散与梯度建立过程完成了各节点距离Sink节点最大、最小跳数场的建立，能量更新，Source节点获取到各个Sink节点感兴趣的任务信息等。

步骤B，探测数据传播

步骤B-1，假设首先由数据源节点Source1,Source2,…,SourceN产生m个原始的数据探测分组f₁,f₂,…,f_m，赋予相同的组标识gen，并缓存到一个合适的位置i，i＝1,2,…,h。对于每一个原始探测分组f_i，i＝1,2,…,m都携带一个初始的编码向量，该向量是一个第i维被初始化为1的单位向量。然后计算出预测跳数值并存放到探测分组的ForecastHop中。从源节点的所有邻居节点中找出满足预测跳数和可视范围的下一跳节点，转发探测分组到所有符合条件的节点。转发分组前，还需填充分组一些必要的字段，如SrcPosition等。转发分组后，下一跳节点通过缓冲区中的邻居列表来更新Source节点的能量信息等。

步骤B-2，设当中间节点M从节点S接收到探测数据分组后，将转发到一个邻居节点L。M收到分组首先将预测跳数值减1并更新。接着更新节点M的剩余能量、节点S的剩余能量、平均剩余能量，更新M的平均剩余能量等。

进一步，根据不同的分组标识，在节点M本地寻找合适的缓冲区位置。如果没有合适的位置则新建一个缓冲区结构，并将分组缓存到该位置；若有合适的位置，则无需建立直接将分组缓存。

将编码向量和编码数据插入到编码矩阵最后一行，根据接收分组所携带的编码向量中非零值的个数来判断是否可以更新全局编码矩阵的秩。如果不能更新，则说明本节点已经具备该探测数据分组所能解码出的所有原始探测数据信息，缓存一段随机时间后直接丢弃该探测分组。如果可以更新，则进行解码，同时保存已经解码的分组，更新矩阵秩的值。设置一个短暂的随机延时，在该随机延时时间内所接收的分组均按照上述流程进行处理。

当延时时间超时后，节点对自己所拥有的原始探测数据分组进行编码，过程如下：从有限域F_q中随机产生一组编码系数将这组系数构成的编码向量与节点本地保存的编码矩阵做矩阵乘积(t=1,2,…,mi＝1,2,…h)，得到了一组新的编码系数这组系数即为该节点所拥有的原始数据分组对应的系数。编码后的数据为(t＝1,2,…,m)。转发分组前，还需设置M本地SrcPosition为分组携带的对应字段值，设置加强评估判据字段为0以标识该节点是数据转发节点。

然后，将编码系数、编码后的数据及其他一些信息分别填充到探测数据分组中，随探测分组一起转发到所有满足条件的邻居节点。这些邻居节点保存的最小跳数小于预测跳数，可视范围θ≤ψ/2，之后的所有节点均按照该流程处理。

步骤B-3，Sink节点是数据探测分组的目的节点，Sink节点的邻居节点接收到分组后，同样按照步骤B-2的方式处理。当Sink节点收到h个或者更多的探测分组时，则可以解码。解码时，对h个或者更多的探测分组中携带的编码向量组成的全局编码矩阵使用高斯消去法，如果能被转化成单位矩阵，那么对应的编码分组就被解码成原始的数据探测分组。若中间节点产生随机编码系数所使用的有限域足够大，则解码失败的概率很小。此外，Sink节点还需更新本地的能量信息等。至此，探测数据传播过程完成了满足预测跳数且转发角度小于可视范围的节点所建立的正确路径。

步骤C，路径加强

当Sink节点接收到探测数据分组后，将选择一条最优的路径进行加强，该过程不使用网络编码策略。采用加强评估判据对具有最大值的节点进行转发加强。这样保证了数据转发的范围在Source节点到Sink节点的正确传输方向上，从而减少了网络的能量消耗。

Sink节点接收到探测数据分组后，先经过一个设定的门限延时，然后遍历其邻居列表中所有节点的加强评估判据字段，如果该字段为0，计算实际的加强评估值，并填充到该字段。然后比较得出最大的加强评估值，对该值最大的节点进行加强。当节点M收到N发来的加强消息时，更新M的数据传输速率，并更新节点M的剩余能量、平均剩余能量，N的剩余能量、平均剩余能量等信息。如此往复，直至到达Source节点。

对上述步骤使用NS2仿真工具进行协议的模拟，比较定向扩散路由协议DD协议和基于网络编码的改进定向扩散路由协议NC_IDD的性能。节点区域大小为800m×800m；仿真时长为20s；节点静止；MAC协议为IEEE802.11；采用Diff_Sink数据流；无线传感器网络节点总数分别为60，80，100，120，140；各节点初始能量均为10000.0J，发送功率为660mW，接收功率为395mW，空闲状态功率为35mW。本文对网络节点剩余能量、平均剩余能量、分组的端到端平均延时、网络吞吐量进行分析。其计算公式如下：

将生成的Trace文件通过awk进行数据提取和计算并使用gnuplot工具生成图形展现。如图3所示为网络规模为140个节点，其中有4个Sink、8个Source节点。当网络运行20s后，各个节点的剩余能量情况。图4所示为4个Sink、8个Source节点在网络规模分别为60，80，100，120，140的情况下运行20s后网络的平均剩余能量曲线图。图5为网络规模为140个节点，Sink节点为4个，Source节点分别为1，3，8个的情况下运行20s后网络的平均剩余能量。图6为网络规模为140个节点，Source节点为8个，Sink节点分别为1，3，4个的情况下运行20s后网络的平均剩余能量。图7所示为4个Sink、8个Source节点在网络规模分别为60，80，100，120，140的情况下运行20s后网络吞吐量曲线。图8所示为4个Sink、8个Source节点在网络规模分别为60，80，100，120，140的情况下运行20s后分组的端到端平均延时。

从图3中可以看出，使用网络编码技术的NC_IDD各节点的剩余能量的整体趋势比DD协议要高，并且节点能量较均匀。由此可见，兴趣洪泛阶段能量开销大的问题通过使用网络编码技术可以得到很好的解决。

从图4中可以明显看出，在不同网络规模下，NC_IDD比DD协议的平均剩余能量大很多。因此，网络编码技术在DD上的使用，有效减少了兴趣分组和探测分组的转发次数，减少了网络能耗。同时，可视范围和加强评估判据的使用，也使得网络平均剩余能量增大。

从图5中可以看出，随着源节点Source节点的增多，两个协议的网络平均剩余能量均是减小的趋势。这是因为汇聚节点Sink节点一定的情况下，增加Source节点使得数据探测阶段转发分组数量增大，同时路径加强时传输数据量增大，从而造成了能量消耗增多。但是NC_IDD协议的平均剩余能量曲线始终变化的较为缓慢，说明网络编码策略有效减少了兴趣洪泛阶段能耗，同时可视范围和预测跳数也缩小了数据探测阶段的转发范围。

从图6中可以看出，随着Sink节点数目的增多，两个协议的网络平均剩余能量均是减小的趋势。这是因为Source节点一定的情况下，增加Sink节点数目使得兴趣洪泛过程需广播更多的分组到网络直到Source节点；同时数据探测阶段转发分组数量增大和路径加强阶段传输数据量的增大，均会造成能量消耗的增多。图中DD协议的曲线急剧下降，而NC_IDD协议的平均剩余能量曲线始终变化的较为缓慢，说明网络编码策略的使用，有效减少了兴趣洪泛阶段的能耗，对数据探测阶段数据转发次数也起到了一定限制作用。因此，相同Sink节点时，NC_IDD的平均剩余能量远高于DD协议。

从图7中可以看出，NC_IDD的吞吐量比DD协议要大，这是因为中间节点将数据(或兴趣)分组编码后发送，减少了发送次数。对于接收节点而言，在可以完全解码的情况下，单位时间内获取的原始数据(或兴趣)分组增多，从而有效增加了网络的吞吐量。由此可见，网络编码技术在DD上的使用可显著提高网络性能。

图8中看出，采用网络编码技术的平均延时要高于DD协议0.04s左右。这是由于采用随机线性网络编码方案，节点需要进行复杂的矩阵计算，同时当节点收到分组后先进行解码，且延时等待一个随机时长，然后将才将分组重新编码后发送，这样虽然造成了一定的延时；但是却可以增加更多的编码机会，减少了发送次数，从另一个角度减少了延时。不过，最终结果从仿真图中看出端到端延时是略有增加的。

由上述仿真结果可以得出这样的结论：针对原始定向扩散协议兴趣洪泛、数据探测过程中能量开销较大的缺陷，本发明引入网络编码技术，在改进定向扩散协议基础上给出了NC_IDD协议；根据原定向扩散协议三个阶段分别具体设计了协议；NC_IDD协议在兴趣洪泛阶段的使用网络编码技术建立跳数场信息，减少了分组发送次数；在数据探测传播阶段根据预测跳数、可视转发路径缩小数据转发范围，并通过网络编码进一步减少数据转发次数；在路径加强阶段选择加强评估判据值最大的节点进行加强，可均衡网络能耗；仿真结果表明，NC-IDD协议在节点剩余能量、网络平均剩余能量、网络吞吐量均明显优于DD协议，有效了提高网络性能。

Claims (4)

1.基于网络编码的改进定向扩散路由方法，所述方法以定向扩散路由方法为基础，其特征在于：

所述方法包括三个过程，分别是：兴趣扩散与梯度建立、探测数据传播、路径加强；具体如下：

(1)所述兴趣扩散与梯度建立过程中，兴趣被洪泛到网络中的每个中间节点，中间节点只对兴趣分组中的区分不同兴趣的字段进行网络编码处理，到达源节点时进行解码即可获得不同的兴趣；源节点接收到足够多的编码兴趣后，即可获取到Sink节点洪泛的所有兴趣；兴趣扩散过程建立跳数场，获取能量信息；

(2)所述探测数据传播过程中，探测数据分组转发时受到了预测跳数和可视范围的限制，使得分组不会被转发到所有的邻居节点，中间节点直接将本地所有的不同探测数据分组编码后转发，编码方法是只对探测数据分组中的区分不同探测数据分组的字段进行网络编码处理；目的节点接收到分组后，更新编码矩阵以使其编码矩阵满秩；

所述探测数据传播过程中，探测数据分组转发时受到可视范围的限制，是指汇聚节点S、转发节点F和转发节点F的任意邻居节点X构成的三角形SFX中，转发角度∠SFX为θ，设定的可视范围为ψ，如果θ<ψ/2，则节点X是节点F的下一跳转发节点；

(3)所述路径加强过程中，当前节点通过获取其所有有效的邻居节点的加强评估判据值来确定下一跳需要被加强的节点；所述加强评估判据值的确定方法如下：

用L(X)表示传输距离对数据转发能耗的影响因素，则

$L\left(X\right)=\sqrt{\frac{{(x_f-x)}^2+{(y_f-y)}^2}{{(x_f-x_s)}^2+{(y_f-y_s)}^2}}$

其中，(x_s,y_s)为源节点的坐标，(x,y)表示下一跳节点X的坐标，(x_f,y_f)表示当前节点F坐标

令：

$E\left(X\right)=\frac{\ln (E_{\mathrm{residual}}-\mathrm{\&phi;}+1)}{\ln (E_{\mathrm{average}}+1)}$

其中E_residual表示下一跳节点的剩余能量，E_average表示当前节点所有邻居节点的平均剩余能量，φ表示能量阈值，初值设置为原始能量的1/32；

设当前节点下一跳的有效邻居节点加强评估判据为P，则定义：

P＝αE(X)+βL(X)

其中α,β为权值，且α+β＝1，用来调节节点剩余能量因素及传输距离影响因素各自的比例，根据不同的需求，来改变α,β的值；为防止节点能量低于阈值时仍然被选作数据传输，还需对每个节点的加强评估判据P设定一个最小值：当该节点P<L(X)时，置其P＝0；若所有邻居节点的P<L(X)时，告知源节点增大可视范围ψ和跳数比例系数μ，同时重新发起探测数据分组转发的过程。

2.根据权利要求1所述基于网络编码的改进定向扩散路由方法，其特征在于：过程(1)中所述不同兴趣是指Sink节点编号字段或者Sink数据类型字段两者至少有一个不同的兴趣。

3.根据权利要求1所述基于网络编码的改进定向扩散路由方法，其特征在于：过程(2)中所述不同的探测数据分组，是指源节点编号字段或者源数据类型字段两者之中至少有一个不同的探测数据分组。

4.根据权利要求1所述基于网络编码的改进定向扩散路由方法，其特征在于：所述改进定向扩散路由方法在兴趣扩散与梯度建立、探测数据传播的分组格式中增加了编码域；编码域包括数据分组源节点ID和数据类型字段；非中间节点更新的分组字段也需要进行网络编码。