CN103096411B

CN103096411B - 基于反向能量限制路由协议的物联网通信方法

Info

Publication number: CN103096411B
Application number: CN201310002847.9A
Authority: CN
Inventors: 辛化梅; 杨坤; 薛林
Original assignee: Shandong Normal University
Current assignee: Shandong Normal University
Priority date: 2013-01-05
Filing date: 2013-01-05
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2033-01-05
Also published as: CN103096411A

Abstract

本发明公开了一种基于反向能量限制路由协议的物联网通信方法，适用于具有高速移动节点物联网环境。本发明针对反向路径经常被破坏的现象，将原协议中路由请求数据包进行反向广播操作，从而方便的找到源节点，减少路由重建开销。同时针对经常出现的个别节点能量过度损耗的现象，在路由中增加能量均衡机制，从而有效的保证网络性能。本发明特别适合于节点高速移动的网络环境，能够很好的提高网络性能。

Description

基于反向能量限制路由协议的物联网通信方法

技术领域

本发明涉及一种新的、适用于具有高速移动节点物联网环境的、基于反向能量限制路由协议（REAODV）的物联网通信方法。在节点高速移动，网络拓扑变化迅速时，能够减少路由发现时间，提高网络性能，同时能够避免出现个别节点能量过度消耗而死亡的现象。本发明适合于节点高速移动的物联网环境。

背景技术

物联网的发展已成为当今世界主流之一，在物联网中不仅关心单个节点的能量消耗，同时也关心整个网络的能量均衡消耗。现今常用的物联网路由协议有以下几种：

泛洪(Flooding)协议：该协议规定每个节点接受其它节点信息后以广播的形式发送给邻居节点，直到信息到达目的节点。该协议容易引起信息的“内爆”和“重叠”，造成资源的浪费。

闲聊（Gossiping）协议：该协议是扩散法的改进版本。节点随机选择某一个邻居节点转发分组，而不是用广播，如果一个节点第二次收到它的邻居节点的数据副本，则将此数据发回邻居节点。该协议节约了能量，避免了“内爆”问题。但是仍存在部分“重叠”现象和资源浪费问题。

信息协商传感器路由（SPIN）协议：该协议是第一种以数据为中心的自适应通信路由协议，节点仅广播采集数据的描述信息，当有相应请求时，才向目的地发送数据。该协议传输能耗相对较少，适应节点移动的情况，但是健壮性较差。

谣传路由(rumor routing)协议：该协议中节点的代理信息、汇聚节点的查询信息分别沿着随机路径传播，当两条路径交叉在一起时，形成一条完整路径。该协议避免了大量扩散过程，显著节省能量，但是不适合节点快速移动的场景。

低功率自适应集簇分层型（LEACH）协议：它是第一个基于分簇结构的分层路由协议，该协议随机选择一个节点作为簇首，来进行网络中继通讯业务，从而达到平均消耗能量的目的，延长了网络时间。但是该协议没有说明簇首节点在整个网络中是怎么分布，很可能造成簇首集中于某一区域的现象，从而导致网络能耗分别不均匀。

自组织网络路由（Ad hoc）协议：可以分为先验式（Proactive）路由协议、反应式（Reactive）路由协议以及混合式路由协议。先验式路由协议又称为表驱动路由协议，该协议中每个节点维护一张包含到达其它节点路由信息的路由表。该路由协议时延较小，但是路由开销比较大。反应式路由协议又称按需路由协议，在该协议中节点不需要维护及时的路由信息，只有当源节点想要发送数据时会发起路由查找过程，找到已有路由或者发起新的路由请求。这种协议开销较小，但是数据传输时延较大。

无线自组网按需平面距离矢量路由协议（Ad Hoc On-Demand Distance VectorRouting）是反应式路由协议的一种，实质上是动态源路由协议（DSR）和目的序列距离矢量路由协议（DSDV）的结合，它借用了动态源路由协议中路由发现和路由维护的基础程序，以及目的序列距离矢量路由协议的逐跳路由、顺序编号和路由维护阶段的周期性更新机制，以目的序列距离矢量路由协议（DSDV）为基础，结合动态源路由协议（DSR）中的按需思想并加以改进。

在未来的物联网中，高速移动的节点将随处可见，如何找到一种更好的适合于这种条件的路由协议，很是关键。在国内外研究中通常将以上路由协议作为研究对象，考虑到各个协议的优缺点，我们以自组织（Ad hoc）网络路由中的按需平面距离矢量路由（AODV）协议为基础。这是因为该协议通过按需路由来减少路由广播的次数，和动态源路由协议（DSR）相比，按需平面距离矢量路由（AODV）的好处在于源路由并不需要包括在每一个数据分组中，这样会使路由协议的开销有所降低。所以我们选择按需平面距离矢量路由协议作为具体的研究对象。但是由于网络拓扑结构变化迅速，单纯采用按需平面距离矢量路由（AODV）协议有很多弊端，例如：需要为每个数据查找路由；已有的有效路由容易被破坏需要更多的路由发现过程等。

物联网环境中，使用按需平面距离矢量路由（AODV）协议，通常源节点发送路由请求数据包（RREQ）到达目的节点并存储各个中间节点的信息到路由表，目的节点在返回路由应答数据包（RREP）的时候，将按照最短路径返回源节点。当物联网中的节点具有高速移动性时，那么在整个网络中就会出现路由应答数据包（RREP）反向传输时，刚刚存储的反向路径已经被破坏，源节点将会重新发起路由请求的现象。这将增加了整个网络的开销、路由发现时间和节点的能量消耗。同时有可能出现个别节点能量过度消耗，而导致节点过早死亡，影响整个物联网的通信。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，本发明针对特定具有高速移动节点的物联网环境，在按需平面距离矢量路由（AODV）协议基础上进行改进和研究，提出一种基于反向能量限制路由协议的物联网通信方法，适用于具有高速移动节点物联网环境。它能够在节点快速移动，网络拓扑变化迅速的环境中，在不增加额外能量损耗的前提下，减小网络路由发现时间，提高吞吐量。

本发明首先针对反向路径经常被破坏的现象，将原协议中路由应答数据包（RREP）进行反向广播操作，从而方便的找到源节点，减少路由重建开销。其次针对经常出现的个别节点能量过度损耗的现象，在路由中增加能量均衡机制，从而有效的保证网络性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种基于反向能量限制路由协议的物联网通信方法，包括以下步骤：

1、更改按需平面距离矢量路由（AODV）协议的路由请求数据包（RREQ）和路由应答数据包（RREP）的包格式，增加能量字段。

2、当源节点要发送数据到目的节点时，先检查路由表是否存在有效的路由到达目的节点，如果存在，则开始传输数据；如果不存在，那么将根据源节点、中间节点和目的节点的能量情况，开始路由发现过程。

所述步骤1中，具体更改如下：

（1）在路由请求数据包（RREQ）中增加存放节点剩余能量字段（ResidualEnergy）和在路由请求数据包（RREQ）传播过程中所经过节点的能量之和字段（Energy Sum）。

（2）在路由应答数据包（RREP）中增加存放节点剩余能量字段（ResidualEnergy）和整个过程中最短路径上的平均能量字段（Energy Ave）。

所述步骤2中，具体方法为：

源节点发送路由请求数据包（RREQ），中间节点在转发该数据包的同时将自身的剩余能量写入数据包剩余能量字段（Residual Energy），并累加到链路能量之和字段（Energy Sum）。如果中间节点不是第一次接收到路由请求数据包（RREQ），那么将会丢弃它。当节点为目的节点时，能量累加结束，读取路由跳数，按照公式：平均能量=链路能量/路由跳数（energy_ave=energy_sum/hopCount）计算所经过节点的平均能量。并将平均能量写入路由应答数据包（RREP）相应的平均能量字段（Energy Ave）。

目的节点收到请求数据包（RREQ）后，立刻反方向广播应答数据包（RREP），当中间节点第一次收到路由应答数据包（RREP）时，将自身剩余能量写入节点剩余能量字段（Residual Energy），同时按照公式：延时时间（T）=D*平均能量（energy_ave）/节点剩余能量（energy）计算延时发送应答数据包（RREP）的时间（公式中D表示延时常量2ms，），并将该节点信息记录到路由表中。如果中间节点不是第一次收到应答数据包（RREP），则将丢弃它。当源节点收到应答数据包（RREP）时，将会按照路由表中的信息进行路由选择并开始数据发送。

本发明的有益效果：通过网络仿真，新提出的反向能量限制路由（REAODV）协议在网路延时方面比原按需平面距离矢量路由（AODV）协议要好，而且整个网络吞吐量比原协议大很多，这些都提高了网络的整体性能。同时网络中节点的耗能和原协议差不多，保证了整个网络的生存时间。

附图说明

图1是本发明中路由请求数据包（RREQ）数据包格式示意图。

图2是本发明中路由应答数据包（RREP）数据包格式示意图。

图3是路由发现过程中路由应答数据包（RREQ）选择最短路径示意图。

图4是由于高速移动节点导致路径损坏示意图。

图5是本发明新协议反向能量限制路由（RERAODV）协议的流程图。

图6是本发明反向能量限制路由（REAODV）协议与按需平面距离矢量路由（AODV）协议的网络延时比较示意图。

图7是本发明反向能量限制路由（REAODV）协议与按需平面距离矢量路由（AODV）协议的网络吞吐量比较示意图。

图8是本发明反向能量限制路由（REAODV）协议与按需平面距离矢量路由（AODV）协议的剩余能量百分比比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明中路由请求数据包（RREQ）数据包格式示意图，是在按需平面距离矢量路由（AODV）协议路由请求数据包（RREQ）基础上添加了新的字段：剩余能量字段（Residual Energy）和链路能量和字段（Energy Sum）。其中剩余能量字段（Residual Energy）用来在节点第一次收到路由请求数据包（RREQ）时，将该节点剩余能量写入其中，它的作用是为了方便进行能量的累加。链路能量和字段（Energy Sum）是用来逐步累加所有第一次接收路由请求数据包（RREQ）的节点剩余能量的，每个节点会在将剩余能量写入剩余能量字段时，累加到链路能量和字段。如果节点不是第一次接收到路由请求数据包（RREQ），那么将会丢弃它。

图2是本发明中路由应答数据包（RREP）数据包格式示意图，是在按需平面距离矢量路由（AODV）协议路由应答数据包（RREP）的基础上添加了新的字段：剩余能量字段（Residual Energy）和平均能量字段（Energy Ave）。其中剩余能量字段（Residual Energy）用来在节点第一次收到路由应答数据包（RREP）的时候，将该节点的剩余能量写入其中，它的作用是为了方便计算节点延时发送路由应答数据包的时间。平均能量字段（Energy Ave）是用来存储节点平均能量，该平均能量是由公式：平均能量=链路总能量/路由跳数（energy_ave=energy_sum/hopCount）计算得来，即当路由请求数据包（RREQ）到达目的节点的时候，读取的链路总能量字段（Energy Sum）值与路由跳数（hopcount）的比值。当节点转发路由应答数据包（RREP）时，会根据剩余能量的大小，按照公式：延时时间（T）=D*平均能量（energy_ave）/节点剩余能量（energy）计算延时发送应答数据包（RREP）的时间（公式中D表示延时常量2ms），并将节点信息记录到路由表中。如果节点不是第一次收到路由应答数据包（RREP），则将丢弃它。

图3是路由发现过程中路由请求数据包（RREQ）选择最短路径示意图，图中1，2，3代表中间节点；S代表源节点；D代表目的节点。按照协议原理，如果中间节点第一次收到路由请求数据包，那么会将其转发；如果不是第一次收到，则会丢弃。那么最终先到达目的节点的一定是路径最短的一条路由。

图4是由于高速移动节点导致路径损坏示意图，图中1，2，3代表中间节点；S代表源节点；D代表目的节点。由于节点的高速移动，将导致网络拓扑变化迅速，很可能路由请求数据包发送过程中记录的路径在路由应答数据包反向时已经被破坏，或者路由刚刚建立就被破坏。从而需要从新发起路由请求过程，这将导致网络性能下降。

图5本发明新协议反向能量限制路由（RERAODV）协议的流程图。具体过程如下：

1、当源节点想要发送数据到目的节点，首先检查路由表是否有到达目的节点的路由。如果有到达目的节点的有效路由，那么将开始传送数据；否则进行路由发现过程。

2、开始路由发现过程，产生并发送路由请求数据包（RREQ），如果中间节点第一次收到，则将其剩余能量和能量累加值写入数据包相应字段并转发，同时在路由表中创建反向路径；如果节点不是第一次收到，则丢弃该数据包。

3、当接收路由请求数据包（RREQ）的节点是目的节点或者是有足够新的到达目的节点的路径的中间节点，那么将产生路由应答数据包（RREP）并计算最短路径上的平均能量，将其写入路由应答数据包（RREP）相应的平均能量字段（Energy Ave），然后反向发送路由应答数据包（RREP）。

4、当节点是中间节点并且第一次接收到路由应答数据包（RREP）时，它将自身的剩余能量写入路由应答数据包，并根据公式：延时时间（T）=D*平均能量（energy_ave）/节点剩余能量（energy）计算该节点的延时转发时间（公式中D表示延时常量2ms），并在延时结束后广播转发该数据包。同时将该节点信息写入路由表。

5、如果收到路由应答数据包（RREP）的是目的节点，或者是已经接收过该数据包的中间节点，那么节点将自动丢弃这个数据包。

6、当节点是源节点并且是第一次收到路由应答数据包（RREP）的时候，它将根据路由表中的节点信息开始传送数据。如果源节点不是第一次接收该数据包，那么就会选择丢弃该数据包。

图6是本发明反向能量限制路由（REAODV）协议与按需平面距离矢量路由（AODV）协议的网络延时比较示意图。这是在相同的节点移动速度（75m/s）相同的仿真时间（500s）下进行的比较。有图中我们可以看到，随着网络中节点数目的增多，新协议比按需平面距离矢量路由（AODV）协议的网络延时要小。并且节点数目越多时，延时时间相差越大。这能使网络更快的建立路由，从而提高网络性能。

图7是本发明反向能量限制路由（REAODV）协议与按需平面距离矢量路由（AODV）协议的网络吞吐量比较示意图。这是在相同的节点移动速度（75m/s）相同的仿真时间（500s）下进行的比较。有图中可以看出，随着节点数目增多新协议的吞吐量比按需平面距离矢量路由协议要变大很多，这将极大提高网络中的通信质量。

图8是本发明反向能量限制路由（REAODV）协议与按需平面距离矢量路由（AODV）协议的剩余能量百分比比较示意图。由于新协议采用广播发送路由应答数据包（RREP）的方式，难免耗能会多，但是采用了能量均衡策略后，经过仿真比较发现，仿真结束后，新协议与按需平面距离矢量路由协议耗能相差并不大，这让网络生存时间有了一定的保障。

通过网络仿真，本实施例新提出的反向能量限制路由（REAODV）协议在网路延时方面比原按需平面距离矢量路由（AODV）协议要好，而且整个网络吞吐量比原协议大很多，这些都提高了网络的整体性能。同时网络中节点的耗能和原协议差不多，保证了整个网络的生存时间，具体参照图6、图7和图8。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种基于反向能量限制路由协议的物联网通信方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)更改按需平面距离矢量路由协议的路由请求数据包和路由应答数据包的包格式，增加能量字段；

(2)当源节点要发送数据到目的节点时，先检查路由表是否存在有效的路由到达目的节点，如果存在，则开始传输数据；如果不存在，那么将根据源节点、中间节点和目的节点的能量情况，开始路由发现过程；

所述路由发现过程具体为：

源节点发送路由请求数据包，中间节点在转发该数据包的同时将自身的剩余能量写入数据包剩余能量字段，并累加到链路能量之和字段；如果中间节点不是第一次接收到路由请求数据包，那么将会丢弃它；到目的节点时，能量累加结束，读取路由跳数，按照公式：平均能量＝链路能量/路由跳数，计算所经过节点的平均能量；并将平均能量写入路由应答数据包相应的平均能量字段；

目的节点收到请求数据包后，立刻反方向广播应答数据包，当中间节点第一次收到路由应答数据包时，将自身剩余能量写入节点剩余能量字段，同时按照公式：延时时间＝延时常量2ms*平均能量/节点剩余能量，计算延时发送应答数据包的时间，并将该节点信息记录到路由表中；如果中间节点不是第一次收到应答数据包，则将丢弃它；当源节点收到应答数据包时，将会按照路由表中的信息进行路由选择并开始数据发送。

2.如权利要求1所述的基于反向能量限制路由协议的物联网通信方法，其特征是，所述步骤(1)中，具体更改如下：

在路由请求数据包中增加存放节点剩余能量字段和在路由请求数据包传播过程中所经过节点的能量之和字段；

在路由应答数据包中增加存放节点剩余能量字段和整个过程中最短路径上的平均能量字段。