CN103338493A - 基于rpl的自适应多路径路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于RPL的自适应多路径路由方法。根据本发明的方法，无线传感网的各节点先基于各自的路由度量及其他节点的路由度量来建立各自的下一跳节点集；随后，各节点基于各自的下一跳节点集中各下一跳节点的转发度量来选择下一跳节点进行数据的发送。本发明的方法通过建立多跳数据传输路径，均衡地将数据流量分散到各个节点，并根据以节点剩余能量为主、节点负载为辅的转发度量，自适应地选择均衡的程度，对于条件较好节点，赋予相对较多的数据流量，但也不会将所有的流量分配给某一个节点。采用多路径方式，使得整个网络的能量消耗得以均衡，整体的生命期得以延长，可有效减少维护网络所产生的成本。

Description

基于RPL的自适应多路径路由方法
技术领域
本发明涉及无线传感网领域，特别是涉及一种基于RPL的自适应多路径路由方法。 
背景技术
物联网被视为互联网的应用拓展，近年来一直为社会所关注。如今，物联网已经成为国家五大新兴战略性产业之一，引发研究与应用的热潮。作为物联网的重要组成部分的无线传感器网络，也是工业界和学术界的研究热点。同时，随着IEEE和IETF研究制定的标准相应出台，更为无线传感器网络的发展铺平了道路。 
无线传感器网络是一种由大量的传感器节点组成的无线网络系统，能够感知、采集和处理监测区域内监测对象的信息，并传送给用户。无线传感器网络在军事、工业、环境等领域有着巨大的应用价值。 
无线传感器网络并非新鲜事物，各种运行在无线传感器网络上的路由协议也是层出不穷。而由IETF(Internet Engineering Task Force)的roll(Routing Over Low power and Lossy networks)工作组制定出台的RPL(IPv6Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks)路由协议，则具有广泛应用价值。由于RPL是一个IPv6的路由协议，更是为无缝接入互联网，实现高速互联提供了技术基础。 
通过多路径路由的方式可以提高网络的可靠性、减少路由开销、提供QoS支持，负载/能耗均衡并提供一定的安全性，是通向高速接入的有效途径之一。 
然而在RPL路由协议中，并没有使用多路径路由技术，依旧是按照特定度量选择最优的父节点作为下一跳节点。因此，迫切需要一种多路径路由方法，以进一步提升无线传感网的性能，延长网络的生命期，节约网络维护成本。 
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于RPL的自适应多路径路由方法，以使得整个网络的能量消耗均衡化，延长网络生命期，并减少维护网络所产生的成本。 
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于RPL的自适应多路径路由方法，其至少包括： 
1）无线传感网的各节点基于各自的路由度量及其他节点的路由度量来建立各自的下一跳 节点集； 
2）各节点基于各自的下一跳节点集中各下一跳节点的转发度量来选择下一跳节点进行数据的发送。 
优选地，所述基于RPL的自适应多路径路由方法还包括：节点基于所接收的路由度量与自身的路由度量来确定是否更新或重建自身的下一跳节点集。 
优选地，所述基于RPL的自适应多路径路由方法还包括：当节点自身的父节点的路由度量发生改变时，将该父节点从自身的下一跳节点集中删除。 
优选地，所述转发度量基于能量度量及负载度量来确定；更为优选地，基于以下方式来确定转发度量FI： 
FI＝EI*32+LI，其中，
Figure BDA00003279011600021
，LI=LImax-log2delay，EI为能量度量，LI为负载度量，LImax为预定常数，delay基于节点的排队时延与处理时延来确定，Estimated_Energy为RFC6551路由协议中所定义的估计能量，“
Figure BDA00003279011600022
”表示对数值进行向下取整。 
优选地，所述步骤2）中采用基于权重的轮询算法由下一跳节点集中选择下一跳节点来进行数据发送，其中，节点的权重基于节点的转发度量来确定，更为优选地，采用基于以2为底的指数函数形式更新节点的权重。 
优选地，所述基于RPL的自适应多路径路由方法还包括：无线传感网的各节点基于汇集点的重建信息各自重建各自的下一跳节点集。 
如上所述，本发明的基于RPL的自适应多路径路由方法，具有以下有益效果：能使整个网络的能量消耗得以均衡，整体的生命期得以延长，并减少维护网络所产生的成本。 
附图说明
图1显示为本发明的基于RPL的自适应多路径路由方法的流程图。 
图2显示为一种无线网络示意图。 
图3显示为另一种无线网络示意图。 
图4显示为采用本发明的基于RPL的自适应多路径路由方法与现有RPL路由方法各节点的能量消耗对比示意图。 
元件标号说明 
S1、S2        步骤 
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。 
请参阅图1至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。 
如图1所示，本发明提供一种基于RPL的自适应多路径路由方法，所述方法包括步骤S1及S2。 
在步骤S1中，无线传感网的各节点基于各自的路由度量及其他节点的路由度量来建立各自的下一跳节点集。 
例如，如图2所示，该无线传感网包括节点11、节点12、节点13、节点14、节点15、节点16、及汇集点17，节点12、13及16基于各自的路由度量为0直接将汇集点17作为各自的下一跳节点，节点15基于自身的路由度量ETX15大于节点13的路由度量ETX13及节点16的路由度量ETX16、且路由度量ETX13与ETX16相等，将节点13及节点16作为自身的下一跳节点，节点14基于自身的路由度量ETX14大于节点13的路由度量ETX13及节点15的路由度量ETX15、且路由度量ETX13小于ETX15相等，将节点13作为自身的下一跳节点，节点11基于自身的路由度量ETX11大于节点12的路由度量ETX12、节点13的路由度量ETX13及节点14的路由度量ETX14、且路由度量ETX12与路由度量ETX13相等且小于ETX14，将节点12及节点13作为自身的下一跳节点，由此，节点11的下一跳节点集中包括节点12及节点13，节点12的下一跳节点集中包括汇集点17，节点13的下一跳节点集中包括汇集点17，节点14的下一跳节点集中包括节点13，节点15的下一跳节点集中包括节点13及节点16，节点16的下一跳节点集中包括汇集点17。 
需要说明的是，本领域技术人员应该理解，各节点自身的路由度量ETX（Expected transmission count）基于接收的DIO（DODAG Information Object，DODAG信息对象，详见RFC6550）来确定，在此不再予以详述。 
接着，在步骤S2中，各节点基于各自的下一跳节点集中各下一跳节点的转发度量来选择下一跳节点进行数据的发送。 
优选地，各节点采用基于权重的轮询算法由各自的下一跳节点集中选择下一跳节点来进行数据发送，其中，节点的权重基于节点的转发度量来确定。 
具体地，各节点先基于各自的下一跳节点集中各下一跳节点的转发度量将各自的下一跳节点进行降序排列，随后各自建立一个指针指向各自下一跳节点集的第一个节点，该指针命名为当前节点指针，指向的节点命名为当前节点；随后再设置一个权重，命名为当前权重，初始值为最大权重，例如，为各自下一跳节点的转发度量的最大值；随后，当节点有一个数据包需要发送到汇集点时，进行如下操作： 
第一步：将该数据包发送给当前节点； 
第二步：若当前节点为自身下一跳节点集中最后一个节点或者排序在当前节点之后的下一跳节点的权重小于当前权重则继续进行至第三步，否则跳转到第五步； 
第三步：将当前节点指针指向自身下一跳节点集的第一个节点； 
第四步：按照以2为底的指数函数形式更新权重，随后该节点等待进行下一个数据的发送； 
第五步：设置当前节点指针指向排序在当前节点之后的下一跳节点，随后该节点等待进行下一个数据的发送。 
优选地，节点基于以2为底的指数函数形式更新节点的权重，具体过程如下： 
首先，设置delta为静态变量，其初始值为1； 
接着，每当需要更新权重时，进行如下操作： 
先置delta=delta×2； 
接着，权重=最大权重-delta； 
接着，若权重小于最小权重，则置delta为1。 
其中，最小权重为下一跳节点的转发度量的最小值。 
其中，转发度量基于与节点转发相关的因素来确定，优选地，其基于节点的能量度量及负载度量来确定。 
例如，一种优选确定转发度量的方式如下： 
FI＝EI*32+LI，其中，
Figure BDA00003279011600041
，LI=LImax-log2delay，EI为能量度量，FI为转发度量，LI为负载度量，LImax为预定常数，delay基于节点的排队时延与处理时延来确定，Estimated_Energy为RFC6551路由协议中所定义的估计能量，“
Figure BDA00003279011600042
”表示对数值进行向下取整。 
优选地，LImax=31。 
作为一种优选方式，本发明的方法还包括步骤S3。 
在步骤S3中，节点基于所接收的路由度量与自身的路由度量来确定是否更新或重建自身的下一跳节点集。 
具体地，节点将所接收的DIO包中的路由度量ETX1与自身的路由度量ETX0进行比较： 
若：
Figure BDA00003279011600051
，则节点重建自身的下一跳节点集，并根据路由度量ETX1重新计算自身的路由度量ETX0，同时触发一次DIO广播； 
若：
Figure BDA00003279011600052
，则将发送该DIO包的节点加入至自身的下一跳节点集； 
若：，若发送该DIO包的节点在自身的下一跳节点集中，则予以删除。 
其中，“
Figure BDA00003279011600054
”表示对数值进行向下取整。 
作为另一种优选方式，本发明的方法还包括步骤S4。 
在步骤S4中，当节点自身的父节点的路由度量发生改变时，将该父节点从自身的下一跳节点集中删除。 
例如，节点A接收到父节点B的DIO广播，并由该DIO广播中获得该父节点B的路由度量为ETXB，已发生改变，进而节点A将该父节点B由自身的下一跳节点集中删除。 
作为又一种优选方式，本发明的方法还包括步骤S5。 
在步骤S5中，无线传感网的各节点基于汇集点的重建信息各自重建各自的下一跳节点集。 
例如，无线传感网的汇集点发出DIO广播，则该无线传感网的各节点基于各自的路由度量及其他节点的路由度量，各自开始重建各自的下一跳节点集。 
以下将通过具体实例来说明本发明的优点： 
图3为一个简单无线传感器网络，节点1～4均使用tmoteTMsky传感器节点，初始电量为3000毫安时，图中每一个小方块对应着10米×10米的区域，其中节点4为数据汇集点，每个节点的探测和通信的半径均为50m。节点1～3均以1包/秒、每个包78字节的速率发送数据包。 
网络开始工作之初，节点1～3各自建立各自的下一跳节点集，其中，节点1的下一跳节点集中包括节点2及3，节点2的下一跳节点集包括汇集点4，节点3的下一跳节点集包括汇集点4，也就是，节点1可以通过节点2与节点3两条路径到达汇集点，而节点2与节点3则只有一条路径。若是采用现有RPL协议，则节点1始终只通过节点2或节点3中某一条路径进行数据传输。 
由于节点1可以通过两条路径到达汇集点，所以当节点1需要进行数据传输时，将选择 其中一条路径进行传输，由下表一可见，由于节点2和节点3均在节点1的下一跳节点集中，则节点1均衡地从两者中选择路径。 
表一： 
Figure BDA00003279011600061
对于修复过程来说，若汇集点4发出DIO广播，则节点1～3将分别清空各自的下一跳节点集；而若是局部修复，例如节点2发出DIO广播，则节点2清空自身的下一跳节点集，对于节点1，则将节点2从自身的下一跳节点集中清除即可。 
由于均衡地选择多条路径，节点的能量消耗也得以均衡。图4为采用现有RPL路由方法与采用本发明的路由方法的各节点电量消耗对比示意图，图中Y轴的单位是毫安时，X轴的单位是毫秒，虚线所示为现有RPL路由方法各节点的电量消耗；实线所示为本发明的路由方法各节点的电量消耗。从图4中可以看出，使用本发明的路由方法，节点的能量消耗更加均衡，即图中的线条更加集中；而现有RPL路由方法中，由于节点1选择了节点2作为了下一跳节点，所以导致节点2的电量消耗得比节点3更快；而采用本发明的路由方法，节点2与节点3的电量消耗基本相近。 
综上所述，本发明的基于RPL的自适应多路径路由方法通过建立多条数据传输路径，均衡地将数据流量分散到各个节点，并根据以节点剩余能量为主、节点负载为辅的转发度量，自适应地选择均衡的程度，对于条件较好节点，赋予相对较多的数据流量，但也不会将所有的流量分配给某一个节点，由于采用多路径，使得整个无线传感网络的能量消耗得以均衡， 整体的生命期得以延长，并减少了维护网络所产生的成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。 
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。 

Claims (8)

1.一种基于RPL的自适应多路径路由方法，其特征在于，所述基于RPL的自适应多路径路由方法至少包括：
1）无线传感网的各节点基于各自的路由度量及其他节点的路由度量来建立各自的下一跳节点集；
2）各节点基于各自的下一跳节点集中各下一跳节点的转发度量来选择下一跳节点进行数据的发送。
2.根据权利要求1所述的基于RPL的自适应多路径路由方法，其特征在于还包括：
节点基于所接收的路由度量与自身的路由度量来确定是否更新或重建自身的下一跳节点集。
3.根据权利要求2所述的基于RPL的自适应多路径路由方法，其特征在于还包括：
当节点自身的父节点的路由度量发生改变时，将该父节点从自身的下一跳节点集中删除。
4.根据权利要求1所述的基于RPL的自适应多路径路由方法，其特征在于：所述转发度量基于能量度量及负载度量来确定。
5.根据权利要求4所述的基于RPL的自适应多路径路由方法，其特征在于：所述转发度量FI基于以下方式来确定：
FI＝EI*32+LI，其中，
Figure FDA00003279011500011
，LI=LImax-log2delay，EI为能量度量，LI为负载度量，LImax为预定常数，delay基于节点的排队时延与处理时延来确定，Estimated_Energy为RFC6551路由协议中所定义的估计能量，“
Figure FDA00003279011500012
”表示对数值进行向下取整。
6.根据权利要求1或5所述的基于RPL的自适应多路径路由方法，其特征在于：所述步骤2）中采用基于权重的轮询算法由下一跳节点集中选择下一跳节点来进行数据发送，其中，节点的权重基于节点的转发度量来确定。
7.根据权利要求6所述的基于RPL的自适应多路径路由方法，其特征在于，所述步骤2）还包括：
基于以2为底的指数函数形式更新节点的权重。
8.根据权利要求1所述的基于RPL的自适应多路径路由方法，其特征在于还包括：
无线传感网的各节点基于汇集点的重建信息各自重建各自的下一跳节点集。
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