CN103369620A

CN103369620A - 一种面向wsn的最小传输多播路由方法

Info

Publication number: CN103369620A
Application number: CN2013102565990A
Authority: CN
Inventors: 张德干; 李光; 姜凯雯
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2013-06-24
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2013-10-23

Abstract

一种面向WSN的最小传输多播路由方法。在无线传感器网络中，多播通信是点对多点通信中节省能量、带宽、费用等资源的有效方法。本发明分析了无线传感器网络由于信息融合或者随机负载等原因而产生不确定信息的原因。根据这些随机原因，本发明首先建立了传输模型，并提出了一种新的启发式的最小传输多播路由算法，定义了偏移补偿因子并利用广播的优势，本协议选择连接更多多播接收者的转发路由。然后分别从网格拓扑结构和随机拓扑结构两个方面对最小传输多播路由协议与现存的协议在性能上进行了比较，通过比较，证明了本发明提出的协议在节省能量方面的有效性。

Description

一种面向WSN的最小传输多播路由方法

技术领域

本发明属于计算机应用与移动互联网结合的技术领域。

背景技术

随着WSN技术的不断前进，具备多接收能力的传感器节点网络已变成常见的应用场景。很多应用从面向简单的事件传播发展到提供实时的连续数据传输，如多媒体数据的传播。在实际中，无线传感器网络中某处产生的事件会出现数据同时为多个接收节点监听的情形。在这一应用场景中，研究者的主要研究问题是如何以最经济的方式将源节点采集的数据同时发送到网络内所有的接收节点处。显然，多播技术是应对这一问题的主要方式，适用于传感器网络的多播路由算法和协议在这一背景下应运而生。

一些文献中已提出了许多多播路由协议。根据如何创建路由组的成员将这些拟议的组播路由协议分为四类：（1）基于树的方法；（2）基于网孔的方法；（3）无状态多播路由；（4）混杂方法。现有的研究表明，基于树的方法在损失较低鲁棒性的情况下提供了高数据转发效率，而基于网格的方法在损失高转费用和增加网络负载的情况下提供了更好的鲁棒性。

无线传感器网络的传感器节点通常由能力有限的电池供电。它们一旦被部署，在许多应用场景，例如战场或火山场景中，充电或更换电池非常困难甚至是不可能的。因此，提高能源效率成为无线传感器网络中组播路由的主要设计目标。然而，最小传输多播树是一个NP完全问题，可以通过降低最小集合覆盖问题或最低共同支配集问题（顶点）证明。

由于最小传输多播路由问题的NP完全性，已经提出了一些启发式协议。然而，现提出的大多数协议是集中式的，整个网络的拓扑结构假定由单一的节点计算组播树。

显而易见的，集中方法假设单一的节点感知整个网络的拓扑结构，既不实际且在许多应用中并不高效节能。虽然分布式方法在一些文献中有所阐述，它要求所有的接收节点同时加入组播树的构造阶段。在DODMRP中，作者建议减少非组播组成员节点（称为额外节点）的数量，以提高能源效率的组播路由。然而我们证明，只减少额外节点的数量并不一定会降低传输成本。

针对以上问题，本发明提出了一种新的启发式的最小传输多播路由算法，建立了传输模型，定义了偏移补偿因子并利用广播的优势，这个协议选择连接更多多播接收者的转发路由。

发明内容

本发明的目的是解决多播通信中如何能够更有效的节省能量的问题，提供一种面向WSN的最小传输多播路由方法。

本发明分析了无线传感器网络由于信息融合或者随机负载等原因而产生不确定信息的原因。根据这些随机原因，提出了一种新的启发式的最小传输多播路由算法，建立了传输模型，定义了偏移补偿因子并利用广播的优势，这个协议选择连接更多多播接收者的转发路由。最后，分别从网格拓扑结构和随机拓扑结构两个方面对最小传输多播协议与现存的协议在性能上进行了比较，通过比较，证明了本发明提出的协议在节省能量方面更有效。

本发明提供的面向WSN的最小传输多播路由方法的具体步骤包括：

面向WSN的最小传输多播路由方法，其特征在于该方法的具体步骤包括：

第1、网络模型的建立

首先在二维平面区域内部署一个多跳无线传感器网络。通过无向图建立网络模型，G=（V，E）。V代表一组传感器节点，E表示一组通信链路。对于任意的两个传感器节点v ₁和v ₂，（v ₁,v ₂

V），如果v ₂的传输功率范围在v ₁的传输功率范围之内，那么这个无向边（v ₁,v ₂）

E。

第2、协议描述和初始化

在最小传输多播协议中，每个节点都维护一张邻居信息表，表中每个条目的时间戳（上一次收到Hello这个消息的时间）也被记录下来。一旦收到消息，节点会根据收到消息的NodeID在邻居信息表中查找。如果它是新邻居，就把新的条目插入到邻居信息表中。如果是已知的邻居，该条目的时间戳记录会被更新。节点设置一个定时器以避免误导性的信息，也就是说，经过一段时间之后邻居信息表中逾期的条目将被回收。

第3、最小传输多播路由协议

最小传输多播路由协议也适用于动态生成路由和维护多播组成员，这样可以降低信道开销并提高扩展性。当多播源节点需要发送数据时，会广播一个多播请求（S，GroupID）。为保持本发明的连贯性，本发明把这一多播请求看作JoinQuery信息。

1）JoinQuery传播：当多播源节点有数据需要发送时，多播源节点会广播一个JoinQuery信息。

2）JoinReply的传播：当节点接收到一个JoinReply，无论这个节点是一个多播接收者与否，这个节点都会检查自己是不是JoinReply选定的下一个节点。

3）偏移补偿方案：启发式最小传播多播路由协议采用偏移补偿方法。如果给定节点具有较大的RelayProfit和高优先级PathProfit来承担转发任务，这很可能会减少转发节点的数目并增加叶子节点。

4）优化：为进一步减小多播传输费用，最小传输多播路由协议利用监听来减小不必要的传输损耗，这被称为路径转换方案。因为无线介质是共享的，监听的原则是每个节点可以侦听来自邻居的数据包。

本发明的优点和积极效果：

在无线传感器网络中，多播通信是点对多点通信中节省能量、带宽、费用等资源的有效方法。本发明分析了无线传感器网络由于信息融合或者随机负载等原因而产生不确定信息的原因。根据这些随机原因，本文首先建立了传输模型，并提出了一种新的启发式的最小传输多播路由算法，定义了偏移补偿因子并利用广播的优势，本协议选择连接更多多播接收者的转发路由。然后分别从网格拓扑结构和随机拓扑结构两个方面对最小传输多播路由协议与现存的协议在性能上进行了比较，通过比较，证明了本文提出的协议在节省能量方面的有效性。

【附图说明】：

图1 多播无线网络模型。

图2是同种网络中三种不同的多播树。（a）是SPT，（b）是最小steiner tree，（c）是最小传输多播树。

图3是最小传输多播路由算法的设计包含较少的额外节点图。(a)为额外节点B早期转发JoinQuery，（b）为多播接收者倾向于尽早转发JoinQuery。RelayProfit和PathProfit分别用RP和PP表示。

图4是最小传输多播路由协议构造多播树的例子，HC表示HopCount。

图5是网格拓扑结构下的性能测试：（a）为随着多播组规模的增加归一化传输开销的变化情况图，（b）为随着多播组规模员的增加多播路由中需要附加节点的数量图，（c）为不同多播组规模下平均中继收益图。

图6是随机拓扑结构下的性能测试:（a）为归一化传输开销性能的对比图，（b）为不同多播组大小情况下额外节点数目的变化图，（c）为平均转发收益的结果图。

【具体实施方式】：

实施例1：

相关理论基础及准备工作：

无线传感器网络是大量微传感器通过单跳和多跳通信方式，自组织形成的无线网络系统，每个传感器均具有自我控制、传感、处理计算、无线通信的能力及有限的能量，通过相互关联、合作，将目标区域内感知的信息数据发送给观察者处理。

无线传感器网络的协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层五层，还有能量、移动、任务三个管理平台。

目前，研究人员根据无线传感器网络的结构、路由协议自身特点以及应用类型等，将路由协议分为以下几类：

1）以数据为中心的路由协议

数据中心范式的主要思想是在多源节点到达途中通过消除冗余，最大限度地减少传输次数（网络聚合）的数据结合起来，从而节约了网络能源和延长其寿命。与传统的终端到终端的路由不同的是，DC（数据中心）路由发现目标来自多个源节点，允许在网络整合的路径出现冗余数据。

2）基于层次结构的路由协议

在分层架构中，高能量节点用来处理和发送信息，而低能量的节点可以用来接近目标。这意味着，创造集群和为簇头分配特殊任务，可以极大地促进系统整体的可扩展性、寿命和能量效率。分层路由以一种高效的方式来降低集群内进行数据汇聚和融合，以减少传输的消息的数量到BS能耗。分层路由主要包含两个层：一层是用来选择簇头，而另一层用于路由。

3）基于地理信息的路由协议

所谓的地理和能量感知路由协议（GEAR），使用能源感知和地理位置通知的邻居选择启发式路由向目标区域发送数据包。关键的思想在于只考虑某一地区使Interest定向扩散，而不是向整个网络发送的Interest。

4）基于多路径的路由协议

为提高网络性能，研究使用多条路径而不是一个单一的路径的路由协议。当主路径出现故障时，容错协议（弹性）是衡量源和目的地之间的备用路径存在的可能性。在降低持续能源消耗和拥塞代价性能时通过维持来源和目的地之间的多条路径来加强。通过发送周期的消息，可以让路径转化。因此，可通过增加维护路径变化的开销来提高网络的可靠性。

根据相关知识，可以把网络模拟为图，E表示边集，V表示图G的节点集，

Figure 2013102565990100002DEST_PATH_IMAGE006

表示(u，

Figure 2013102565990100002DEST_PATH_IMAGE003

的链路描述符，它可以是延时，带宽或其他类型的度量。

即信源，它通常代表基站，表示多播节点。如图1所示。

假设网络中每个节点所带平均传输权重为

Figure 2013102565990100002DEST_PATH_IMAGE001

（1）

包接收成功概率可以使用瑞利衰退模型来计算，如下所示

Figure 2013102565990100002DEST_PATH_IMAGE014

（2）

其中Θ是一个硬件相关的阈值，

Figure 2013102565990100002DEST_PATH_IMAGE016

表示噪声权值，d_uv表示节点u和v之间的距离，γ 是路径损耗指数。

假设接收节点使用确认包（ACK）的通信方案，并且不限制ACK值。从图1中可以看出源结点u和目的结点v之间的包传播序列，v可以成功接收数据包，数据包接收也可失败，分别用1和0表示。ACK可能被u正确解码或错误解码。当全部数据包成功接收时结束通信。第一列的ξ表示不带ACK确认时能正确接收数据的事件，第二列使用ζ表示不能成功接收数据的事件。相应的分布可以如下表示

Figure 2013102565990100002DEST_PATH_IMAGE002

（3）

Figure 2013102565990100002DEST_PATH_IMAGE020

（4）

定义χ为直到数据接收成功时链路(u，v)上对应权消耗的随机变量。

（5）

通过链路(u，v)上的传播权值的期望是

（6）

在这一情况下，链路(u，v)上的延迟分布可以使用以下公式来计算

Figure 2013102565990100002DEST_PATH_IMAGE005

（7）

本发明的具体技术方案如下：

第一、网络模型的建立

首先在二维平面区域内部署一个多跳无线传感器网络。假定本地的传感器节点位置是静态的或非常缓慢变化。在本发明的研究工作中不考虑节点频繁移动的情况。每个传感器节点具有固定的传输功率，并具有相同传输范围r。如果接收到的信号功率大于接收功率阈值，那么数据包将被成功接收。在本发明中，通过无向图建立网络模型，G=（V，E）。V代表一组传感器节点，E表示一组通信链路。对于任意的两个传感器节点v ₁和v ₂，（v ₁,v ₂

E。

假设(S，GroupID)是一个已经给定的多播传送请求，S表示源节点，GroupID指定一组多播接收节点R，也就是说所有的多播接收者具有相同的GroupID。给定一个图G=（V，E），源节点S和一组多播接收节点R，那么多播路由问题可以定义如下：在图G中找到一颗多播树T，这颗树把源节点S和每个多播接收者进行连接。这颗树包含一组转发节点

，因而｛S｝

被连接起来。在多播树T中，所有的叶子节点都是只是用来接收多播数据包的目的节点，只有非叶子节点有信息转发的任务。

一次传输的费用包含发送者的发送成本和一跳邻居的接收成本。给定一个无工作-睡眠相互转化的分布式无线传感器网络，传输成本与发送成本是成比例的。因此，要在无线传感器网络中提高多播路由的能源效率需减少转发节点的数量。所以说多播路由最小传输问题可以规划为在｛S｝

是连通的前提条件下如何最大限度地减少转发节点集

Figure 2013102565990100002DEST_PATH_IMAGE034

的大小。通过之前的研究工作得知这一问题是一个NP完全问题，本文采用启发式对这个问题进行研究，在下一部分提出了一个基于WSN的启发式的最小传输多播路由协议。

第二、协议描述和初始化

在详细介绍本发明提出的最小多播路由协议设计之前，首先说明同一网络中三种多播树在传输成本上的差异，多播树是根据不同的路径选择规则产生的，如图2所示。源节点将数据包发送给5个多播接收者。每个节点最多有4个邻居节点，对角线不能相连。图2（a）中的多播树根据寻找所有多播接收者的最短路径构造而成，数据包可以以最低的跳数从源节点路由到任何多播接收者。这一例子中，多播树包含10个节点和9条边，同时完成多播任务需要进行7次传输；图2（b）是一个说明具有最小边费用多播树的例子。事实上，这样的最小代价多播树正是著名的Steiner树问题。但是，这并不是无线传感器网络最好的解决办法，多播路由能源效率可以进一步改善。这个例子中的多播树包含了9个节点和8条边，需要7次传输；图2（c）是利用了无线通信广播特性的最小传输多播树，可以看出，它仅需要4次传输，低的传输开销使得这种多播树更适应于能量受限的无线传感器网络。

初始化阶段最小传输多播协议做一些准备工作。节点周期广播一个“Hello”信息以交换多播组成员的信息内容，例如多播GroupID。如果节点要更新其多播组成员信息也会发出这种“Hello”消息。初始化阶段之后，节点得到了其当前邻居节点多播组的全体成员信息。

在最小传输多播协议中，每个节点都维护一张邻居信息表，表中每个条目的时间戳（上一次收到Hello这个消息的时间）也被记录下来。一旦收到Hello消息，它会根据收到Hello消息的NodeID在邻居表中查找。如果它是新邻居，就把新的条目插入到表中。如果是已知的邻居，该条目的时间戳记录会被更新。节点设置一个定时器以避免误导性的信息，也就是说，经过一段时间之后邻居表中逾期的条目将被回收。

第三、最小传输多播路由协议

最小传输多播路由协议也适用于动态生成路由和维护多播组成员，这样可以降低信道开销并提高扩展性。当多播源节点需要发送数据时，会广播一个多播请求（S，GroupID）。为保持和前文的连贯性，本文把这一多播请求看作JoinQuery信息。

1）JoinQuery传播：当多播源节点有数据需要发送时，它会广播一个JoinQuery信息。这个JoinQuery信息至少包含以下元素：MessageType，NodeID，SourceID，GroupID，SequenceNumber，HopCount和PathProfit（其定义在定义2中给出）。MessageType指定它是JoinQuery信息。序列号由源节点维护且每当源节点广播新的JoinQuery时加1。SourceID、GroupID和SequenceNumber决定了JoinQuery信息，用来防止循环，并放弃过时的路由。HopCount是到目前为止跳的最远距离的计数，NodeID、HopCount和PathProfit都在每一跳后进行更新。

当节点收到不同的JoinQuery信息，它把上游NodeID，SourceID，GroupID和SequenceNumber存储在路由表中同时并转发这个JoinQuery消息，并不是像DODMRP一样立即对这个消息进行重播，本文提出一种JoinQuery转发节点的补偿时间，它基于一个新的规则，在本文的后面给出了定义。这一操作的目的是扩大沿不同的路径JoinQuery遍历延迟的差异。根据本文定义的规则，可以使得JoinQuery在沿着所选路径上传输比其他路径传输速度更快。

一旦达到了补偿时间，JoinQuery进行再广播。当JoinQuery这个消息到达一个多播接收者时，此接收者标记自己为一个可连接的多播接收者，然后产生并且广播一个JoinReply信息，这个JoinReply信息将会沿着JoinQuery的逆路径返回到多播源。这里应该注意的是如果接收到相同的JoinQuery很多次，接收者只对第一次接收到的JoinQuery进行回复，忽略其他的相同信息。

2）JoinReply的传播：JoinReply消息至少由以下几部分信息组成：MessageType、NodeID、NextHopID，RecvID，SourceID，GroupID和SequenceNumber。NextHopID指定了被选定的下一个节点。RecvID指定了JoinReply的起源节点。

当节点接收到一个JoinReply，无论它是一个多播接收者与否，它都会检查自己是不是JoinReply选定的下一个节点。如果是，它体现了它是在通往源节点的路径上，同时标记自己是当前的多播会话的一个转发器（通过设置一个标志FG_FLAGE）。随后，转发节点更新JoinReply消息，填充此次多播会话的缓存上行流NodeID作为NextHopID。这样，JoinReply通过转发节点进行传播，直到通过对应的JoinQuery的逆路径到达源节点。最终，建立了从源节点到所有多播接收者的连接路径。

3）偏移补偿方案：需要指明的是，在本发明提出的最小传输多播路由协议用到以下两个定义。

定义1：定义一个转发节点的RelayProfit为它与邻居之间连接的多播接收者数量，但不包括那些已经被其他转发节点连接的组播接收者。

RelayProfit根据对JoinReply附近进行监听来动态计算而得到的。如果一个节点监听到一个多播接收者发送了JoinReply消息，它把这个邻居标记作为一个可连接的接收者。给定一跳的邻居表和JoinQuery消息之后，转发节点通过相同多播组的邻居知道了多播组邻居之间的多播接收者数量。

定义2：（PathProfit）从源节点到当前转发节点之间路由的PathProfit定义为当前路径覆盖的多播节点数量，但不包括当前转发节点的

Figure 2013102565990100002DEST_PATH_IMAGE036

Figure 2013102565990100002DEST_PATH_IMAGE038

（8）

其中｛s，v ₁,v ₂,…,v _i,v _j｝是连接源节点和当前转发节点v _j的路径。

RelayProfit(v _k)表示节点v _k的RelayProfit；随着JoinQuery在网络中的传播PathProfit并未改变。

启发式最小传播多播路由协议采用偏移补偿方法。根据前面的原因，如果给定节点具有较大的RelayProfit和高优先级PathProfit来承担转发任务，这很可能会减少转发节点的数目并增加叶子节点。也就是说，RelayProfit和PathProfit都会影响补偿时间的计算。因此，本文介绍了两种补偿时延方案：

（1）中继延时补偿T _rbd（2）路径延时补偿T _pbd，它们的定义分别为式（9）和（10）。

（9）

Figure 2013102565990100002DEST_PATH_IMAGE042

（10）

其中，N和为系统参数，N用来表示在一定范围内的补偿延时，

为时间片单位。

此外，最小传输多播路由算法往往会涉及到很少的非多播组的成员，称之为附加节点。图3给出一个示例，源节点S采用多播技术将数据包发送给接收者C和D。在多播树的构造阶段，B和C两个节点都收到节点A广播的JoinQuery信息，并且它们有相同的RelayProfit和PathProfit值。在这种情况下，节点C更倾向于较早转发JoinQuery。在图3(a)中，多播路由需要3次传播和2个附加节点。但是在图3(b)中少了一个附加节点。

令

Figure 2013102565990100002DEST_PATH_IMAGE048

表示转发节点v_i的延时补偿，它可以通过公式（11）来计算：

Figure 2013102565990100002DEST_PATH_IMAGE050

（11）

随机函数random的目的是减少无线电干扰。random(a，b)返回一个a和b之间的随机值。经过计算T _backoff之后，转发节点启动补偿计时器。从式（11）中可以看到，在每一跳中，RelayProfit和PathProfit越大，分配的时间片越早。因此，更高的优先级可能使路由包含较少的转发节点和较多的叶子节点。

下面回顾图2(c)中的实例，在图4中展示了用最小传输多播协议如何构造其多播树。方括号中的数字代表转发节点的补偿延时。当节点B接收到来自源节点的JoinQuery信息时，它将首先获取其RelayProfit并计算T _backoff。对于节点B来说，T _backoff介于4τ到5τ之间。

然后更新JoinQuery的NodeID，HopCount和PathProfit字段。同时开启补偿定时器，当补偿定时器时间终止后重新广播JoinQuery。节点A，C和F接收节点B转发过来的JoinQuery信息。因为节点A，C为多播接受者，它们将向源节点返回JoinReplys。一旦节点B接收到来自节点A的JoinQuery，它把自己标记为转发节点并向源节点转播JoinReply。同时，节点D侦听到A的JoinReply，就把A标记为可连接的邻居，在计算RelayProfit的时候它不被计算在内。同样的，节点F把C标记为可连接的邻居。对于节点E来说，RelayProfit=2，PathProfit=2，Hopcount=2。因此根据公式（10）它将延迟

Figure 2013102565990100002DEST_PATH_IMAGE052

，而对于节点A和C会延迟

Figure 2013102565990100002DEST_PATH_IMAGE054

，在这种情况下，E会较早广播JoinQuery。当节点D和F分别接收到来自节点A和C的JoinQuery时，由于它们已经接收到来自同一多播对话的JoinQuery，因此丢弃JoinQuery的副本。最终，多播树构造成功，在这个多播树中，只有节点B、E和H是转发节点。

4)优化：为进一步减小多播传输费用，最小传输多播路由协议利用监听来减小不必要的传输损耗，这被称为路径转换方案。因为无线介质是共享的，监听的原则是每个节点可以侦听来自邻居的数据包。

当节点收到JoinReply消息时，如果这个节点不是被选出的JoinReply的下一跳，它会将JoinReply的NodeID和ReceiverID进行比较，如果NodeID和ReceiverID不同，说明这个JoinReply由转发节点转播而来。这种情况下，它更新邻居表并把邻居标记为转发节点；如果这个节点是JoinReply选择的下一跳，那么它首先检查它的邻居表中是否包含转发节点。如果找到转发者，那么没有必要去转发JoinReply信息，因为从源节点到多播接收者必然存在一条路由，这个多播接收者是JoinReply的起源。对于当前的多播会话，它仅是将自己标记为转发节点。

同样，当多播接收者接收到JoinQuery信息，在回复JoinReply之前，它首先检查自己的邻居表中是否含有转发节点。如果有，它保持沉默。如果没有，它就会发送一个JoinReply。

此外，考虑到无线信道的不确定性，如竞争和冲突，节点仍然可能收到JoinReply信息，但是它会把自己标记为转发节点。在这种情况下，它会丢弃这个JoinReply。当多播接收者接收一个JoinReply，如果它是JoinReply选定的下一跳并且已被覆盖，它将把自身标记为转发节点，并丢弃此JoinReply。

路径转发方案（Path handover sheme，phs）不但能减少多播树的构造阶段的传输成本，也能精简冗余的多播路由。举一个例子如图4所示，当节点F接收到起源于节点I的JoinReply信息时，因为节点F已经在之前从节点C处监听到JoinReply，它知道在它的邻居中有一个转发节点，因此它将自身标记为转发节点并丢弃从H节点处收到的JoinReply。这一方案节省了两次传输且减少了一个附加节点。

关于在最小传输多播路由协议中节点如何处理接收到的JoinQuery和JoinReply消息，本文描述了算法1和算法2，分别对应于RecvJoinQuery()和RecvJoinReply()的伪代码。

算法1 当节点收到JoinQuery信息时分布式最小传输多播路由算法

1 Procedure: void RecvJoinQuery (Packet *p)

2 if Non-duplicate JoinQuery then

3 if I am a multicast receiver then /*假设自己是多播接收者*/

4 if There is a forwarder among my /*检查邻居表中是否包含转发节点*/

neighbors then

5 remain silent； /*保持沉默*/

6 else

7 send out JoinReply； /*发送JoinReply*/

8 end

9 mark myself as a covered multicast /*将自己标记为已被覆盖的多播接收者*/

receiver；

10 end

11 calculate T_backoff and call

Backoff（T_backoff，p）/*计划安排一个补偿定时器，它的值为T_backoff，然后在定时器计数满时调用forward JoinQuery (p)*/

12 else

13 Drop (p);

14 end

算法2 当节点收到JoinReply消息时分布式最小传输多播路由算法

1 Procedure: void RecvJoinReply (Packet *p)

2 if Non-duplicate JoinReply then

3 if My NodeID==JoinReply.NexthopID then /*假设JoinReply的NodeID和ReceiverID相同*/

neighbors then

5 mark myself as a forwarder; /*将自己标记为转发节点*/

6 Drop ( p);

7 else

8 if I am a forwarder then /*假设自己是转发节点*/

9 Drop ( p)；

10 else if I am a multicast receiver and /*假设自己是已被覆盖的多播接收者*/

has been covered then

11 mark myself as a forwarder; /*将自己标记为转发节点*/

12 Drop ( p);

13 else

14 get JoinReply ’s nexthop; /*得到JoinReply的下一跳*/

15 call forward JoinReply(p); /*调用forward JoinReply(p)*/

16 end

17 end

18 else

19 if JoinReply.ReceiverID!=JoinReply.NodeID /*假设JoinReply的NodeID和ReceiverID不同*/

then

20 mark this neighbor as a forwarder; /*将该邻居节点标记为转发节点*/

21 else

22 mark this neighbor as a covered receiver; /*将该邻居节点标记为已被覆盖的接收者*/

23 end

24 Drop ( p);

25 end

26 else

27 Drop (p);

28 end

为全面评估最小传输多播路由算法，本发明分别在200m*200m的正方区域内进行网格拓扑和随机拓扑测试。在网格拓扑中，100个传感节点均匀的部署在区域内，形成一个2维网格。随机拓扑节点利用NS2的setdest工具产生200个传感器节点。多播源节点位于左下角（0m，0m）处，在每一轮的实验中多播接收节点都是随机产生的。在这里传感器节点的传输距离r选取为40m，

=0.001s，N=4。MAC层协议为IEEE 802.11 MAC。应用信道二径模型作为信号传播模型，在这个模型中遮蔽衰落的因素忽略不计。因此，对于单一距离，给定传输功率P _t，接收功率P _r由公式（12）表示。

Figure 2013102565990100002DEST_PATH_IMAGE058

（12）

其中，d为发送者和接收者之间的距离。为天线增益，h _t和h _r天线高度。L为功耗因素，n为路径损耗指数。在本文的仿真中，设置G _t=G _r=1，h _t=h _r=1.5m，L=1，n=4。

本发明选取三个评价指标：

1）归一化传输开销：这个指标用来衡量通信费用和能量效率。本发明定义归一化传输的开销为数据包从源节点到所有多播接收节点所需的传播次数。

2）附加节点的数量：这个指标定义为多播树中包含附加节点的数目。在减小传输消耗的前提下，最小传输多播路由协议倾向于包含更少的附加节点。

3）Average Relay Profit:这个指标定义为多播树中每次转发的RelayProfit的平均值。在某种意义上讲，它也反映了多播路由协议的能源效率。

网格拓扑测试：在对其他更为普遍的拓扑结构测试之前，首先利用网格拓扑对衡量最小传输路由协议的性能进行仿真。图5显示了当改变多播组规模（即多播接收者的数量）时的输出结果。

图5(a)说明随着多播组规模的增加归一化传输开销的变化情况。从图中明显可以看出，就能耗而言，最小传输多播路由协议优于其他两个协议。当多播组规模较少时，最小传输多播路由协议和DODMRP之间的差异并不明显，其原因是多播接收节点非常稀疏的分布在网络中。然而，随着多播组规模的增加，可以观察到最小多播路由协议明显优于其他两个协议。它可以平均节省3次传输。从图中也可以看出，随着多播组规模变大，DODMRP接近于ODMRP协议。

图5(b)说明了随着多播组规模员的增加多播路由中需要附加节点的数量。可以看到，DODMRP和最小多播路由传输协议与ODMRP相比得到了明显的改进。虽然DODMRP需要最少的附加节点，但最小多播路由传输协议和它相差不多。

图5(c)表示出了在不同多播组规模下平均中继收益。随着多播组大小的增加，不同协议的中继收益也有所增加。最小传输多播路由协议提供最高的平均中继收益。虽然差异不太明显，在它仍能反映多播路由协议的能量效率。这是因为所有的结果都是平均得到的。

随机拓扑测试：在本测试中，每轮中随机选取15个多播接收节点。仿真结果如图6所示。

图6(a)描述的是归一化传输开销性能的对比。当多播组大小介于10到40之间时，最小传输多播路由协议的传输开销减少极为明显。虽然性能受到随机拓扑不确定性的影响，最小传输多播路由协议平均上比其他两个协议更有优势。

图6(b)展示了不同多播组大小情况下额外节点数目的变化。当多播组较小时，最小传输多播路由协议和DODMRP相当，然而，随着多播组的增大，DODMRP需要更少的额外节点。

图6(c)说明了平均转发收益的结果。和网格拓扑结构测试类似的是，不同协议的Average RelayProfit随多播组大小的增加而增加，且最小传输多播路由协议提供了最高的平均转发收益。

从图5和图6也可以看出，最小传输多播路由协议的所有指标都比采用了路径转发方案后有所改善，这得益于phs从较长路径向较短路径的转变。

本发明提出了一种新的启发式的最小传输多播路由算法，建立了传输模型，定义了偏移补偿因子并利用广播的优势，这个协议选择连接更多多播接收者的转发路由，本协议在节能方面更有效。

具体应用

由于本协议在节能方面有很好的效果，所以它的应用前景十分光明。可在军事、环境监测、医疗、工业中得到广泛应用。

Claims

1.一种面向WSN的最小传输多播路由方法，其特征在于该方法的具体步骤包括：

第1、网络模型的建立

首先在二维平面区域内部署一个多跳无线传感器；通过无向图建立网络模型，G=（V，E），V代表一组传感器节点，E表示一组通信链路，对于任意的两个传感器节点v ₁和v ₂，v ₁,v ₂

V，如果v ₂的传输功率范围在v ₁的传输功率范围之内，那么这个无向边（v ₁,v ₂）

E；

第2、协议描述和初始化

在最小传输多播协议中，每个节点都维护一张邻居信息表，表中每个条目的时间戳也被记录下来，一旦收到消息，节点会根据收到消息的NodeID在邻居信息表中查找；如果节点是新邻居，就把新的条目插入到邻居信息表中；如果是已知的邻居，该条目的时间戳记录会被更新，节点设置一个定时器以避免误导性的信息，也就是说，经过一段时间之后邻居信息表中逾期的条目将被回收；

第3、最小传输多播路由协议

最小传输多播路由协议也适用于动态生成路由和维护多播组成员，这样能够降低信道开销并提高扩展性；当多播源节点需要发送数据时，会广播一个多播请求（S，GroupID）；为保持本发明的连贯性，本发明把这一多播请求看作JoinQuery信息；

（1）JoinQuery传播：当多播源节点有数据需要发送时，多播源节点会广播一个JoinQuery信息；

（2）JoinReply的传播：当节点接收到一个JoinReply，无论这个节点是一个多播接收者与否，这个节点都会检查自己是不是JoinReply选定的下一个节点；

（3）偏移补偿方案：启发式最小传播多播路由协议采用偏移补偿方法，如果给定节点具有较大的RelayProfit和高优先级PathProfit来承担转发任务，这会减少转发节点的数目并增加叶子节点；

（4）优化：为进一步减小多播传输费用，最小传输多播路由协议利用监听来减小不必要的传输损耗，这被称为路径转换方案；因为无线介质是共享的，监听的原则是每个节点侦听来自邻居的数据包。