CN103458487B - 无线传感网中网络编码感知跨层节能路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种无线传感网中网络编码感知跨层节能路由方法，主要包括3个方面：（1）利用流间网络编码，减少数据传输次数，节省能量消耗；（2）利用网络层、数据链路层、物理层的跨层机制，确定网络中的监听节点，从而节省大量节点用于监听不必要的大量能量消耗，延长节点生存时间，进而延长网络生存时间。本发明将跨层机制应用于网络编码感知路由，在利用流间网络编码节省数据传输次数和能量消耗的基础上，利用跨层机制大大缩小了监听节点的数目，消除了现有网络编码感知路由中大量节点监听带来的不必要能耗，从而减少了无线传感网中传感节点的能耗，延长传感网的网络生存时间。

Description

无线传感网中网络编码感知跨层节能路由方法

技术领域

本发明具体为一种无线传感网中网络编码感知跨层节能路由方法，主要适用于无线传感网中路由发现和数据传输路径选择，将跨层思想引入编码感知路由，在数据传输过程中仅开启必要节点的监听，关闭其他节点的监听，从而在利用网络编码减少数据传输次数的基础上，进一步减少节点能量消耗，延长网络生存时间。属于无线网络技术领域。

背景技术

无线传感网是由部署在监测区域内的大量传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个无线、多跳、自组织网络，其目的是将网络覆盖区域内的感知对象的信息发送给观察者。无线传感网改变了人类与自然界的交互方式，人们可通过无线传感网直接感知客观世界，扩展了现有网络的功能和人类认识世界的能力。特别是近年来，随着物联网技术越发受到人们的重视，作为物联网关键技术之一的无线传感网技术，已经成为当前网络研究领域的一个研究热点。无线传感网具有准确、灵活、易于部署等优良特性，具有广阔的应用前景。

无线传感网中节点一般工作在无人值守环境中，且基本采用电池供电，可携带能量少且难以进行能量补充。而无线传感网路由协议直接涉及网络中的数据传输和大部分能耗，直接关系到网络的生存时间。如何设计节能、高效的路由协议，以有效地降低节点能耗、延长网络生存时间，就成为无线传感网设计中的一个核心问题。

无线传感网中主要的能耗是节点间通信，减少通信量是节约能耗的主要方法。因此减少数据传输次数是节约能耗的一个重要研究方向。

传统网络中，节点以存储转发方式工作。节点对收到的数据包不进行任何操作。近年来出现的网络编码技术改变了这一工作方式，其允许节点对收到的数据包进行数学运算，这种数学运算被称为网络编码。网络编码中，未进行任何数学运算的数据包被称为原始数据包。进行网络编码运算以后的数据包被称为编码数据包。

在无线网络环境下，采用网络编码后可以减少数据传输次数，提高网络吞吐量。此外，现有研究成果表明在100m的无线链路上传输1Kb的数据和CPU执行3Mb的指令所消耗的能量相当。即引入网络编码所带来的计算能量开销，与其节省数据传输次数所节约的能量相比可忽略。因此，网络编码技术非常适合于应用到无线传感网中。

由于网络编码在减少数据传输次数和提高网络吞吐量方面的优势，研究人员针对无线传感网已经提出了一些基于网络编码的路由技术。目前适用于无线传感网路由的网络编码主要分为流内网络编码和流间网络编码。流内网络编码，是指参与编码的数据来自同一数据流。流间网络编码，是指参与编码的数据来自不同数据流。流间网络编码实现通常采用异或运算。基于流间网络编码的路由技术，又称为网络编码感知路由。本发明针对的就是使用流间网络编码的路由技术，即网络编码感知路由。

网络编码感知路由有两种基本的存在网络编码机会的拓扑结构，即链型拓扑和交叉型拓扑。在交叉型拓扑中，为了使下跳节点正确解码，下跳节点必须监听并缓存邻居节点发送的数据，常用方法是是将节点设置为混杂模式。所谓混杂模式，就是节点在不发送数据时，要处于接收状态，监听邻居节点发送的数据包。即使邻居节点发送的数据包的目的节点不是自己，也要将其接收并缓存，以备用于解码。即处于混杂模式的节点将缓存邻居节点发送的所有数据包。而链形拓扑不需要监听。

为了保证能够正确解码，目前无线传感网的网络编码感知路由，将网络中所有节点设置为混杂模式，所有节点均进行监听工作。即所有节点即便在不传输数据的时候，仍然要处于监听状态，监听并保存邻居节点发送的数据，以便于在发生网络编码的时候，节点能够对编码的数据包进行正确的解码。而节点在监听状态的时候，其能量消耗稍微少于发送数据，但仍然较为客观。

而实际上，为了正确解码，在编码拓扑中通常仅需要几个节点进行监听，其他节点不需要进行监听。如此，在使用现有网络编码感知路由的无线传感网中，很多传感节点不需要监听，却被设置为混杂模式而处于监听状态，产生了大量不必要的能量消耗，缩短了节点寿命和网络生存时间，制约了编码感知路由的节能性能。

发明内容

技术问题：现有的无线传感网的网络编码感知路由，需要网络中所有节点工作在混杂模式，主动监听邻居节点发送的数据并缓存，以便于在发生网络编码时，可以正确解码。这种方法导致不需要监听的传感器节点工作在混杂模式，大量消耗了这些节点的能量。本发明的目的主要是针对无线传感网，提出一种无线传感网中网络编码感知跨层节能路由方法，利用网络层、数据链路层、物理层的跨层协作，确定需要监听的节点集合，减少工作在混杂模式节点的数目，减少节点能量消耗，在利用网络编码减少数据传输次数的基础上，进一步提高路由能效。

技术方案：本发明基于无线传感器网络，提出一种网络编码感知跨层节能路由方法。相比于现有的无线传感网网络编码感知路由，其特殊性和创新性在于，该方法引入了在网络层、数据链路层、网络层之间的跨层协作机制。在路由发现过程中，在路由层确定监听节点，并与数据链路层、网络层交互，设定其工作模式为混杂模式。而对其他节点，包括路由上的其他节点以及不在路由上的节点，则默认设置为普通模式。普通模式下，节点在一定时间内没有数据传输后，则转入休眠模式以节省能量。采用跨层协作机制后，网络编码感知路由仅将必需的监听节点设置为混杂模式，减少了处于混杂模式的节点数量，可以减少节点能量开销，延长网络生存时间，解决了现有编码感知节能路由中所有节点均处于混杂模式，浪费节点能量的问题。

本发明的无线传感网中网络编码感知跨层节能路由方法包括以下内容：

（1）前向路由请求：源节点向目的节点发送路由请求报文RREQ（RouteREQuest）。路由请求报文被中继节点转发。路由请求报文每到达一个中继节点，将收集从上跳节点到当前节点之间链路的期望传输次数ETX（ExpectedTransmissionCount）信息、每个中继节点的邻居信息，并将这些信息保存在路由请求报文中。

（2）后向路由返回：路由请求报文在到达目的节点后，目的节点将创建路由应答报文RREP（RouteREPly）。目的节点将路由请求报文探寻到的路由信息拷贝到路由应答报文。路由应答报文将沿着路由请求报文经过的路径，反向返回源节点。路由应答报文在返回源节点的过程中，每到达一个节点，将依据基本网络编码拓扑，检查该路由是否与该节点当前经过的数据流之间存在网络编码机会。如果不存在编码机会，则被转发到下一跳节点。如果存在编码机会，将RREP报文中对应当前节点的信息进行标记，以表示其存在编码机会，并将需要监听的节点的标识号ID添加到路由应答报文RREP中。

（3）路由代价计算：源节点在最终收到多个路由应答报文后，计算各条路由的代价，并选择代价最小的路径作为路由。在确定路径后，启动节点工作模式确定模块。完成监听节点工作模式设定后，更新路由表，开始数据发送。

（4）节点工作模式确定：源节点向RREP报文中指定的监听节点，发送状态提醒报文SINFO（StatusINFOm）。状态提醒报文中保存有需要监听节点的标识号ID（IDentification）。监听节点在收到状态提醒报文后，将自己的工作状态转换为混杂模式，并开启节点内部的循环缓冲队列。

该无线传感网中网络编码感知跨层节能路由，将跨层思想引入网络编码感知路由，从而限定监听节点的集合，

该路由在利用流间网络编码减少数据传输次数的基础上，通过跨层机制确定监听节点，具体包括以下步骤：

步骤a.源节点到目的节点的前向路由请求：

步骤a1.源节点向目的节点发送路由请求报文RREQ（RouteREQuest），

步骤a2.路由请求报文在通过中继节点向目的节点转发的过程中，将收集经过的各条无线链路的期望传输次数ETX（ExpectedTransmissionCount）信息、各中继节点的标识号ID（IDentification）、各中继节点的邻居节点信息，

步骤a3.路由请求报文RREQ到达目的节点后，保存目的节点的邻居节点信息、上跳节点到目的节点的链路的ETX信息，跳转到步骤b；

步骤b.目的节点到源节点的后向路由返回：

步骤b1.目的节点收到一个路由请求报文RREQ后，将为该路由请求报文创建对应的路由应答报文RREP（RouteREPly），

步骤b2.目的节点将RREQ中保存的探寻得到的路由信息复制到对应的RREP报文中，

步骤b3.RREP报文将依据RREQ中保存的路径信息向源节点返回，目的节点取出下一跳节点，将其转发出去，

步骤b4.RREP报文到达中继节点后，依据基本网络编码拓扑，即链形拓扑和交叉形拓扑，判断该路由与经过当前节点的数据流在当前节点是否存在网络编码机会，

步骤b5.如果不存在网络编码机会，将RREP报文发送给RREQ反向路径上的下一跳节点，

步骤b6.如果当前节点存在网络编码机会，将路径信息中的当前节点进行标记，将需要监听的节点的标识号添加到RREP报文中，然后RREP报文将被发送给RREQ反向路径上的下一跳节点，

步骤b7.RREP报文到达源节点，跳转到步骤d；

步骤c.基于跨层思想的节点工作模式确定：

步骤c1.源节点为监听节点集合中的每个节点创建一个状态提醒报文SINFO（StatusINFOm），每个SINFO报文中保存有对应监听节点的标识号ID（IDentification），

步骤c2.当前节点将按照路由表和RREP中路径信息，将各个SINFO报文发送给对应的监听节点，

步骤c3.SINFO报文通过中继节点转发到达监听节点，

步骤c4.监听节点收到SINFO报文，通过与数据链路层、网络层的跨层交互，将其工作模式设置为混杂模式，即开启监听功能，同时，监听节点启用其内部的循环缓冲队列用于缓存监听得到的数据包，

步骤c5.每个监听节点向源节点返回状态提醒确认报文SINFO-ACK（StatusINFOmACKnowledgement），跳转到步骤d4。

步骤d.路由代价计算：

步骤d1.源节点收到多条RREP报文后，取出每个RREP中的路径信息，以及各条链路的ETX信息，

步骤d2.源节点将路径上以编码节点为出发点的链路的ETX值记为0，其他链路的ETX值不变，然后计算路径上各条链路的ETX值的和，作为路径的代价，

步骤d3.源节点选择代价最小的路径作为路由，取出路由上编码节点所对应需要进行监听的节点的标识号ID集合，跳转到步骤c，

步骤d4.源节点收到所有监听节点返回的状态提醒确认报文SINFO-ACK（StatusINFOmACKnowledgement）后，更新路由表。至此，路由过程结束，源节点开始数据发送。

有益效果：本发明提出了一种无线传感网中网络编码感知跨层节能路由方法，该方法具有如下优点：

（1）利用流间网络编码，减少数据传输次数，提高数据传输效率和网络吞吐量，节省网络带宽资源和能量消耗；

（2）利用跨层机制，限定了处于监听状态节点的数量，进一步减少网络的能量开销，延长网络生存时间；

（3）该发明方法具有较好的可扩展性和自适应性，能够适合各种类型的能量受限的无线多跳网络。

附图说明

图1是无线传感网中网络编码感知跨层节能路由流程图。

图2是网络编码感知路由基本编码拓扑结构图。

图3是无线传感网中网络编码感知跨层节能路由中跨层机制原理图。

图4是基于跨层机制的节点工作模式设置的示例图。

具体实施方式

无线传感网中网络编码感知跨层节能路由方法的流程图如图1所示，下面进一步详细说明本发明的技术方案和方法流程。

（1）前向路由请求

源节点创建到目的节点的路由请求报文RREQ（RouteREQuest）。RREQ报文通过中继节点转发，以泛洪方式向目的节点发送。

路由请求报文被中继节点转发，每到达一个中继节点，将收集从上跳节点到当前节点之间链路的期望传输次数ETX（ExpectedTransmissionCount）信息、每个中继节点的邻居信息，并将这些信息保存在路由请求报文RREQ中。

（2）后向路由返回

路由请求报文RREQ在到达目的节点后，目的节点将创建路由应答报文RREP（RouteREPly）。目的节点将路由请求报文RREQ中保存的路由信息拷贝到路由应答报文RREP中。

路由应答报文RREP将沿着路由请求报文经过的路径，通过单播的方式，反向返回源节点。路由应答报文在返回源节点的过程中，每到达一个节点，将依据基本网络编码拓扑，检查该路由是否与该节点当前经过的数据流之间存在网络编码机会。基本编码拓扑如图2所示。

如果不存在编码机会，则被转发到下一跳节点。如果存在编码机会，将RREP报文中对应当前节点的信息进行标记，以表示其存在编码机会，并将需要监听的节点的标识号ID添加到路由应答报文RREP中。

（3）路由代价计算：

源节点在最终收到多个路由应答报文RREP后，取出每个RREP中的路径信息，以及各条链路的ETX信息。将路径上以编码节点为出发点的链路的ETX值记为0，其他链路的ETX值不变，然后计算路径上各条链路的ETX值的和，作为路径的代价。

源节点选择代价最小的路径作为路由，取出路由上编码节点所对应需要进行监听的节点的标识号ID集合，跳转到节点工作模式确定模块。

源节点收到所有监听节点返回的状态提醒确认报文SINFO-ACK（StatusINFOmACKnowledgement）后，更新路由表，开始数据发送。

（4）节点工作模式确定

源节点为监听节点集合中的每个节点创建一个状态提醒报文SINFO（StatusINFOm），每个SINFO报文中保存有对应监听节点的标识号ID（IDentification）。

当前节点将按照路由表和RREP中路径信息，将各个SINFO报文发送给对应的监听节点，SINFO报文通过中继节点转发到达监听节点。

监听节点收到SINFO报文，通过与数据链路层、网络层的跨层交互，将其工作模式设置为混杂模式，即开启监听功能。跨层机制的工作原理如图3所示。同时，监听节点启用其内部的循环缓冲队列用于缓存监听得到的数据包，

每个监听节点向源节点返回状态提醒确认报文SINFO-ACK（StatusINFOmACKnowledgement），跳转回路由代价计算步骤。

为了直观地说明基于跨层思想的节点工作模式确定模块的工作原理，以图4中的一个示例，说明节点工作模式确定模块的工作步骤。

在图4中存在9个节点，网络中在开始阶段存在数据流flow1，该数据流流经节点的序列为1、2、3、4、5。这时，节点6有向节点9发送数据的请求，向节点9发送RREQ报文探寻路由。

最终节点6收到多个RREP报文，但选择路径6、7、3、8、9作为最终路由，形成数据流flow2。依据基本网络编码拓扑结构，发现flow1和flow2构成了交叉性编码拓扑结构，从而在节点3存在编码机会，同时节点2和节点7需要进行监听，这些信息保存在节点6收到的RREP报文中。

节点6创建2个状态提醒确认报文SINFO-ACK，其目的节点分别为2和7。

节点2、节点7在收到SINFO报文后，依据图3给出的跨层机制，将自身设置为混杂模式，并开启其循环缓冲队列，开始监听工作。

完成工作模式的设定后，节点2和节点7分别向源节点，即节点6发送SINFO-ACK报文。

节点6在收到节点2和节点7发来的SINFO-ACK报文后，将路径6、7、3、8、9作为路由，更新路由表，开始数据发送。

至此，节点6建立了到节点9的编码感知路由，并在节点3处实施网络编码，从而减少数据传输次数，节约能量消耗。

这样整个网络中，仅需要将节点2和节点7设置为混杂模式，即开启监听。其他节点只需要工作在正常模式，在没有数据传输是，可以进入休眠状态，从而大大节省了这些节点的能量消耗，从而延长了网络生存时间。

Claims (1)

1.一种无线传感网中网络编码感知跨层节能路由方法，其特征在于，该路由在利用流间网络编码减少数据传输次数的基础上，通过跨层机制确定监听节点，具体包括以下步骤：

步骤a.源节点到目的节点的前向路由请求：

步骤a1.源节点向目的节点发送路由请求报文RREQ，

步骤a2.路由请求报文在通过中继节点向目的节点转发的过程中，将收集经过的各条无线链路的期望传输次数ETX信息、各中继节点的标识号ID、各中继节点的邻居节点信息，

步骤a3.路由请求报文RREQ到达目的节点后，保存目的节点的邻居节点信息、上跳节点到目的节点的链路的ETX信息，跳转到步骤b；

步骤b.目的节点到源节点的后向路由返回：

步骤b1.目的节点收到一个路由请求报文RREQ后，将为该路由请求报文创建对应的路由应答报文RREP，

步骤b2.目的节点将RREQ中保存的探寻得到的路由信息复制到对应的RREP报文中，

步骤b3.RREP报文将依据RREQ中保存的路径信息向源节点返回，目的节点取出下一跳节点，将其转发出去，

步骤b4.RREP报文到达中继节点后，依据基本网络编码拓扑，即链形拓扑和交叉形拓扑，判断该路由与经过当前节点的数据流在当前节点是否存在网络编码机会，

步骤b5.如果不存在网络编码机会，将RREP报文发送给RREQ反向路径上的下一跳节点，

步骤b6.如果当前节点存在网络编码机会，将路径信息中的当前节点进行标记，将需要监听的节点的标识号添加到RREP报文中，然后RREP报文将被发送给RREQ反向路径上的下一跳节点，

步骤b7.RREP报文到达源节点，跳转到步骤d；

步骤c.基于跨层思想的节点工作模式确定：

步骤c1.源节点为监听节点集合中的每个节点创建一个状态提醒报文SINFO，每个SINFO报文中保存有对应监听节点的标识号ID，

步骤c2.当前节点将按照路由表和RREP中路径信息，将各个SINFO报文发送给对应的监听节点，

步骤c3.SINFO报文通过中继节点转发到达监听节点，

步骤c4.监听节点收到SINFO报文，通过与数据链路层、网络层的跨层交互，将其工作模式设置为混杂模式，即开启监听功能，同时，监听节点启用其内部的循环缓冲队列用于缓存监听得到的数据包，

步骤c5.每个监听节点向源节点返回状态提醒确认报文SINFO-ACK，跳转到步骤d4；

步骤d.路由代价计算：

步骤d1.源节点收到多条RREP报文后，取出每个RREP中的路径信息，以及各条链路的ETX信息，

步骤d2.源节点将路径上以编码节点为出发点的链路的ETX值记为0，其他链路的ETX值不变，然后计算路径上各条链路的ETX值的和，作为路径的代价，

步骤d3.源节点选择代价最小的路径作为路由，取出路由上编码节点所对应需要进行监听的节点的标识号ID集合，跳转到步骤c，

步骤d4.源节点收到所有监听节点返回的状态提醒确认报文SINFO-ACK后，更新路由表，至此，路由发现结束，源节点开始数据发送。