CN103796272A - 一种延长IPv6无线传感器网络寿命的路由构建方法 - Google Patents

Abstract

一种延长IPv6无线传感器网络寿命的路由构建方法，包括：中间节点收到DIO消息并解析，获取DODAGID、发送节点的ID、rank和剩余能量等级，并获取RSSI；计算中间节点的DODAGID、rank和剩余能量等级；根据RSSI计算发送节点和中间节点之间的LQI；创建父节点列表，并保存DODAGID、LQI、发送节点的ID、rank和剩余能量等级；目标函数利用发送者的rank、剩余能量等级和LQI三种度量信息以及相应的约束条件计算最优路径，确定首选父节点；构建DIO消息并广播。本发明引入并将rank，剩余能量等级和LQI三种路由度量有机结合起来构建路由，保证数据在快速稳定交互的前提下，极大地延长了网络寿命。

Description

一种延长IPv6无线传感器网络寿命的路由构建方法

技术领域

本发明涉及IPv6无线传感器网络技术领域，具体涉及一种延长IPv6无线传感器网络寿命的路由构建方法。

背景技术

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织的网络，目前无线传感器网络已得到了广泛的应用，由于大量传感器节点的地址分配会产生IPv4的地址危机问题，而IPv6在地址自动配置、寻址能力等方面相对IPv4具有绝对的优势，这使得IPv6和WSN结合面临着空前的机遇，基于IPv6的无线传感器网络已取得空前的发展。IETF(Internet Engineering Task Force，Internet工程任务组)工作组ROLL(Routing Over Low power and Lossy networks，低功耗有损网络路由）结合低功耗有损网络的特点研究制定了IPv6无线传感器网络路由协议——RPL（Routing Protocol for LLN，低功耗有损网络路由协议）协议。

RPL是为LLN而设计的距离矢量路由协议,通过使用目标函数(ObjectFunction,OF)和度量集合构建具有目的地的有向无环图。该路由的构建过程如图2所示，LBR（LoWPAN Border Router，边界路由器）发送包含图相关信息的DIO消息,监听LBR的节点A收到之后,加入到图中，并回复包含自己前缀信息的DAO（Destination Advertisement Object，目的地通告）消息给LBR。节点A发送DIO消息，其功率发送范围内的B接收后加入图中并回复DAO消息；网络启动后,节点B曾收到节点C发来的DIS（DODAG Information Solicitation，请求消息）消息，在节点B加入图之后,对节点C发送DIO，邀请其加入DODAG，节点C向其父节点B发送DAO消息，节点B收到后会整合信息，向其父节点发送DAO消息，逐级整合并回送DAO消息直到LBR，在LBR处包含所有节点的前缀信息。

目前无线传感器网络中常用的路由度量主要有两类：一类是反映节点属性的跳数，节点剩余能量；另一类是反映链路属性的吞吐量，延迟，链路质量水平以及期望传输次数（ETX）。目前，跳数和ETX是在与RPL相关联的标准中唯一被使用的路由度量。但是，这两种路由度量均没有考虑节点剩余能量，这样可能导致数据交互过于集中在网络的某个区域，造成网络负载均衡性问题，从而严重影响网络寿命；而且由于无线环境的复杂性，使得节点不能选择可靠的路径进行数据交互，从而增加数据重传的概率，浪费节点的能量。

现有技术中，主要通过以下路由构建方法来延长IPv6无线传感器网络寿命：

将电池剩余能量划分成0-255个等级，其中0为空，255为满。并使用著名的电池理论模型，利用每个节点状态当前的消耗，持续评估电池剩余能量，对每个节点剩余能量进行等级划分。在现有标准RFC6550的rank值计算公式基础上引进新的变量step=MAX_energy-Node_energy，从而计算节点的rank，即基于能量的rank。

但以上技术方案中，使用电池理论模型虽然能精确地算出节点剩余能量，但由于其复杂的计算和对内存的要求，在实际传感器节点中不可用；而且现有硬件已经具备计算并显示节点剩余能量的能力。另外，该方案纯粹以能量为路由度量，而没有考虑时延和链路稳定性等方面的因素，使得该方案在实际应用中存在诸多方面的问题。

发明内容

本发明提供一种延长IPv6无线传感器网络寿命的稳定的路由构建方法，通过引入剩余能量等级和LQI，并将rank，剩余能量等级和LQI三种路由度量有机结合起来，保证数据在快速稳定交互的前提下，极大地延长网络寿命。

本发明提供的延长网络寿命的路由构建方法，包括：

sink节点构建DIO（DODAG Information Object，DODAG，消息对象）消息（包括DODAGID、rank和剩余能量等级）并广播；

中间节点收到DIO消息并解析，获取RSSI、DODAGID(Destination OrientedDirected Acyclic Graph ID,有向无环图ID)、发送者的ID、rank和剩余能量等级等消息,并获取RSSI；

计算所述中间节点DODAGID、rank和剩余能量等级；

根据所述RSSI（Received Signal Strength Indication，接收信号强度指示）计算发送者和所述中间节点之间的LQI(Link Quality Indication，链路质量指示)；

创建父节点列表，并保存所述DODAGID、LQI、发送者的ID、rank和剩余能量等级；

目标函数利用所述发送者的rank、剩余能量等级和LQI三种度量信息以及相应的约束条件计算最优路径，确定首选父节点；

构建DIO消息并广播。

本发明中，所述DIO消息中包含DODAGID、发送者的ID、rank以及剩余能量等级等信息。

所述发送节点和所述中间节点之间的LQI由IEEE802.15.4定义，为所收到的数据包的强度和/或质量。

所述发送节点和所述中间节点之间的LQI由微控制器根据所述RSSI计算所得，即LQI=255*(RSSI+81)/91。

若所述中间节点只有一个候选父节点，则选择该候选父节点为首选父节点。若所述中间节点有多个候选父节点，则优先选择rank值最小的节点。若所述中间节点有多个rank相等的候选父节点，则所述中间节点根据剩余能量等级和LQI两种度量信息，计算各个候选父节点对应的权重值，选择LQI更好、剩余能量等级更大即权重最大的候选父节点为最佳父节点，即首选父节点，从而建立路由；权重函数的定义如下：

$w(V,C_i)=\frac{\mathrm{LQI}(C_i,V)}{\mathrm{LQ}{I}_{\max }(C,V)}+\frac{\mathrm{REL}\left(C_i\right)}{{\mathrm{REL}}_{\max }\left(C\right)}$

其中，V为所述中间节点，C为所述中间节点的候选父节点集，LQI(C_i,V)为所述候选父节点集C中候选父节点C_i到所述中间节点的链路质量指示，LQI_max(C,V)为所述候选父节点集C到所述中间节点的最大的链路质量指示，REL(C_i)为所述候选父节点C_i的剩余能量等级，REL_max(C)为所述候选父节点集C中候选父节点的最大剩余能量等级。

本发明中，所述的剩余能量等级为离散的整数值。使得在选择剩余能量更多的节点作为首选父节点时有更多的余地。因为并不只有剩余能量最多的节点才能被选中，而接近于最高剩余能量的节点也有被选中的机会；且所述剩余能量等级为离散的正整数，便于维护。

上述技术方案可以看出，由于本发明实施例通过引入剩余能量等级和LQI，并将rank，剩余能量等级和LQI三种路由度量有机结合起来，保证数据在快速稳定交互的前提下，极大地延长了网络寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例一中的路由构建方法；

图2是本发明实施例二中的路由构建方法；

图3是本发明实施例三中的路由构建方法。

具体实施方式

下面将结合附图和本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例一是提供一种延长IPv6无线传感器网络寿命的方法，通过引入剩余能量等级和LQI，并将rank，剩余能量等级和LQI三种路由度量有机结合起来，保证数据在快速稳定交互的前提下，极大地延长网络寿命。

图1为本发明路由构建方法实施例一的流程图，包括：

S101：路由构建初始阶段，sink节点构建DIO消息（包括DODAGID、rank和剩余能量等级）并广播。

本发明实施例可以适用于多种IPv6无线传感器网络的实施场景，例如：传感器可以置于无人值守的野外，用来检测野生动物生存状况，节点供电设备常年不更换。

若传感器节点处于sink节点为协调器的网络中，路由的构建从sink节点发起DIO消息开始，分两种情况：1、sink定期或者不定期在该网络中广播DIO消息；2、全局修复机制启动。本领域普通技术人员可以理解，本发明在此不做详细介绍。

本发明在DIO广播消息中扩展8bit的空间用于存储节点剩余能量等级，即将剩余能量进行等级划分，具体算法如下：

设节点i的初始能量为E₀，将所述节点i的初始能量划分为n个等级（即所述节点i的初始能量等级为n），则所述每个等级的能量为E_p/level=E₀/n，但随着所述节点i的能量消耗，所述剩余能量等级也随之下降，在某一时刻所述节点i的剩余能量等级为：REL_{i_cur}=[E_{i_cur}/E_p/level]，其中，E_{i_cur}为所述节点i当前剩余能量，[]为向上取整函数，所述节点i的剩余能量等级为[1，n]之间的正整数。

S102：中间节点收到DIO消息，解析报文内容，获取sink节点的DODAGID、sink节点的ID、rank和剩余能量等级，并通过接受信号强度/质量获取RSSI值。

S103：计算中间节点的DODAGID、rank和剩余能量等级；

具体地，中间节点获取到sink节点的DODAGID和rank之后，更新自己的DODAGID和rank分别为sink节点的DODAGID和rank+1，同时通过剩余能量等级算法，计算自己的剩余能量等级。

S104：根据所述RSSI计算发送节点和所述中间节点之间的LQI；

具体地，中间节点获取到RSSI之后，由微控制器根据RSSI和LQI转换公式：LQI=255*(RSSI+81)/91，计算sink节点和该中间节点之间的LQI。

S105：创建父节点列表，并保存所述DODAGID、LQI、sink节点的ID、rank和剩余能量等级；

具体地，中间节点创建父节点列表，并将收到的DIO消息中DODAGID、sink节点的ID、rank和剩余能量等级，假设初始剩余能量等级n=255，则节点的剩余能量等级为[1,255]），以及sink节点和该中间节点之间的LQI这五类数据保存至列表，如表1所示。

表1父节点列表

S106：目标函数利用所述发送者的rank、剩余能量等级和LQI三种度量信息以及相应的约束条件计算最优路径，确定首选父节点；

具体地，目标函数利用所述发送者的rank、剩余能量等级和LQI三种度量信息以及相应的约束条件计算最优路径，确定首选父节点；由于本实施例中路由构建初始阶段，每个DAG中只有一个DODAG根节点（本方案中用sink节点表示），因此中间节点直接选择该父节点为首选父节点，而无需通过目标函数计算的方式获取首选父节点。

S107：构建DIO消息并广播；

具体地，中间节点构建DIO消息，其中DIO消息中包含DODAGID、该中间节点的ID、rank和剩余能量等级等信息。

图2为本发明路由构建方法实施例二的流程图，如图2所示，本实施例的方法可以包括：

S201：中间节点收到DIO消息，解析报文内容，获取DODAGID、发送节点的ID、rank和剩余能量等级，并通过接受信号强度/质量获取RSSI值。

其中本发明在DIO广播消息中扩展8bit的空间用于存储节点剩余能量等级。

具体算法如下：

设节点i的初始能量为E₀，将所述节点i的初始能量划分为n个等级（即所述节点i的初始能量等级为n），则所述每个等级的能量为E_p/level=E₀/n，但随着所述节点i的能量消耗，所述剩余能量等级也随之下降，在某一时刻所述节点i的剩余能量等级为：REL_{i_cur}=[E_{i_cur}/E_p/level]，其中，E_{i_cur}为所述节点i当前剩余能量，[]为向上取整函数，所述节点i的剩余能量等级为[1，n]之间的正整数。

S202：计算中间节点的DODAGID、rank和剩余能量等级；

中间节点获取到发送节点的DODAGID和rank之后，更新自己的DODAGID和rank分别为发送节点的DODAGID和rank+1，同时通过剩余能量等级算法，计算自己的剩余能量等级。

S203：根据所述RSSI计算发送节点和所述中间节点之间的LQI；

具体地，中间节点获取到RSSI之后，由微控制器根据RSSI和LQI转换公式：LQI=255*(RSSI+81)/91，计算发送节点和该中间节点之间的LQI。

S204：创建父节点列表，并保存所述DODAGID、LQI、发送节点的ID、rank和剩余能量等级；

具体地，中间节点创建父节点列表，并将收到的DIO消息中DODAGID、发送节点的ID、rank和剩余能量等级（假设初始剩余能量等级n=255，则节点的剩余能量等级为[1,255]），以及发送节点和该中间节点之间的LQI这五类数据保存至列表，如表2所示。

表2父节点列表

S205：目标函数利用所述发送者的rank、剩余能量等级和LQI三种度量信息以及相应的约束条件计算最优路径，确定首选父节点；

具体地，目标函数利用所述发送者的rank、剩余能量等级和LQI三种度量信息以及相应的约束条件计算最优路径，确定首选父节点；由于本实施例中父节点列表有多个候选父节点，则首选父节点的选择由以下两步组成：

1、选择rank最小的节点，即选择0x0002和0x0004两个节点（若rank最小的节点只有一个，则无需执行第2步）；

2、中间节点根据剩余能量等级和LQI两种度量信息，计算这两个父节点对应的权重值，权重函数的定义如下：

$w(V,C_i)=\frac{\mathrm{LQI}(C_i,V)}{\mathrm{LQ}{I}_{\max }(C,V)}+\frac{\mathrm{REL}\left(C_i\right)}{{\mathrm{REL}}_{\max }\left(C\right)}$

其中，V为所述中间节点，C为所述中间节点的候选父节点集，LQI(C_i,V)为所述候选父节点集C中候选父节点C_i到所述中间节点的链路质量指示，LQI_max(C,V)为所述候选父节点集C到所述中间节点的最大的链路质量指示，REL(C_i)为所述候选父节点C_i的剩余能量等级，REL_max(C)为所述候选父节点集C中候选父节点的最大剩余能量等级。

经过计算得节点0x0002的权重值为1.621，节点0x0004的权重值为1.633，故该中间节点选择节点0x0004为首选父节点，并建立到该首选父节点的最优路径。

S206：构建DIO消息并广播。

具体地，中间节点构建DIO消息，其中DIO消息中包含DODAGID、该中间节点的ID、rank和剩余能量等级等信息。

图3为本发明路由构建方法实施例三的流程图，如图3所示，本实施例的方法可以包括：

S301：中间节点收到DIO消息，解析报文内容，获取DODAGID、发送节点的ID、rank和剩余能量等级，并通过接：受信号强度/质量获取RSSI值。

其中本发明在DIO广播消息中扩展8bit的空间用于存储节点剩余能量等级。

具体算法如下：

设节点i的初始能量为E₀，将所述节点i的初始能量划分为n个等级（即所述节点i的初始能量等级为n），则所述每个等级的能量为E_p/level=E₀/n，但随着所述节点i的能量消耗，所述剩余能量等级也随之下降，在某一时刻所述节点i的剩余能量等级为：REL_{i_cur}=[E_{i_cur}/E_p/level]，其中，E_{i_cur}为所述节点i当前剩余能量，[]为向上取整函数，所述节点i的剩余能量等级为[1，n]之间的正整数。

S302：判断发送节点的DODAGID是否大于中间节点的DODAGID，如果不大于，则转向执行S303；如果大于，则转向执行S304。

S303:判断发送节点的rank是否大于中间节点的rank，如果大于，则转向执行S305；如果小于，则转向执行S306。

S304:计算中间节点的DODAGID，并转向执行S306。

由于发送节点的DODAGID>中间节点的DODAGID，说明是重新构建DODAG的命令，中间节点将自己的DODAGID更新为发送者的DODAGID。

S305:丢弃DIO消息。

由于发送节点的rank>中间节点的rank，而在路由构建过程中rank值为单调递增，因此该DIO消息为过时的DIO消息，中间节点直接将其丢弃。

S306:计算中间节点的rank和剩余等级。

中间节点执行完上述判定之后，将自己的rank为变成发送节点的rank+1，同时通过剩余能量等级算法，计算自己的剩余能量等级。

S307:根据所述RSSI计算发送节点和所述中间节点之间的LQI；

中间节点获取到RSSI之后，由微控制器根据RSSI和LQI转换公式：LQI=255*(RSSI+81)/91，计算发送节点和该中间节点之间的LQI。

S308:创建父节点列表，并保存所述DODAGID、发送节点的ID、rank和剩余能量等级、LQI；

具体地，中间节点创建父节点列表，并将收到的DIO消息中DODAGID、发送节点的ID、rank和剩余能量等级（假设初始剩余能量等级n=255，则节点的剩余能量等级为[1,255]），以及发送节点和该中间节点之间的LQI这五类数据保存至列表，如表3所示。

表3父节点列表

S309：目标函数利用所述发送者的rank、剩余能量等级和LQI三种度量信息以及相应的约束条件计算最优路径，确定首选父节点；

具体地，目标函数利用所述发送者的rank、剩余能量等级和LQI三种度量信息以及相应的约束条件计算最优路径，确定首选父节点；由于本实施例中父节点列表有多个候选父节点，则首选父节点的选择由以下两步组成：

1、则选择rank最小的节点，即选择0x0005和0x0013两个节点（若rank最小的节点只有一个，则无需执行第2步）；

2、中间节点根据剩余能量等级和LQI两种度量信息，计算这两个父节点对应的权重值，权重函数的定义如下：

其中，V为所述中间节点，C为所述中间节点的候选父节点集，LQI(C_i,V)为所述候选父节点集C中候选父节点C_i到所述中间节点的链路质量指示，LQI_max(C,V)为所述候选父节点集C到所述中间节点的最大的链路质量指示，REL(C_i)为所述候选父节点C_i的剩余能量等级，REL_max(C)为所述候选父节点集C中候选父节点的最大剩余能量等级。

经过计算得节点0x0005的权重值为1.844，节点0x0013的权重值为1.822，故该中间节点选择节点0x0005为首选父节点，并建立到该首选父节点的最优路径。

S310：构建DIO消息并广播。

中间节点构建DIO消息，其中DIO消息中包含DODAGID、该中间节点的ID、rank和剩余能量等级等信息。

需要说明的是，上述方法各设备之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器（ROM，Read Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁盘或光盘等。

以上对本发明实施例所提供的一种延长IPv6无线传感器网络寿命的路由构建方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种延长IPv6无线传感器网络寿命的路由构建方法，其特征在于，包括：

中间节点收到消息对象DIO消息并解析，获取有向无环图DODAGID、发送节点的ID、rank和剩余能量等级，并获取接收信号强度指示RSSI；

计算中间节点的有向无环图DODAGID、rank和剩余能量等级；

根据所述接收信号强度指示RSSI计算发送节点和所述中间节点之间的链路质量指示LQI；

创建父节点列表，并保存所述有向无环图DODAGID、链路质量指示LQI、发送节点的ID、rank和剩余能量等级；

目标函数利用所述发送者的rank、剩余能量等级和链路质量指示LQI三种度量信息以及相应的约束条件计算最优路径，确定首选父节点；

构建DIO消息并广播。

2.根据权利要求1所述的路由构建方法，其特征在于：

所述剩余能量等级为将节点剩余能量进行等级划分，方法如下：设节点i的初始能量为E₀，将所述节点i的初始能量划分为n个等级，即所述节点i的初始能量等级为n，则所述每个等级的能量为E_p/level=E₀/n，但随着所述节点i的能量消耗，所述剩余能量等级也随之下降，在某一时刻所述节点i的剩余能量等级为：REL_{i_cur}=[E_{i_cur}/E_p/level]，其中，E_{i_cur}为所述节点i当前剩余能量，[]为向上取整函数，所述节点i的剩余能量等级为[1，n]之间的正整数。

3.根据权利要求1或2所述的路由构建方法，其特征在于：

所述DIO消息中包含有向无环图DODAGID、发送者的ID、rank以及剩余能量等级等信息。

4.根据权利要求1或2所述的路由构建方法，其特征在于：

所述发送节点和所述中间节点之间的链路质量指示LQI由IEEE802.15.4定义，为所收到的数据包的强度和/或质量。

5.根据权利要求1或2所述的路由构建方法，其特征在于：

所述发送节点和所述中间节点之间的链路质量指示LQI由微控制器根据所述接收信号强度指示RSSI计算所得，即LQI=255*(RSSI+81)/91。

6.根据权利要求1或2所述的路由构建方法，其特征在于：

所述中间节点创建父节点列表，保存有向无环图DODAGID、发送者的ID、rank、剩余能量等级和LQI等信息。

7.根据权利要求1或2所述的路由构建方法，其特征在于：

若所述中间节点只有一个候选父节点，则选择该候选父节点为首选父节点。

8.根据权利要求1或2所述的路由构建方法，其特征在于：

若所述中间节点有多个候选父节点，则优先选择rank值最小的节点。

9.根据权利要求1或2所述的路由构建方法，其特征在于：若所述中间节点有多个rank相等的候选父节点，则所述中间节点根据剩余能量等级和LQI两种度量信息，计算各个候选父节点对应的权重值，选择LQI更好、剩余能量等级更大即权重最大的候选父节点为最佳父节点，即首选父节点，从而建立路由；权重函数的定义如下：

$w(V,C_i)=\frac{\mathrm{LQI}(C_i,V)}{\mathrm{LQ}{I}_{\max }(C,V)}+\frac{\mathrm{REL}\left(C_i\right)}{{\mathrm{REL}}_{\max }\left(C\right)}$

其中，V为所述中间节点，C为所述中间节点的候选父节点集，LQI(C_i,V)为所述候选父节点集C中候选父节点C_i到所述中间节点的链路质量指示，LQI_max(C,V)为所述候选父节点集C到所述中间节点的最大的链路质量指示，REL(C_i)为所述候选父节点C_i的剩余能量等级，REL_max(C)为所述候选父节点集C中候选父节点的最大剩余能量等级。

10.根据权利要求1或2的路由构建方法，其特征在于：所述的剩余能量等级为离散的整数值。

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