CN103986648B - 一种基于链路稳定性和能量感知物联网路由修复方法 - Google Patents
一种基于链路稳定性和能量感知物联网路由修复方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于链路稳定性和能量感知物联网路由修复方法，根据估算出节点间的链路状态信息和节点的剩余能量信息进行路由预判，采用广播请求‑应答方式来建立网络路由，并以先接后断的方式来替换即将损坏的链路来继续转发数据，提高了路由的稳定性，节约了节点的能量消耗，延长了网络的生命周期。本发明提出了一种基于链路稳定性和能量感知的物联网路由修复方法，建立一种先接后断的路由修复机制，综合路由稳定和节点能量的性能指标，通过周期的检测节点的剩余能量和节点间链路状态信息，主动建立转发数据的替换路由，有效控制了网络开销，提高了数据转发率，延长了网络生存周期，降低了网络延迟，提高了网络的稳定度和路由保持时间。
Description
技术领域
本发明属于物联网技术领域，尤其涉及一种基于链路稳定性和能量感知物联网路由修复方法。
背景技术
在许多实际应用中，由于物联网节点的移动性、能量的有限性和射频距离的有限性，造成网络拓扑结构的频繁变化，如何选择最佳节点的路由策略和路由维护修复机制等是路由技术的难点问题，现有的物联网路由修复算法都是基于链路故障、先断后接的路由修复方法，缺少预判机制，网络消耗大，数据时延大，网络稳定性差。
由于物联网节点的移动性和能量的有限性等问题，容易造成路由链路的中断，大多路由算法是检测链接失败后，才启动路由修复机制，增加了网络开销、容易造成数据丢失和网络延迟等问题。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于链路稳定性和能量感知物联网路由修复方法，旨在解决现有的路由算法是检测链接失败后，才启动路由修复机制，增加了网络开销、容易造成数据丢失和网络延迟的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种基于链路稳定性和能量感知物联网路由修复方法，该基于链路稳定性和能量感知物联网路由修复方法包括：
第一步，根据估算出节点间的链路状态信息和路径的剩余能量信息进行路由预判；
第二步，采用广播请求-应答方式来建立网络路由；
第三步，并以先接后断的方式来替换即将损坏的链路来继续转发数据；
先接后断的方式来替换即将损坏的链路来继续转发数据的具体包括：
步骤一，初始化，设定监控周期T，节点能量阈值Eth，链路稳定阈值Sth；
步骤二，判断节点能量是否大于Eth，链路稳定值是否大于Sth，是，则转到下一级节点，返回步骤二；否，则执行下一步；
步骤三，判断节点是否为中间节点，是，则执行下一步；否，则判断节点是否为源节点，是源节点则继续转发数据直到能量耗尽，不是源节点则转到目的节点，向源节点发送终止信号数据包；
步骤四，向1跳邻居节点发送路由交互信息HLP包，判断接收到路由交互信息HLP包的邻居节点是否存在有效路由；是，则执行下一步；否，则判断检测计时器是否结束，检测计时器结束向源节点发送路径更换请求RCR数据包，检测计时器没有结束，返回到上一级节点，返回步骤二；
步骤五，向发送路由交互信息HLP包的节点返回路由交互信息HLP包并更新其自身的路由表，替换路由，返回步骤一。
进一步，该基于链路稳定性和能量感知物联网路由修复方法的链路稳定性和能量混合模型：
物联网拓扑结构看做一个无向图的网络模型G＝(V,E)，其中V表示一组节点，E表示一组连接节点的边集，P(u,v)＝{P0,P1,P2,…,Pn}是节点u和节点v之间所有可能路径的集合，Pi是节点u和v间的第i条可能路径，i取值为0到n，选择出节点u到节点v的最优路径，
链路稳定性和路径剩余能量的公式如下：
其中，F1为链路稳定性，F2为路径剩余能量，e为路径Pi中的节点；S(e)为节点e的稳定度，C(e)为节点e的节点剩余能量；Ei和Ei0分别表示路径Pi的剩余能量和总能量，Eth表示节点的能量阈值。
链路稳定性公式和路径剩余能量公式转化成一个总体的优化公式，该公式提供两个重要参数(w1和w2)，其表达式如式(4)所示：
其中w1和w2为路径能量和链路稳定值之间的设定的系数，w1和w2取值为0到1，且w1+w2＝1；
取该目标总和的最大值，用下面公式(5)表示：
MRFact(Pi)＝max{RFact(P1),RFact(P2),…,RFact(Pn)}(5)
路径在接收数据分组信息时，根据公式(1)和公式(2)分别计算出链路的稳定值和路径的剩余能量，然后利用公式(5)选取最优路径，来完成路由的选定。
进一步，该基于链路稳定性和能量感知物联网路由修复方法的路由预判具体方法包括：
步骤一，首先判断接收路由发现请求消息RREQ的节点中是否存在到达目的节点的有效路由，若存在建立链路；
步骤二，根据公式(1)和公式(2)分别计算出接收路由发现请求消息RREQ节点的路径剩余能量和接收路由发现请求消息RREQ节点和发送路由发现请求消息RREQ节点间的链路稳定值；
步骤三，判断接收节点的路径剩余能量和接收路由发现请求消息RREQ节点和发送路由发现请求消息RREQ节点间的链路稳定值是否大于阈值，若小于阈值，则放弃该节点；
步骤四，若大于阈值，在发送路由发现请求消息RREQ节点中记录满足条件的节点及路径信息，并根据公式(4)和公式(5)选择最优节点转发RREQ包；
步骤五，返回到步骤一，继续执行，直到建立路由。
本发明提供的基于链路稳定性和能量感知物联网路由修复方法，根据估算出节点间的链路状态信息和节点的剩余能量信息进行路由预判，采用广播请求-应答(RREQ-RREP)方式来建立网络路由，并以先接后断的方式来替换即将损坏的链路来继续转发数据，这样路由稳定性得到提高，节约了节点的能量消耗，延长了网络的生命周期。本发明提出了一种基于链路稳定性和能量感知的物联网路由修复方法，建立一种先接后断的路由修复机制，综合路由稳定和节点能量的性能指标，通过周期的检测节点的剩余能量和节点间链路状态信息，主动建立转发数据的替换路由，有效控制了网络开销，提高了数据转发率，延长了网络生存周期，降低了网络延迟，提高了网络的稳定度和路由保持时间。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于链路稳定性和能量感知物联网路由修复方法流程图；
图2是本发明实施例提供的路由预判流程图；
图3是本发明实施例提供的先接后断的路由修复策略的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例的基于链路稳定性和能量感知物联网路由修复方法包括以下步骤：
S101：根据估算出节点间的链路状态信息和路径的剩余能量信息进行路由预判；
S102：采用广播请求-应答(RREQ-RREP)方式来建立网络路由；
S103：并以先接后断的方式来替换即将损坏的链路来继续转发数据。
本发明的链路稳定性和能量混合模型：
物联网拓扑结构可以看做一个无向图的网络模型G＝(V,E)，其中V表示一组节点，E表示一组连接节点的边集，P(u,v)＝{P0,P1,P2,…,Pn}是节点u和节点v之间所有可能路径的集合，Pi是节点u和v间的第i条可能路径，i取值为0到n，现在的主要问题是选择出节点u到节点v的最优路径，
链路稳定性和路径剩余能量的公式如下：
其中，F1为链路稳定性，F2为路径剩余能量，e为路径Pi中的节点；S(e)为节点e的稳定度，C(e)为节点e的节点剩余能量；Ei和Ei0分别表示路径Pi的剩余能量和总能量，Eth表示节点的能量阈值。
上述的链路稳定性公式和路径剩余能量公式可以转化成一个总体的优化公式，该公式提供两个重要参数(w1和w2)，其表达式如式(4)所示：
其中w1和w2为路径能量和链路稳定值之间的设定的系数，w1和w2取值为0到1，且w1+w2＝1
取该目标总和的最大值，可用下面公式(5)表示：
MRFact(Pi)＝max{RFact(P1),RFact(P2),…,RFact(Pn)}(5)
路径在接收数据分组信息时，根据公式(1)和公式(2)分别计算出链路的稳定值和路径的剩余能量，然后利用公式(5)选取最优路径，来完成路由的选定；
本发明的基于链路稳定和节点能量的路由预判流程图如图2所示，
具体算法流程说明如下：
步骤一，首先判断接收路由发现请求消息RREQ的节点中是否存在到达目的节点的有效路由，若存在建立链路；
步骤二，根据公式(1)和公式(2)分别计算出接收路由发现请求消息RREQ节点的路径剩余能量和接收路由发现请求消息RREQ节点和发送路由发现请求消息RREQ节点间的链路稳定值；
步骤三，判断接收节点的路径剩余能量和接收路由发现请求消息RREQ节点和发送路由发现请求消息RREQ节点间的链路稳定值是否大于阈值，若小于阈值，则放弃该节点；
步骤四，若大于阈值，在发送路由发现请求消息RREQ节点中记录满足条件的节点及路径信息，并根据公式(4)和公式(5)选择最优节点转发路由发现请求消息RREQ包；
步骤五，返回到步骤一，继续执行，直到建立路由。
本发明的先接后断的路由修复策略：
具体包括以下步骤：
步骤一，初始化，设定监控周期T，节点能量阈值Eth，链路稳定阈值Sth；
步骤二，判断节点能量是否大于Eth，链路稳定值是否大于Sth，是，则转到下一级节点，返回步骤二；否，则执行下一步；
步骤三，判断节点是否为中间节点，是，则执行下一步；否，则判断节点是否为源节点，是源节点则继续转发数据直到能量耗尽，不是源节点则转到目的节点，向源节点发送终止信号数据包；
步骤四，向1跳邻居节点发送路由交互信息HLP包，判断接收到路由交互信息HLP包的邻居节点是否存在有效路由；是，则执行下一步；否，则判断检测计时器是否结束，检测计时器结束向源节点发送路径更换请求RCR数据包，检测计时器没有结束，返回到上一级节点，返回步骤二；
步骤五，向发送路由交互信息HLP包的节点返回路由交互信息HLP包并更新其自身的路由表，替换路由，返回步骤一。
先接后断的路由修复策略的流程如图3所示，该策略适用于由节点移动性、能量消耗、拥塞等造成具有链路损坏的路径中，每隔T秒执行一次，监控建立的路由状态，T值的大小是基于节点的移动性确定的，若中间节点能量处于电池临界状态或者接收弱信号的数据包，中间节点会产生一个TTL为1的路由交互信息HLP信息，广播这个信息给邻居节点，邻居节点接收路由交互信息HLP数据包，在自身的路由表检测到路由交互信息HLP数据包指定的目的节点的路由有效性，如果路由是有效的，将返回到上一级广播路由交互信息HLP数据包的节点，更新自身的路由表，数据包按新的路由进行传送，可以有效防止因为链路损坏造成数据丢失，若目的节点的能量在临界状态的话，它将发生通信终止信号给源节点，避免由于路由损坏，造成的数据包丢失和资源浪费，如果在1跳邻居节点中没有有效的替换路由，在计时器计时结束后，节点将发送路径更换请求(RCR)给源节点，源节点在接收到(RCR)后，重新进行路由发现，在现有路由损坏前，发现替换路由，同时对邻居节点路由表进行路由更新，如果能量耗尽的节点是源节点的话，它将继续转发数据直到能量全部耗尽，该机制提高了数据转发率，减少了数据包的丢失和产生的延迟，能快速适应网络路由转变，避免数据包传送给无效目的节点，减小资源浪费。
本发明的工作原理：在路由建立的过程中，加入了路由预判机制，这样在路由发现的过程中，能够寻找到最优路径，可以有效降低网络开销，提高网络稳定性，延长路由保持时间，在建立路由之后，定期进行路由修复，本发明提出了一种新型的先接后断的路由修复策略，可以有效减少数据丢失，提高网络稳定度，消耗能量较小。
本发明提出了一种基于链路稳定性和能量感知的物联网路由修复方法，建立一种先接后断的路由修复机制，综合路由稳定和节点能量的性能指标，通过周期的检测节点的剩余能量和节点间链路状态信息，主动建立转发数据的替换路由。仿真实验表明，该算法可以有效控制网络开销，提高数据转发率，延长网络生存周期，降低网络延迟。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于链路稳定性和能量感知物联网路由修复方法，其特征在于，该基于链路稳定性和能量感知物联网路由修复方法包括：
第一步，根据估算出节点间的链路状态信息和路径的剩余能量信息进行路由预判；
第二步，采用广播请求-应答方式来建立网络路由；
第三步，并以先接后断的方式来替换即将损坏的链路来继续转发数据；
所述先接后断的方式来替换即将损坏的链路来继续转发数据具体包括：
步骤一，初始化，设定监控周期T，节点能量阈值Eth，链路稳定阈值Sth，所述监控周期T的大小是基于节点的移动性确定；
步骤二，判断节点能量是否大于节点能量阈值Eth，链路稳定值是否大于链路稳定阈值Sth，是，则转到下一级节点，返回步骤二；否，则执行下一步；
步骤三，判断节点是否为中间节点，是，则执行下一步；否，则判断节点是否为源节点，是源节点则继续转发数据直到能量耗尽，不是源节点则转到目的节点，向源节点发送终止信号数据包；
步骤四，向1跳邻居节点发送路由交互信息HLP包，判断接收到路由交互信息HLP包的邻居节点是否存在有效路由；是，则执行下一步；否，则判断检测计时器是否结束，检测计时器结束向源节点发送路径更换请求RCR数据包，检测计时器没有结束，返回到上一级节点，返回步骤二；
步骤五，向发送路由交互信息HLP包的节点返回路由交互信息HLP包并更新其自身的路由表，替换路由，返回步骤一；
该基于链路稳定性和能量感知物联网路由修复方法的链路稳定性和能量混合模型包括：
物联网拓扑结构看做一个无向图的网络模型G＝(V,E)，其中V表示一组节点，E表示一组连接节点的边集，P(u,v)＝{P0,P1,P2，…,Pn}是节点u和节点v之间所有可能路径的集合，Pi是节点u和v间的第i条可能路径，i取值为0到n，选择出节点u到节点v的最优路径；
链路稳定性和路径剩余能量的公式如下：
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其中，F1为链路稳定性，F2为路径剩余能量，e为路径Pi中的节点；S(e)为节点e的稳定度，C(e)为节点e的节点剩余能量；Ei和Ei0分别表示路径Pi的剩余能量和总能量，Eth表示节点的能量阈值；
链路稳定性公式和路径剩余能量公式转化成一个总体的优化公式，该公式提供两个重要参数(w1和w2)，其表达式如式(4)所示：
<mrow>
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其中w1和w2为路径能量和链路稳定值之间的设定的系数，w1和w2取值为0到1，且w1+w2＝1；
取该目标总和的最大值，用下面公式(5)表示：
MRFact(Pi)＝max{RFact(P1),RFact(P2),…，RFact(Pn)} (5)
路径在接收数据分组信息时，根据公式(1)和公式(2)分别计算出链路的稳定值和路径的剩余能量，然后利用公式(5)选取最优路径，来完成路由的选定；
所述路由预判具体方法包括：
步骤一，首先判断接收路由发现请求消息RREQ的节点中是否存在到达目的节点的有效路由，若存在建立链路；
步骤二，根据公式(1)和公式(2)分别计算出接收路由发现请求消息RREQ节点的路径剩余能量和接收路由发现请求消息RREQ节点和发送路由发现请求消息RREQ节点间的链路稳定值；
步骤三，判断接收节点的路径剩余能量和接收路由发现请求消息RREQ节点和发送路由发现请求消息RREQ节点间的链路稳定值是否大于阈值，若小于阈值，则放弃该节点；
步骤四，若大于阈值，在发送路由发现请求消息RREQ节点中记录满足条件的节点及路径信息，并根据公式(4)和公式(5)选择最优节点转发路由发现请求消息RREQ包；
步骤五，返回到步骤一，继续执行，直到建立路由。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |