CN104010338A - 一种基于终端能量感知的改进aodv路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于终端能量感知的改进AODV路由方法。所述方法根据树形拓扑网络中源节点和目的节点深度得到泛洪节点范围，在终端能量感知和均衡的场景下，将设备按其剩余能量分为两个等级，并根据泛洪路径中节点消耗时间动态地划分临界能量范围，从而避免了路径中含有不同位置和时刻终端的过早死亡和失效。本发明方法实现了节点的合理泛洪和利用，有效减少了泛洪的节点总数；其面向虚拟终端系统终端侧基于终端能量感知的改进AODV路由方法非常简单而易于实现，具有很好的应用前景。

Description

一种基于终端能量感知的改进AODV路由方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种基于终端能量感知的改进AODV路由方法。

背景技术

在无线泛在网络环境下，虚拟终端系统通过异构网络融合将网络资源进行融合和管理，并通过终端聚合重构进行业务融合，为用户提供了更多样化的业务及更高的用户体验质量。在虚拟终端系统终端侧场景下，终端间协同通信，进行系统业务的传递和整合，该系统业务流程如图1所示。在该场景下优良的终端间路由算法能够减少终端间通信延时，提高终端侧资源利用率，并为用户提供高QoS保障。

在传统的AODV路由算法中，源节点与目的节点间按照泛洪传播数据包方式进行路由寻找。在AODV算法中主要有三种控制分组数据：RREQ——路由请求、RREP——路由应答、RRER——路由错误。当两个终端节点想要进行通信时，先要查询现有路由表中是否存在到达目的节点的路由，如果由直接按照查询的结果路由路线进行数据传送，如果查询结果没有存储到达目的节点的路由路径，则源节点就会先发送一个广播的RREQ数据包，该数据包通过在邻居节点之间以泛洪广播的形式进行一步步的转发，在某个中间节点收到这个RREQ数据数据包后，这个中间节点首先要判断之前是否收到过包含相同源节点和目的节点信息的RREQ数据包。如果之前此中间节点没有收到过这个RREQ数据包，则该中间节点就会利用这个RREQ创建一个用来记录临时的从目的节点到源节点反向路径的表项。当目的节点收到这个RREQ数据包时，目的节点就会按照之前中间节点存储的表项中的路由路径给源节点发送一个RREP分组；如果在此之前已收到该RREQ数据包，则该目的节点直接丢弃该RREQ数据包。而在中间节点的路由表项中存在到达目的节点的路由信息时，则按照传输该RREQ的反向路径给源节点发送RREP消息。至此，源节点就能够根据从反向路径中传输而来的RREP数据包中获得到达目的节点的相关路由路径信息，从而得到从源节点到目的节点的路由。

在虚拟终端系统终端侧场景下，多用户单终端通过统一通信技术进行终端间协同通信，此时该终端侧协同场景等价于Ad Hoc网络场景，其场景模型如图2所示。在该场景下，终端间协同通信将系统业务进行传递和整合，通过对该协同通信网络中路由问题的优化，能够减少终端间业务延时，减少系统能量消耗，进而保证系统的可靠性。而传统AODV路由算法在路由路径寻找过程中，泛洪广播造成了很多不必要的终端节点能量消耗，也时常带来网络拥堵。

通过上述分析，虚拟终端系统终端侧场景下系统资源优化有如下要求：

(1)系统能量消耗要求。在传统的AODV路由算法中，采用系统整体泛洪，所有节点都参与泛洪，导致一些不必要终端能量消耗。在虚拟终端系统终端侧场景下，要求在寻找终端间通信路由路径时消耗尽可能少，以保证系统长时间运行。

(2)业务延时要求。在虚拟终端系统终端侧场景下，终端在协同通信网络下通过中继终端节点进行信息传递，终端间通信路径应尽可能短，即网络拓扑节点间的路由跳数应为最少，以使系统业务延时较少，来保证系统QoS。因此，在该场景下路径选择过程中如何寻找最短路由路径是需要考虑的一个重要问题。

(3)终端能量要求。在虚拟终端系统终端侧场景下，终端节点多为用户移动通信设备，具有能量有限的特点。在业务实现过程中用户希望该协同通信网络中所有设备均处于在线或待机状态，因此设备具有最小剩余能量要求。而在该场景下，进入待机状态的设备不再作为中继节点参与信息转发，所以在进行路由路径寻找过程中应对终端能量进行考虑。

目前，大多数相关研究主要集中在无线泛在网络场景下的网络层路由路径方面，没有综合考虑虚拟终端系统终端侧场景下用户终端和网络的特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术的不足，提出了一种基于终端能量感知的改进AODV路由方法。本发明方法综合考虑终端侧终端能量门限值变化和网络路由的上下文环境，建立基于能量感知的改进AODV路由优化模型，并通过局部泛洪和终端能量感知策略来求得最优路由路径。该方法实现了系统传输延时的最优化和系统资源利用率最优化，简单而易于实现，具有很好的应用前景。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种基于终端能量感知的改进AODV路由方法，其步骤如下：

步骤A，建立树形拓扑网络；

所述网络中，先加入网络的终端节点为后加入网络的终端节点分配网络地址，该先加入并分配网络地址的终端节点为父节点，后加入并被分配网络地址的终端节点为子节点，每个父节点包含有至少一个子节点，每个子节点只能有一个父节点；节点的深度表示该节点在树形拓扑网络中的层次，每个节点到根节点的路径上，深度大的节点是深度小的节点的子代节点，深度小的节点是深度大的节点的父代节点；网络中各节点的网络地址设置如下：

A_n＝A_p+C_skip(d)×R_m+n,1≤n≤C_m-R_m

或A_n＝A_p+C_skip(d)×(n-1)+1,1≤n≤R_m

$C_{\mathrm{skip}}\left(d\right)=\left\{\begin{array}{cc}1+C_m\×(L_m-d-1),& R_m=1\\ \frac{1+C_m-R_m-C_m\×R_m^{L_m-d-1}}{1-R_m}& R_m>1\end{array}\right.$

其中，

d为父节点X的深度；

L_m为网络的最大深度；

A_p是深度为d的父节点地址；

R_m为每个子节点最多路由节点数；

C_m为每个父节点最多连接子节点数；

初始化根节点的网络地址为0，网络深度D_epth＝0；

C_skip(d)是网络深度为d的父节点为其子节点分配地址的偏移量；

步骤B，根据目的节点和源节点的网络地址和网络深度，确定所述改进AODV路由方法的泛洪范围和方向；具体描述如下：

根据源节点和目的节点地址，分别计算源节点S的深度d_S和目的节点D的深度d_D；

若d_S<d_D，即目的节点是源节点的子代节点，则通过AODV路由方法转发路由请求数据包，所述路由请求数据包由源节点向其子节点方向泛洪广播，寻找最优路由路径；

若d_S>d_D，即目的节点是源节点的父代节点，则通过AODV路由方法转发路由请求数据包，所述路由请求数据包由源节点向其父节点方向泛洪广播，寻找最优路由路径；

若d_S＝d_D，即目的节点的深度等于源节点的深度，

如果目的节点是源节点的邻居节点，则该目的节点即为下一跳节点；

如果目的节点和源节点有相同的邻居节点，则该邻居节点即为下一跳节点；

如果源节点的邻居节点包含目的节点的父节点，则利用泛洪方法找出具有最大深度的邻居节点的父节点，该父节点即为下一跳节点；

步骤C，在设定的时间周期内，当终端能量值小于设定的门限值E_wrning时，该终端节点不再参与终端侧业务流传输，则网络拓扑结构发生改变，导致终端侧最优路由路径也随之改变；若源节点与目的节点间路由路径发生改变，则返回步骤B继续执行，重新寻找最优路由路径；

其中，E_wrning为网络中终端能量门限值：

$E_{\mathrm{warning}}=\frac{1}{t}\&times;\sqrt{E_0}\&times;\frac{\mathrm{\&alpha;}}{f\left(x\right)}$

$\begin{array}{cc}f\left(x\right)=\frac{N_{\mathrm{nodes}}\&times;x}{N_{\mathrm{nodes}}-x}& 1\&le;x\&le;N_{\mathrm{nodes}}\end{array}$

t表示网络运行时间；

E₀为终端节点初始能量值；

a为设定系数；

N_nodes表示整个网络中在初始状态时可用的终端节点数；

x表示当前所有不具有路由能力的终端节点数。

本发明的有益效果是：本发明提出一种基于终端能量感知的改进AODV路由方法。所述方法根据树形拓扑网络中源节点和目的节点深度得到泛洪节点范围，在终端能量感知和均衡的场景下，将设备按其剩余能量分为两个等级，并根据泛洪路径中节点消耗时间动态地划分临界能量范围，从而避免了路径中含有不同位置和时刻终端的过早死亡和失效。本发明方法实现了节点的合理泛洪和利用，有效减少了泛洪的节点总数；其面向虚拟终端系统终端侧基于终端能量感知的改进AODV路由方法非常简单而易于实现，具有很好的应用前景。

附图说明

图1是虚拟终端系统业务流程架构示意图。

图2是虚拟终端系统终端侧协同通信网络场景示意图。

图3是虚拟终端系统终端侧基于终端能量感知的改进AODV路由方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步具体说明本发明提出的一种基于终端能量感知的改进AODV路由方法。

根据如图1所示的虚拟终端系统业务流程，得到虚拟终端系统终端侧协同通信网络路由优化模型场景示意图，如图2所示。

首先，根据传统树路由算法，建立树形拓扑网络并为虚拟终端系统终端侧场景下协同通信网络中各个节点设置唯一网络地址。假设树形拓扑网络中父节点X的深度为d，地址为A_p，如果为父节点加入第n个节点为简化功能设备——RFD，仅能够接收和发送数据，不具有路由转发功能，父节点为该节点分配的网络地址为：

A_n＝A_p+C_skip(d)×R_m+n,1≤n≤C_m-R_m   (1)

若为父节点加入第n个节点为全功能节点设备——FFD，既可以进行信息的接收和发送，也具有路由转发功能，父节点为该节点分配的网络地址为：

A_n＝A_p+C_skip(d)×(n-1)+1,1≤n≤R_m   (2)

C _m为每个父节点最多连接个子节点数，R_m为每个子节点最多拥有路由节点数，L_m为该协同通信网络的最大深度，同时在虚拟终端系统终端侧协同通信网络下所有终端节点都具有以上三个相同的参数。C_skip(d)为网络深度为d的父节点为其子节点分配的地址之间的偏移量，中心协调器的初始化网络地址为0，网络深度D_epth＝0。

$C_{\mathrm{skip}}\left(d\right)=\left\{\begin{array}{cc}1+C_m\&times;(L_m-d-1),& R_m=1\\ \frac{1+C_m-R_m-C_m\&times;R_m^{L_m-d-1}}{1-R_m}& R_m>1\end{array}\right.---\left(3\right)$

如果RFD节点要传送数据到该网络中的其他节点，则是直接将该数据包转发给其父节点并由其父节点进行转发，而如果是FFD节点要传送数据到该网络中的其他节点则直接进行转发即可。

然后，根据目的节点和源节点的地址来确定该改进AODV路由方法泛洪范围。根据源节点和目的节点地址，分别计算源节点S和目的节点D的深度为d_s、d_d。

若d_S<d_D，目的节点的深度大于源节点的深度，即为目的节点是源节点的子代节点，那么AODV路由算法转发路由请求数据包，所述路由请求数据包由源节点向其子节点方向泛洪广播向其子节点方向广播的泛洪，寻找最优路由路径；

若d_S>d_D，目的节点的深度小于源节点的深度，即为目的节点是源节点的父代节点，那么AODV路由算法转发路由请求数据包，所述路由请求数据包由源节点向其父节点方向泛洪广播向其子节点方向广播的泛洪，寻找最优路由路径；

若目的节点的深度等于源节点的深度，则：

如果目的节点是源节点的邻居节点，则该目的节点即为下一跳节点；

如果目的节点和源节点有相同的邻居节点，则该邻居节点即为下一跳节点；

如果源节点的邻居节点包含目的节点的父节点，则利用泛洪方法找出具有最大深度的邻居节点的父节点，则该父节点即为下一跳节点；

最后，在设定时间周期内，对协同通信网络中终端节点能量进行感知。

根据终端剩余电池能量的多少，将其划分为两个不同的区域：

标准区：如果当前终端节点的剩余能量值大于E_wrning，就位于标准区。该区域的FFD节点均可以参与数据的转发。

警告区：如果当前终端节点的剩余能量小于E_wrning，就位于危险区。表示该区域的所有节点不再具有路由转发功能，只具有终端接收和发送的功能，而位于该区域的所有FFD节点则属于死亡节点。

假设节点初始能量值为E₀，且对任意节点i，定义节点最小剩余能量E_wrning，公式如下：

$E_{\mathrm{warning}}=\frac{1}{t}\&times;\sqrt{E_0}\&times;\frac{\mathrm{\&alpha;}}{f\left(x\right)}---\left(4\right)$

$\begin{array}{cc}f\left(x\right)=\frac{N_{\mathrm{nodes}}\&times;x}{N_{\mathrm{nodes}}-x}& 1\&le;x\&le;N_{\mathrm{nodes}}\end{array}---\left(5\right)$

其中，t表示网络运行时间，N_nodes表示整个网络中在初始状态时可用的网络节点数，x表示在网络运行期间当前所有不能具有路由功能的节点数，a为一特定系数，仿真实验时取值a＝6，a的作用在于减缓E_wrning值减少的速度。

从公式可以看出节点的最小能量值与算法执行的时间、节点的深度均成反比，当t增大到一定程度，某些被停止使用的节点可能又被继续利用，当t趋近与无穷大时，可以认为E_wrning值趋近于零，此时可以把剩余能量值仍低于E_wrning的节点看成是死亡节点。

当终端能量值小于E_wrning时，该终端不再参与终端侧业务流传输，终端节点间关系发生变化，则虚拟终端系统终端侧最优路由路径也随之改变；若源节点与目的节点间路由路径发生改变，则利用局部泛洪来重新寻找最优路由路径。

为了更加详细的描述本发明提出的基于能量感知的改进AODV路由方法，结合附图3，举例说明如下：

第一步：建立树形拓扑网络，根据公式(1)、(2)、(3)为虚拟终端系统终端侧协同通信网络中每个终端分配网络地址；

第二步：根据所得树形拓扑网络中源节点和目的节点的地址，计算源节点和目的节点的深度，并根据源节点与目的节点的深度关系，判断由源节点到目的节点的泛洪节点范围和泛洪方向；

第三步：根据源节点和目的节点的网络地址及AODV节点泛洪范围，在系统树形拓扑网络中根据泛洪策略来寻找最优路由路径；

第四步：根据公式(4)、(5)计算系统节点剩余能量警戒值，以设定的时间周期，检测各接入网下终端能量值是否大于设定的门限值E_wrning；当终端能量值小于E_wrning时，该终端不再参与终端侧业务流传输，终端节点间关系发生变化，则虚拟终端系统终端侧最优路由路径也随之改变；若源节点与目的节点间路由路径发生改变，则返回第二步继续执行

以上对本发明实施例所提供的一种基于终端能量感知的改进AODV路由方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，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 (1)

1.一种基于终端能量感知的改进AODV路由方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤A，建立树形拓扑网络；

在该网络中，先加入网络的终端节点为后加入网络的终端节点分配网络地址，该先加入并分配网络地址的终端节点为父节点，后加入并被分配网络地址的终端节点为子节点，每个父节点包含有至少一个子节点，每个子节点只能有一个父节点；节点的深度表示该节点在树形拓扑网络中的层次，每个节点到根节点的路径上，深度大的节点是深度小的节点的子代节点，深度小的节点是深度大的节点的父代节点；网络中各节点的网络地址设置如下：

A_n＝A_p+C_skip(d)×R_m+n,1≤n≤C_m-R_m

或A_n＝A_p+C_skip(d)×(n-1)+1,1≤n≤R_m

$C_{\mathrm{skip}}\left(d\right)=\left\{\begin{array}{cc}1+C_m\&times;(L_m-d-1),& R_m=1\\ \frac{1+C_m-R_m-C_m\&times;R_m^{L_m-d-1}}{1-R_m}& R_m>1\end{array}\right.$

其中，

d为父节点X的深度；

L_m为网络的最大深度；

A_p是深度为d的父节点地址；

R_m为每个子节点最多路由节点数；

C_m为每个父节点最多连接子节点数；

初始化根节点的网络地址为0，网络深度D_epth＝0；

C_skip(d)是网络深度为d的父节点为其子节点分配地址的偏移量；

步骤B，根据目的节点和源节点的网络地址和网络深度，确定所述改进AODV路由方法的泛洪范围和方向；具体描述如下：

根据源节点和目的节点地址，分别计算源节点S的深度d_S和目的节点D的深度d_D；

若d_S<d_D，即目的节点是源节点的子代节点，则通过AODV路由方法转发路由请求数据包，所述路由请求数据包由源节点向其子节点方向泛洪广播，寻找最优路由路径；

若d_S>d_D，即目的节点是源节点的父代节点，则通过AODV路由方法转发路由请求数据包，所述路由请求数据包由源节点向其父节点方向泛洪广播，寻找最优路由路径；

若d_S＝d_D，即目的节点的深度等于源节点的深度，

如果目的节点是源节点的邻居节点，则该目的节点即为下一跳节点；

如果目的节点和源节点有相同的邻居节点，则该邻居节点即为下一跳节点；

如果源节点的邻居节点包含目的节点的父节点，则利用泛洪方法找出具有最大深度的邻居节点的父节点，该父节点即为下一跳节点；

步骤C，在设定的时间周期内，当终端能量值小于设定的门限值E_wrning时，该终端节点不再参与终端侧业务流传输，则网络拓扑结构发生改变，导致终端侧最优路由路径也随之改变；若源节点与目的节点间路由路径发生改变，则返回步骤B继续执行，重新寻找最优路由路径；

其中，E_wrning为网络中终端能量门限值：

$E_{\mathrm{warning}}=\frac{1}{t}\&times;\sqrt{E_0}\&times;\frac{\mathrm{\&alpha;}}{f\left(x\right)}$

$\begin{array}{cc}f\left(x\right)=\frac{N_{\mathrm{nodes}}\&times;x}{N_{\mathrm{nodes}}-x}& 1\&le;x\&le;N_{\mathrm{nodes}}\end{array}$

t表示网络运行时间；

E₀为终端节点初始能量值；

a为设定系数；

N_nodes表示整个网络中在初始状态时可用的终端节点数；

x表示当前所有不具有路由能力的终端节点数。