CN104038965B - 一种高效利用能源的移动无线传感网机会路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高效利用能源的移动无线传感网机会路由方法，解决移动无线传感网中节点空洞、网络生存期短等问题，以延长移动无线传感网的生存时间。该方法确定候选转发节点集，通过结合地理位置、能量感知和负载均衡等机制，使用能量估计、负载估计、移动影响因子等综合度量的策略来优化候选转发结点集优先级，完成移动无线传感网数据包转发。本发明能够有效缓解移动无线传感网数据包转发中节点空洞、网络生存期短的问题。

Description

一种高效利用能源的移动无线传感网机会路由方法

技术领域

本发明涉及一种在移动无线传感网中高效利用能源的机会路由方法，该方法结合基于地理位置、能量感知和负载均衡机制，使能量消耗和网络负荷分布更加均匀，属于计算机技术、无线通信、传感器技术交叉技术应用领域。

背景技术

随着无线通信、电子和传感器技术的发展，无线传感器网络得到了飞速的发展，被广泛应用于各种领域，如智能家居、建筑监控、电子围界、环境监测、军事运用等。当前，野生动物监测成为无线传感器网络热门应用之一，代表项目包括SWIM和ZebraNet。而移动环境下，传感器网络路由面临着更多新的挑战。目前，无线传感网中多数路由协议针对静态拓扑提出，如Leach、Spin等，而移动环境下的路由则简单借鉴移动自组网路由协议，形成TinyAODV、Flooding等。这些路由协议都存在共性假设：数据源节点与汇聚节点间总是存在一条可用路径.但实际的移动环境下，节点任意动态移动，因而链路也随时间变化而改变。正由于拓扑动态变化、链路变化频繁以及节点有限的传输通信距离，上述假设是不成立的。换句话说，节点由协议不适用于移动传感器网络。移动传感器网络中，虽然网络拓扑动态变化，源节点与目标节点之间未必存在一条可用路径，但可以利用它们间的移动节点存储转发报文，机会性的完成报文的传输。移动传感器网络利用中间移动节点机会性的存储转发报文，因此也称为机会网络(Opportunistic Networks)。机会网络往往要求收集数据的全面性、完整性，而对延时的要求不高，所以移动无线传感网络也属于延时容忍网络(DTN，Delay Tolerant Network)。近几年，国内外学者对延时容忍网络路由做了大量的研究，提出了一系列的算法，如感染路由(Epidemic Routing)、CAR(context AwareRouting)、ProPHET等。但它们或需要大量的缓存空间缓存报文，或需要大量能耗来交互大量的路由报文，传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代移动无线传感网的产生和发展。移动无线传感网扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。移动无线传感网是由一组传感器节点以自组织方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。从上述定义可以看到，传感器节点、感知对象和观察者是移动无线传感网的3个基本要素。移动无线传感网可以被广泛地应用于军事应用、医疗护理、环境监测、空间探索、医疗卫生、制造业和反恐抗灾等领域。

移动无线传感网有着广泛的应用背景，然而网络拓扑不断变化，通信带宽有限且信号易受干扰等特点给其路由协议的设计带来了困难和挑战。在已经提出的路由协议设计带来了困难和挑战。按需路由协议和基于地理位置的路由协议已被广泛讨论和深入研究，AODV(Ad hoc On-demand Distance Vector)和GPRS(Greedy Perimeter StatelessRouting)分别是以上两类协议的典型代表。

在AODV中，节点通过逐步广播RREQ报文来请求到目的节点的路由，参与的节点会在此过程中记录反向路由信息，以便之后转发RREP报文并最终建立前向路由。这种洪泛路由请求方式能够建立长度最短的高质量路由，但是广播洪泛会产生大量的RREQ报文，造成巨大的信号冲突和协议开销，还可能造成广播风暴。另一方面，全向广播RREQ报文会在中间节点中产生大量无用的路由信息，当邻居节点移动而导致这些路由信息无效时，中间节点又需发送大量的RERR报文给其前驱邻居节点，以保证其路由表的正确性，这也给网络带来无谓的冲突和协议开销，影响其协议性能。

在GPRS中，节点借助地理信息，将数据报文以距离最近逐跳发送到目的节点。由于没有建立和维护路由信息，无状态的GPRS有很好的可扩展性。然而已有很多研究者指出，在网络密度不太大的情况下，数据报文处于周边模式时，GPRS存在严重的绕路现象。而且，由于被选作下一跳的邻居距离目的节点最近(距离自身最远)，因此GPRS易主不稳定的链路上丢失报文。

发明内容

技术问题：本发明的目的是设计一种高效利用能源的移动无线传感网机会路由方法，解决移动无线传感网中节点空洞、网络生存期短等问题，以延长移动无线传感网的生存时间。

技术方案：本发明所述的一种高效利用能源的移动无线传感网机会路由方法通过结合基于地理位置、能量感知和负载均衡机制，使用综合度量的策略来优化候选转发结点集优先级的设定。

所述的移动无线传感网是由部署在监测区域内的传感器节点通过无线通信形成一个多跳的自组织网络系统，传感器节点协作地感知、采集、处理网络覆盖区域内感知对象的信息，通过汇聚节点将数据信息发送给用户，用户得到监测区域的实时信息。

所述的移动无线传感网中，传感器节点都是具有移动性的同构节点，具有相同的初始能量和发射功率，所有传感器节点的有效通信范围均相等；传感器节点都在同一个平面内，能够获得自己的位置信息；传感器节点通过GPS等设备获得自己的地理位置；在监测区域的传感器节点收集监测区域信息并转发这些信息，在非监测区域的传感器节点转发收到的监测区域信息。

所述的移动无线传感网中，汇聚节点为固定的、能量高的基站设备，它通过GPS等设备获得自己的地理位置，具有充足的能量、很强的计算能力和覆盖全部监测区域的通信能力，汇聚节点有能力向全网广播自己的地理位置。

本发明所述的一种高效利用能源的移动无线传感网机会路由方法具体流程如下：

步骤1：启动移动无线传感网汇聚节点和所有传感器节点，控制汇聚节点向全网广播自己的地理位置。

步骤2：传感器节点侦听在通信范围内信息，从汇聚节点的广播信息获取汇聚节点的地理位置，在监测区域的传感器节点收集监测区域信息。

步骤3：传感器节点周期性的发送和接收“Hello”消息。所述的“Hello”消息包括传感器节点自身地理位置信息、剩余能量信息和业务队列长度信息。

步骤4：根据旁听算法，传感器节点在旁听表内建立存储条目或者刷新信息来收集邻居节点的信息，根据能量估计函数计算其邻近节点的能量估计值，根据负载估计函数计算其邻近节点的负载估计值。

所述的旁听算法是指传感器节点间通过周期性的交换“Hello”信息得到邻居节点的信息，包括位置信息、能量信息和负载信息，这些信息组成旁听表。所述的存储条目是指用(ID，P_i，C_i，L_i)表示的四维数组，其中ID表示旁听节点的唯一识别码，ID用介质访问控制(MAC)地址或者网络之间互连的协议(IP)地址来表示；i表示邻居节点号；P_i表示邻居节点S_i的位置信息，C_i表示邻居节点S_i的能量估计值，其值由以下能量估计函数计算获得，

所述t是时间，T是一个周期的时间，t≥2T，E_r(t)是节点S_i在t时的剩余能量值，

E_r(t-2T)是节点S_i在t-2T时的剩余能量值，E_r(t-T)是节点S_i在t-T时的剩余能量值。

L_i表示邻居节点S_i的负载估计值，其值由以下负载估计函数计算获得，

所述q_i(k)表示邻居节点S_i的业务队列长度的第k次抽样值，q_j(k)表示邻居节点S_j的业务队列长度的第k次抽样值，n为常数表示一定时间抽样的次数，邻居节点S_i的邻节点集用O_i来表示，i和j都是邻居节点的编号。

步骤5：在监测区域内监听到数据信息的传感器节点，建立候选转发节点集，其他传感器节点在通信范围内继续侦听，步骤5具体过程如下：

步骤51：在监测区域内监听到数据信息的传感器节点侦听到数据，则广播请求消息RTS，标记自身为发送节点；

步骤52：当发送节点收到回复消息CTS时，把发送回复消息CTS的传感器节点信息添加到自己的转发节点集中；

步骤53：根据发送节点和转发节点集中传感器节点的地理位置信息计算转发节点集中，各传感器节点的机会概率值；

步骤54：把各节点的机会概率值与发送节点的机会概率值比较，当转发节点集中的节点的机会概率值大于发送节点的机会概率值时，把转发节点集中的这个节点添加到发送节点的候选转发节点集中，否则不添加；

所述的转发节点集是指发送节点所有有效通信距离内邻居节点的集合。

所述的机会概率值是指数据包从发送节点到目标节点成功传输的机会概率，是选择候选转发节点集的最重要的度量指标，是实现机会主义路由的基础。这里的机会概率基于地理位置来获得，节点距离目的节点越近，机会概率值越大，反之则越小。

所述的候选转发节点集是指转发节点集中机会概率值大于发送节点机会概率值的节点。

步骤6：根据候选转发节点到发送节点的距离，计算候选转发节点移动影响因子mv，当候选转发节点移动远离发送节点时，候选转发节点移动影响因子mv＝-1，当候选转发节点移动靠近发送节点时，候选转发节点移动影响因子mv＝1，但候选转发节点与发送节点的距离不变时，则候选转发节点移动影响因子mv＝0；再候选转发节点维护的旁听表内的存储条目信息和节点移动影响因子，确定候选转发节点的转发优先级。对于候选转发节点S_i，计算如果W_i值高，则候选转发节点S_i的转发优先级就高；如果W_i值低，则候选转发节点S_i的转发优先级就低，所述β是用户指定的常数，L_i是候选转发节点S_i的负载估计值，C_i是候选转发节点S_i的能量估计值。

步骤7：发送节点转发数据包，步骤7具体过程如下：

步骤71：发送节点向候选转发节点集中转发优先级最高或转发优先级最高之一的传感器节点转发数据包；

步骤72：在候选转发节点集中，有传感器节点接收到数据包，就发送回复消息ACK；

步骤73：发送节点在一段时间内收不到ACK，则重发数据包，直到发送节点数据包发送成功，接收到回复消息。

步骤8：收到数据包的传感器节点，标记自身为发送节点；重复步骤5到步骤7，直到数据包发送到汇聚节点为止。

有益效果：本发明设计了一种高效利用能源的移动无线传感网机会路由方法，具有如下的有益效果：

(1)本发明所述的一移动无线传感网机会路由过程为：建立转候选转发节点集；确定节点转发优先级；向下一跳节点转发数据包。整个转发过程思路明确，调理清晰，公式定义详细，易于理解。

(2)本发明中所述能量估计函数，从实际的情况描述了节点能量消耗的现状，避免移动到网络中心的节点，由于被选为转发节点的次数多，而快速消耗尽能量，导致能量空洞现象的发生。

(3)本发明中所述负载估计函数，在节点的链路带宽有限，且处理能力也有限的实际情况中，通过负载平衡使得整个网络不会出现局部节点高负荷，链路层处理数据的速率不满足数据到达的速率，数据在链路层缓冲队列排队等待，甚至链路层存储数据的队列将发生溢出，数据分组丢失的情况。

(4)本发明中所述优化算法，把节点的随机移动简化成远离发送节点、靠近发送节点或者静止不动，对三种情况赋予不同的权值，使得在确定下一跳节点转发优先级时，考虑了节点移动的情况，更符合实际情况。

附图说明

图1是应用实例流程图。

图2是网络示意图。

图3是“Hello”消息结构。

具体实施方式

在具体实施中，网络中的所有节点分布如图2所示，无线移动传感网满足以下条件：

(1)传感器节点都是具有移动性的同构节点，具有相同的初始能量和发射功率，所有传感器节点的有效通信范围均相等。

(2)传感器节点都在同一个平面内，通过GPS等设备获得自己的地理。

(3)在监测区域的传感器节点收集监测区域信息并转发这些信息，在非监测区域的传感

器节点转发收到的监测区域信息。

(4)汇聚节点为固定的、能量高的基站设备，它通过GPS等设备获得自己的地理位置，具有充足的能量、很强的计算能力和覆盖全部监测区域的通信能力，汇聚节点有能力向全网广播自己的地理位置。

(5)汇聚节点有能力向全网广播自己的地理位置。

下面给出本发明的一个具体应用实例，本实例的工作流程如图1所示：

第一阶段：确定候选转发节点集

步骤1：启动移动无线传感网汇聚节点Sink和所有传感器节点S₁～S₆，控制汇聚节点Sink向全网广播自己的地理位置；

步骤2：传感器节点S₁～S₆侦听在通信范围内信息，从汇聚节点Sink的广播信息获取汇聚节点的地理位置，在监测区域的传感器节点S₁～S₆收集监测区域信息；

步骤3：传感器节点S₁～S₆周期性的发送和接收“Hello”消息，“Hello”消息的格式如图3所示。

步骤4：根据旁听算法，各传感器节点S₁～S₆在旁听表内建立存储条目或者刷新信息来收集邻居节点的信息；

步骤41：根据能量估计函数，计算各传感器节点邻居节点的能量估计值；

假设节点的初始能量为E_ini，假设节点能够提供剩余能量信息E_r(t)，那么在一个周期的时间间隔T内，当前节点旁听得到它的邻居节点S_i在当前一个周期T时间内消耗能量如下：

E_c(t，T)＝E_r(t-T)-E_r(t)

当前节点旁听得到它的邻居节点S_i在上一周期内消耗能量如下：

E_c(t，2T)＝E_r(t-2T)-E_r(t)

节点S_i的能耗估计值E_c如下：

E_c(t)＝α×E_c(t，2T)+(1-α)×E_c(t，T)

节点S_i在上一周期T消耗的能量用E_c(t，T)，当前一周期T则为E_c(t，T)。α的值一般取0.3，所以得到如下：

E_c(t)＝0.3×E_c(t，2T)+0.7×E_c(t，T)

节点S_i当前能量估计函数如下：

步骤42：根据负载估计函数，计算各传感器节点邻居节点的负载估计值；

邻居节点S_i的负荷通过定时抽样MAC层接口队列的长度获得，抽样结果的平均值即为业务队列长度公式如下：

其中，公式中用Q_i表示邻居节点S_i的业务队列长度，第k次抽样值用q_i(k)来表示，n为常数表示一定时间抽样的次数，抽样次数越多，Q_i就越精准。我们假设邻居节点S_i在计算Q_i时已完成了m(m≥n)次抽样。如果m＜n，那么Q_i为m次抽样的均值。

邻居节点S_i的当前负载估计函数如下：

其中邻居节点S_i的负载估计函数用L_i表示邻居节点S_i的邻居节点j的业务队列长度用来表示，邻居节点S_i的邻节点集用O_i来表示。

步骤5：在监测区域内监听到数据信息的传感器节点S₁，建立候选转发节点集，传感器节点S₂～S₆在通信范围内继续侦听；

步骤51：在监测区域内监听到数据信息的传感器节点S₁侦听到数据，则广播请求消息RTS，标记自身为发送节点；

步骤52：当发送节点S₁收到回复消息CTS时，把发送回复消息CTS的传感器节点信息添加到自己的转发节点集[S₂，S₃，S₄]中；

步骤53：根据发送节点S₁和转发节点集[S₂，S₃，S₄]中传感器节点的地理位置信息计算转发节点集中，各传感器节点的机会概率值OP_i；

步骤54：把各节点的机会概率值OP_i与发送节点的机会概率值OP₁比较，OP₂＞OP₁，OP₃＞OP₁，OP₄＜OP₁，所以把S₂，S₃添加到发送节点的候选转发节点集中。

步骤6：确定候选转发节点集[S₂，S₃]中的传感器节点S₂，S₃的转发优先级；

步骤61：根据优化算法，跟据候选转发节点S₂，S₃到发送节点的距离，计算候选转发移动影响因子，当候选转发节点S₂，S₃移动远离发送节点S₁时，候选转发节点移动影响因子为负的，当候选转发节点移动靠近发送节点时，候选转发节点移动影响因子为正的，但候选转发节点与发送节点的距离不变时，则候选转发节点移动影响因子为零；

所述的优化算法是根据下一跳节点不同时刻的地理位置信息，比较下一跳节点与源节点的距离，得到节点的移动方向，用移动向量mv表示，若下一跳节点远离源节点，则mv＝-1，若下一跳节点靠近源节点，则mv＝1，否则相对静止。用公式表示如下：

当前时刻下一跳节点到源节点的距离用来表示，上一时刻下一跳节点到源节点的距离用来表示。如果两个时刻间隔太久，那么mv就不能够表达节点移动方向，即t₂-t₁＞T_threshold，mv＝0。

步骤62：根据候选转发节点S₂，S₃维护的旁听表内的存储条目，计算能量和负载的影响因子；

候选转发节点S_i的当前路由权值如下：

其中，β是常数，Q_i决定是否选用候选转发节点S_i，当Q_i越小，其路由权值越低，这样的节点被选取为用候选转发节点的概率就越低。

再把节点移动方向作为权衡因子，即：用W_i＝e^mv×Q_i公式来计算节点S₂，S₃的权重，权重的大小直接反应了用候选转发节点被选为发送节点的概率。其中，候选转发节点i在移动方向上的加权用e^mv表示，mv为候选转发节点S_i移动影响因子。这里假设计算得W₂＞W₃，即S₂的转发优先级高于S₃。

步骤7：发送节点S₁转发数据包。

步骤71：发送节点向候选转发节点集中的传感器节点S₂转发数据包；

步骤72：S₂收到数据包后，发送回复信息ACK；

步骤73：如果发送节点S₁在一段时间内收不到ACK，则向优先级次高的S₃重发数据包，直到发送节点S₁数据包发送成功，接收到回复消息；

步骤8：重新开始以上过程；

步骤81：收到数据包的传感器节点S₂，标记自身为发送节点；

步骤82：重复步骤5到步骤7，直到数据包发送到汇聚节点为止。

Claims (2)

1.一种高效利用能源的移动无线传感网机会路由方法，其特征在于该方法包含的步骤为：

步骤1：启动移动无线传感网汇聚节点和所有传感器节点，控制汇聚节点向全网广播自己的地理位置；

步骤2：传感器节点侦听在通信范围内信息，从汇聚节点的广播信息获取汇聚节点的地理位置，在监测区域的传感器节点收集监测区域信息；

步骤3：传感器节点周期性的发送和接收“Hello”消息，所述的“Hello”消息包括传感器节点自身地理位置信息、剩余能量信息和业务队列长度信息；

步骤4：根据旁听算法，传感器节点在旁听表内建立存储条目或者刷新信息来收集邻居节点的信息，根据能量估计函数计算邻居节点的能量估计值，根据负载估计函数计算邻居节点的负载估计值；

步骤5：在监测区域内监听到数据信息的传感器节点，建立候选转发节点集，其他传感器节点在通信范围内继续侦听，步骤5具体过程如下：

步骤51：在监测区域内监听到数据信息的传感器节点侦听到数据，则广播请求消息RTS，标记自身为发送节点；

步骤52：当发送节点收到回复消息CTS时，把发送回复消息CTS的传感器节点信息添加到自己的转发节点集中；

步骤53：根据发送节点和转发节点集中传感器节点的地理位置信息计算转发节点集中，各传感器节点的机会概率值；

步骤54：把各节点的机会概率值与发送节点的机会概率值比较，当转发节点集中的节点的机会概率值大于发送节点的机会概率值时，把转发节点集中的这个节点添加到发送节点的候选转发节点集中，否则不添加；

所述的转发节点集是指发送节点所有有效通信距离内邻居节点的集合；

所述的机会概率值是指数据包从发送节点到目标节点成功传输的机会概率，是选择候选转发节点集的最重要的度量指标，是实现机会主义路由的基础，这里的机会概率基于地理位置来获得，节点距离目的节点越近，机会概率值越大，反之则越小；

所述的候选转发节点集是指转发节点集中机会概率值大于发送节点机会概率值的节点；

步骤6：根据候选转发节点到发送节点的距离，计算候选转发节点移动影响因子mv，当候选转发节点移动远离发送节点时，候选转发节点移动影响因子mv＝-1，当候选转发节点移动靠近发送节点时，候选转发节点移动影响因子mv＝1，但候选转发节点与发送节点的距离不变时，则候选转发节点移动影响因子mv＝0；再根据候选转发节点维护的旁听表内的存储条目信息和节点移动影响因子，确定候选转发节点的转发优先级；对于候选转发节点S_i，计算如果W_i值高，则候选转发节点S_i的转发优先级就高，如果W_i值低，则候选转发节点S_i的转发优先级就低，所述β是用户指定的常数，L_i是候选转发节点S_i的负载估计值，C_i是候选转发节点S_i的能量估计值；

步骤7：发送节点转发数据包，具体过程如下：

步骤71：发送节点向候选转发节点集中转发优先级最高或转发优先级最高之一的传感器节点转发数据包；

步骤72：在候选转发节点集中，有传感器节点接收到数据包，就发送回复消息ACK；

步骤73：发送节点在一段时间内收不到ACK，则重发数据包，直到发送节点数据包发送成功，接收到回复消息；

步骤8：收到数据包的传感器节点，标记自身为发送节点；重复步骤5到步骤7，直到数据包发送到汇聚节点为止。

2.根据权利要求1所述的高效利用能源的移动无线传感网机会路由方法，其特征在于，所述的旁听算法是指传感器节点间通过周期性的交换“Hello”信息得到邻居节点的信息，包括位置信息、能量信息和负载信息，这些信息组成旁听表；所述的存储条目是指用(ID，P_i，C_i，L_i)表示的四维数组，其中ID表示旁听节点的唯一识别码，ID用介质访问控制MAC地址或者网络之间互连的协议IP地址来表示；i表示邻居节点号；P_i表示邻居节点S_i的位置信息，C_i表示邻居节点S_i的能量估计值，其值由以下能量估计函数计算获得，

$C_i=-{\log }_2\left(\frac{0.3\×\left(E_r\right(t-2T)+E_r(t-T\left)\right)-E_r\left(t\right)}{E_r\left(t\right)}\right)$

所述t是时间，T是一个周期的时间，t≥2T，E_r(t)是节点S_i在t时的剩余能量值，

E_r(t-2T)是节点S_i在t-2T时的剩余能量值，

E_r(t-T)是节点S_i在t-T时的剩余能量值，

L_i表示邻居节点S_i的负载估计值，其值由以下负载估计函数计算获得，

$L_i=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n{q}_i\left(k\right)}{n}+\underset{j\∈O_i}{\Σ}{\left(\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n{q}_j\left(k\right)}{n}\right)}^i$

所述q_i(k)表示邻居节点S_i的业务队列长度的第k状抽样值，q_j(k)表示邻居节点S_j的业务队列长度的第k次抽样值，n为常数表示一定时间抽样的次数，邻居节点S_i的邻节点集用O_i来表示，i和j都是邻居节点的编号。