CN104320811A - 一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，涉及无线传感器网络技术领域，利用被广泛采用的节点能耗模型，将节点的剩余能量值转换成最大数据传输能力，用C来表示，并在数据包中将C的值传递给下一跳节点，源节点依据相邻节点的传输能力以及其所在路径的最大传输能力进行路由决策，保证源节点到目的节点多条路径的传输能力尽可能的接近，避免某条路径因承担过多的负载使路径上的节点过早死亡，以延长网络寿命，提高网络的整体性能。

Description

一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，具体涉及一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法。

背景技术

无线传感器网络是由大量具有感知、通信和计算能力的微小传感器节点，以无线的方式连接构成的自治测控网络。一种普遍被接受的无线传感器网络的定义为：大规模、无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络，节点往往具有相同的结构，价格低廉，体积小，可以通过飞机散布等方式抛撒到需要测控的区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。它综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组织多跳的网络方式传送到用户端。

无线传感器网络中的节点常常采用电池等形式供电，且在网络的整个工作过程中无法更换新的电池，能量有限，因此延长整个网络的生存时间成为传感器网络路由协议设计的重要目标。能量感知多路径路由协议是延长网络寿命的一种非常重要的节能技术，节点在进行路由选择时不仅要选择能量消耗小的数据传输路径，而且要从整个网络的角度考虑，选择使整个网络能量均衡消耗的路由。

传感器节点通常由处理模块、通信模块、感知模块、能量供应模块组成。在整个节点的能耗里，通信模块的能量消耗占了绝大部分，在研究无线传感器网络协议中，往往只需考虑通信模块的能量消耗对网络节点寿命的影响。

使用中继节点能量消耗总和作为度量的路由协议能够在源节点和目的节点之间建立一条能量消耗最小的路径，但是该方法将使得网络中部分节点的负担过重，造成节点过早死亡的问题。采用能量感知路由协议能较好的解决网络中部分节点死亡过早的问题。对于无线传感器网络来说，这样的集中式方式可以达到全网能量均衡的目的，但是随着网络规模的增大，集中式方式会带来较大的控制开销。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提出一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，源节点将数据流量分配到不同路径上，中间节点i根据高层节点集上报的信息传输能力进行流量分配，使能量较多的节点承载的传输负担较多，能量少的节点承担的负载较少，从而达到均衡网络负载，延长网络寿命的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提出一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，具体包括以下步骤：

步骤A：源节点向目的节点广播包括路由请求RREQ的数据帧，与源节点相邻的中继节点在收到数据帧后，将自身的剩余能量信息更新至数据帧中，并转发数据帧给该中继节点的高层中继节点，所述高层中继节点为与该中继节点相邻、相对于该中继节点距源节点更远而距目的节点更近的中继节点，该中继节点相对于该高层中继节点为低层中继节点；

步骤B：高层中继节点根据收到的低层中继节点的能量信息和低层中继节点的位置计算该低层中继节点到自身的最大信息传输能力并存储，然后将自身的剩余能量信息更新至数据帧中，并转发数据帧给其自身的高层中继节点；

步骤C：重复步骤B，直到目的节点收到了来自源节点的路由请求RREQ；

步骤D：目的节点通过广播的方式给源节点回复包括ACK信息的数据帧，与目的节点相邻的高层中继节点在收到数据帧后，在该数据帧中添加自身的信息传输能力，并根据其低层中继节点广播的节点能量信息计算出低层中继节点到该节点的点对点信息传输能力之和Q，添加至数据帧中并转发给其自身的低层中继节点；

步骤E：重复步骤D，直到源节点收到了来自目的节点的ACK信息；

步骤F：源节点与目的节点建立传输路径，源节点根据其相邻的中继节点上报的信息传输能力进行数据流量分配。

进一步的，本发明的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，所述的信息传输能力是网络中的各个节点获知相邻节点的能量信息并根据节点能耗模型计算而来。

进一步的，本发明的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，所述的信息传输能力以bit为单位计量。

进一步的，本发明的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，当前节点利用相对于自身的高层节点集{1,2,……,N}各自上报的信息传输能力来计算高层节点集中各个节点被选中作为转发节点的概率{P1,P2,……,PN}。

进一步的，本发明的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，当前节点对外广播的自身传输能力C_i是根据自身能量信息和自己相邻的高层节点集的传输能力共同决定。

进一步的，本发明的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，步骤F中，源节点根据其相邻的中继节点上报的信息传输能力进行数据流量分配，是按该相邻中继节点的信息传输能力与源节点的所有相邻中继节点信息传输能力之和的比值进行分配。

本发明利用广泛使用的节点能耗模型，采用负责机制，将节点剩余能量转换成以bit为单位计量的信息传输能力，使当前节点只需维护相邻节点的节点信息，即可了解该节点的最大信息传输能力，从而对数据流量进行合理分配，减少能量小的节点的负载，使局部流量分配最优，达到全网能量均衡的目的。

本发明采用的技术方案与现存的能量感知和能量多路径协议相比，具有如下优点：

(1)源节点根据相邻节点的传输能力进行合理的流量分配，可以均衡网络负载，避免网络拥塞和节点过早死亡。

(2)中继节点只需要知道少量相邻节点的信息就可以做出合理的流量分配决策，减少了节点用于维护和控制的开销。

(3)该方法对变化的网络拓扑具有良好的适应性，当有新节点加入或旧节点退出时，利用网络节点通信的广播性可以快速获知相邻节点的信息并加入网络，而不会带来网络中过多的信息维护开销。

附图说明

图1是无线传感器网络网络拓扑结构示意图。

图2是本发明中源节点S到目的节点D路由建立和流量分配的流程图。

具体实施方式

为使本发明的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法要解决的技术问题、技术方案和技术效果更加清楚，下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是无线传感器网络网络拓扑结构示意图，图中有虚线连接的两个点表示这两点之间可以收到彼此广播的数据包，为了方便叙述，这里将I、J、K称为第一层节点，F、E、G、H、L称为第二层节点，A、B、C称为第三层节点。

高层节点和低层节点的定义：就网络中的某个节点而言，比该节点更靠近源节点S并且更远离目的节点D的节点称为该节点的低层节点，比该节点距源节点S更远而距目的节点D更近的节点称为该节点的高层节点。对于节点集{F、E、G、H、L}来说，{I、J、K}是低层节点，{A、B、C}是高层节点；对于节点集{A、B、C}来说，{F、E、G、H、L}是低层节点；对于节点集{I、J、K}来说，{F、E、G、H、L}是高层节点，以此类推。

结合图1，本发明中利用节点信息传输能力进行流量分配的的路由方法如图2所示，具体包含以下步骤：

第一步，源节点S发起路由请求，在S→D这个过程中，节点在收到的数据帧中添加自身的剩余能量信息并向自己的高层节点广播，节点根据自身剩余能量和到相邻高层节点的距离计算出自己到各个高层节点的最大信息传输能力，并存储；而收到来自低层节点广播的当前节点按照此方法继续广播，从而使网络中的节点都获知相邻节点的能量信息，并计算出对应的以bit为单位计量的信息传输能力。

第二步，目的节点D回复ACK信息，在D→S这个过程中，D的相邻节点B(即第三层节点)，根据自身到D节点的距离计算自己到D节点的信息传输能力，并在数据帧中添加自己的信息传输能力C_B，B节点再根据收到的来自各个第二层节点的能量计算各个第二层节点到B节点的传输能力，并相加，记为Q_B，Q_B＝C_EB+C_GB+C_HB，其中C_EB、C_GB、C_HB分别表示E、G、H节点到B节点的点到点信息传输能力，将Q_B的值添加到数据帧中并广播给第二层节点；同理C节点也做相同的处理，在帧中添加C节点的信息传输能力C_C和各个第二层节点到C节点的传输能力之和Q_C，Q_C＝C_HC+C_LC，C节点广播带有自己信息的数据帧。

第三步，以H节点为例，H节点收到来自B节点和C节点的广播信息。通过处理C节点的广播信息，得到C节点的传输能力C_C和所有第二层节点到C节点的传输能力之和Q_C，H节点根据自身剩余能量和到C节点的距离计算自己到C节点的点到点信息传输能力C_HC。C节点在对外广播的信息中宣布自己的最大信息传输能力为C_C，则H节点根据C_HC、Q_C和C_C的值，计算C节点的传输能力C_C中留给传输来自H节点的信息流量的值：同理，H节点计算B节点最大信息传输能力C_B中预留给传输来自H节点的信息流量的值:当H节点有数据包需要B节点或者C节点中继传输时，H节点依据C_HB-available和C_HC-available的值计算选择B节点或者C节点做下一跳节点的概率，选择C节点进行传输的概率为选择B节点进行传输的概率为 $P_{H-B}=\frac{C_{\mathrm{HB}-\mathrm{available}}}{C_{\mathrm{HC}-\mathrm{available}}+C_{\mathrm{HB}-\mathrm{available}}}.$

第四步，H节点计算自己的所有高层节点的信息传输能力之和C_H-sum(即C节点和B节点留给H节点的信息传输量之和)，C_H-sum＝C_HC-available+C_HB-available。

第五步，H节点计算自己的剩余能量能够向下游节点传输的信息量，记为C_H-local，其中，C_H-local＝P_H-B*C_HB+P_H-C*C_HC。

第六步，H节点比较C_H-local和C_H-sum的值，取较小的值作为自己节点的传输能力，即C_H＝min{C_H-local，C_H-sum}，H节点将C_H的值更新到数据帧中。

第七步，H节点计算来自所有上游节点的信息传输量Q_H＝C_JH+C_KH，H节点将Q_H的值更新到数据帧中并广播，第二层的其它节点与H节点一样做相同的算法处理。

第八步，第一层的节点收到来自第二层节点的广播后，与第二层节点一样做相同的算法处理。

第九步，源节点S收到第一层节点上报的信息传输能力C_I、C_J、C_K，则S在发送每个数据包时，选择I节点的概率为选择J点的概率为选择K点的概率为从而实现流量分配。

本发明采用的是一种被广泛使用的节点能耗模型：E(d)＝E_tx(d)+E_rx，其中E_tx(d)表示节点发送kbit信息需要消耗的能量，E_tx(d)＝(α₁₁+α₂dⁿ)k，α₁₁表示发射机基带电路功耗参数，α₂表示发射机放大电路功耗参数，d表示两个节点间的距离，n为信道衰减指数(取值范围通常为2～4)，k表示分组的长度为kbit；E_rx＝α₁₂k，α₁₂表示接收机电路的功耗参数。显然，本领域技术人员应当理解，对上述本发明所公开的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (6)

1.一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤A：源节点向目的节点广播包括路由请求RREQ的数据帧，与源节点相邻的中继节点在收到数据帧后，将自身的剩余能量信息更新至数据帧中，并转发数据帧给该中继节点的高层中继节点，所述高层中继节点为与该中继节点相邻、相对于该中继节点距源节点更远而距目的节点更近的中继节点，该中继节点相对于该高层中继节点为低层中继节点；

步骤B：高层中继节点根据收到的低层中继节点的能量信息和低层中继节点的位置计算该低层中继节点到自身的最大信息传输能力并存储，然后将自身的剩余能量信息更新至数据帧中，并转发数据帧给其自身的高层中继节点；

步骤C：重复步骤B，直到目的节点收到了来自源节点的路由请求RREQ；

步骤D：目的节点通过广播的方式给源节点回复包括ACK信息的数据帧，与目的节点相邻的高层中继节点在收到数据帧后，在该数据帧中添加自身的信息传输能力，并根据其低层中继节点广播的节点能量信息计算出低层中继节点到该节点的点对点信息传输能力之和Q，添加至数据帧中并转发给其自身的低层中继节点；

步骤E：重复步骤D，直到源节点收到了来自目的节点的ACK信息；

步骤F：源节点与目的节点建立传输路径，源节点根据其相邻的中继节点上报的信息传输能力进行数据流量分配。

2.根据权利要求1所述的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，其特征在于：所述的信息传输能力是网络中的各个节点获知相邻节点的能量信息并根据节点能耗模型计算而来。

3.根据权利要求2所述的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，其特征在于：所述的信息传输能力以bit为单位计量。

4.根据权利要求1所述的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，其特征在于：当前节点利用相对于自身的高层节点集{1,2,……,N}各自上报的信息传输能力来计算高层节点集中各个节点被选中作为转发节点的概率{P1,P2,……,PN}。

5.根据权利要求1所述的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，其特征在于：当前节点对外广播的自身传输能力C_i是根据自身能量信息和自己相邻的高层节点集的传输能力共同决定。

6.根据权利要求1所述的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，其特征在于：步骤F中，源节点根据其相邻的中继节点上报的信息传输能力进行数据流量分配，是按该相邻中继节点的信息传输能力与源节点的所有相邻中继节点信息传输能力之和的比值进行分配。