CN104394554A - 一种预测式低延时地理路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种预测式低延时地理路由方法。该方法主要用来解决现有地理路由延时和网络能耗不平衡问题，并提高绕行路由空洞效率。基本步骤为：1）设定协议包和邻居表，每个节点以为周期广播一跳协议包；2）每个节点以为周期对邻居表进行局部更新；3）判断节点需处理接收过程还是转发过程，对应执行步骤4）或步骤5）；4）首先判断包的类型，若该包是协议包，则对邻居表中进行全面更新，否则往节点的上层传包；5）节点对数据包进行贪婪转发，若转发遭遇空洞出现局部极值，则利用切线角度扩展搜索法选取锚节点继续贪婪转发。

Description

一种预测式低延时地理路由方法

技术领域

本发明是一种预测式低延时地理路由协议方法，属于无线传感器网络中地理路由领域。

背景技术

无线Ad Hoc网络是一类无固定基础设施的无线局域网，是一类由一些处于平等状态的移动节点相互通信组成的临时网络。Ad Hoc网络组成简单快捷，广泛应用于抢险救灾、高危工业、医疗急救、军事领域、环境监测等一些临时的重大活动中。虽然Ad Hoc网络相对方便，但网络中的每个节点（网络中移动站简化为节点）都要参与到其他节点的路由发现与维护，并且由于网络拓扑频繁迅速变化，导致一些固定的网络路由协议并不适用于Ad Hoc网络。随着定位技术的发展，处于网络中的节点可以获取自身、邻居节点与目的节点的地理位置信息，从而出现了基于地理位置的路由算法。自从美国哈佛大学的Karp等人在2000年ACM MobiCom会议提出了地理路由GPSR（Greedy Perimeter Stateless Routing）以来，地理路由研究受到国内外的高度重视。地理路由具有扩展性强、自适应性高和收敛速度快等优点，与基于网络拓扑的路由协议相比，地理路由不需要建立和维护整个网络的路由表。每个节点周期的向邻居节点发送Hello包（或Beacon包），并且接收邻居节点发送的Hello包，同时节点用一张邻居表来记录邻居节点的位置信息。从源节点到目的节点的整个数据传输在总体上可概括为两个主要步骤：首先获取目的节点地理位置，然后选择下一跳转发数据包。其中，前者由“位置服务”来获取目的节点位置，后者通过中间节点接力转发来实现。

Greedy路由是最常用的路由协议之一，贪婪转发模式选择的标准有距离、跳数、能耗等单一因素，以及多种因素的综合，贪婪转发原理简单，计算复杂度低。节点在选择下一跳时，根据既定标准选择最优邻居节点进行转发（例如以距离为标准时，转发节点可选择距离目的节点最近的一跳邻居节点作为下一跳），常见的贪婪转发机制有MFR、NFP、GRS、CR和RPF等。目前有研究提出结合拥塞和距离进行贪婪决策的方法，但该方法中节点在通告拥塞层次时需要时刻发送Hello包，导致大量的信息滞后和更多的能量消耗，这个问题在重载网络中更为突出。局部极值（路由空洞）是贪婪转发中不可避免的一个问题，解决路由空洞问题的主要方法是：借助某种非贪婪机制跳出局部最优，例如平面图避洞中的周边路由模式、洪泛避洞、启发式避洞等。其中周边转发利用右手准则绕洞会延长整个路径长度，产生额外的能耗。洪泛避洞虽然能确保绕行空洞成功，但是能耗较大，浪费网络资源。启发式避洞算法通过利用网络拓扑信息和空洞位置绕行空洞，但是并不能够确保成功转发数据包。

本发明提出一种预测式低延时地理路由协议方法，解决了延时能耗和通信路径拉长的问题。第一，针对节点频繁地发送Hello包通告信息而造成端到端延时和能耗增大的问题，本方法通过节点的队列长度、发送速率和接收速率来计算最大发送时延，综合考虑节点距离和延时参数，在转发数据时选取预测时延和距离最优的下一跳节点。第二，针对贪婪转发中出现局部极值而导致转发路径拉长的问题，本发明提出切线角度扩展搜索法确定包的锚节点，继续利用贪婪转发引导后续数据包的发送。通过建立锚节点提前避开空洞，可避免由于遭遇空洞而引起距离延长和跳数增加问题，降低网络能耗。

发明内容

针对无线传感器网络地理路由协议中高延时和能耗不均匀以及遭遇空洞绕行等问题，当无线传感器网络中节点较多时，节点广播传递信息的耗能和耗时更为严重。本发明将预测时延和距离结合，提出一种预测式地理路由协议方法。节点可以通过计算来预测邻居节点延时信息，同时参考延时和距离两个因素，在邻居节点中动态选择下一跳。当转发遭遇路由空洞时，利用切线角度扩展搜索法确定包的锚节点，以引导后续包的发送，主要有以下步骤：

1）定义                                                协议包和节点邻居表，每个节点以为周期广播一跳协议包；

2）每个节点设置预测延时定时器，以为周期更新邻居表中所有邻居节点的延时，其中；

3）根据当前网络状态，每个节点主要处理两种情况：若节点需处理接收过程，执行步骤4），若节点需转发过程，执行步骤5）；

4）判断包的类型，若该包为协议包，对节点邻居表进行全面更新，否则往节点上层发送包； 

5）首先在当前节点的邻居节点中选取预测时延和距离最优下一跳，然后转发包至该下一跳；若转发遭遇空洞出现局部极值，利用切线角度扩展搜索法确定包的锚节点，并且通告源节点在数据包的头部添加此锚节点信息，引导后续包的传输。

本发明优势：

1）节点可以预测邻居节点未来时刻的转发时延，而不需要通过频繁的包通告，大量减少了包的广播，降低能耗；

2）节点在选取转发节点时不仅考虑距离因素，而且增加延时计算。数据包能按低延时路径转发，从而减小了端到端延时，增大了吞吐量；

3）数据包发送速率远大于节点的处理速率时，节点比较容易发生拥塞。而本发明在转发时考虑了邻居节点的负载状态，能够平衡网络负载，延长整个网络的寿命；

4）数据转发遇到空洞时，构造一个椭圆区域，利用切线角度扩展搜索法确定锚节点，再将数据重定向到锚节点继续贪婪转发，不让数据包沿洞边界转发，减少了洞边界节点的能耗。

 

附图说明

图1是本发明路由建立流程图；

图2是本发明节点定时器工作时序图；

图3是本发明贪婪转发场景图；

图4是本发明路由遭遇空洞处理图；

图5是本发明扩展角度搜索锚节点图。

 

具体实施方式

1）定义协议包：在包头中新增三个字段，分别携带节点数据包平均接收速率、数据包平均发送速率和节点当前的队列大小三个信息；节点计算数据包的平均接收速率和平均发送速率，方法如下：

（1）

（2）

其中为相邻两个包到达节点的时间间隔，为相邻两个包离开节点的时间间隔，表示计算次数，为取值范围为的比例因子。

2）每个节点维护一张邻居表，存储其邻居节点的信息，主要包括邻居节点号、坐标位置、数据包平均接收速率、数据包平均发送速率、任一邻居节点当前的队列大小、延时信息和生命周期，其邻居表如下：

若节点邻居表中新增邻居节点条目，该邻居节点的初始；

3）每个节点设置广播定时器和预测延时定时器，定时周期分别为和（取），工作时序图如图2所示；广播定时器定时发送协议包，预测延时定时器定时局部更新邻居节点的延时信息；

在邻居表中利用各个邻居节点的、，计算经过时间后的各个邻居节点的预测延时；若邻居表中某个邻居节点的，则设，否则延时计算方法如下：

（3）

其中为节点当前的实际队列值，为了方便理解，本发明用表示节点的队列长度，用表示节点的时延。

4）节点处理接收的包：首先判断包的类型，若节点收到邻居节点发送的协议包，对自身的邻居表进行全面更新；若节点接收的包是数据包，直接将该包发往节点上层；若全面更新与局部更新发生冲突，则放弃局部更新；

表1 节点0全面更新后的邻居表

结合图3，节点1、2、3、4均为节点0的邻居节点；0号节点的邻居表如表1所示，全面更新邻居表后，针对1号节点：、位置坐标信息、平均接收速率和平均发送速率（单位是包/秒）、当前队列长度、、预测时延。

5）节点转发数据包：对于当前节点，节点的邻居集合定义为，，当前节点的邻居节点中按照公式（4）选取预测时延和距离最优下一跳 

                               （4）

其中：，为当前节点到目的节点的距离（当前距离），为邻居节点到目的节点的距离，；

用表示节点的预测延时值，表示节点到目的节点的距离，则包从节点到节点的前进距离与当前距离之比为：

                                       （5）

因此当前节点在转发数据包时，选择下一跳的问题可以归结于：

                               （6）

表2 节点0局部更新后的邻居表

假设包从节点0（坐标为）传输至节点（坐标为），节点0的邻居表已经进行了局部更新，如表2所示：邻居节点1、2、3、4的预测延时分别为、、、；经过计算：、、、，所以节点0选取节点3作为下一跳转发节点；

若转发遭遇空洞出现局部极值，结合图4分析处理方法：首先当数据包转发至，恰好位于空洞边界上时，丢弃该包，利用洞边界检测包（）检测出闭合的空洞节点集，构造一个椭圆区域覆盖空洞区域；当数据包转发至椭圆边界某节点时，过节点作椭圆的切线，过目的节点作椭圆的切线和；分别和、相交于、两点；假设包的源节点为，连接、、、，不妨设；接着分别延长线段和，记为射线、；分别以点，为圆心，将射线、分别以远离椭圆的方向旋转至、，旋转角度，和相交于点，射线和交于点，和相交于点；因此，射线、、、围成的四边形为锚节点区域，记为；然后在锚节点区域选取锚节点，若该区域内有节点，如图4所示，在区域内任意选取一个节点作为锚节点，若该区域内不存在节点，则以为步长增加旋转角度，扩大四边形区域，直到选取出合适的锚节点为止，如图5，在扩大的四边形区域内任意选取一个可用节点作为锚节点。最后通告该包的源节点在包头部添加此锚节点，使得包从源节点贪婪转发至锚节点后，再从锚节点贪婪转发至目的节点。

Claims (6)

1.一种预测式低延时地理路由方法，其特征在于转发节点的选择，所述方法至少包括以下步骤：

1）定义                                                协议包和节点邻居表，每个节点以为周期广播一跳协议包；

2）每个节点设置预测延时定时器，以为周期更新邻居表中所有邻居节点的延时，其中；

3）根据当前网络状态，每个节点主要处理两种情况：若节点需处理接收过程，执行步骤4），若节点需处理转发过程，执行步骤5）；

4）判断包的类型，若该包为协议包，对节点邻居表进行全面更新，否则往节点上层发送包； 

5）首先在当前节点的邻居节点中选取预测时延和距离最优下一跳，然后转发包至该下一跳；若转发遭遇空洞出现局部极值，利用切线角度扩展搜索法确定包的锚节点，并且通告源节点在数据包的头部添加此锚节点信息，引导后续包的传输。

2.根据权利要求1所述的一种预测式低延时地理路由方法，其特征在于定义协议包和节点邻居表，提出速率计算方法，所述方法至少还包括：

1）在协议包中增加三个字段，分别携带节点数据包的平均接收速率、平均发送速率和节点当前的队列大小三个信息； 

2）每个节点维护一张邻居表，存储其邻居节点的信息，主要包括邻居节点号、坐标位置、数据包平均接收速率、数据包平均发送速率、任一邻居节点当前的队列大小、延时信息和生命周期，其邻居表如下：

若节点邻居表中添加新邻居节点条目，该邻居节点的初始；

3）平均接收速率和平均发送速率，计算方法如下：

 ，

，

其中为相邻两个包到达节点的时间间隔，为相邻两个包离开节点的时间间隔，表示计算次数，为取值范围为的比例因子。

3.根据权利要求1所述的一种预测式低延时地理路由方法，其特征在于预测延时定时器的设置和邻居表的局部更新，所述方法至少还包括：

1）每个节点设置定时器，对邻居表进行局部更新，更新周期设为；

2）局部更新过程：在邻居表中利用各个邻居节点的、，计算经过时间后的各个邻居节点的预测时延；若邻居表中某个邻居节点，则设，否则计算方法如下：

，

其中：表示邻居节点发送层队列中所有包所需时间（非传播时延），当时，表明该节点在某段时间内未接收到数据包，但由于该节点并未死亡；若计算，令。

4.根据权利要求1所述的一种预测式低延时地理路由方法，其特征在于邻居表的全面更新，所述方法至少还包括：

1）全面更新过程：节点收到协议包后，更新邻居表中的、、、、；

2）若局部更新和全面更新冲突，则只执行全面更新。

5.根据权利要求1所述的一种预测式低延时地理路由方法，其特征在于贪婪转发中选取预测时延和距离最优下一跳转发节点，所述方法至少还包括：

1）在整个数据包传输过程中，当前节点在其邻居节点中依据预测时延和距离最优函数选取下一跳转发节点： 

，

其中：，为当前节点到目的节点的距离，为邻居节点到目的节点的距离，为邻居节点的预测延时，为取值范围为的比例因子；

2）在邻居节点中选择最小的节点作为下一跳，转发包至该下一跳。

6.根据权利要求1所述的一种预测式低延时地理路由方法，其特征在于切线角度扩展搜索法选取包的锚节点，所述方法至少还包括：

1）建立空洞模型：当数据包转发至，恰好位于空洞边界上时，丢弃该包，利用洞边界检测包（）检测出闭合的空洞节点集，构造一个椭圆区域，覆盖空洞区域；

2）当数据包转发至椭圆边界某节点时，过节点作椭圆的切线，过目的节点作椭圆的切线和；分别和、相交于、两点；假设包的源节点为，连接、、、，不妨设；

3）锚节点区域确定：分别延长线段和，记为射线、；分别以点、为圆心，将射线、分别以远离椭圆的方向旋转至、，旋转角度为，射线和相交于点，射线和交于点，射线和相交于点；因此，射线、、、围成的四边形为锚节点区域，记为；

4）锚节点的选择：在锚节点区域内选取任意节点作为锚节点，若该区域内不存在节点，则以为步长增大旋转角度，扩大四边形区域，直到选取出合适的锚节点为止。