CN105517094B - 移动传感器网络中基于能量信息捎带的高效路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于能量信息捎带的移动传感器网络高效路由方法，该方法采用“基于信誉表的零开销信息捎带”、“基于剩余能量的邻居节点发送能力判断”和“ACK消息按需单播”3种新机制，解决了现有移动传感器网络相关路由方法中因未考虑邻居节点剩余能量不足以完成数据收发而导致发送节点无效地发送数据、接收节点在能量不足以转发数据时会引起信誉计算错误以及ACK消息通过在网络中泛洪传输引起控制开销和节点能耗偏大的问题，从而能够减少路由过程中的控制开销，节约节点能量，延长网络寿命。本发明提出的高效路由方法在运行时分为节点相遇感知、数据交互和信誉表更新3个阶段。

Description

移动传感器网络中基于能量信息捎带的高效路由方法

技术领域

本发明涉及移动传感网络中激励自私节点进行合作的路由方法，特别涉及采用信誉值对自私节点的合作行为进行激励和促进的场合。

背景技术

移动传感器网络是一种节点可以移动的无线传感器网络。随着移动传感器网络的逐渐广泛应用(如野生动物跟踪、行星探测及军事上的应用等)，它日益受到人们的重视。移动传感器网络是由多个移动的传感器节点组成，节点之间采用无线通信，整个网络的拓扑结构是动态变化的，节点间的通信没有一条完整的路径，所以节点间采取“存储-携带-转发”模式进行数据的传递。通常，由于移动传感器网络中节点的资源(能量或缓存空间)相对不足，为了节约资源，节点会展现出一定的自私性，主要表现为拒绝帮助其它节点转发消息。这种自私行为使得现有的移动传感器网络路由机制无法正常工作，从而导致网络性能退化。因此移动传感器网络中的节点自私问题是一个迫切需要解决的问题。

现阶段，解决移动传感器网络节点自私问题的研究工作主要集中于设计有效节点激励机制。基于博弈论的激励机制是重要研究方向之一，移动传感器网络中基于博弈的机制大概可以分为两种情况，即：基于信任的机制和基于信誉的机制。而目前，人们对于基于信誉的机制的研究所占比重较大。

在基于信誉的机制中，节点被赋予了一个通常称为“信誉值”的属性。信誉值是节点在以往与其余节点交互的过程中积累的对其行为的量化评价，可作为判断节点是否合作的依据。信誉值有三种类型：1直接信誉值，通过一个对若干观察评级因素的加权平均值决定，直接通过节点观察所得当前信誉与先前观察信誉相联系(因为在观察中，间断的不良行为对最终信誉值的评估影响极小，由此可以避免链路断开造成的错误检测，并考虑劣势节点的局部不良行为)；2间接信誉值，由于主观信誉量只考虑一个主体节点与其邻居节点之间的交互；3综合信誉值，考虑到不同的观察和评估标准，计算出一个全局的信誉值(用于不同功能时的信誉信息)。

Marti S等人提出的Watchdog&Pathrater方法(参见文献：Marti S,Giuli T J,Lai K,et al.Mitigating routing misbehavior in mobile ad hoc networks[C]//Proceedings of the 6th annual international conference on Mobile computingand networking.ACM,2000:255-265.)和Bansal S等人提出的OCEAN方法(参见文献：Bansal S,Baker M.Observation-based Cooperation Enforcement in Ad Hoc Networks[J].Computer Science-Networking and Internet Architecture,2003:1-10.)会对节点的行为进行统计，若观察到节点正常转发消息则信誉值增加，出现不合作行为则信誉值减小，当信誉值低于某个阈值时则认定其为自私节点。这2种方案都只利用了节点自身对邻居节点的观察信息，在计算信誉值时缺少与其余节点的交互。

在Buchegger S等提出的CONFIDANT方法中(参见文献：Buchegger S,Le Boudec JY.Performance analysis of the CONFIDANT protocol[C]//Proceedings of the 3rdACM international symposium on Mobile ad hoc networking&computing,2002:226-236.)，节点在观察到不合作的行为时，向其余节点发送告警消息。在计算信誉值时，综合考虑了节点自身的观察信息、邻居节点的观察信息以及其余节点的告警信息，并给不同的信息赋予不同的权值。由于考虑了网络中其余节点的监测信息，信誉值计算更准确。但告警消息仅反映节点的不合作行为，对合作行为缺乏交互。

Khan SU等人提的CORE方法(参见文献：Khan SU,Ahmad I.Discriminatoryalgorithmic mechanism design based www content replication[J].Informatica,2005,31:105-119.)实现了信誉值的验证，并将其用于检测不良行为实体，确定与每个节点功能信誉值相关的功能(分组转发功能或路由功能)权值，从而确保每个主体节点评估的全局声誉值不会影响整个系统。该方法的优点是：以动态源路由(DSR，Dynamic SourceRouting)协议为基础，被看作DSR协议顶上新加的一层，监测功能(分组转发功能和路由功能)与DSR路由发现功能相关，所以其WD(Watch Dog)功能能够检测到不参与路由发现的节点，信誉值的评估反应出节点的不良行为。不良行为可以在请求阶段检测，通过在应答阶段告知源节点和合作的中间节点，从而通过更新信誉值为合作节点分配正权重值(说明，与DSR路由发现功能不同，在CORE协议中，分组转发功能不提供请求或应答阶段各自独立的操作)。由于对于那些不良节点，其网络资源的使用将会被禁止，所以拒绝转发对那些不良实体没有任何好处，由此保证网络中整体节点的强制合作。但该方法在使用WD机制时，也存在着一些不足，如节点的不良行为的发现、节点间的共谋勾结和部分丢包问题。

在Mumtaz S等的研究中(参见文献：Mumtaz S,Marques P,Gameiro A,etal.Application of Game Theory in Ad-Hoc Opportunistic Radios[C]//2009IEEEInternational Conference on Networking,2009:46-51.)使用一个计数器来跟踪邻居的最后行为踪迹(该节点每合作一次，它的计数器的值就增加。同样，每次它叛变的时候，其值就减少1)。如果这个计数器的值为正，那么节点就会合作，否则它将通过自己叛变(指当接收到邻居节点的计数器值为负时，该节点从此以后不论什么样的情况下，都不会转发接收自该邻居节点的数据分组)来惩罚它的邻居。

在Li Y等人提出的策略中(参见文献：Li Y,Xu H,Cao Q,et al.EvolutionaryGame-Based Trust Strategy Adjustment among Nodes in Wireless Sensor Networks[J].International Journal of Distributed Sensor Networks,2015:1-12),移动传感器网络中的节点维护一个信誉表，里面保存的是其它节点的信誉值，该信誉值由两部分计算而得，一部分是记录节点合作行为的α计数器，另一部分是记录节点非合作行为的β计数器，由自身计算而得的信誉值，也叫直接信誉值，当节点与其它节点相遇时，通过节点之间相互交换而得的信誉值称为间接信誉值，考虑直接和间接信誉值后得出的综合信誉值，综合信誉值是判断节点是否自私的直接依据。

综上所述，近十余年来，人们对基于信誉机制的移动传感器网络路由方法开展了持续的研究工作，在信誉值的发布和使用等方面取得一些进展。但经过深入研究之后，我们发现现有移动传感器网络中基于信誉机制的路由方法还存在以下三个问题：

1.未考虑到网络中节点的剩余能量。当邻居节点的剩余能量不足以承担本次数据交互中接收数据包和转发数据包的能量开销时，发送节点依旧按照既定的发送机制进行数据的多次发送，导致浪费能量，产生不必要的转发开销。

2.当接收节点的剩余能量不能支撑接收和发送数据时，发送节点会认为它不愿意转发数据而扣减它的信誉值，从而影响其数据分组的转发，使接收节点受到错误的惩罚，影响网络吞吐量。

3.网络中节点信誉值的计算，需统计合作行为和非合作行为，要求发送节点的下两跳接收节点发送ACK消息(位于网络层)；该控制消息通过网络层以洪泛的方式进行传播，造成网络控制信息开销偏大，影响网络资源利用率和网络性能。

发明内容

为了解决上述三个问题，本发明采用了以下的技术方案：

以移动传感器网络为应用背景，提出了一种基于能量信息捎带、促进自私节点合作的高效路由新方法，采用“基于信誉表的零开销信息捎带”、“基于剩余能量的邻居节点发送能力判断”和“ACK消息按需单播”三种新机制，解决了上述不必要发送数据分组、错误惩罚节点和泛洪ACK消息三个问题。

本发明“移动传感器网络中基于能量信息捎带的高效路由方法”具体包含以下新机制：

1.基于信誉表的零开销信息捎带机制；

基于信誉表的零开销信息捎带新机制，主要是通过信誉表矩阵中可用的剩余空间来实现信息的捎带传输，信誉表如表1所示：

表1信誉表

	i	j	k	……
					i	1	D<sub>ij</sub>	D<sub>ik</sub>
j	D<sub>ji</sub>	1	D<sub>jk</sub>
					k	D<sub>ki</sub>	D<sub>kj</sub>	1
……				1

表1中D_ij表示的是节点i对节点j的信誉值统计，对角线位置是可利用的数据空间，本发明中所提出的“基于信誉表的零开销信息捎带新机制”就是利用上述空间来实现的。

2.基于剩余能量的邻居节点发送能力判断机制；

基于剩余能量的邻居节点发送能力判断新机制，通过将邻居节点剩余能量的信息，引入作为判断节点能否进行数据发送的因素之一，使得节点在选取下一跳节点时，在信誉值满足条件的基础上，选择剩余能量足够的邻居节点作为发送节点，增加下一跳选择的合理性。

3.ACK消息按需单播机制；

ACK消息按需单播的新机制，是一种基于捎带信息的按需单播机制，通过表1中的可用信息进行捎带传输，有效的减少网络层泛洪发送控制信息的巨大开销。

本发明提出的“移动传感器网络中基于能量信息捎带的高效路由方法”包含节点相遇感知、数据交互过程、信誉表更新等三个主要阶段。

本发明的有益效果主要体现在5个方面，具体如下：

(1)减少了数据分组的转发次数及开销

本发明提出的“基于信誉表的零开销信息捎带新机制”和“基于剩余能量的邻居节点发送能力判断新机制”，能够在不引入额外控制开销的前提下通过信誉表中冗余信息的利用，有效的通过捎带机制捎带传输节点剩余能量信息，通过邻居节点的剩余能量来进行数据转发的判断，当接收节点不能够完成数据接收和转发的能耗开销时，有效的避免了向其发送分组，能有效的减少不必要的数据转发次数和能耗开销。

(2)避免了ACK消息的转发并减少了ACK消息的发送

本发明提出的“ACK消息按需单播的新机制”，能够有效的避免原ACK控制消息在网络层的泛洪传播，通过信誉矩阵中的捎带机制传输ACK控制信息，一方面能够完成控制消息传播的功能，另一方面合理有效的减少了网络层泛洪传播控制信息带来的巨大开销。减少了ACK信息在网络层的泛洪，同时由捎带机制减少了ACK消息的发送，由上述可见本发明提出的按需单播机制能够合理有效的减少不必要的控制信息传输，在合理的基础上提高网络资源的利用效率。

(3)避免了节点因剩余能量不足而受到惩罚

采用本发明提出的“基于剩余能量的邻居节点发送能力判断新机制”，当接收节点能量不足以转发数据时，发送节点便不会向接收节点发送能量，这样接收节点便不会因为不能转发送数据，导致发送节点误认接收节点的不转发行为，从而引起接收节点信誉值计算错误，使得信誉值降低，其它节点不转发该节点的数据，使得接收节点收到无端的惩罚。

(4)减少控制开销，延长节点和网络寿命

采用本发明提出的“基于剩余能量的邻居节点发送能力判断新机制”，能够根据接收节点的剩余能量来判断是否进行数据的发送，具有有效减少发送节点不必要能耗开销的作用，体现以下两个方面：一、通过接收节点的剩余能量，当得出接收节点不能完成数据接收的能耗开销时结论时，采取本发明所提出的“基于剩余能量的邻居节点发送能力判断新机制”的方法，能够有效的避免在未收到接收节点ACK数据确认帧时，进行多次重复发送直到最大的重发次数，提高发送节点的能耗利用效率，增加发送节点的网络生存时间；二、通过接收节点的剩余能量判断，当得出接收节点能完成数据的接收，但不足以承担数据的转发开销时，采取本发明提出的“基于剩余能量的邻居节点发送能力判断新机制”的方法，将不会向接收节点转发数据，以便接收节点能够有效的利用现有的剩余能量完成一次完整的接收和转发数据的过程，避免了接收节点能耗的不必要开销，有效的提高了接收节点的能耗利用率，增加接收节点的网络生存时间。综上所述本发明中所提出的“基于剩余能量的邻居节点发送能力判断新机制”，能够合理的减少接收节点和发送节点不必要的能耗开销，有效的增加网络节点的生存时间。

(5)有利于提升网络吞吐量

本发明提出的“基于剩余能量的邻居节点发送能力判断新机制”，当节点由于剩余能量不足时，避免向其发送数据，这样有效的避免了接收节点收因信誉值减少收到惩罚，一方面保证其信誉值在一定程度上保持不变，增加其信誉值的准确性，另一方面保证在能量不足的情况下，其它节点依旧会转发其数据分组，增加网络的吞吐量。

附图说明：

图1为本发明中基于能量信息捎带的高效路由方法流程意图

图2为本发明中接收节点感知流程示意图

图3为本发明中发送节点感知流程示意图

图4为本发明中感知信息交互示意图

图5为本发明中数据交互流程示意图

图6为本发明中ACK消息传输原理示意图

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本发明的具体实施方式做详细介绍。

1.移动传感器网络中基于能量信息捎带的高效路由方法的具体操作如下：

移动传感器网络中基于能量信息捎带的高效路由方法包括三个主要阶段：节点相遇感知、数据交互、信誉表更新，如图1所示。

阶段1.节点相遇感知

该阶段包含以下三个步骤：

步骤1：节点周期性广播Beacon消息。

当节点暂时处于静止状态时，每个节点都以一定发送功率，并且以固定的周期性重复广播Beacon消息，Beacon消息包含节点的标识等相关的标识信息。

步骤2：感知节点相遇。

当两个节点相互进入对方的通信范围后，会启动节点发现过程，它们分别独立地在各自的物理层和网络层通过2种方式感知，并判定与对方节点的相遇：①物理层收到对方节点周期性广播的Beacon消息；②网络层收到对方节点单播发送的目的地为自己的信息包。只有同时满足这两个条件才能符合节点的相遇条件。

步骤3：记录相遇节点信息。

如果当前节点确定与其它节点相遇，则将相遇节点的标识存入邻居表，然后执行下一阶段的操作。

图2为接收节点感知的主要流程示意，图3为发送节点感知的主要流程示意，图4为节点感知阶段数据交互示意图。

阶段2.数据交互

图5为数据交互过程的流程示意图，当节点经过相遇感知后，会进入下一步的数据交互的过程。该阶段包含以下三个步骤：

步骤1：交换各自信誉表。

首先，通过感知相遇的两个节点，会进行节点信誉矩阵的交换，信誉矩阵的格式如表2所示：

表2节点信誉记录矩阵

	i	j	k	……
					i	1	D<sub>ij</sub>	D<sub>ik</sub>
j	D<sub>ji</sub>	1	D<sub>jk</sub>
					k	D<sub>ki</sub>	D<sub>kj</sub>	1
……				1

信誉矩阵包括本节点对其它节点直接信誉的统计。每个节点对其它节点信誉值的计算由两个计数器来确定，统计合作行为的α计数器，以及统计节点不合作的β计数器，直接信誉值的计算由公式1来计算，

在原交换信誉矩阵中对于对角线的位置是未加利用直接设置为1的，说明中“基于信誉表的零开销信息捎带机制”是在本步骤中实现，对于对角线未利用的位置空间进行有效的利用，由于节点对于其它节点直接信誉值的计算是通过公式(1)来计算的，所以除对角线位置外，每个节点的信誉值的数据类型为double型变量，因此对于每次交换信誉表矩阵，该矩阵中的每一个对角线空间有8*8bit的大小可利用，整个信誉矩阵中的可用空间为n*8*8bit,n为网络中节点的数目，本专利中信誉矩阵中1*1的位置存放的是节点剩余能量E_s的信息。含剩余能量的信誉矩阵如表3所示：

表3含节点剩余能量的信誉矩阵

	i	j	k	……
					i	Es	D<sub>ij</sub>	D<sub>ik</sub>
j	D<sub>ji</sub>	1	D<sub>jk</sub>
					k	D<sub>ki</sub>	D<sub>kj</sub>	1
……				1

步骤2：根据节点剩余能量E_s的大小判断发送数据与否。

本步骤中包含以下3个子步骤：

1)分析接收方接收能耗

接收方接收数据的能耗，与节点的一次发送数据能耗相等，数值上等于节点的发送功率P_t与发送时间t的乘积，即E_r＝P_t*t，P_t为当前数据的发送功率，t为本次发送数据包所需要的时间，大小与当前数据包的大小有关，数值等于L/V(s),L为数据的长度，单位为bit,V为数据速率，单位为bit/s。

2)分析接收方转发能耗

接收节点数据的转发采取一定的重传机制，直到成功收到下一跳节点相应的接ACK确认帧，本发明中重传次数假设为N，那么数据转发的能耗可由公式(2)计算：

式(2)中k表示的是发送节点在第k次发送时，数据发送成功，P{x＝k|x≤N}，表示的是第k次发送成功的概率，数值可由公式(3)计算：

式(3)中q表示的是每次发送数据成功的概率。

根据接收节点剩余能量的大小有以下结论：当E_s<E_r时，接收节点不能承担本次接收的能耗开销，当E_r≤E_s<E_r+E_t时,接收节点能承担接收数据的能耗开销，但不能完成继续转发数据的能耗开销，当E_s≥E_r+E_t时，接收节点能够承担本次接收数据并在此转发数据的能耗开销。

综合分析，接收节点在本次转发和发送所需要的最小能耗大小为E_r+E_t，当E_s<E_r+E_t时，根据分析，表示接收节点的剩余能量不足以承担本次转发所需的能量开销，因此无需向该邻居节点发送数据信息,当E_s≥E_r+E_t时，才进行数据的发送。

3)发送节点发送数据

当发送节点根据前两个时期的计算，判断出接收节点的能耗可以完成本次转发的能量消耗时，发送节点会向接收节点发送数据，直到收到接收节点数据接收确认帧或者达到最大的既定发送次数N，本次数据交互的过程方才结束。

说明中“基于剩余能量的邻居节点发送能力判断机制”是在该步骤中实现的，通过该机制成功的进入剩余能量的信息作为邻居节点发送能量的判断。

步骤3：按需单播ACK消息

ACK信息传输示意如图6所示，主要的思想是接收节点正确接收到上一跳节点转发来的数据消息后，主动向其再上一跳节点发送ACK确认信息，表示上一跳节点转发的数据包确实发送出去。本说明书中与以往的ACK消息通过泛洪的传输方式不同，采用“ACK消息按需单播的新机制”和“基于信誉表的零开销信息捎带机制”两种新的机制来传输该信息，ACK信息是通过交换信誉矩阵时，通过信誉表对角线位置除1*1的位置外的剩余空间的来传递的，将上一跳的节点转发信息和ACK消息，依次写到从位置2*2开始的每一个32bit的空间中，添加上一跳节点信息的和ACK消息后的信誉矩阵如表4所示：

表4改进后的节点信誉记录矩阵

	i	j	k	……
					i	E<sub>s</sub>	D<sub>ij</sub>	D<sub>ik</sub>
j	D<sub>ji</sub>	D<sub>ata</sub>	D<sub>jk</sub>
					k	D<sub>ki</sub>	D<sub>kj</sub>	A<sub>ck</sub>
……				1

表4中，E_s表示的是节点的剩余能量信息，D_ata是上一跳节点信息，A_ck是需要发送给上两跳节点的帧反馈信息，当节点与上两跳节点相遇时，会将上一跳节点信息标识的ACK控制信息用本发明提出的“ACK消息按需单播的新机制”发送出去，通过捎带的单播方式来替代原来网络层泛洪传播ACK消息，减小网络中控制信息的开销，增加网络资源的有效利用率，提高网络性能。

阶段3.信誉表更新

本阶段中信誉表的更新操作在有/无转发数据的情况下有所不同，具体如下：

1)有转发数据时的更新

当发送节点成功发送数据后，会启动一个计时器，该计时器的大小为网络中预估的从源节点发送到目的节点的最长时间，如果在计时器未减到0之前，收到来自下两跳节点发送的ACK信息，那么对于记录接收节点的合作记录器会增加1，否则记录接收节点的不合作记录器会增加1。

2)无转发数据时的更新

当发送节点根据邻居节点的剩余能量，判断出该接收节点的剩余能量不足以完成本次转发的能量开销时，便进行数据交互的过程，与原有的会记录该节点的不转发行为不同，本发明中发送节点对于该邻居节点的信誉值保持不变，不会对该节点进行惩罚，影响其信誉值的计算，导致其以后无法进行数据的正常发送。

Claims (1)

1.移动传感器网络中基于能量信息捎带的高效路由方法，其特征在于：包括节点相遇感知、数据交互和信誉表更新三个主要的操作阶段和“基于信誉表的零开销信息捎带”、“基于剩余能量的邻居节点发送能力判断”和“ACK消息按需单播”三种机制；在节点相遇感知阶段发现并联系遇到的节点，在数据交互阶段相遇节点相互交换信誉表和数据，在信誉表更新阶段节点更新信誉表的信息；“基于信誉表的零开销信息捎带”机制工作在数据交互阶段和信誉表更新阶段，“基于剩余能量的邻居节点发送能力判断”机制工作在数据交互阶段，“ACK消息按需单播”机制工作在数据交互阶段和信誉表更新阶段；“基于信誉表的零开销信息捎带”机制的主要操作是：节点将剩余能量值、上一跳节点信息和ACK信息放入信誉矩阵中左上至右下对角线上的元素中，从而在不增加任何控制信息和开销的情况下，实现剩余能量值、上一跳节点信息和ACK信息的零开销捎带传送；“基于剩余能量的邻居节点发送能力判断”机制的主要操作是：节点与其它节点相遇时判断相遇节点的数据发送能力，在相遇节点无足够能量转发数据的情况下，停止向其发送数据，从而避免不必要发送数据导致额外的转发开销和能耗，同时节点保持相遇节点的信誉值，避免错误地惩罚它而导致网络吞吐量下降；“ACK消息按需单播”机制的主要操作是：节点不再在全网泛洪ACK消息，只在遇到上两跳节点时对其单播ACK消息，从而消除了泛洪产生的大量控制开销；而且，ACK消息先装入信誉矩阵中，以零开销捎带的方式传送，只在信誉矩阵装不下时，才单独进行单播，因而进一步降低了控制开销。

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