CN105916183A - 基于链路质量和剩余能量的无线传感器网络路由选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于链路质量和剩余能量的无线传感器网络路由选择方法，通过使用链路质量指标来判断链路质量的好坏，通过选取传感器节点之间链路质量较好的链路进行数据包的发送，并综合考虑节点的剩余能量，避免了其他算法中单一节点过度使用的情况，使整个无线网络的负载均衡，提高了无线传感器网络的寿命和服务质量。

Description

基于链路质量和剩余能量的无线传感器网络路由选择方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别是涉及一种基于链路质量和剩余能量的无线传感器网络路由选择方法。

背景技术

无线传感器网络是一种新兴的网络，这种网络由多个单节点组成，各个节点通过传感或参数控制实现与环境的交互；节点必须通过相互关联才能完成一定的任务，而单个节点则通常无法发挥作用；节点间的关联性通过无线通信实现。

当无线传感器网络中一个源节点需要将数据分组发送到它的目的节点时，如果源节点不能直接进行数据分组的发送，那么它只能依靠中间节点的帮助来转发这些数据分组，从而形成了一个多跳网络。路由层路由协议通过提出的路由算法来确定转发的策略。在有线网络中，路由协议通常都是基于连接状态或距离矢量算法的(Dijkstra或Bellman-Ford算法)，而在无线网络中，因为网络极有可能是移动的、多跳的，所以路由协议应该是分布式的、低开销的、自配置的、善于处理频繁变化的网络拓扑结构的。无线网络路由协议可分为两大类：(i)表驱动(Table-driven)或先验式(Proactive)的路由协议本；(ii)按需路由协议。

第一个方面在无线传感器网络应用中，由于传感器节点很难与有线电源相连接，而必须依靠自身携带的电池供电，因此能量效率是一个非常重要的指标，现有的无线网络路由协议没有考虑能量高效问题；第二个方面无线传感器网络应用与环境因素密切相关，由于环境因素的多变性，无线传感器网络应用对服务质量(QoS)有较高的要求，因此路由协议的稳定性和可靠性也是两个非常重要的指标，现有的无线网络路由协议没有考虑这两点。第三个方面在无线传感器网络应用中，由于节点之间的通信可能由于节点能量耗尽，节点损坏等因素造成永久中断，因此无线传感器网络节点通常需要冗余部署，现有的无线网络路由协议也没有考虑容错性。

综上所述，现有的表驱动和按需路由协议没有考虑无线传感器网络节点能量有限和环境因素的影响，不能满足无线传感器网络能量高使用和较高服务质量的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于链路质量和剩余能量的无线传感器网络路由选择方法，使整个网络中的节点能耗更加均衡，提高整个网络的生存时间；同时选取节点之间链路质量较高的链路进行通信，提高数据传输的稳定性和准确性，提高无线传感器网络的服务质量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于链路质量和剩余能量的无线传感器网络路由选择方法，在节点缓存路由表、RREQ数据包以及RREP数据包中添加了平均节点剩余能量状态和路径中节点间链路质量较低的链路数两个字段，具体包括以下步骤：

(1)当源节点需要与目的节点进行通讯时，源节点通过向所有邻居节点泛洪广播路由请求RREQ数据包，并等待路由回复RREP数据包；

(2)当第一中间节点接收到一个RREQ数据包的复制包时，获取第一中间节点与发送这个RREQ数据包的上一跳节点之间的链路质量和第一中间节点自身的能量状态，并对RREQ数据包中平均节点剩余能量状态和路径中节点间链路质量较低的链路数的值进行更新；

(3)判断此第一中间节点缓存的路由表中是否存在通向目的节点的有效路径，若不存在，则向邻居节点转发RREQ数据包；若存在有效路径，则根据RREQ数据包的信息，生成一个路由回复RREP信息，将第一中间节点通向目的节点的有效路径接入第一中间节点至源节点的反向路径中，形成从目的节点到源节点的完整反向路径，并通过单播的方式经由反向路径发送给源节点；

(4)第二中间节点接收到路由回复RREP数据包后，第二中间节点检查自己是否是源节点，若不是，则继续反向路径转发RREP数据包；若第二中间节点为源节点，则根据RREP反向路径的信息，创建源节点至目的节点的正向路径，保存在路由列表中；

(5)执行最优路由选择更新算法，判断此RREQ数据包所查找的路径综合考虑链路质量和节点能量是否是最优路径，如果是最优路径，则源节点通过此路径向目的节点发送数据，完成通信。

所述步骤(5)中根据路径的跳数、路径中节点间链路质量较低的链路数以及平均节点剩余能量状态三个方面对路径进行选取。

所述步骤(5)具体为：

(51)如果路由发现过程中发现一条新路径，比较新路径和原有路径的平均节点剩余能量状态，若两者相等则比较新路径和原有路径的路径跳数，若新路径的路径跳数较多则继续比较路径中节点间链路质量较低的链路数，如果原有路径的路径中节点间链路质量较低的链路数较小，则新路径为最优路由，需要更新路由表；

(52)如果新路径的平均节点剩余能量状态小于原有路径，则继续比较两条路径的路径跳数，若新路径的路径跳数较少则继续比较路径中节点间链路质量较低的链路数，如果原有路径的路径中节点间链路质量较低的链路数较小，则新路径为最优路由，需要更新路由表；

(53)如果新路径的平均节点剩余能量状态大于原有路径，则继续比较路径中节点间链路质量较低的链路数，如果原有路径的路径中节点间链路质量较低的链路数较小，则比较两条路径的路径跳数，如果新路径的跳数较多，则新路径为最优路由，需要更新路由表；

(54)没有满足以上情况的则重新进行路由发现。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过使用链路质量指标来判断链路质量的好坏，通过选取传感器节点之间链路质量较好的链路进行数据包的发送，并综合考虑节点的剩余能量，避免了其他算法中单一节点过度使用的情况，使整个无线网络的负载均衡，提高了无线传感器网络的寿命和服务质量。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明中最优路由选择流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种基于链路质量和剩余能量的无线传感器网络路由选择方法，本方法考虑了节点之间的链路质量和节点的剩余能量，在设计路由协议时，在节点缓存路由表、RREQ数据包以及RREP数据包中添加了平均节点剩余能量状态RemainingEnergy和路径中节点间链路质量较低的链路数Low-Link两个字段。最优路由选择更新算法综合考虑了路径的跳数、路径中节点之间的链路质量、路径中节点的剩余能量状态。如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1、当源节点S需要与目的节点D进行通讯时，源节点S通过向所有邻居节点泛洪广播路由请求RREQ数据包，并等待路由回复RREP数据包，启动路由发现过程；

步骤2、当中间节点i接收到一个RREQ数据包的复制包时，需判断中间节点i与发送这个RREQ数据包的上一跳节点i-1之间的链路质量是否低于一个固定的链路质量阈值，如果中间节点i与上一跳节点i-1之间的链路质量低于这个阈值，那么更新此RREQ数据包中LowLink的值，LowLink的值加1，同时获取中间节点i的剩余能量状态并对RemainingEnergy进行更新；

步骤3、判断此中间节点i缓存的路由表中是否存在通向目的节点的D的有效路径，若不存在，则向邻居节点转发RREQ数据包；若存在有效路径，则根据RREQ信息，生成一个路由回复RREP信息，将中间节点i通向目的节点D的有效路径接入节点i至源节点S的反向路径中，形成从目的节点D到源节点的完整反向路径，并通过单播的方式经由反向路径发送给源节点S；

步骤4、中间节点j接收到路由回复RREP数据包后，节点j检查自己是否是源节点，若不是，则继续反向路径转发RREP数据包。若此节点为源节点S，则根据RREP反向路径的信息，创建源节点S至目的节点D的正向路径，保存在路由列表中。

步骤5、执行最优路由选择更新算法，判断此RREQ数据包所查找的路径综合考虑链路质量和节点能量是否是最优路径。如果是最优路径，则源节点通过次路径向目的节点D发送数据，完成通信。

由此可见，本发明解决了以下两个技术难题：

1)无线传感器网络中同一节点多次作为中间节点会导致该节点能量消耗过快，加速该节点的死亡，从而导致整个网络拓扑的变化，增加了路由发现的过程，降低整个网络的生存时间。

2)节点之间的链路状况由于环境因素的影响导致节点之间通信质量的下降，节点之间数据发成功发送的概率降低或者不能成功发送，降低无线传感器网络的服务质量。

本发明可以使整个网络中的节点能耗更加均衡，提高整个网络的生存时间；同时选取节点之间链路质量较高的链路进行通信，提高数据传输的稳定性和准确性，提高无线传感器网络的服务质量(QoS)。

最优路由选择更新算法如下所述：

路径中低质量链路数Low-Link值为：

$Low-Link=\underset{N}{\Σ}Q\left(L\right)$

$Q\left(L\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& L>{\mathrm{LQI}}_{th}\\ 1& L<{\mathrm{LQI}}_{th}\end{array}\right.$

L为节点之间链路质量，LQI_th为设定的链路质量阈值，不同环境下的LQI_th不一样，当节点之间链路质量大于LQI_th值时，节点之间链路状况良好，节点之间能准确发送数据包，此时Q(L)值设为0，当节点之间链路质量小于LQI_th值时，节点之间链路状况较差，节点之间不能准确发送数据包，此时Q(L)值设为1，对Q(L)值求和变得到整个路径的低质量链路数Low-Link值，没有直接使用LQI值的原因是，无线传感器网络的节点运算能力有限，复杂的计算会消耗更多的节点资源，消耗很多的能量。

本发明中使用LQI作为权衡链路质量的指标，没有使用RSSI，RSSI只能反应信号的强度，在环境因素影响比较大的情况下，不能准确的反应节点之间的链路质量，LQI是在IEEE 802.15.4标准中规定的，现有的传感器节点芯片如CC2420都能测得LQI值和RSSI值，相比RSSI值，LQI值能更好的反映环境因素对链路质量的影响。

路径中平均节点剩余能量状态RemainingEnergy值为：

$\stackrel{\&OverBar;}{E}=\frac{\underset{N}{\&Sigma;}{E}_i}{N}$

$E_i=\frac{E_{remain}}{E_{origin}}\&times;100\%$

E_i为节点i的剩余能量状态，为路径中所有节点的平均节点剩余能量状态，E_origin为原始能量，E_remain为剩余能量。

路径的跳数为H。

当一个节点收到一个路由请求RREQ数据包时，会对RREQ中RemainingEnergy值和Low-Link值进行更新。

最优路由选择更新算法如图2所示，具体实施步骤如下：

步骤1、如果路由发现过程中发现一条新的路径B，比较路径B和原有的路径A的RemainingEnergy值若E_A＝E_B，则比较路径A的跳数和路径B的跳数，若H_A>H_B则继续比较Low-Link值，如果路径B的Low-Link值较小，则路径B为最优路由，需要更新路由表。

步骤2、若E_A<E_B，则继续比较H_A与H_B的值，若H_A<H_B则继续比较Low-Link值，如果路径B的Low-Link值较小，则路径B为最优路由，需要更新路由表。

步骤3、若E_A>E_B，则继续比较Low-Link值，如果路径B的Low-Link值较小，则继续比较H_A与H_B的值，若H_A>H_B则路径B为最优路由，需要更新路由表。

步骤4、没有满足以上步骤情况，重新进行路由发现。

由此可见，最优路由选择更新算法根据路径的跳数和路径Low-Link值以及RemainingEnergy值三个方面对路径的选取进行了约束，删除了不必要的路径，减少不必要的路由发现过程。

Claims (3)

1.一种基于链路质量和剩余能量的无线传感器网络路由选择方法，其特征在于，在节点缓存路由表、RREQ数据包以及RREP数据包中添加了平均节点剩余能量状态和路径中节点间链路质量较低的链路数两个字段，具体包括以下步骤：

(1)当源节点需要与目的节点进行通讯时，源节点通过向所有邻居节点泛洪广播路由请求RREQ数据包，并等待路由回复RREP数据包；

(2)当第一中间节点接收到一个RREQ数据包的复制包时，获取第一中间节点与发送这个RREQ数据包的上一跳节点之间的链路质量和第一中间节点自身的能量状态，并对RREQ数据包中平均节点剩余能量状态和路径中节点间链路质量较低的链路数的值进行更新；

(3)判断此第一中间节点缓存的路由表中是否存在通向目的节点的有效路径，若不存在，则向邻居节点转发RREQ数据包；若存在有效路径，则根据RREQ数据包的信息，生成一个路由回复RREP信息，将第一中间节点通向目的节点的有效路径接入第一中间节点至源节点的反向路径中，形成从目的节点到源节点的完整反向路径，并通过单播的方式经由反向路径发送给源节点；

(4)第二中间节点接收到路由回复RREP数据包后，第二中间节点检查自己是否是源节点，若不是，则继续反向路径转发RREP数据包；若第二中间节点为源节点，则根据RREP反向路径的信息，创建源节点至目的节点的正向路径，保存在路由列表中；(5)执行最优路由选择更新算法，判断此RREQ数据包所查找的路径综合考虑链路质量和节点能量是否是最优路径，如果是最优路径，则源节点通过此路径向目的节点发送数据，完成通信。

2.根据权利要求1所述的基于链路质量和剩余能量的无线传感器网络路由选择方法，其特征在于，所述步骤(5)中根据路径的跳数、路径中节点间链路质量较低的链路数以及平均节点剩余能量状态三个方面对路径进行选取。

3.根据权利要求2所述的基于链路质量和剩余能量的无线传感器网络路由选择方法，其特征在于，所述步骤(5)具体为：

(51)如果路由发现过程中发现一条新路径，比较新路径和原有路径的平均节点剩余能量状态，若两者相等则比较新路径和原有路径的路径跳数，若新路径的路径跳数较多则继续比较路径中节点间链路质量较低的链路数，如果原有路径的路径中节点间链路质量较低的链路数较小，则新路径为最优路由，需要更新路由表；

(52)如果新路径的平均节点剩余能量状态小于原有路径，则继续比较两条路径的路径跳数，若新路径的路径跳数较少则继续比较路径中节点间链路质量较低的链路数，如果原有路径的路径中节点间链路质量较低的链路数较小，则新路径为最优路由，需要更新路由表；

(53)如果新路径的平均节点剩余能量状态大于原有路径，则继续比较路径中节点间链路质量较低的链路数，如果原有路径的路径中节点间链路质量较低的链路数较小，则比较两条路径的路径跳数，如果新路径的跳数较多，则新路径为最优路由，需要更新路由表；

(54)没有满足以上情况的则重新进行路由发现。