CN106912083B - 一种适用于大型野外环境的无线传感网络的路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于大型野外环境的无线传感网络的路由方法，具体包括，首先对无线传感网络中的节点进行初始化，得到每个节点的预期能耗值C和每个节点所有邻居节点的占空比之和；在数据传输过程中，将首先要发送数据的节点作为当前节点，确定当前节点的邻居节点集合；确定当前节点的转发候选集，并在转发候选集中确定一个转发节点，将该转发节点作为当前节点重复上述步骤，直到找到所有的转发节点，完成数据传输。本发明提供的路由方法，考虑到了退避机制，提高了通信成功率，最终达到降低转发过程能耗，提升网络生存周期的目的。

Description

一种适用于大型野外环境的无线传感网络的路由方法

技术领域

本发明属于无线传感网技术领域，具体涉及一种适用于大型野外环境的无线传感网络的路由方法。

背景技术

现阶段，无线传感网络广泛应用于军事，环境，生物，健康，工业控制等领域。由诸多体积小，价格低廉的节点通过自组形成的网络具有在各类环境下进行感知，计算和传输数据的优良能力。无线传感网中组网所用的节点一般都由控制器，内存，通信模块，感知/计算模块以及能量模块组成。其中控制器负责控制节点的工作和休眠周期，使节点在工作一段时间后自动进入休眠状态来节省能耗。而内存用来存储节点收到的感知信息以及计算结果，通过通信模块进行数据传输。

在不同的应用场景下，我们对网络的延迟，吞吐以及能耗等关键因素的要求也不尽相同，本发明讨论的应用背景是在大型的野外环境监测场景下进行有效的数据传输过程。在一些野外环境下，诸如深山，森林等场景，为了保护其中的动植物，研究其生存轨迹以及生活环境，或者在一些偏僻的地区有需要保护的古遗址，这时需要一个稳定的长时间的环境数据采集，因为环境的限制，不可能频繁地去更换节点的供电电池，于是在这些地方部署的大型监测无线传感网需要很低很平衡的能量消耗，从而提升整个网络的生存周期。设计合理的路由策略将会显著降低节点间的通信能耗。

机会路由策略是近年来常用于无线传感网的路由协议，它以其转发数据时的灵活性给无线传感网带来了诸如低延迟，低能耗等优点。但是现有的机会路由协议并不能很好地适用于野外大型无线传感网络监测环境，例如文献[1]中设计的路由协议虽然提出了一种具有一定能量效率的方案，但是其对 能量消耗的讨论的不够全面，而文献[2]中的方法则将转发过于集中至具有某些特性的节点从而造成网络能量的不均衡，还有文献中的方法都有着一定的优势，但却并不完全适用于本发明的应用背景。

因此，人们需要一种能够在野外监测环境下可以长时间稳定监测数据且进行低功耗可靠传输的路由技术，并解决上述相关技术中的问题。

发明内容

针对上述现有文献中方法和协议应用于长期野外监测环境下存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种适用于大型野外环境的无线传感网络的路由方法。

为了实现上述任务，本发明采用如下技术解决方案予以实现：

一种适用于大型野外环境的无线传感网络的路由方法，具体包括以下步骤：

步骤1，对无线传感网络中的节点进行初始化，得到每个节点的预期能耗值和每个节点的邻居节点的占空比之和，并记录每个节点的睡眠时刻；具体包括：

1.1，打开无线传感网络中的所有节点的通信模块，将基站作为当前发出节点；

1.2，当前发出节点向其周围节点广播第一探测包，将收到第一探测包的每个节点作为当前接收节点；当前接收节点若在自身反应时间内未接收到第一探测包，则根据探测包生成规则生成自己的探测包，并将探测包广播出去；

所述的第一探测包中包括当前发出节点的预期能耗值、当前发出节点的邻居节点的占空比、当前发出节点的睡眠时刻和当前发出节点的占空比；

所述的探测包生成规则为：对于任意一个节点，根据公式(1)计算该节点的预期能耗值，根据公式(4)计算该节点的邻居节点的占空比之和；该节点将自己的预期能耗值、自己的邻居节点的占空比之和、睡眠时刻以及 自己的占空比组成自己探测包；

所述的自身的反应时间为：对于任意一个节点，其自身的反应时间T₁＝2D*L，其中L表示该网络中节点的总周期长度，D表示该节点自身的占空比；

C＝C_t+C_f (1)

式(1)中，C_t值代表该节点广播探测包时，其邻居节点集合中至少一个节点接收到测包过程预计所消耗的能量；其中C_f表示该节点广播的探测包被其邻居节点转发的过程中预计消耗的能量；

其中C_t通过公式(2)计算所得，

式(2)中w表示该节点预设好的发送功率值，Sum表示该节点的邻居节点的个数；e_i表示该节点和其邻居节点i的链路传输时失败的概率；

其中C_f通过公式(3)计算所得，

式(3)中，C_i表示该节点的邻居节点i的预期消耗能量；e_i表示该节点和其邻居节点i之间的链路传输时失败的概率；e_j表示该节点和其邻居节j之间的链路传输时失败的概率；e₁表示该节点和其邻居节点集合中第一个邻居节点之间的链路传输时失败的概率；C₁表示第一个收到该节点发出的探测包的邻居节点的预期消耗能量；Sum表示该节点的邻居节点的个数；

其中该节点所有邻居节点的占空比之和通过公式(4)计算所得：

式(4)中,T_wake表示该节点的工作周期；

表示该节点的邻居节点集中的任意两个节点h和k的工作周期的重叠部分的时间，Nei代表该节点的邻居节点集合；h,k∈Nei表示h、k是该节点的邻居节点集合中的任意两个邻居节点h和k；

所述的工作周期为：对于任意一个节点h，其工作周期可表示为[T_sleep+L，T_sleep+L+D_h*L]，其中，T_sleep表示该节点h进入睡眠状态的时刻，D_h表示该节点h的占空比；L表示该网络中节点的总周期长度；

1.3，将收到当前接收节点发出的探测包的节点作为当前发出节点，重复步骤1.2；直到无线传感网络中所有节点都收到探测包，记录每个节点的预期能耗值、每个节点的邻居节点的占空比之和、每个节点的占空比和每个节点的睡眠时刻；

步骤2：在数据传输过程中，将首先要发送数据的节点作为当前节点，确定当前节点的邻居节点集合，重新计算当前节点的邻居节点的占空比之和；根据当前节点的邻居节点集合确定该节点的转发候选集，并在转发候选集中确定一个转发节点；具体包括：

2.1，在每个工作周期内，将首先要发送数据的节点作为当前节点，当前节点广播探测包，收到探测包的每个节点将初始化得到的预期能耗值、该节点的邻居节点的占空比之和、该节点的占空比回复给当前节点；将收到探测包的所有节点作为当前节点的邻居节点，所有的邻居节点组成当前节点的邻居节点集合；

2.2，生成一个空集合作为候选集，按照预期能耗值从小到大的顺序依次将每个邻居节点加入候选集；

每加入一个邻居节点后，将当前节点作为当前接收节点，将得到的候选集作为当前接收节点的邻居节点集合，根据公式(1)重新计算当前节点的 预期能耗值；当加入某个邻居节点后，计算的当前节点的预期能耗值大于上次计算的当前节点的预期能耗值时，结束加入过程且不将本次的邻居节点加入候选集，将此时得到的候选集作为转发候选集；

2.3，计算转发候选集中所有邻居节点的预期能耗值之和，选取最后一个加入转发候选集中的邻居节点，将该邻居节点的预期能耗值作为基准能耗值；

当前节点将基准能耗值和转发候选集中所有邻居节点的预期能耗值之和作为信息广播给其周围节点；收到该信息的每个节点将基准能耗值和自身能耗值比较，找到自身的能耗值小于或等于基准能耗值的节点作为候选节点；

2.4，计算每个候选节点的退避时间，每个候选节点执行退避过程并向当前节点回复ACK，选取最先回复ACK的候选节点作为转发节点，当前节点将待发送数据发送给转发节点；

所述的退避时间B通过公式(5)计算所得，对于任意一个候选节点，

B＝Cost*B_max (5)

式(6)中Cost代表通信代价，通过公式(6)计算所得，B_max代表该候选节点的MAC层预定义的最大的随机退避时间常量；

式(6)中：

表示该候选节点的预期能耗值与转发候选集中所有节点的预期能耗值之和的比；

式(6)中，RoW表示该候选节点在进行下一次转发时要等待的时间代价，其中RoW＝1-RoF*；其中RoF*表示当前节点的邻居节点的占空比之和；

RoF*的计算方法为：若当前节点在自身的反应时间内未收到任意一个邻居节点的回复，则根据公式(4)计算当前节点的邻居节点占空比之和，其中在确定任意一个节点h的工作周期时，该节点的T_sleep时刻为该节点在本工作周期开始的时刻加上该节点的T_wake时段；其中T_wake表示该节点h在本工作周期的工作时段；

式(6)中，α,b表示该候选节点在整个转发过程中通信耗能和等待能耗所占的比重系数，其中α＝0.6,b＝0.4；

步骤3：将步骤3得到的转发节点作为当前节点，重复执行步骤2，直到找到所有的转发节点，数据包通过所有的转发节点完成数据传输过程。

上述技术方案和现有技术相比，具有的以下技术效果：

1、提出了一个考虑转发过程和转发前的等待过程代价相结合的传输代价度量方法，使用该方法选择的转发候选集以及转发节点，真正全面地考虑了候选的邻居节点的预期能耗，使得当前节点每次转发时选择的转发节点消耗最少的能量；

2、本发明在转发候选集中确定转发节点时，考虑到了退避机制，选择自身的C值小于或等于基准C值时的邻居节点，计算了这些邻居节点的退避时间，减少了MAC层碰撞的可能性，提高了通信成功率，减少了重传次数，同样减少了网络的能量消耗；

3、本发明利用退避机制实现了当前节点单播给选定的转发节点的过程，从而减少了数据包在网络中的副本数量，降低了网络的无效吞吐，提升了网络的生存周期；

4、本方法通过选择转发过程中通信代价最小的邻居节点完成转发过程从而降低了能量消耗，延长了网络生存周期，并且随着网络的稳定运行，预期能量和邻居节点占空比的估计将越来越准确，特别适合需要长期监控的大型野外环境。

附图说明

图1是本发明中的路由方法流程图；

图2是本发明初始化过程示意图；

图3是本发明转发节点的选取示意图。

具体实施方式

本发明是一种适用于大型野外环境的无线传感网络的路由方法，本发明的路由方法适用于满足如下条件的无线传感网络：

1、网络由基站网关和带传感器的众多节点组成，节点具有工作和休眠两种周期；

2、所有节点分布于一个三维空间中，整个网络有且只有一个基站，所有节点发送和转发的数据汇聚于此；

3、节点间通信为了节省能量，提高传输成功率，使用机会路由方法进行数据转发，即节点每次转发包时根据计算规则可以选择候选集中的任意一个节点进行转发，而不是像传统路由方法那样固定下一跳节点；

4、每个节点拥有唯一标示的ID号，不同节点拥有相同的总周期长度L，但每个节点的占空比D可能不同；

5、本方法用于大型长期环境监测，可以有一定的数据延迟，但需要较长的网络生存周期。

本发明中的每个节点的睡眠时间T_sleep均指的是时刻，工作周期指的是两个时刻之间的时间段，T_wake指的是该节点在一个工作周期内的工作时间段，两个节点工作周期的重叠部分时间

指的是时间段。

实施例1

本实施例以某野外无线传感网络为例，该无线传感网络满足本发明的路由方法适用的网络模型。

步骤1，对无线传感网络中的节点进行初始化，得到每个节点的预期能耗值和每个节点的邻居节点的占空比之和，并记录每个节点的睡眠时刻；具 体包括：

1.1，打开无线传感网络中的所有节点的通信模块，将基站作为当前发出节点；

1.2，当前发出节点向其周围节点广播第一探测包，将收到第一探测包的每个节点作为当前接收节点；当前接收节点若在自身反应时间内未接受接到第一探测包，则根据探测包生成规则生成自己的探测包，并将该探测包广播出去；

所述的探测包中包括当前发出节点的预期能耗值、当前发出节点的邻居节点的占空比、当前发出节点的睡眠时刻和当前发出节点的占空比；

所述的探测包生成规则为：对于任意一个节点，根据公式(1)计算该节点的预期能耗值，根据公式(4)计算该节点的邻居节点的占空比之和；该节点将自己的预期能耗值、自己的邻居节点的占空比之和、睡眠时刻以及自己的占空比组成自己探测包；

所述的自身的反应时间为：对于任意一个当前接收节点，其自身的反应时间T₁＝2D*L，其中L表示该网络中节点的总周期长度，D表示该节点自身的占空比；

C＝C_t+C_f (1)

式(1)中，C_t值代表该节点广播探测包时，其邻居节点集合中至少一个节点接收到测包过程预计所消耗的能量；其中C_f表示该节点广播的探测包被其邻居节点转发的过程中预计消耗的能量；

其中C_t通过公式(2)计算所得，

式(2)中w表示该当前接收节点预设好的发送功率值，Sum表示该 当前接收节点的邻居节点的个数；e_i表示该当前接收节点和其邻居节点i的链路传输时失败的概率；

其中C_f通过公式(3)计算所得，

式(3)中，C_i表示该当前接收节点的邻居节点i的预期消耗能量；e_i表示该当前接收节点和其邻居节点i之间的链路传输时失败的概率；e_j表示该当前接收节点和其邻居节j之间的链路传输时失败的概率；e₁表示该当前接收节点和其邻居节点集合中第一个邻居节点之间的链路传输时失败的概率；C₁表示第一个收到该当前接收节点发出的探测包的邻居节点的预期消耗能量；Sum表示该当前接收节点的邻居节点的个数；

其中该节点所有邻居节点的占空比之和通过公式(4)计算所得：

式(4)中,T_wake表示该节点的工作周期；

表示该节点的邻居节点集中的任意两个节点h和k的工作周期的重叠部分的时间，Nei代表该节点的邻居节点集合；h,k∈Nei表示h、k是该节点的邻居节点集合中的任意两个邻居节点h和k；

所述的工作周期为：对于任意一个节点h，其工作周期可表示为[T_sleep+L，T_sleep+L+D_h*L]，其中，T_sleep表示该节点h进入睡眠状态的时刻，D_h表示该节点h的占空比；L表示该网络中节点的总周期长度；

1.3，将收到当前接收节点发出的探测包的节点作为当前发出节点，重复步骤1.2；直到无线传感网络中所有节点都收到探测包，记录每个节点的 预期能耗值、每个节点的邻居节点的占空比之和、每个节点的占空比和每个节点的睡眠时刻；

如图1，基站广播探测包，节点1、节点2、节点3均收到探测包，本实施例中设定每个节点预设好的发送功率值w＝1，每个节点的总周期长度L值均为10s，节点(包括基站，基站是特殊的节点)和其邻居节点i之间的链路传输时失败的概率e_i＝0.5，对于节点2来说，此时只有基站向其广播数据包，则Sum＝1，根据探测包生成规则，通过公式(2)计算出节点2的C_t值为2，并且根据公式(3)可以计算出节点2的C_f值为0，而根据公式(4)可以计算出节点2的邻居节点占空比之和为1。

对于节点1、2、3来说，其邻居节点只有基站，基站的D_sink＝100％，C_sink＝0，RoF_sink＝0，T_sleep＝0；所以此时C_i＝0，同理，根据探测包生成规则，得到节点1和节点3的C值也为2。

节点4依次收到节点4依次收到节点1、2、3广播的探测包，此时Sum＝3，通过公式(2)计算节点4的C_t值为1.14，通过公式(3)计算得节点4的C_f为2，通过公式(1)计算出节点(4)的自己的预期能耗值C为3.14；

节点1、节点2和节点3自身的D值分别为20％，10％和30％，将每个节点发送探测包的时刻作为其睡眠时刻T_sleep，得到节点1、节点2和节点3的睡眠时间T_sleep分别为第50s,48s和51s，这里的睡眠时间T_sleep均指的是时刻，通过公式T_wake＝D*L计算出节点1、节点2和节点3分别为2s、1s以及3s；节点4依次在第51s,49s和52s收到节点1、2、3的探测包，根据公式[T_sleep+L,T_sleep+L+D_h*L]可以计算出节点1,2,3的工作周期分别为[60,62],[59,60],[61,64],那么节点1和节点2的工作周期的重叠部分的时间

为0，节点1和节点3的工作周期的重叠部分的时间

为1s，节点和节点3的工作周期的重叠部分的时间为0，于是根据公式(4)可以计算出当前节点4的所有邻居节点的占空比之和为50％。

重复上述方法计算得到所有节点的预期能耗值和该节点所有邻居节点的占空比之和，记录每个节点的睡眠时刻。

步骤2：在数据传输过程中，将首先要发送数据的节点作为当前节点，确定当前节点的邻居节点集合，重新计算当前节点的邻居节点的占空比之和；根据当前节点的邻居节点集合确定该节点的转发候选集，并在转发候选集中确定一个转发节点；具体包括：

2.1，在每个工作周期内，将首先要发送数据的节点作为当前节点，当前节点广播探测包，收到探测包的每个节点将初始化得到的预期能耗值、该节点的邻居节点的占空比之和、该节点的占空比回复给当前节点；将收到探测包的所有节点作为当前节点的邻居节点，所有的邻居节点组成当前节点的邻居节点集合；

2.2，生成一个空集合作为候选集，按照预期能耗值从小到大的顺序依次将每个邻居节点加入候选集；

每加入一个邻居节点后，将当前节点作为当前接收节点，将得到的候选集作为当前接收节点的邻居节点集合，根据公式(1)重新计算当前节点的预期能耗值；当加入某个邻居节点后，计算的当前节点的预期能耗值大于上次计算的当前节点的预期能耗值时，结束加入过程且不将本次的邻居节点加入候选集，将此时得到的候选集作为转发候选集；

2.3，计算转发候选集中所有邻居节点的预期能耗值之和，选取最后一个加入转发候选集中的邻居节点，将该邻居节点的预期能耗值作为基准能耗值；

当前节点将基准能耗值和转发候选集中所有邻居节点的预期能耗值广作为信息播给其周围节点；收到该信息的每个节点将基准能耗值和自身能耗值比较，找到自身的能耗值小于或等于基准能耗值的节点作为候选节点；

2.4，计算每个候选节点的退避时间，每个候选节点执行退避过程并向当前节点回复ACK，选取最先回复ACK的候选节点作为转发节点，当前节 点将待发送数据发送给转发节点；

所述的退避时间B通过公式(5)计算所得，对于任意一个候选节点，

B＝Cost*B_max (5)

式(6)中Cost代表通信代价，通过公式(6)计算所得，B_max代表该候选节点的MAC层预定义的最大的随机退避时间常量；

式(6)中：

表示该候选节点的预期能耗值与转发候选集中所有节点的预期能耗值之和的比；

式(6)中，RoW表示该候选节点在进行下一次转发时要等待的时间代价，其中RoW＝1-RoF*；其中RoF*表示当前节点的邻居节点的占空比之和；

RoF*的计算方法为：若当前节点在自身的反应时间内未收到任意一个邻居节点的回复，则根据公式(4)计算当前节点的邻居节点占空比之和，其中在确定任意一个节点h的工作周期时，该节点的T_sleep时刻为该节点在本工作周期开始的时刻加上该节点的T_wake时段；其中T_wake表示该节点h在本工作周期的工作时段；

式(6)中，α,b表示该候选节点在整个转发过程中通信耗能和等待能耗所占的比重系数，其中α＝0.6,b＝0.4；

步骤3：将步骤3得到的转发节点作为当前节点，重复执行步骤2，直到找到所有的转发节点，数据包通过所有的转发节点完成数据传输过程。

如图3，当前节点发送探测包后，有三个邻居节点a,b,c对其进行了回复，并且初始化计算的每个邻居节点的预期能耗值、占空比、每个节点的邻居节点的占空比之和的值分别如图上标明，则当前节点的邻居节点为节点a,b,c，同时节点a,b,c也组成了当前节点的邻居节点集合。

根据该节点在本工作周期刚开始的时刻加上该节点的T_wake时段计算得到节点a,b,c的T_sleep分别为第101s,102s,104s；根据公式(4)可以重新计算当前节点的邻居节点占空比之和为50％。

根据节点a、b、c预期能耗值，得到节点a的预期能耗值最小，首先将节点a加入到候选集，根据公式(1)计算可得当前节点的C值为4，将接下来尝试加入节点b到候选集，根据公式(1)计算可得当前节点的预期能耗值为3.5，由于此次得到的预期能耗值小于上一次计算得到的预期能耗值，因此将节点b加入到候选集，最后加入节点c到候选集，根据公式(1)计算可得当前节点的预期能耗值为3.56，该值大于上一次计算出的当前节点的预期能耗值，因此不将节点c加入候选集，将此时得到的候选集作为转发候选集，当前节点的转发候选集中包括节点a和节点b。

计算转发候选集中所有邻居节点的预期能耗值之和为4.5。

当前节点将节点b的预期能耗值作为基准能耗值，即基准能耗值为2.5，当前节点将基准能耗值以及转发候选集中节点a,b的预期能耗值广播出去，邻居节点a,b,c收到广播的包后将基准能耗值与自身的能耗值进行对比，节点c的预期能耗值大于基准能耗值，于是节点c不向当前节点回复ACK。

对当前节点的转发候选集中的节点a和b而言，利用公式(6)计算出自己的通信代价分别为0.584和0.644，本实施例中B_max设定为0.3s，那么节点a和节点b根据公式(6)计算得节点a、b的退避时间分别0.17s和0.19s，节点a、b执行退避过程，即分别等待0.17s和0.19s后向当前节点进行回复ACK。当前节点首先接收到节点a的信息后，将a作为转发节点。继续将节点a作为当前节点，重复执行步骤2，直到找到所有的转发节点，数据包通过所有的转发节点完成数据传输过程。

根据本发明的解决方案，解决了大型野外环境中无线传感网络的如下问题：

1、本发明中转发候选节点的选取策略充分考虑了节点在通信过程中可 能消耗的能量，因此在做出选择时能使消耗的能量达到最小，网络生存周期达到最长；

2、本发明中的当前节点随着网络状态的不断变化而更新自身的RoF值，从而使得转发选择策略的度量值能够及时根据网络情况进行调整，保证节点每次转发时都尽可能消耗最少的能量；

3、本发明对时钟累计带来的误差问题也通过合理的方式将其带来的影响降低在可控范围内，使得上述度量策略并不会随着时间的推移而失去准确性。

Claims (1)

1.一种适用于大型野外环境的无线传感网络的路由方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，对无线传感网络中的节点进行初始化，得到每个节点的预期能耗值和每个节点的邻居节点的占空比之和，并记录每个节点的睡眠时刻；具体包括：

1.1，打开无线传感网络中的所有节点的通信模块，将基站作为当前发出节点；

1.2，当前发出节点向其周围节点广播第一探测包，将收到第一探测包的每个节点作为当前接收节点；当前接收节点若在自身反应时间内未接收到第一探测包，则根据探测包生成规则生成自己的探测包，并将探测包广播出去；

所述的第一探测包中包括当前发出节点的预期能耗值、当前发出节点的邻居节点的占空比、当前发出节点的睡眠时刻和当前发出节点的占空比；

所述的探测包生成规则为：对于任意一个节点，根据公式(1)计算该节点的预期能耗值，根据公式(4)计算该节点的邻居节点的占空比之和；该节点将自己的预期能耗值、自己的邻居节点的占空比之和、睡眠时刻以及自己的占空比组成自己探测包；

所述的自身的反应时间为：对于任意一个节点，其自身的反应时间T₁＝2D*L，其中L表示该网络中节点的总周期长度，D表示该节点自身的占空比；

C＝C_t+C_f (1)

式(1)中，C_t值代表该节点广播探测包时，其邻居节点集合中至少一个节点接收到测包过程预计所消耗的能量；其中C_f表示该节点广播的探测包被其邻居节点转发的过程中预计消耗的能量；

其中C_t通过公式(2)计算所得，

式(2)中w表示该节点预设好的发送功率值，Sum表示该节点的邻居节点的个数；e_i表示该节点和其邻居节点i的链路传输时失败的概率；

其中C_f通过公式(3)计算所得，

式(3)中，C_i表示该节点的邻居节点i的预期消耗能量；e_i表示该节点和其邻居节点i之间的链路传输时失败的概率；e_j表示该节点和其邻居节j之间的链路传输时失败的概率；e₁表示该节点和其邻居节点集合中第一个邻居节点之间的链路传输时失败的概率；C₁表示第一个收到该节点发出的探测包的邻居节点的预期消耗能量；Sum表示该节点的邻居节点的个数；

其中该节点所有邻居节点的占空比之和通过公式(4)计算所得：

式(4)中,T_wake表示该节点的工作周期；

表示该节点的邻居节点集中的任意两个节点h和k的工作周期的重叠部分的时间，Nei代表该节点的邻居节点集合；h,k∈Nei表示h、k是该节点的邻居节点集合中的任意两个邻居节点h和k；

所述的工作周期为：对于任意一个节点h，其工作周期可表示为[T_sleep+L,T_sleep+L+D_h*L]，其中，T_sleep表示该节点h进入睡眠状态的时刻，D_h表示该节点h的占空比；L表示该网络中节点的总周期长度；

1.3，将收到当前接收节点发出的探测包的节点作为当前发出节点，重复步骤1.2；直到无线传感网络中所有节点都收到探测包，记录每个节点的预期能耗值、每个节点的邻居节点的占空比之和、每个节点的占空比和每个节点的睡眠时刻；

步骤2：在数据传输过程中，将首先要发送数据的节点作为当前节点，确定当前节点的邻居节点集合，重新计算当前节点的邻居节点的占空比之和；根据当前节点的邻居节点集合确定该节点的转发候选集，并在转发候选集中确定一个转发节点；具体包括：

2.1，在每个工作周期内，将首先要发送数据的节点作为当前节点，当前节点广播探测包，收到探测包的每个节点将初始化得到的预期能耗值、该节点的邻居节点的占空比之和、该节点的占空比回复给当前节点；将收到探测包的所有节点作为当前节点的邻居节点，所有的邻居节点组成当前节点的邻居节点集合；

2.2，生成一个空集合作为候选集，按照预期能耗值从小到大的顺序依次将每个邻居节点加入候选集；

每加入一个邻居节点后，将当前节点作为当前接收节点，将得到的候选集作为当前接收节点的邻居节点集合，根据公式(1)重新计算当前节点的预期能耗值；当加入某个邻居节点后，计算的当前节点的预期能耗值大于上次计算的当前节点的预期能耗值时，结束加入过程且不将本次的邻居节点加入候选集，将此时得到的候选集作为转发候选集；

2.3，计算转发候选集中所有邻居节点的预期能耗值之和，选取最后一个加入转发候选集中的邻居节点，将该邻居节点的预期能耗值作为基准能耗值；

当前节点将基准能耗值和转发候选集中所有邻居节点的预期能耗值之和作为信息广播给其周围节点；收到该信息的每个节点将基准能耗值和自身能耗值比较，找到自身的能耗值小于或等于基准能耗值的节点作为候选节点；

2.4，计算每个候选节点的退避时间，每个候选节点执行退避过程并向当前节点回复ACK，选取最先回复ACK的候选节点作为转发节点，当前节点将待发送数据发送给转发节点；

所述的退避时间B通过公式(5)计算所得，对于任意一个候选节点，

B＝Cost*B_max(5)

式(6)中Cost代表通信代价，通过公式(6)计算所得，B_max代表该候选节点的MAC层预定义的最大的随机退避时间常量；

式(6)中：

表示该候选节点的预期能耗值与转发候选集中所有节点的预期能耗值之和的比；

式(6)中，RoW表示该候选节点在进行下一次转发时要等待的时间代价，其中RoW＝1-RoF*；其中RoF*表示当前节点的邻居节点的占空比之和；

RoF*的计算方法为：若当前节点在自身的反应时间内未收到任意一个邻居节点的回复，则根据公式(4)计算当前节点的邻居节点占空比之和，其中在确定任意一个节点h的工作周期时，该节点的T_sleep时刻为该节点在本工作周期开始的时刻加上该节点的T_wake时段；其中T_wake表示该节点h在本工作周期的工作时段；

式(6)中，a表示该候选节点在整个转发过程中通信耗能所占的比重系数，b表示该候选节点在整个转发过程中等待能耗所占的比重系数，其中a＝0.6,b＝0.4；

步骤3：将步骤3得到的转发节点作为当前节点，重复执行步骤2，直到找到所有的转发节点，数据包通过所有的转发节点完成数据传输过程。

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