CN107659502B

CN107659502B - 一种基于能量有效性与链路可靠性的按需路由协议算法

Info

Publication number: CN107659502B
Application number: CN201711062014.6A
Authority: CN
Inventors: 张铮; 曹守启; 李军涛; 朱建平
Original assignee: Shanghai Ocean University
Current assignee: Shanghai Ocean University
Priority date: 2017-11-01
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2020-06-02
Anticipated expiration: 2037-11-01
Also published as: CN107659502A

Abstract

一种基于能量有效性与链路可靠性的按需路由协议算法。该协议定义路由选择度量SC，SC是能量水平，能量流失率，链路质量归一化后的加权和。当一个无线节点需要找到一条有效路径时，它广播的路由请求包(RREQ)包含路径因子(RF)。每个收到RREQ包的无线节点根据本地和跨层信息，确定自己是否有资格成为路由节点，如果没有则丢弃该包；否则将本地SC值乘以并更新路径因子RF，并将该包中的相关信息记录或更新到路由代价表和路由表中，并根据包的ID项确定是否转发该包。目的节点只对具有RF最大值的路径回复路由应答包RREP。该协议在保证路由可靠性的同时，平衡全网的通信负荷与能量，大大延长了全网的工作寿命。

Description

一种基于能量有效性与链路可靠性的按需路由协议算法

技术领域

本发明涉及的是一种面向Ad Hoc网络的基于能量有效性与链路可靠性的按需路由协议算法。适用于节点电池供电，部署地形环境复杂的无线传感器网络，在保证路由可靠性与稳定性地同时，平衡全网的通信负荷与能量，大大延长了全网的工作寿命。

背景技术

目前，有大量的研究人员专注于无线Ad Hoc网络路由协议的研究。Ad Hoc路由协议按其路由发现驱动模式的不同大致可分为以下三类：(1)表驱动路由协议，(2)按需路由协议，(3)混合式路由协议。

AODV是一种非常著名的按需式路由协议，它被广泛地应用到事件驱动或周期性数据驱动的无线传感器网络监控系统中。原始的AODV协议仅仅基于最小跳数进行路由选择，这将导致某些节点因通信负荷过重而形成热点，不但增大了拥塞发生的概率而且该节点会因能量过度消耗而“早死”，从而影响整个网络的生命周期，该问题在网络通信负荷较高的情况下尤为突出。目前，大量的基于AODV的改进协议采用剩余能量，链路质量，带宽等路由度量来改善AODV的性能，满足其应用需求。可是，单一的路由选择度量机制仍然会造成被选路由上资源的过度消耗。例如，xMBCR协议只考虑节点的剩余能量，这可能导致其在路由发现过程中选择链路质量较差的链路。由此引发的丢包，重传和控制开销会恶化网络的性能，加速该路径上节点的能耗。而在ETX协议中，高链路质量的路由会被频繁地使用，导致这些路由节点寿命的快速下降。

一些AODV的改进协议考虑使用多度量路由选择。例如ETR-AODV协议使用剩余能量和通信负荷作为路由选择度量；PERRA在路由发现过程中考虑链路稳定性和能效。可是这些多度量机制的主要缺陷是，在路径代价的计算过程中，各个度量量的单值信息在转换中丢失了。在路径代价评估完成后，一个单一值用来描述整条路径的代价，因此无法提供某一具体的度量在路径代价中的贡献，这种缺失会隐藏某种度量的重要信息，从而影响正确的路由决策。

发明内容

在分析总结现有无线Ad Hoc网络路由协议的优缺点的基础上，在本发明中，我们提出了一种新颖的基于能量有效性与链路可靠性的按需路由协议算法。该算法基于AODV协议的成熟构架，设计了基于节点能量水平，能量流失率，链路质量的多度量量路由选择机制，在保证路由可靠性与稳定性地同时，平衡全网的通信负荷与能量，大大延长了全网的工作寿命。

为了达到以上的目的，本发明中，选择当前节点的剩余能量ER_c，能量流失率DR_c，链路质量LS_c作为路由选择的度量。该方法包括：

具体地，对ER_c，DR_c，LS_c三个度量量进行归一化；然后将三个单一的路由选择度量合并为一个综合的多度量作为每个节点的路由选择标准。该选择标准由SC表示，如式(1)所示。W_E，W_D，W_L分别表示能量水平，能量流失率，链路稳定率的权重。

路径选择因子(RF)的定义如式(2)所示，它是整条路径上所有节点的SC值的乘积。我们选择RF值最大的路径作为最优路径，如式(3)所示。

因为SC值小于1，跳数越多，MRF相对越小，因此MRF隐性地考虑了跳数度量。

定义系数δ如方程组(4)所示。

分别定义ER_th1、DR_th1、LS_th1作为能量水平，能量流失率，链路稳定率的有效性门限，ER_th2、DR_th2、LS_th2作为各个度量的安全门限。其中，ER_th1＜ER_th2，DR_th1＜DR_th2，LS_th1＜LS_th2。对于当前选择节点，当某一度量值小于其有效性门限时，或每个度量值都同时小于其安全门限时，δ＝0，这意味着该节点没有资格成为路由节点；当该节点的能量水平仅低于安全门限，同时另外两个度量量之一也低于安全门限时，δ＝α(0＜α＜1)，这意味着该节点的“死亡”概率相对较高，δ值使该节点的多度量因子SC的值降低，因此选择包含该节点的路径成为有效路由的概率也相对降低。

优选地，分为如下几个步骤：

步骤1：一个源节点需要找到一条到达目的节点的有效路径，它首先广播路由请求包(RREQ)。RREQ包是标准AODV的RREQ包的扩展。新的字段路径因子(RF)被添加到标准的RREQ包中，并初始化为1，其格式如图1所示。

步骤2：在路由发现阶段，每个节点都需要定义路由代价表(RCT)记录从源节点到当前节点的路由代价。

步骤3：每个收到RREQ包的节点根据本地和跨层信息，由式(1)计算SC值。如果δ＝0，表明当前节点没有资格成为路由节点，因此当前节点丢弃RREQ包。否则当前节点将本地计算的SC值乘以RREQ包的RF字段来对该字段进行更新，同时该节点将RREQ包中的相关信息记录在RCT中，包括RREQ ID，源地址，源序列号，RF等字段信息。如果该节点的路由表中没有指向源节点的路由表项，则需要在路由表中插入新的指向源节点的路由表项。如图2所示。

步骤4：当前节点广播更新后的RREQ给邻居节点。一旦收到重复的RREQ包，如果新计算的RF值大于RCT中记录的对应值，则更新RCT中的RF字段和路由表中对应表项的信息，然后丢弃该包。

步骤5：如果当前节点是目的节点，则一旦接收到RREQ包，它将启动路由应答延迟(RRL)定时器。当接收到更多的RREQ包，目的节点只记录RF值最大的RREQ包的相关信息。当该定时器超时后，目的节点对具有RF最大值的路径回复路由应答RREP包。如图3所示。

优选地，所述的步骤5应包括如下步骤：

步骤5.1：目的节点接收到RREQ包时，计算RF_new＝RF*SC。

步骤5.2：当RREQ是第一包时，启动RRL定时器，并在路由表RT中增加新的单元，在RCT中记录RREQ的相关信息。

步骤5.3：当目的节点接收到更多的RREQ包时，如果RF_new＞RF_record，则记录RF_new并用新RREQ包中的相关信息更新RT，RCT；否则丢弃该RREQ包。

步骤5.4：当RRL定时器超时过期，则目的节点向源节点回复路由应答RREP包。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中RREQ包的格式；

图2为本发明中中继节点的RREQ包处理流程的示意图；

图3为本发明中目的节点的有效路由选择流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

我们假设一个由若干无线节点组成的无线Ad Hoc网络被部署在一个地形环境复杂的户外监测区域内。本发明的实施方法如下：网络内的任意节点之间都能够进行双向数据通信，在进行有效数据通信之前，源节点和目的节点间必须先建立一条可靠的有效路径。本算法定义无线节点的三个路由选择度量量：剩余能量ER_c，能量流失率DR_c，链路质量LS_c作为路由选择的度量；每个节点在路由发现阶段，都需要定义路由代价表(RCT)记录从源节点到当前节点的路由代价。接下来，我们将详细描述基于能量有效性与链路可靠性的按需路由协议算法的执行过程。如下：

第一步，当一个源节点S需要找到一条到达目的节点D的有效路径，它首先广播路由请求包(RREQ)。其中的字段路径因子(RF)初始化为1，其格式如图1所示。

第二步，每个收到RREQ包的当前节点C根据本地和跨层信息，由式(1)计算SC值。如果δ＝0，表明当前节点没有资格成为路由节点，因此当前节点丢弃RREQ包。否则当前节点C将本地计算的SC值乘以RREQ包的RF字段来对该字段进行更新，同时该节点将RREQ包中的相关信息记录在RCT中，包括RREQ ID，源地址，源序列号，RF等字段信息。如果该节点的路由表中没有指向源节点的路由表项，则需要在路由表中插入新的指向源节点的路由表项。如图2所示。

第三步，当前节点C广播更新后的RREQ给邻居节点。一旦收到重复的RREQ包，如果新计算的RF值大于RCT中记录的对应值，则更新RCT中的RF字段和路由表中对应表项的信息，然后丢弃该包。

第四步，当目的节点D接收到RREQ包，它将启动路由应答延迟(RRL)定时器。当接收到更多的RREQ包，目的节点D只记录RF值最大的RREQ包的相关信息。当该定时器超时后，目的节点对具有RF最大值的路径回复路由应答RREP包至源节点S。如图3所示。

以上是对基于能量有效性与链路可靠性的按需路由协议算法的实施的详细描述，遇到新的路径建立问题，均可采用上述方法进行路由构建。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种基于能量有效性与链路可靠性的按需路由协议方法，其特征在于，无线节点将能量水平，能量流失率，链路质量的加权和作为路由选择度量，节点根据能量水平，能量流失率和链路质量确定自己是否有资格成为路由节点；目的节点根据各路由请求包中的路由选择度量乘积，选择合适的路径作为路由，具体包括以下步骤：

步骤1：当一个源节点需要找到一条到达目的节点的有效路径时，它首先广播包含初始化值为1的路径因子RF的路由请求RREQ包；

步骤2：每个收到RREQ包的节点根据自身的能量水平ER_c，能量流失率DR_c和链路质量LS_c3个度量量确定自己是否有资格成为路由节点；当ER_C＜ER_th1或DR_C＜DR_th1或LS_C＜LS_th1时，或者当ER_C＜ER_th2，DR_C＜DR_th2，LS_C＜LS_th2时，该节点没有资格成为路由节点，丢弃该包；否则，该节点有资格成为路由节点；其中，ER_th1、DR_th1、LS_th1是预设的有效性门限，ER_th2、DR_th2、LS_th2是预设的安全门限，ER_th1＜ER_th2，DR_th1＜DR_th2，LS_th1＜LS_th2；

步骤3：当节点有资格成为路由节点时，根据能量水平ER_c，能量流失率DR_c和链路质量LS_c 3个度量量求加权和SC，然后将SC值乘以并更新RREQ包中的路径因子RF，同时将RREQ包中的信息记录在路由代价表RCT中，包括RREQ ID，源地址，源序列号，路径因子RF字段信息，然后广播更新后的RREQ包给邻居节点；

步骤4：当目的节点接收到RREQ包，它将启动路由应答延迟定时器RRL，当再次接收到RREQ包，目的节点只记录RF值最大的RREQ包的信息；定时器RRL超时后，目的节点对RF值最大的路径回复路由应答RREP包。

2.根据权利要求1所述的基于能量有效性与链路可靠性的按需路由协议方法，其特征在于，所述步骤4包括如下步骤：

步骤4.1：目的节点接收到RREQ包时，计算RF_new＝RF*SC；

步骤4.2：当RREQ是第一包时，启动定时器RRL，并在路由表RT中增加新的单元，在路由代价表RCT中记录RREQ包的信息；

步骤4.3：当目的节点再次接收到RREQ包时，如果RF_new＞RF_record，则记录RF_new，并用新RREQ包中的信息更新路由表RT，路由代价表RCT；否则丢弃该RREQ包；

步骤4.4：当定时器RRL超时过期，则目的节点向源节点回复路由应答RREP包。

3.根据权利要求1所述的基于能量有效性与链路可靠性的按需路由协议方法，其特征在于加权和SC的计算，SC等于δ*W_E*ER_C+δ*W_D*DR_C+δ*W_L*LS_C；其中，W_E+W_D+W_L＝1；W_E，W_D，W_L分别表示能量水平，能量流失率，链路稳定率的权重。

4.根据权利要求3所述的基于能量有效性与链路可靠性的按需路由协议方法，其特征在于δ的取值；当ER_C＜ER_th2，DR_C＜DR_th2，LS_C＞LS_th2或者ER_C＜ER_th2，LS_C＜LS_th2，DR_C＞DR_th2时，δ＝a，0＜a＜1；当ER_C＜ER_th1或DR_C＜DR_th1或LS_C＜LS_th1时，或者当ER_C＜ER_th2，DR_C＜DR_th2，LS_C＜LS_th2时，δ＝0；其它情况下δ＝1。