CN108616953A - 一种编码感知绿色机会路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电通信技术领域，公开了一种编码感知绿色机会路由方法，所述编码感知绿色机会路由方法每个节点不再将信息发送给固定的下一跳节点，采用后选择的方式，选择数据包的候选转发节点，根据转发节点的优先级顺序，依次转发数据，选择下一跳节点。本发明引入机会路由对编码感知绿色路由进行路由设计，机会路由的原理是每个节点不再将信息发送给固定的下一跳节点，采用后选择的方式，选择数据包的候选转发节点，根据设计的转发节点的优先级顺序，依次转发数据，选择的下一跳节点往往具有较好的性能，可以提高信息传输的成功率，并且增加网络中的吞吐量。

Description

一种编码感知绿色机会路由方法
技术领域
本发明属于电通信技术领域，尤其涉及一种编码感知绿色机会路由方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：无线网络相对于有线网络在很多资源和性能方面受到约束，例如：有电池供应电量的节点能量有限，节点的存储容量和计算能力受到制约，通信能力相对下降等。无线网络链路的物理层广播特性和不可靠性为网络编码的产生奠定了基础条件，网络编码在传统的节点存储转发模式的基础上给节点增加了可以加工数据后再转发的功能，极大的提高了网络吞吐量。为了充分利用网络编码的思想增加网络编码的机会，编码感知路由算法应运而生。一系列基于被动等待编码机会的网络编码和主动寻找编码机会编码感知的路由协议研究都开展而来，将无线网络受限的资源和网络编码考虑在一起设计出一种合理有效的无线网络路由协议能够有效改善无线网络性能。一种基于机会编码和机会侦听的COPE方案第一次考虑了网络编码在实际无线网络中的应用。新型的编码感知路由主动寻找编码机会，改进了COPE的被动等待模式，更大程度上提高网络编码的性能。对无线网络来说，节点的能量是网络生存的前提，然而目前关于编码感知路由的研究大多没有考虑节点的能量。因此如何结合网络编码与节点的能量来设计网络的路由是一个亟待解决的问题。传统无线网络路由协议(比如DSR、ADOV等)以跳数(每跳往返时延，期望传输次数(ETX)，期望传输时间(ETT)等链路质量度量来选择路由。而能量感知路由协议仅从能量的角度选择路由。比如MTPR协议，MBCR协议和MMBCR协议等。它们能够提高网络的生存时间，平衡能量消耗，但是没有网络编码，不能有效的利用网络带宽增加吞吐量。网络编码可以减少数据的传输次数，能够增加网络吞吐量。然而一味的追求高的网络编码机会，会将数据流引导在一个节点长期进行传输，从而形成“热区”，导致该节点的负载过大，消耗的能量过多从而导致剩余能量小，甚至耗尽从而出现节点过早死亡。当该节点需要发送的数据多，发生的拥塞的可能性就越大，带来的分组时延越大，甚至丢包。所以在本发明综合考虑了节点的编码机会，节点的剩余能量和节点的负载度。避免选择剩余能量低负载高的节点，从而均衡能量和负载。
综上所述，现有技术存在的问题是：选择网络编码机会多的节点作为下一跳节点进行传输，让数据流集中到一个节点进行发送，使得该节点的负载过大，消耗的能量过多从而导致剩余能量小，甚至耗尽从而出现节点过早死亡。当该节点需要发送的数据越多，发生的拥塞的可能性越大，带来的分组等待时延越大，甚至丢包。
解决上述技术问题的难度和意义：本发明在增加编码机会的同时，考虑到节点的剩余能量和消耗能量以及节点的负载度。综合考虑到多个因素运用机会路由对节点进行选择。本发明的编码感知机会路由主要是流间网络编码与机会路由的结合。在以往的研究中，其中CORE与CAOR是最早将流间编码与机会路由相结合的研究，但是他们的出发点是最大化接收节点的数量。而本发明主要是主动创造编码机会最大化编码包中原始数据包的个数，这样有助于提高编码机会值，从而提高网络吞吐量，但是一味的增加编码机会值，会将流集中到一个节点进行传输从而增加能量消耗和负载度，会让节点提前死亡退出网络。所以本发明考虑到了节点的编码机会的同时也考虑了节点的剩余能量，节点的消耗能量和节点的负载度。从而均衡节点能量和负载，节约网络能量消耗。本发明对节点的编码机会与节点能量与负载度进行了折中。延长网络生命周期。本发明的技术难度主要是节点计算节点的负载度和节点的编码机会值。在网络编码中，通过分析，知道当节点的队列中有编码包时，编码包将作为一个包出队列，所以应该将编码包中的原始编码包的个数看做一个数据包进行传输。本发明将通过统计编码包以及原始编码包的个数是本发明的难点，也是编码机会值获取的难点。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种编码感知绿色机会路由方法。
本发明是这样实现的，一种编码感知绿色机会路由方法，所述编码感知绿色机会路由方法每个节点不再将信息发送给固定的下一跳节点，采用后选择的方式，选择数据包的候选转发节点，根据转发节点的优先级顺序，依次转发数据，选择下一跳节点。
进一步，所述编码感知绿色机会路由方法包括以下步骤：
步骤一，计算候选节点集，各个邻居节点能够侦听到对方的链路状态信息和链路质量，节点到目的节点的ETX值要小于源节点到目的节点的ETX值，是发送节点的邻居节点；选取在邻居节点中，ETX的由小到大选取小于等于7个节点，进入候选节点集中；
步骤二，根据编码条件判断候选集中节点的编码机会值；
步骤三，根据节点编码机会和节点的负载以及节点消耗能量与剩余能量，计算GCORi的大小，按GCORi的由小到大进行优先级的排序；
步骤四，对优先级高的节点优先转发，当邻居节点经过侦听知道有节点收到下一跳节点的ACK回复时，不转发数据包。
进一步，所述步骤二的编码条件：通过在数据包发送前，分别将发送节点ID和发送节点下一跳邻居节点ID添加到即将发送的数据包头部。根据p、q目的节点缓存的数据包得到一般的编码条件为：(1)数据包p的目的节点内缓存了用于解码的数据包q。(2)数据包q的目的节点内缓存了用于解码的数据包p。根据这个编码条件就能判断在节点i处是否编码，统计它的原始编码包个数，节点i的编码机会值。
进一步，所述编码感知绿色机会路由方法的路由度量具体包括：NCi表示在节点；i对k比特数据包进行编码消耗的能量，h为编码包中原始数据分组的数目：
在节点i处传输k比特数据包需要消耗的总能量TEi与为：
TEi＝ETx×Nci+ERx；
节点成功传输一个数据包所需要的重发包的数量即为该节点的期望传输次数ETX，ETXi表示节点i与前一跳节点的ETX值，ETXj表示节点i与下一跳节点的ETX值；则节点i成功完成发送和接收一个数据包的总能耗为：
Ei＝ERxETXi+ETxNciETXj；
考虑节点的传输能耗、节点的剩余能量状况：
ERRi＝Ei/REi＝(ERxETXi+ETxNciETXj)/REi。
进一步，所述编码感知绿色机会路由方法的负载指数的定义，负载指数用符号Li表示，表征节点当前负载的程度：
Li＝exp(queuei-1)；
queuei为节点i的队列占用比，为队列占用长度与队列总长度的百分比；1为修正常数，负载指数的取值范围在[exp(-1)，1]内；
队列占用长度计算，经分析数据流flow1、flow2、flow3的数据包进行网络编码，flow4、flow5进行网络编码。
进一步，所述编码感知绿色机会路由方法的负载与剩余能量以及消耗能量度量：
ETRi＝ERRi*Li；
当节点i的消耗能量少，剩余能量多，节点的负载度较少时，ETRi就越小；ETRi越小，说明节点i的转发能力越好；
节点的编码机会度量，ETRi表示在节点i的消耗能量少，剩余能量多，节点的负载度少的情况的度量，编码机会值越大的节点纳入到度量中；
路由度量为其中α+β＝1，α，β为权重因子，COi为i节点的没有网络编码的归一化量化值，当COi越小表示网络编码的数据包个数占比越多从而网络编码机会值越大。ETRi是i节点的剩余能量与数据包在i节点的消耗能量以及在i节点的负载量化值；ETRi＝ERRi*Li，当ETRi很小代表了在节点i处的能量消耗小剩余能量多节点的负载较小。所以当CGORi越小说明该节点的编码机会值越大，节点的剩余能量越多，能量消耗越少，节点的负载度越小。则该节点的综合转发能力较强。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述编码感知绿色机会路由方法的无线网络路由系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：引入机会路由对编码感知绿色路由进行路由设计，机会路由的原理是每个节点不再将信息发送给固定的下一跳节点，采用后选择的方式，选择数据包的候选转发节点，根据设计的转发节点的优先级顺序，依次转发数据，选择的下一跳节点往往具有较好的性能，可以提高信息传输的成功率，并且增加网络中的吞吐量。在以往的研究中，通常只是一味的为了增加网络编码机会，没有将节点的剩余能量和节点的消耗能量以及节点的负载度进行考虑。本发明考虑到以上所提的多项因素，综合了节点的编码机会值和节点的转发能力。从而提高网络的吞吐量，均衡节点能量。COPE协议是第一个在无线网络中实现的编码机制，它采用网络编码减少了网络数据包传输次数，节省节点的能量。但是它是被动编码机会严重依靠路由协议。CAOR将流间编码与机会路由结合，同样可以节省节点的能量，而且是主动创造编码机会，但是该协议的出发点是尽可能的增加接收节点的数目。而本发明的GCOR主要是在增加编码机会的同时考虑到节点的转发能力，提高网络的吞吐量，均衡节点的能量。在本发明的实验设计中，在吞吐量上，GCOR相比于CAOR将提高20％，相比于COPE将提高50％。在能量均衡方面，GCOR高于CAOR和COPE。因为在本发明的算法中考虑到节点的剩余能量，避免选择剩余能量低的节点作为传输节点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的编码感知绿色机会路由方法流程图。
图2是本发明实施例提供的队列长度示意图。
图3是本发明实施例提供的使用网络编码的网络模型示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出了一种编码感知绿色机会路由度量CGOR(Coding-aware GreenOpportunistic routing)。主要是选择下一跳节点时综合考虑到编码机会、剩余能量、节点的消耗能量以及节点的负载情况进行选择。
如图1所示，本发明实施例提供的编码感知绿色机会路由方法包括以下步骤：
S101：计算候选节点集。各个邻居节点能够侦听到对方的链路状态信息和链路质量，节点都目的节点的ETX值要小于源节点到目的节点的ETX值，是发送节点的邻居节点；选取在邻居节点中，更加ETX的由小到大选取小于等于7个节点，进入候选节点集中；
S102：根据编码条件判断候选集中节点的编码机会值。一般的编码条件：(1)数据包p的目的节点内缓存了用于解码的数据包q。(2)数据包q的目的节点内缓存了用于解码的数据包p。根据这个编码条件就能判断在节点i处是否编码，统计它的原始编码包个数，就是节点i的编码机会值；
S103：根据节点编码机会和节点的负载以及节点消耗能量与剩余能量，计算GCORi的大小，按GCORi的由小到大进行优先级的排序，当GCOR越小，说明该节点的承受数据转发能力越强，说明该节点的能量消耗小，剩余能量多，节点负载较低，优先转发数据；
S104：对优先级高的节点优先转发，当邻居节点经过侦听知道有节点收到下一跳节点的ACK回复时，就不转发数据包，避免数据包的重复转发，增加网络整体能耗。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
1、路由度量设计：
1.1综合考虑节点剩余能量与消耗能量度量
在数据传输过程中，通过路由度量的约束条件来选择最优的路由转发数据，因此路由度量的设计关系到路径选择的好坏。在传统的机会路由协议中，大多心文最小跳数、ETX(期望传输次数)等作为路由度量，但是这些路由度量未考虑到节点的能量消耗问题和节点的负载问题，可能会出现部分节点由于过于活跃，从而过早地耗尽节点能量，最终导致节点死亡，缩短了网络的生存时间。
本发明用无线传感网络通用的能量消耗模型的基础上对CGOR方案的路由度量进行设计。由于节点对数据进行编码解码操作也需要消耗部分能量，NCi表示在节点；i对k比特数据包进行编码消耗的能量，h为编码包中原始数据分组的数目：
则在节点i处传输k比特数据包需要消耗的总能量TEi与为：
TEi＝ETx×Nci+ERx；
节点成功传输一个数据包所需要的重发包的数量即为该节点的期望传输次数ETX，ETXi表示节点i与前一跳节点的ETX值，ETXj表示节点i与下一跳节点的ETX值。则节点i成功完成发送和接收一个数据包的总能耗为：
Ei＝ERxETXi+ETxNciETXj；
从以上公式可以看出节点的能量消耗随着ETX的减少而减少，当端到端的期望传输次数减少时，节点的发送数据和接收数据的总能量消耗也随之减少，但是这可能会导致部分节点由于使用过于频繁而过多地消耗能量，从而导致部分节点过早死亡，影响网络性能。为了提高网络的生存时间，在设计路由度量时需要既需要考虑节点的传输能耗也需要考虑到节点的剩余能量状况，对二者进行综合衡量，避免部分剩余能量小的节点发送数据后由于能量耗尽而死亡。
ERRi＝Ei/REi＝(ERxETXi+ETxNciETXj)/REi；
1.2负载指数
现有的网络编码感知路由，在感知网络编码机会的同时，容易引导路由向网络中存在编码机会的区域聚集，导致网络数据流的聚集，网络出现热点区域。为了考虑负载均衡的问题，本发明考虑节点负载情况，引入了负载指数(LoadIndex，LI)的定义。负载指数用符号Li表示，表征节点当前负载的程度：
Li＝exp(queuei-1)；
cqueuei为节点i的队列占用比，为队列占用长度与队列总长度的百分比。由负载指数的定义，可以发现：节点负载与负载指数呈正比关系。节点队列占用比越大，其负载指数越大。式中的1为修正常数，目的是使得负载指数的取值范围在[exp(-1)，1]内。在路由发现的过程中，路由算法应尽量避免选择负载较重的节点，即负载指数较大的节点，以均衡网络负载。
1.2.1队列占用长度计算
在计算队列占用比时，需要计算节点队列的占用长度。在网络编码的条件下，由于“搭便车”现象的存在，节点队列占用长度，不能使用存储转发条件下的队列占用长度计算法方法。以图2所示的一个节点的队列为例，其队列中长度为12，其中2个单元为空。队列中各占用单元的阴影图案标识该数据包所属的数据流。如按照传统队列占用长度计算方法，其队列占用长度为10个单元，队列占用比为83％。但是，经分析数据流flow1、flow2、flow3的数据包可进行网络编码，flow4、flow5也可进行网络编码。网络编码之后，节点仅需发送4个编码数据包。随着编码包的发送，节点的队列长度迅速见效，其队列实际占用长度仅为4个单元，据此计算其队列占用比为33％，与传统计算方法相差50％。因此，要依据数据流的编码情况，计算队列的实际占用长度。
表1计算实际队列占用长度计算方法
1.3综合考虑负载与剩余能量以及消耗能量度量：
ETRi＝ERRi*Li；
当节点i的消耗能量少，剩余能量多，节点的负载度较少时，ETRi就越小。ETRi就越小，说明节点i的转发能力越好。
1.4节点的编码机会度量
ETRi表示在节点i的消耗能量少，剩余能量多，节点的负载度少的情况的度量。但是在网络编码的情况下还得综合考虑编码机会值，当编码机会值比较大时，会减少数据包的传输次数，编码机会越多，减少数据包的传输次数越大，从而在一定程度上节约了总体能耗的消耗。这里考虑到节点的编码机会值，让编码机会值越大的节点纳入到度量中。
如图3所示，若节点A要将数据包p发送到节点G，节点E要将数据包q发送到节点B，节点G要将数据包r发送到节点F，它们各自的转发集分别为节点集合B、C、D、F，集合G、C、D、F和集合B、C、E.表2分别列出了数据包p、q、r中各自携带的packetholders信息.在这3个转发集中，节点B、D、F都有两条数据流交汇，且都符合编码一般的编码条件：(1)数据包p的目的节点内缓存了用于解码的数据包q。(2)数据包q的目的节点内缓存了用于解码的数据包p。根据这个编码条件就能判断在节点i处是否编码。说明这两个节点可以对各自收到的两条数据流进行编码后转发.节点C相继收到了3个数据包，且都符合以上提到的多数据流编码的一般条件，于是节点C可以对这3个数据包同时进行编码，在单次编码转发中发送最多的数据信息。比较节点间编码机会数量可知，节点B和D可以编码的数据流只有2条，而不是3条，说明节点C拥着最多的编码机会，即为该转发集中的最佳编码节点。且经C编码后得到的编码包p⊕q⊕r发送至3个目的节点后，都可以被成功解码。
表2可侦听到当前数据包的节点列表
编码机会值Ci即为在i节点能够编码的原始数据包的个数。由于对于节点i来说Ci属于大数，需要进行归一化的处理。编码包中的原始数据分组个数最大为Cm，为了归一化处理得到
1.5综合路径度量
这里的路由度量为其中α+β＝1。α，β为权重因子，COi为i节点的没有网络编码的归一化量化值，当COi越小表示网络编码的数据报个数占比越多从而网络编码机会值越大。ETRi是考虑到i节点的剩余能量与数据包在i节点的消耗能量以及在i节点的负载量化值。ETRi＝ERRi*Li。当ETRi很小代表了在节点i处的能量消耗小剩余能量多节点的负载较小，所以当CGORi越小说明该节点的编码机会值越大，节点的剩余能量越多，能量消耗越少，节点的负载度越小。则该节点的综合转发能力较强。主要是在编码机会与节点的自身承受能力上做一个折中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种编码感知绿色机会路由方法，其特征在于，所述编码感知绿色机会路由方法每个节点不再将信息发送给固定的下一跳节点，采用后选择的方式，选择数据包的候选转发节点，根据转发节点的优先级顺序，依次转发数据，选择下一跳节点。
2.如权利要求1所述的编码感知绿色机会路由方法，其特征在于，所述编码感知绿色机会路由方法包括以下步骤：
步骤一，计算候选节点集，各个邻居节点能够侦听到对方的链路状态信息和链路质量，节点都目的节点的ETX值要小于源节点到目的节点的ETX值，是发送节点的邻居节点；选取在邻居节点中，ETX的由小到大选取小于等于7个节点，进入候选节点集中；
步骤二，根据编码条件判断候选集中节点的编码机会值；
步骤三，根据节点编码机会和节点的负载以及节点消耗能量与剩余能量，计算GCORi的大小，按GCORi的由小到大进行优先级的排序；
步骤四，对优先级高的节点优先转发，当邻居节点经过侦听知道有节点收到下一跳节点的ACK回复时，不转发数据包。
3.如权利要求2所述的编码感知绿色机会路由方法，其特征在于，所述步骤二的编码条件：通过在数据包发送前，分别将发送节点ID和发送节点下一跳邻居节点ID添加到即将发送的数据包头部。根据p、q目的节点缓存的数据包得到一般的编码条件为：(1)数据包p的目的节点内缓存了用于解码的数据包q。(2)数据包q的目的节点内缓存了用于解码的数据包p；根据编码条件判断在节点i处是否编码，统计它的原始编码包个数，节点i的编码机会值。
4.如权利要求1所述的编码感知绿色机会路由方法，其特征在于，所述编码感知绿色机会路由方法的路由度量具体包括：NCi表示在节点；i对k比特数据包进行编码消耗的能量，h为编码包中原始数据分组的数目：
在节点i处传输k比特数据包需要消耗的总能量TEi与为：
TEi＝ETx×Nci+ERx；
节点成功传输一个数据包所需要的重发包的数量即为该节点的期望传输次数ETX，ETXi表示节点i与前一跳节点的ETX值，ETXj表示节点i与下一跳节点的ETX值；则节点i成功完成发送和接收一个数据包的总能耗为：
Ei＝ERxETXi+ETxNciETXj；
考虑节点的传输能耗、节点的剩余能量状况：
ERRi＝Ei/REi＝(ERxETXi+ETxNciETXj)/REi。
5.如权利要求1所述的编码感知绿色机会路由方法，其特征在于，所述编码感知绿色机会路由方法的负载指数的定义，负载指数用符号Li表示，表征节点当前负载的程度：
Li＝exp(queuei-1)；
queuei为节点i的队列占用比，为队列占用长度与队列总长度的百分比；1为修正常数，负载指数的取值范围在[exp(-1)，1]内；
队列占用长度计算，经分析数据流flow1、flow2、flow3的数据包进行网络编码，flow4、flow5进行网络编码。
6.如权利要求1所述的编码感知绿色机会路由方法，其特征在于，所述编码感知绿色机会路由方法的负载与剩余能量以及消耗能量度量：
ETRi＝ERRi*Li；
当节点i的消耗能量少，剩余能量多，节点的负载度较少时，ETRi就越小；ETRi越小，说明节点i的转发能力越好；
节点的编码机会度量，ETRi表示在节点i的消耗能量少，剩余能量多，节点的负载度少的情况的度量，编码机会值越大的节点纳入到度量中；
路由度量为其中α+β＝1，α，β为权重因子，COi为i节点的没有网络编码的归一化量化值，当COi越小表示网络编码的数据包个数占比越多从而网络编码机会值越大；ETRi是i节点的剩余能量与数据包在i节点的消耗能量以及在i节点的负载量化值；ETRi＝ERRi*Li，当ETRi较小代表了在节点i处的能量消耗小剩余能量多节点的负载较小；当CGORi越小说明该节点的编码机会值越大，节点的剩余能量越多，能量消耗越少，节点的负载度越小；则该节点的综合转发能力较强。
7.一种应用权利要求1～6任意一项所述编码感知绿色机会路由方法的无线网络路由系统。
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