CN109618383A - 应用于环境反向散射无线传感器网络的鲁棒伺机路由协议 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线传感器网络领域，具体涉及一种应用于环境反向散射无线传感器网络的鲁棒伺机路由协议，该协议根据环境射频信号强度及无线传感器节点剩余能量设置鲁棒路由指标；根据鲁棒路由指标建立原始路径；在原始路径的基础上每一跳选择当前状态下具有最大复合指标值的节点作为转发节点。该协议基于环境反向散射无线传感器网络，设计鲁棒伺机路由协议，解决因间歇式反向散射通信造成的无法控制的延迟和环境信号波动较大时导致的频繁的路径中断问题。考虑由多个节点组成的集合共同作用，同时利用伺机路由的方式，能够实时的跟踪当前环境信号及节点能量的变化，由此选择出当前状态下最优的转发节点。

Description

应用于环境反向散射无线传感器网络的鲁棒伺机路由协议

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，具体而言，涉及一种应用于环境反向散射无线传感器网络的鲁棒伺机路由协议。

背景技术

无线传感器设备已被广泛部署到各类应用场景中，例如健康监护、智能控制、智能家居、环境监测等。它们将在未来构建智慧生活、智慧城市和智慧行业中发挥关键性作用。但是，无线传感器设备也常常因充电或重新部署而成本高昂或难以实行，特别是在一些敌对环境或嵌入式医疗系统中。因此，如何让体型微小、数量庞大的无线传感器设备可持续性的工作成为关键问题。目前从周围环境中获取能量的方式被广泛采用。

近年来，反向散射通信因极低的功耗而被作为一项非常有前景的技术引入到功率受限的无线网络中。与传统无线电设备需要依靠自身产生的载波信号进行通信不同，反向散射设备通过反射射频信号来传递信息，并且通常仅消耗几微瓦功率。然而射频能量收集技术通常可提供高达数百微瓦的功率。这意味着反向散射设备可以完全依靠无线功率传输或射频能量收集技术来维持。鉴于射频能量收集和反向散射通信在能量方面的优势，研究具有反向散射通信功能的射频供能无线网络是很有意义的。然而该网络也存在诸多研究挑战：首先，由于环境射频信号的波动性，很难保证该混合无线网络传输的可靠性；其次，反向散射的传输距离短和能量收集过程中不可预测的中断导致的能量受限，使得大规模网络的部署需要利用多跳通信来进行，但间歇式反向散射通信会造成无法控制的延迟和频繁的路径中断。因此，针对多跳环境反向散射无线传感器网络设计鲁棒路由协议是迫切需要的。

发表于IEEE Globecom 2017国际会议文章《Robust Cooperative Routing forAmbient Backscatter Wireless Sensor Networks》通过反向散射传感器节点的相互协作来降低路由中断的概率，提出为每一条既定路径构建一条伴随路径。但该技术仅依据以往信息考虑了单个节点的状况，可替代路径限定为一条伴随路径。由于该路径的建立在一开始时确定，当环境射频信号波动较大时，则不能实时有效的跟踪环境信号及节点能量的变化，且一条伴随路径的保障性低。

发明内容

本发明实施例提供了一种应用于环境反向散射无线传感器网络的鲁棒伺机路由协议，以至少解决环境射频信号波动较大时导致路径保障性低的技术问题。

根据本发明的实施例，提供了一种应用于环境反向散射无线传感器网络的鲁棒伺机路由协议，包括以下步骤：

根据环境射频信号强度及无线传感器节点剩余能量设置鲁棒路由指标；

根据鲁棒路由指标建立原始路径；

在原始路径的基础上每一跳选择当前状态下具有最大复合指标值的节点作为转发节点。

进一步地，根据环境射频信号强度及无线传感器节点剩余能量设置鲁棒路由指标包括：

每个节点获取一段时间内自身状态信息；

根据获取的状态信息计算中断概率β_i以及传输速率C_i，然后与邻接节点交换中断概率信息及各自的邻接节点信息，对鲁棒路由指标进行初始化。

进一步地，节点的自身状态信息包括：接收的信号功率强度、能量存储状态以及信道状态信息；

根据获取的状态信息计算中断概率β_i以及传输速率C_i，然后与邻接节点交换中断概率信息及各自的邻接节点信息，对鲁棒路由指标进行初始化包括：

根据一段时间内节点的能量存储状态，确定节点的中断概率：

其中I(A)是标识函数，若A为真则函数值为1，否则为0；若节点i的能量值低于节点电门限值ε_c则记为节点的一次中断；表示节点发生中断的期望值，n₀为统计次数，则β_i∈[0,1]；

令为节点i及与其等效节点的集合，为隐性节点对的集合；节点i的联合中断概率表示为：

令信道带宽及噪声功率归一化，节点i的传输速率的期望值表示为：

其中信道增益h_i,i+1、节点接收的环境信号功率P_i ^h及反射系数α_i，其中P_i ^h大于电路功率敏感度阈值ε_p，L表示一个数据包长度，节点的传输时延为：

进一步地，当前原始节点的邻接节点与其前后跳均邻接的节点设置为等效节点，同时将邻接节点中仅与前后跳中的一跳邻接的节点设置为隐性节点，一对相互邻接且分别连接前后跳的隐性节点构成隐性节点对，可替换路径均中断则该路径中断，其中可替换路径包括等效路径及隐性路径。

进一步地，根据鲁棒路由指标建立原始路径包括：

在满足端到端时延约束(即)的情况下，选择原始路径具有最小的路径联合中断概率其中R_n是路径n上所有节点的集合，是路径n的最小时延，δ_t是路径时延的允许偏离值。

进一步地，根据鲁棒路由指标建立原始路径具体包括：

源节点向邻接节点发送路由请求信息，该路由请求信息搭载着节点联合中断概率及传输时延从源节点传递到目的节点，传递过程中逐跳计算节点的联合中断概率并利用公式更新路由请求信息中的路由指标；当目的节点接收到第一个路由请求信息所确定的路径，以此路径信息中的记为最小的端到端时延并收集此后δ_t时间内的其他路由请求信息，随后选择具有最小路径联合中断概率的路由作为原始路径：

进一步地，根据鲁棒路由指标建立原始路径还具体包括：

由目的节点发送路由回复信息，沿原始路径返回至源节点。

进一步地，在原始路径的基础上每一跳选择当前状态下具有最大复合指标值的节点作为转发节点中：

定义节点选择的复合指标包括单个节点的复合指标：

及节点对的复合指标：

λ为节点当前输入射频信号强度的权重值。

进一步地，在原始路径的基础上每一跳选择当前状态下具有最大复合指标值的节点作为转发节点包括：

数据从源节点沿原始路径传输至目的节点，当出现转发节点因环境信号变弱或能量不足达到预警阈值时则重新选择转发节点，由当前的转发节点发起，收集其邻接节点重新计算复合指标，选出当前状态最优的节点或节点对。预警阈值能够保证当前的转发节点可以完成新的转发节点的选择。

进一步地，在原始路径的基础上每一跳选择当前状态下具有最大复合指标值的节点作为转发节点还包括：

当前转发节点及其可替代节点根据当前的节点能量及接收信号强度P_i ^h计算复合指标Q_i及并据此选出每一跳当前状态下具有最大复合指标值的节点或节点对作为转发节点，并告知前后跳的节点，由此建立当前状态下的最优路径，并根据该最优路径继续发送数据。

本发明实施例中的应用于环境反向散射无线传感器网络的鲁棒伺机路由协议，基于环境反向散射无线传感器网络，设计鲁棒伺机路由协议，解决因间歇式反向散射通信造成的无法控制的延迟和环境信号波动较大时导致的频繁的路径中断问题。考虑由多个节点组成的集合共同作用，同时利用伺机路由的方式，能够实时的跟踪当前环境信号及节点能量的变化，由此选择出当前状态下最优的转发节点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明应用于环境反向散射无线传感器网络的鲁棒伺机路由协议的流程图；

图2为本发明应用于环境反向散射无线传感器网络的鲁棒伺机路由协议的具体流程图；

图3为本发明应用于环境反向散射无线传感器网络的鲁棒伺机路由协议中原始路径的建立过程图；

图4为本发明应用于环境反向散射无线传感器网络的鲁棒伺机路由协议中鲁棒路径的构成图；

图5为本发明应用于环境反向散射无线传感器网络的鲁棒伺机路由协议在不同外部功率下的路由中断频率；

图6为本发明应用于环境反向散射无线传感器网络的鲁棒伺机路由协议在不同传输节点对下的吞吐量图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本发明的实施例，提供了一种应用于环境反向散射无线传感器网络的鲁棒伺机路由协议，参见图1，包括以下步骤：

S101:根据环境射频信号强度及无线传感器节点剩余能量设置鲁棒路由指标；

S102:根据鲁棒路由指标建立原始路径；

S103:在原始路径的基础上每一跳选择当前状态下具有最大复合指标值的节点作为转发节点。

本发明基于环境反向散射无线传感器网络，首先，设计综合考虑环境射频信号强度及无线传感器节点剩余能量的鲁棒路由指标；然后，根据该鲁棒路由指标建立原始路径，原始路径是在保证端到端时延约束的同时选择最小的联合中断概率的节点集合；最后，在每一跳时根据当前的本地信息选择最优的节点作为下一跳进行传输。由此实现基于环境反向散射的多跳无线传感器网络的鲁棒路由传输。具体为：

1.鲁棒路由指标

根据一段时间内节点的能量存储状态的记录，确定节点的中断概率：

其中I(A)是标识函数，若A为真则函数值为1，否则为0。这里若节点i的能量值低于节点电门限值ε_c则记为节点的一次中断。表示节点发生中断的期望值，n₀为统计次数，则β_i∈[0,1]。

令为节点i及与其等效节点的集合，为隐性节点对的集合。如附图4所示，我们将当前原始节点的邻接节点与其前后跳均邻接的节点称为等效节点，同时将邻接节点中仅与前后跳中的一跳邻接的节点称为隐性节点，一对相互邻接且分别连接前后跳的隐性节点构成隐性节点对。若可替换路径(等效路径及隐性路径)均中断则该路径中断，由此节点i的联合中断概率表示为：

环境反向散射通信是利用环境中的射频信号作为唯一能源(即载波及能量获取源)实现无源设备间的通信，那么反向散射节点的传输速率完全依赖于信道增益h_i,i+1、节点接收的环境信号功率P_i ^h及反射系数α_i，其中P_i ^h应大于电路功率敏感度阈值ε_p，令信道带宽及噪声功率归一化，节点i的传输速率的期望值表示为：

L表示一个数据包长度，节点的传输时延为针对环境反向散射无线传感器网络设计的鲁棒路由指标，综合考虑了环境射频信号强度、无线传感器节点剩余能量及节点集合中断概率总体影响。

2.建立原始路径

在满足端到端时延约束(即)的情况下，选择的原始路径具有最小的路径联合中断概率其中R_n是路径n上所有节点的集合，是路径n的最小时延，δ_t是路径时延的允许偏离值。

3.选择转发节点

定义节点选择的复合指标包括单个节点的复合指标：

及节点对的复合指标：

λ为节点当前输入射频信号强度的权重值。在原始路径的基础上每一跳均选择当前状态下具有最大的复合指标值的节点作为转发节点。

如附图2所示，本发明的具体实施步骤说明如下：

步骤1：每个节点获取一段时间内自身状态信息包括：接收的信号功率强度、能量存储状态以及信道状态信息。

步骤2：根据获取的状态信息计算中断概率β_i以及传输速率C_i，然后与邻接节点交换中断概率信息及各自的邻接节点信息，由此实现路由指标的初始化工作。

步骤3：原始路径的建立如附图3所示是在传统按需路由算法(AODV)上的改进，首先，源节点向邻接节点发送路由请求信息(RREQ)，该路由请求信息搭载着节点联合中断概率及传输时延从源节点传递到目的节点，传递过程中逐跳计算节点的联合中断概率并利用公式更新路由请求信息RREQ中的路由指标；接着，当目的节点接收到第一个路由请求信息RREQ所确定的路径，以此路径信息中的记为最小的端到端时延并收集此后δ_t时间内的其他路由请求信息RREQ信息，随后选择具有最小路径联合中断概率 的路由作为原始路径：

最后，由目的节点发送路由回复信息(RREP)，沿原始路径返回至源节点。

步骤4：原始路径确定后，数据从源节点沿此路径传输至目的节点，一旦出现转发节点因环境信号变弱(低于ε_p+Δε_p)或能量不足(低于ε_c+Δε_c)，则需重新选择转发节点，该步骤由当前的转发节点发起，收集其邻接节点重新计算的复合指标，选出当前状态最优的节点(或节点对)，告知前后跳的节点。Δε_p及Δε_c分别为信号强度预警阈值和能量预警阈值，保证当前转发节点可以完成新的转发节点的选择。当前转发节点在达到预警阈值时根据当前状态重新选择转发节点，避免路径的中断，由此提高网络鲁棒性。

步骤5：当前转发节点及其可替代节点(等效节点及隐性节点对)根据当前的节点能量及接收信号强度P_i ^h计算复合指标Q_i及并据此选出每一跳当前状态下具有最大的复合指标值的节点(或节点对)作为转发节点，并告知前后跳的节点，由此建立当前状态下的最优路径，并返回步骤4继续发送数据。

本发明在路由选择时考虑了节点集合的综合影响，降低单跳传输的中断概率，同时在选择转发节点时实时的考虑当前环境射频信号强度及当前节点剩余能量的综合影响，让路由具有了更强的适应性，进一步提升了网络的可靠性。网络仿真实验已有十分成熟的网络仿真模拟器(如NS2、NS3)，只需设置相应的仿真参数就可配置出路由仿真所需的底层环境，本发明所用到的仿真参数可参考现有工作，如下表1所示。在此基础上路由指标的计算是简单的数学运算，路由选择也可按步骤实施，并可在网络仿真器中进一步对网络性能进行统计测量，如路由中断频率见附图5、吞吐量见附图6。鲁棒伺机路由具有更低的路由中断频率由此表明其对路由可靠性的提升。

表1仿真参数设置

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种应用于环境反向散射无线传感器网络的鲁棒伺机路由协议，其特征在于，包括以下步骤：

根据环境射频信号强度及无线传感器节点剩余能量设置鲁棒路由指标；

根据所述鲁棒路由指标建立原始路径；

在原始路径的基础上每一跳选择当前状态下具有最大复合指标值的节点作为转发节点。

2.根据权利要求1所述的鲁棒伺机路由协议，其特征在于，所述根据环境射频信号强度及无线传感器节点剩余能量设置鲁棒路由指标包括：

每个节点获取一段时间内自身状态信息；

根据获取的状态信息计算中断概率β_i以及传输速率C_i，然后与邻接节点交换中断概率信息及各自的邻接节点信息，对鲁棒路由指标进行初始化。

3.根据权利要求2所述的鲁棒伺机路由协议，其特征在于，所述节点的自身状态信息包括：接收的信号功率强度、能量存储状态以及信道状态信息；

所述根据获取的状态信息计算中断概率β_i以及传输速率C_i，然后与邻接节点交换中断概率信息及各自的邻接节点信息，对鲁棒路由指标进行初始化包括：

根据一段时间内节点的能量存储状态，确定节点的中断概率：

其中I(A)是标识函数，若A为真则函数值为1，否则为0；若节点i的能量值低于节点电门限值ε_c则记为节点的一次中断；表示节点发生中断的期望值，n₀为统计次数，则β_i∈[0，1]；

令为节点i及与其等效节点的集合，为隐性节点对的集合；节点i的联合中断概率表示为：

令信道带宽及噪声功率归一化，节点i的传输速率的期望值表示为：

其中信道增益h_i，i+1、节点接收的环境信号功率P_i ^h及反射系数α_i，其中P_i ^h大于电路功率敏感度阈值ε_p，L表示一个数据包长度，节点的传输时延为：

4.根据权利要求3所述的鲁棒伺机路由协议，其特征在于，当前原始节点的邻接节点与其前后跳均邻接的节点设置为等效节点，同时将邻接节点中仅与前后跳中的一跳邻接的节点设置为隐性节点，一对相互邻接且分别连接前后跳的隐性节点构成隐性节点对，可替换路径均中断则该路径中断，其中可替换路径包括等效路径及隐性路径。

5.根据权利要求3所述的鲁棒伺机路由协议，其特征在于，所述根据所述鲁棒路由指标建立原始路径包括：

在满足端到端时延约束(即的情况下，选择原始路径具有最小的路径联合中断概率其中R_n是路径n上所有节点的集合，是路径n的最小时延，δ_t是路径时延的允许偏离值。

6.根据权利要求5所述的鲁棒伺机路由协议，其特征在于，所述根据所述鲁棒路由指标建立原始路径具体包括：

源节点向邻接节点发送路由请求信息，该路由请求信息搭载着节点联合中断概率及传输时延从源节点传递到目的节点，传递过程中逐跳计算节点的联合中断概率并利用公式更新路由请求信息中的路由指标；当目的节点接收到第一个路由请求信息所确定的路径，以此路径信息中的记为最小的端到端时延并收集此后δ_t时间内的其他路由请求信息，随后选择具有最小路径联合中断概率的路由作为原始路径：

7.根据权利要求6所述的鲁棒伺机路由协议，其特征在于，所述根据所述鲁棒路由指标建立原始路径还具体包括：

由目的节点发送路由回复信息，沿原始路径返回至源节点。

8.根据权利要求6所述的鲁棒伺机路由协议，其特征在于，所述在原始路径的基础上每一跳选择当前状态下具有最大复合指标值的节点作为转发节点中：

定义节点选择的复合指标包括单个节点的复合指标：

及节点对的复合指标：

λ为节点当前输入射频信号强度的权重值。

9.根据权利要求8所述的鲁棒伺机路由协议，其特征在于，所述在原始路径的基础上每一跳选择当前状态下具有最大复合指标值的节点作为转发节点包括：

数据从源节点沿原始路径传输至目的节点，当出现转发节点因环境信号变弱或能量不足达到预警阈值时则重新选择转发节点，由当前的转发节点发起，收集其邻接节点重新计算的复合指标，选出当前状态最优的节点或节点对。预警阈值能够保证当前的转发节点可以完成新的转发节点的选择。

10.根据权利要求9所述的鲁棒伺机路由协议，其特征在于，所述在原始路径的基础上每一跳选择当前状态下具有最大复合指标值的节点作为转发节点还包括：

当前转发节点及其可替代节点根据当前的节点能量及接收信号强度P_i ^h计算复合指标Q_i及并据此选出每一跳当前状态下具有最大复合指标值的节点或节点对作为转发节点，并告知前后跳的节点，由此建立当前状态下的最优路径，并根据该最优路径继续发送数据。