CN110602755B - 面向移动纳米网络的能量感知机会路由控制方法 - Google Patents

面向移动纳米网络的能量感知机会路由控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及面向移动纳米网络的能量感知机会路由控制方法，初始化后节点序号以汇聚节点为中心向周围递减，自任一纳米节点作为起点发送数据包到汇聚节点，进行候选节点选择后，当剩余能量足够发送数据包并接收确认信息时，感知并转发数据包，将成功返回ACK的候选节点作为新的纳米节点，继续往下一个纳米节点进行传输，直至数据包到达汇聚节点。本发明高效、可靠，以序号判断汇聚节点方向，以候选节点提高传输可靠性，使得随机移动的纳米节点准确可靠地转发数据包，减少数据包传输失败的问题，提高传输效率；纳米节点在能量充足的情况下进行数据包的转发，引入机会路由的概念，充分利用无线网络的广播特性，从而有效提高移动纳米网络的性能。

Description

面向移动纳米网络的能量感知机会路由控制方法
技术领域
本发明涉及通信路由或通信路径查找的技术领域，特别涉及一种面向移动纳米网络的能量感知机会路由控制方法。
背景技术
随着纳米网络路由协议的发展，在纳米网络中已经有许多路由协议在不同应用场景下被提出，例如用于材料和环境工业监测、医疗上早期发现或预防慢性疾病等，目前大多数纳米路由协议都只适用于静止的应用场景，很少有适用于移动场景的纳米路由协议；在许多纳米网络的应用场景中，网络中的节点不可避免地由于外界力量而移动，而节点的移动会产生许多问题，如丢包率增加、太赫兹信道质量随时间改变、网络拓扑动态变化，这些问题促进了移动纳米网络的发展和使用。
节点的移动虽然会引起链路的动态变化，但这也提高了节点与其他节点通信的机会，在传统的无线传感网络中，一些学者提出了机会路由，机会路由的协议规定，所有候选节点都可以缓存接收到的数据，在移动的过程中，找到合适的时机进行转发。
在纳米网络中，由于纳米节点的通信范围小、通信链路不稳定等特点，将机会路由的概念引入移动纳米网络中是十分有意义的，而对于移动纳米网络中的路由设计，主要存在以下难点：
(1)基于移动无线网络的动态性，传统的路由协议并不适用于动态无线环境，网络拓扑的实时变化会引起额外的链路重传，浪费网络资源；
(2)纳米节点能量捕获存在不确定性；由于纳米节点电池容量很小，因此需要通过能量捕获技术保证节点的存活时间，但节点的能量捕获存在不确定性，而节点需要在能量充足的情况下进行数据传输；
(3)由于移动纳米网络中节点的随机移动性，如何准确选择更高效的节点将数据包转发至汇聚节点至关重要。
由于上述移动纳米网络的特殊性，传统的路由协议无法应用到移动纳米网络中。
发明内容
本发明解决了现有技术中，存在的传统的路由协议无法应用到移动纳米网络中的问题，提供了一种优化的面向移动纳米网络的能量感知机会路由控制方法，高效、可靠，纳米节点在能量充足的情况下进行数据包的转发，引入机会路由的概念，充分利用无线网络的广播特性，从而有效提高移动纳米网络的性能。
本发明所采用的技术方案是，一种面向移动纳米网络的能量感知机会路由控制方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：纳米节点初始化处理，节点序号以汇聚节点为中心，向周围递减；
步骤2：纳米节点s收到或产生一需要发送到汇聚节点的数据包；
步骤3：纳米节点s进行候选节点选择；
步骤4：纳米节点s收到若干候选节点的反馈，若当前剩余能量足够发送当前数据包并接收确认信息，则进行下一步，否则，不发送数据包，继续进行能量捕获，返回步骤2；
步骤5：纳米节点s感知并转发数据包；
步骤6：成功返回ACK的候选节点作为新的纳米节点s，返回步骤3，直至数据包到达汇聚节点。
优选地，所述步骤1包括以下步骤：
步骤1.1：若网络生命周期结束，则退出控制，否则，进行下一步；
步骤1.2：汇聚节点持续以时间周期T1为间隔，发送探测包；
步骤1.3：纳米节点不断进行能量捕获，纳米节点的序号增加；
步骤1.4：经过时间t后，纳米节点的序号以汇聚节点为中心，向周围递减。
优选地，所述步骤1.2中，所述探测包包括序号，所述探测包的TTL为1，类型为Td。
优选地，所述步骤3包括以下步骤：
步骤3.1：纳米节点s以时间周期T2为间隔，发送带有序号的广播包；
步骤3.2：若存在任一纳米节点A接收到当前广播包且纳米节点A的序号大于纳米节点s的序号，则返回应答包，当前纳米节点A为候选节点。
优选地，所述步骤3.1中，广播包的TTL为1，类型为Tv。
优选地，所述步骤3.2中，应答包携带应答的纳米节点A的选择尺度M，所述选择尺度M对应当前应答的纳米节点A的能量捕获率reh、剩余能量Ere和序号。
优选地，所述选择尺度M的计算包括以下步骤：
步骤3.2.1：确定候选纳米节点的生存模型RE，
Figure BDA0002164204090000041
其中，
Figure BDA0002164204090000042
μ为系统参数，Emax为最大能量，reh为能量捕获率；
步骤3.2.2：根据压电纳米发电机的原型设计和相应的电路模型，捕获的能量可以存储在纳米器件的纳米电容器中，计算
Figure BDA0002164204090000043
Figure BDA0002164204090000044
其中，Cap为总电容，Vg为发电机电压；
步骤3.2.3：能量捕获率reh基于剩余能量Ere和电容的能量增量ΔE进行计算，
Figure BDA0002164204090000045
其中，tcyc为循环一个周期的时间，ncyc为将纳米电容器充电至Ere所需的循环次数；
步骤3.2.4：计算选择尺度M，M＝λ1RE+λ2Index，其中，λ1和λ2为系统参数，Index为序号。
优选地，所述步骤4中，令数据包的长度为Nbits，发送和接收一个脉冲消耗的能量分别为Epul-t、Epul-r，则发送当前数据包的能量EPT＝NbitsWyEpul-t，接收确认信息的能量为EPR＝NbitsEpul-r，其中，Wy为编码权重，若当前剩余能量Ere＜EPR+EPT，则纳米节点s不发送数据包，继续进行能量捕获。
优选地，所述步骤5包括以下步骤：
步骤5.1：纳米节点s将数据包发送至候选节点，基于选择尺度M的值进行候选节点排序；
步骤5.2：收到数据包的候选节点以n为基于优先级的排序序号，n≥1；
步骤5.3：序号为n的候选节点在等待时间TSIFS后发送ACK数据包，其余候选节点在TSensing_slot时间内监听信道；
步骤5.4：若监听到ACK数据包，则其余候选节点禁止转发数据，并丢弃数据包，序号为n的候选节点作为发送节点继续进行数据转发；否则，认为优先级最高的节点未成功接收数据包，n＝n+1，返回步骤5.3。
优选地，所述步骤5.1中，将排序信息封装到数据包中进行数据转发。
本发明提供了一种优化的面向移动纳米网络的能量感知机会路由控制方法，通过初始化处理，使得节点序号以汇聚节点为中心，向周围递减，随后自任一纳米节点s作为起点发送数据包到汇聚节点，纳米节点s进行候选节点选择后，当剩余能量足够发送当前数据包并接收确认信息时，感知并转发数据包，将成功返回ACK数据包的候选节点作为新的纳米节点s，继续往下一个纳米节点进行传输，直至数据包到达汇聚节点。
本发明高效、可靠，可以使得随机移动的纳米节点准确可靠地转发数据包到汇聚节点，减少纳米节点因能量不足、链路不可靠性而导致数据包传输失败的问题，提高传输效率；纳米节点在能量充足的情况下进行数据包的转发，引入机会路由的概念，充分利用无线网络的广播特性，从而有效提高移动纳米网络的性能。
本发明可以在纳米网络中大部分节点不在汇聚节点通信范围内的情况下进行路由，根据不断更新的序号判断汇聚节点的方向，克服纳米节点不能实时感知位置信息的局限，候选节点的存在提高了传输可靠性。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明中纳米节点初始化后的分布图，其中，实心方块为目的节点，实心圆点为纳米节点，数字为不同的纳米节点上的序号，箭头表示发送探测包的方向；
图3为本发明中纳米候选节点选择过程图，其中，(a)表示若有节点接收到该广播包，且自身序号大于该广播包的序号，则返回应答包，(b)表示若自身序号小于广播包的序号，则不返回应答包，并继续进行能量捕获，中心圆点为需要进行候选节点选择的纳米节点，周围的圆点为候选的纳米节点，箭头分别表示了探测包的发送方向和候选节点的ACK确认帧的反馈方向。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明涉及一种面向移动纳米网络的能量感知机会路由控制方法，所述方法包括以下步骤。
步骤1：纳米节点初始化处理，节点序号以汇聚节点为中心，向周围递减。
所述步骤1包括以下步骤：
步骤1.1：若网络生命周期结束，则退出控制，否则，进行下一步；
步骤1.2：汇聚节点持续以时间周期T1为间隔，发送探测包；
所述步骤1.2中，所述探测包包括序号，所述探测包的TTL为1，类型为Td。
步骤1.3：纳米节点不断进行能量捕获，纳米节点的序号增加；
步骤1.4：经过时间t后，纳米节点的序号以汇聚节点为中心，向周围递减。
本发明中，在所有移动纳米节点不断进行能量捕获的移动纳米网络中，静止的汇聚节点在通信范围内周期性发送探测包，探测包包含周期递增的序号，收到探测包的移动纳米节点记录并更新序号，由于纳米节点的随机移动性和汇聚节点发送探测包的序号不断递增，一段时间后移动纳米节点的序号大小由汇聚节点向周围递减，节点序号越大，越靠近汇聚节点，移动纳米节点的路由则根据该信息判断汇聚节点方向。
本发明中，汇聚节点发送的探测包的生存时间只有一跳，节点收到后不会进行转发，汇聚节点发送的探测包里保存的序号值虽然不断递增，但每次还是发送相同的数据包，只是其携带的序号变了，故不会导致路由的混乱。
本发明中，整个路由过程中有两种探测包，一种是汇聚节点发出的，一种是源节点发出的，为区别两者，在发送探测数据包时会在数据包包头设置包的类型，以供节点进行辨别，Td和Tv均为数据包的类型，此为本领域的公知常识。
步骤2：纳米节点s收到或产生一需要发送到汇聚节点的数据包。
本发明中，移动纳米节点数据包的路由过程主要分为候选节点选择阶段和感知转发阶段这两个阶段。
本发明中，在候选节点选择阶段，纳米节点周期性发送广播包，且包含纳米节点的序号，若在当前纳米节点的通信范围内有纳米节点收到广播包，则将广播包内的序号与收到广播包的纳米节点的序号进行比较，若前者小于后者，则返回一个应答包，返回应答包的纳米节点即为候选节点，否则不返回，若初始的纳米节点在一定时间内未收到任何应答包，则继续进行能量捕获，并继续周期性发送广播包。
本发明中，在感知转发阶段，纳米节点收到包含候选节点选择尺度值的应答包，该值与候选节点的能量捕获率、剩余能量、节点序号有关，纳米源节点判断当前能量是否足够一个数据包的发送和一个ACK数据包的接收，若充足，则下一步根据选择尺度值对候选节点进行优先级排序，并将优先级信息封装进数据包包头中发送，否则继续进行能量捕获，收到数据包的候选节点按优先级执行快速协调机制(FSA)算法，最后只有一个候选节点成功转发数据包，其他节点丢弃数据包。
步骤3：纳米节点s进行候选节点选择。
所述步骤3包括以下步骤：
步骤3.1：纳米节点s以时间周期T2为间隔，发送带有序号的广播包；
所述步骤3.1中，广播包的TTL为1，类型为Tv。
步骤3.2：若存在任一纳米节点A接收到当前广播包且纳米节点A的序号大于纳米节点s的序号，则返回应答包，当前纳米节点A为候选节点。
所述步骤3.2中，应答包携带应答的纳米节点A的选择尺度M，所述选择尺度M对应当前应答的纳米节点A的能量捕获率reh、剩余能量Ere和序号。
所述选择尺度M的计算包括以下步骤：
步骤3.2.1：确定候选纳米节点的生存模型RE，
Figure BDA0002164204090000091
其中，
Figure BDA0002164204090000092
μ为系统参数，Emax为最大能量，reh为能量捕获率；
步骤3.2.2：根据压电纳米发电机的原型设计和相应的电路模型，捕获的能量可以存储在纳米器件的纳米电容器中，计算
Figure BDA0002164204090000093
Figure BDA0002164204090000094
其中，Cap为总电容，Vg为发电机电压；
步骤3.2.3：能量捕获率reh基于剩余能量Ere和电容的能量增量ΔE进行计算，
Figure BDA0002164204090000095
其中，tcyc为循环一个周期的时间，ncyc为将纳米电容器充电至Ere所需的循环次数；
步骤3.2.4：计算选择尺度M，M＝λ1RE+λ2Index，其中，λ1和λ2为系统参数，Index为序号。
本发明中，
Figure BDA0002164204090000096
其中，Vcap为正在充电的电容器的电压。
本发明中，能量捕获率reh的单位为J/S。
步骤4：纳米节点s收到若干候选节点的反馈，若当前剩余能量足够发送当前数据包并接收确认信息，则进行下一步，否则，不发送数据包，继续进行能量捕获，返回步骤2。
所述步骤4中，令数据包的长度为Nbits，发送和接收一个脉冲消耗的能量分别为Epul-t、Epul-r，则发送当前数据包的能量EPT＝NbitsWyEpul-t，接收确认信息的能量为EPR＝NbitsEpul-r，其中，Wy为编码权重，若当前剩余能量Ere＜EPR+EPT，则纳米节点s不发送数据包，继续进行能量捕获。
本发明中，收到应答包后，纳米节点s首先判断当前的剩余能量Ere是否可供一个数据包的发送(EPT)和一个ACK数据包的接收(EPR)；利用THZ频段的带宽优势，采用基于脉冲的通信模式，假定一个数据包的长度为Nbits，分别计算出发送和接收一个脉冲消耗的能量。
步骤5：纳米节点s感知并转发数据包。
所述步骤5包括以下步骤：
步骤5.1：纳米节点s将数据包发送至候选节点，基于选择尺度M的值进行候选节点排序；
所述步骤5.1中，将排序信息封装到数据包中进行数据转发。
步骤5.2：收到数据包的候选节点以n为基于优先级的排序序号，n≥1；
步骤5.3：序号为n的候选节点在等待时间TSIFS后发送ACK数据包，其余候选节点在TSensing_slot时间内监听信道；
步骤5.4：若监听到ACK数据包，则其余候选节点禁止转发数据，并丢弃数据包，序号为n的候选节点作为发送节点继续进行数据转发；否则，认为优先级最高的节点未成功接收数据包，n＝n+1，返回步骤5.3。
本发明中，显而易见地，基于选择尺度M的值进行的候选节点排序为从大到小的排序。
本发明中，收到数据包的候选节点执行FSA算法，即优先级执行快速协调机制。
本发明中，每个候选节点的等待时间为TSIFS+(n-1)×TSensing_slot。
本发明中，当前优先级最高的纳米节点发送ACK数据包时，其余纳米节点在该时间内进行信道监听，此过程循环直到有一个候选节点成功转发数据包。
本发明中，事实上，在后续的路由感知阶段，汇聚节点还在持续发探测包，由于节点的移动性，节点在进入汇聚节点的通信范围后才会更新序号，故汇聚节点必须持续发送探测包，这样才能保证网络内节点的序号由汇聚节点向周围递减。
步骤6：成功返回ACK的候选节点作为新的纳米节点s，返回步骤3，直至数据包到达汇聚节点。
本发明通过初始化处理，使得节点序号以汇聚节点为中心，向周围递减，随后自任一纳米节点s作为起点发送数据包到汇聚节点，纳米节点s进行候选节点选择后，当剩余能量足够发送当前数据包并接收确认信息时，感知并转发数据包，将成功返回ACK数据包的候选节点作为新的纳米节点s，继续往下一个纳米节点进行传输，直至数据包到达汇聚节点。
本发明高效、可靠，可以使得随机移动的纳米节点准确可靠地转发数据包到汇聚节点，减少纳米节点因能量不足、链路不可靠性而导致数据包传输失败的问题，提高传输效率；纳米节点在能量充足的情况下进行数据包的转发，引入机会路由的概念，充分利用无线网络的广播特性，从而有效提高移动纳米网络的性能。
本发明可以在纳米网络中大部分节点不在汇聚节点通信范围内的情况下进行路由，根据不断更新的序号判断汇聚节点的方向，克服纳米节点不能实时感知位置信息的局限，候选节点的存在提高了传输可靠性。

Claims (8)

1.一种面向移动纳米网络的能量感知机会路由控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：纳米节点初始化处理，节点序号以汇聚节点为中心，向周围递减；
所述步骤1包括以下步骤：
步骤1.1：若网络生命周期结束，则退出控制，否则，进行下一步；
步骤1.2：汇聚节点持续以时间周期T1为间隔，发送探测包，所述探测包包括序号；
步骤1.3：纳米节点不断进行能量捕获，纳米节点的序号增加；
步骤1.4：经过时间t后，纳米节点的序号以汇聚节点为中心，向周围递减；移动纳米节点的路由据此判断汇聚节点方向；
步骤2：纳米节点s收到或产生一需要发送到汇聚节点的数据包；
步骤3：纳米节点s进行候选节点选择；
所述步骤3包括以下步骤：
步骤3.1：纳米节点s以时间周期T2为间隔，发送带有序号的广播包；
步骤3.2：若存在任一纳米节点A接收到当前广播包且纳米节点A的序号大于纳米节点s的序号，则返回应答包，当前纳米节点A为候选节点；
步骤4：纳米节点s收到若干候选节点的反馈，若当前剩余能量足够发送当前数据包并接收确认信息，则进行下一步，否则，不发送数据包，继续进行能量捕获，返回步骤2；
步骤5：纳米节点s感知并转发数据包；
步骤6：成功返回ACK的候选节点作为新的纳米节点s，返回步骤3，直至数据包到达汇聚节点。
2.根据权利要求1所述的一种面向移动纳米网络的能量感知机会路由控制方法，其特征在于：所述步骤1.2中，所述探测包的TTL为1，类型为Td。
3.根据权利要求1所述的一种面向移动纳米网络的能量感知机会路由控制方法，其特征在于：所述步骤3.1中，广播包的TTL为1，类型为Tv。
4.根据权利要求1所述的一种面向移动纳米网络的能量感知机会路由控制方法，其特征在于：所述步骤3.2中，应答包携带应答的纳米节点A的选择尺度M，所述选择尺度M对应当前应答的纳米节点A的能量捕获率reh、剩余能量Ere和序号。
5.根据权利要求4所述的一种面向移动纳米网络的能量感知机会路由控制方法，其特征在于：所述选择尺度M的计算包括以下步骤：
步骤3.2.1：确定候选纳米节点的生存模型RE，
Figure FDA0002775345580000021
其中，
Figure FDA0002775345580000022
μ为系统参数，Emax为最大能量，reh为能量捕获率；
步骤3.2.2：根据压电纳米发电机的原型设计和相应的电路模型，捕获的能量可以存储在纳米器件的纳米电容器中，计算
Figure FDA0002775345580000023
其中，Cap为总电容，Vg为发电机电压；
步骤3.2.3：能量捕获率reh基于剩余能量Ere和电容的能量增量ΔE进行计算，
Figure FDA0002775345580000031
其中，tcyc为循环一个周期的时间，ncyc为将纳米电容器充电至Ere所需的循环次数；
步骤3.2.4：计算选择尺度M，M＝λ1RE+λ2Index，其中，λ1和λ2为系统参数，Index为序号。
6.根据权利要求1所述的一种面向移动纳米网络的能量感知机会路由控制方法，其特征在于：所述步骤4中，令数据包的长度为Nbits，发送和接收一个脉冲消耗的能量分别为Epul-t、Epul-r，则发送当前数据包的能量EPT＝NbitsWyEpul-t，接收确认信息的能量为EPR＝NbitsEpul-r，其中，Wy为编码权重，若当前剩余能量Ere＜EPR+EPT，则纳米节点s不发送数据包，继续进行能量捕获。
7.根据权利要求4所述的一种面向移动纳米网络的能量感知机会路由控制方法，其特征在于：所述步骤5包括以下步骤：
步骤5.1：纳米节点s将数据包发送至候选节点，基于选择尺度M的值进行候选节点排序；
步骤5.2：收到数据包的候选节点以n为基于优先级的排序序号，n≥1；
步骤5.3：序号为n的候选节点在等待时间TSIFS后发送ACK数据包，其余候选节点在TSensing_slot时间内监听信道；
步骤5.4：若监听到ACK数据包，则其余候选节点禁止转发数据，并丢弃数据包，序号为n的候选节点作为发送节点继续进行数据转发；否则，认为优先级最高的节点未成功接收数据包，n＝n+1，返回步骤5.3。
8.根据权利要求7所述的一种面向移动纳米网络的能量感知机会路由控制方法，其特征在于：所述步骤5.1中，将排序信息封装到数据包中进行数据转发。
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