CN110708736B - 一种基于能效中继选择的动态路由方法与系统 - Google Patents

一种基于能效中继选择的动态路由方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于能效中继选择的动态路由方法与系统，来解决突发事件发生时或网络拓扑结构发生变化后，如何动态调整路由，以提高端到端路径能效并减少网络干扰的问题。本发明设计了一个能够反映链路收益和选择成本的动态链路权重，并结合能效中继选择策略通过集中控制的方法为路径中每一个中继节点动态生成具有最佳权重的下一跳路由，同时为路由请求节点分配数据传输所需的资源。本发明在保证一定链路中断概率的前提下能充分权衡端到端路径能效和吞吐量，在存在链路干扰的环境下能有效降低端到端路由的能耗，具有较强的抗干扰性，并使路径能效得到明显改善。

Description

一种基于能效中继选择的动态路由方法与系统
技术领域
本发明涉及一种基于能效中继选择的动态路由方法与系统，特别涉及网络拓扑具有动态可变特性的低功率无线传感器网络、无线自组织网络等，提出一种通过集中式动态控制网络中端到端路由的方法以提高路径能效并减轻网络干扰的影响，属于无线通信技术领域。
背景技术
通常，无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)、无线自组织网络(Wireless Ad-Hoc Network，WAHN)中的网络节点能量和资源高度受限，降低节点的能量消耗并延长网络的生存期是这种类型的网络所面临的一个关键性挑战。在端到端的能效路由协议中，为了有效减少路径传输中节点的能量消耗，多数路由协议采用分布式的技术方案，典型的有：低能耗自适应分簇分层(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH)协议、混合能效分布式(Hybrid Energy-Efficient Distributed，HEED)分簇协议、阈值敏感能效传感器网络协议(Threshold sensitive Energy Efficient sensor Networkprotocol，TEEN)。上述协议主要是基于网络架构的，也有基于通信模型和网络拓扑的。在基于网络拓扑的路由协议中，比较典型的是基于位置的路由协议，例如：最小能量中继路由(Minimum Energy Relay Routing，MERR)，该协议设计了一个与路径距离无关的特征距离，并假设所有传感器节点的拓扑部署为线性；则任意传感器节点寻找链路距离与特征距离接近的邻近节点作为其到目的节点之间的下一跳路由，并适当调整发射功率。由此得到的从源点到目的节点之间的路径所消耗的总能量具有最小值。然而，在实际的传感器网络中，网络拓扑是非线性的，且节点的剩余能量和节点之间的干扰变化是实时的，随着数据传输的时长和激活节点的个数而发生变化。当节点能量耗尽或节点间的链路干扰增强而迫使通信链路中断时，网络拓扑结构会发生变化。因此，寻找一个有效的路由方法应用于时变网络中，以解决端到端路由中的最小能耗问题，其关键是对时变网络拓扑结构进行建模和分析。近年来，随着软件定义网络(Software Defined Networking，SDN)的兴起，SDN模式也被逐渐应用到各种类型的无线网络中，包括无线传感器网络，称之为软件定义无线传感器网络(Software-Defined Wireless Sensor Network，SDWSN)。在SDWSN中，基于SDN的解决方案增加了网络管理的灵活性，网络控制器的集中式控制能更好地克服WSN网络的可扩展性问题，并能通过动态调整网络节点的角色和功率、速率分配以优化网络的拓扑结构，从而解决时变网络中的能效路由问题。
发明内容
发明目的：本发明目的在于提出的一种基于能效中继选择的动态路由方法与系统，从最小化端到端路由能耗并尽可能提高路径能量效率(能效)的角度，考虑多源数据传输时邻近链路干扰对数据通信的影响，结合能效中继选择策略引入一个能够反映链路收益和选择成本的动态链路权重，解决突发事件发生时或网络拓扑结构发生变化后，如何动态调节网络路由的问题，以提高路径能效并尽可能减少网络干扰的影响。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述的一种基于能效中继选择的动态路由方法，包括如下步骤：
当有数据包到达时，传感器节点向网络控制器请求资源分配及路由；
网络控制器接收到传感器节点的路由及资源分配请求后，根据能效中继搜索区域中心点及最大搜索半径确定能效中继搜索区域范围，并在该区域内通过基于动态链路权重的能效中继选择策略，预选择路由请求节点到目的节点之间的最佳路径，返回最佳路径上请求节点的下一跳路由，并分配对应的资源；所述动态链路权重与链路收益成正比，与选择成本成反比，所述链路收益为当前链路能效与链路发送节点和接收节点在执行数据传输动作后能够停留在当前能量级别上的节点状态转移概率作为指数的函数的乘积，所述选择成本为能效中继搜索区域内的中继节点到该区域中心点间的距离与该距离在路由请求节点和目的节点间线段上投影之和作为指数的函数；
若路由请求成功，传感器节点向下一跳路由节点传输数据包，并更新传感器节点激活状态。
进一步地，所述能效中继搜索区域的中心点位于路由请求节点和目的节点之间的线段上；区域半径小于路由请求节点到中心点之间的距离；
进一步地，在所述能效中继搜索区域内选择的中继节点满足：
路由请求节点经由能效中继搜索区域内的中继节点传输数据到达下一跳节点之间所消耗的路径传输总能量小于路由请求节点直接传输数据到下一跳节点之间所消耗的能量。
进一步地，所述路由请求节点到能效中继搜索区域中心点之间的距离不依赖于请求节点和目的节点之间的距离，与信道路径损耗指数相关。
进一步地，所述能效中继选择策略是在给定的能效中继搜索区域内为路由请求节点选择一个最佳中继节点，所述最佳中继节点具有如下的特征：
在给定的能效中继搜索区域内，路由请求节点到最佳中继节点之间的链路权重值最大，且该权重值大于0。
进一步地，所述动态链路权重中的影响指数可以调节。
进一步地，所述动态链路权重中的链路收益主要来自于链路能效、节点能量状态和角色的变化，具体包括：
链路能效的变化，基于不同时刻分配给该链路发送端节点所需的发射功率，该发射功率同时考虑了链路质量需求保证和链路干扰情况；
节点能量状态的变化，基于不同时刻节点能量级别保持或转移的概率，该概率与节点所选择的链路能效相关；
节点角色的变化，基于节点剩余能量的变化，当节点剩余能量低于给定阈值时，节点功能降级，由支持中继功能转为不支持中继功能。
进一步地，所述链路权重的设计基于能效中继传输模型和马尔科夫(Markov)动态网络分析模型。
进一步地，所述传感器节点涉及的节点角色包括中继功能和感知功能，节点角色具有可变性；所述传感器节点涉及的资源分配包括节点的发射功率和速率的分配；资源分配和路由具有可调性，每次发送数据包时所分配的资源及路由基于当前的网络拓扑状态。
本发明所述的一种基于能效中继选择的动态路由系统，包括若干传感器节点以及位于基站的网络控制器；所述传感器节点在有数据包到达时，向网络控制器请求路由及资源分配；所述网络控制器接收到传感器节点的路由及资源分配请求后，根据能效中继搜索区域中心点及最大搜索半径确定能效中继搜索区域范围，并在该区域内通过基于动态链路权重的能效中继选择策略，预选择路由请求节点和目的节点间的最佳路径，并基于该最佳路径为所请求的传感器节点分配资源及下一跳路由；所述动态链路权重与链路收益成正比，与选择成本成反比，所述链路收益为当前链路能效与链路发送节点和接收节点在执行数据传输动作后能够停留在当前能量级别上的节点状态转移概率作为指数的函数的乘积，所述选择成本为能效中继搜索区域内的中继节点到该区域中心点间的距离与该距离在路由请求节点和目的节点间线段上投影之和作为指数的函数；所述传感器节点接收到网络控制器反馈的可用分配资源及路由后，传输数据并更新节点的激活状态。
有益效果：本发明所提出的一种基于能效中继选择的动态路由方法与系统，从最小化端到端路由能耗并尽可能提高路径能效的角度，考虑多源数据传输时邻近链路干扰对数据通信的影响，引入一个能够反映链路收益和选择成本的动态链路权重，结合能效中继选择策略通过集中控制的方法为路径中每一个中继节点动态生成具有最佳权重的下一跳路由，同时分配对应的资源。所提方法在保证一定链路中断概率的前提下能有效权衡路径能效和吞吐量，在存在链路干扰的环境下能有效降低端到端路由的能耗，具有较强的抗干扰性，并使路径能效得到明显改善。
附图说明
图1为本发明实施例的应用分析场景示意图；
图2为本发明实施例的能效中继传输模型示意图；
图3为本发明实施例的基于能效中继选择的动态路由算法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明实施例公开的一种基于能效中继选择的动态路由方法，其研究内容主要涉及三个部分：①基于能效中继传输模型和马尔科夫(Markov)动态网络分析模型，设计一种能够反映能效中继选择成本及链路能效和节点能量状态的链路权重；②基于所设计的链路权重，通过能效中继选择策略在所建立的能效中继搜索区域范围内预选择端到端节点间的最佳路径；③基于最佳路径分配节点所需资源及下一跳路由。具体阐述为：
①设计一种动态链路权重，该权重不仅能反映能效中继选择策略中的选择成本，还能反映链路能效和节点能量状态的变化所带来的链路收益。所述选择成本与通过在能效中继搜索区域内选择中继节点得到的路径传输总能耗相关，基于能效中继传输模型，具体为能效中继搜索区域内的中继节点到该区域中心点间的距离与该距离在路由请求节点和目的节点间线段上投影之和的指数函数。
所述链路收益主要来自于链路能效、节点能量状态和角色的变化，基于马尔科夫(Markov)动态网络分析模型，具体为当前链路能效与链路发送节点和接收节点在执行数据传输动作后能够停留在当前能量级别上的节点状态转移概率作为指数的函数的乘积。其中，链路能效是在单个数据包传输期间，链路传输的比特(bit)数量与所消耗的能量的比值，与链路分配的发射功率与速率相关。所述节点能量状态与节点能量级别相对应，当节点能量级别发生变化时，节点能量状态发生对应的迁移，且状态转移是非常返性的。同时，节点能量的变化也会影响到节点的角色，例如当节点剩余能量低于某一给定阈值时，节点由支持中继功能转为不支持中继功能，以减少数据的转发任务。
②基于设计的链路权重，预选择端到端节点间的最佳路径。所述最佳路径是指该路径中的任一路由节点(源节点除外)均为其前一路由节点在能效中继搜索区域内的最佳中继节点。而最佳中继节点的选择基于能效中继选择策略，即在给定的能效中继搜索区域内，选择路由请求节点到中继节点间链路权重值最大的中继节点，且该权重值大于0。
③基于所得到的最佳路径，由网络控制器分配请求节点的发射功率、速率及下一跳路由。当节点传输每一个数据包时，节点所分配的发射功率与当前链路的干扰及链路质量需求相关，干扰越大，所分配的发射功率越大；链路质量需求越高(例如，需要保证较小的链路中断概率)，所分配的发射功率也越大。相应地，当节点的发射功率增大时，链路能效降低。
下面结合具体应用场景对本发明方案设计作进一步的具体分析和描述。
1：软件定义无线传感器网络应用分析场景
图1为本发明实施例的软件定义无线传感器网络(SDWSN)应用分析场景示意图。在本发明中，SDWSN为低功率网络，即网络中的节点为电源功率、计算和存储能力均受到一定限制的网络单元，包括传感器节点，不包括宏基站(Sink节点)。从图中可以看出，控制面与数据面分离。其中，网络控制器位于Sink节点中，通过传感器开放流(Sensor OpenFlow，SOF)接口协议进行通信，负责网络全局信息的收集和网络拓扑生成及维护；所有控制信息沿着控制路径到达网络控制器。传感器节点位于数据面，具有可编程性，可重配置，又称之为软件定义传感器节点(Software-defined Sensor Node，SSN)；其角色由网络控制器根据节点的剩余能量进行设置，主要角色包括中继功能(Relay Function，RF)和感知功能(Sensing Function，SF)。当传感器节点的剩余能量低于某一阈值时，传感器节点降为功能受限的传感器节点，仅具有感知功能，此时不能再执行来自其它节点的数据转发任务，但可进行功率调节。
2：建立Markov动态网络分析模型和能效中继传输模型
在本实施例中，依据现有技术建立一个Markov动态网络分析模型和能效中继传输模型。其中，Markov动态网络分析模型与数据包的到达事件和节点的剩余能量相关，能效中继传输模型与端到端路由中的最小能量路径相关。称传感器节点间转发的数据包为中继数据包，而称从监控区域采集到的数据包为非中继数据包。其中，非中继数据包到达服从均值为λ的泊松(Poisson)分布，传感器节点接收到数据包后会将其转发给邻近的节点。假设数据包的长度服从参数为μL的指数分布，令每次数据包传输期间节点的传输速率保持不变，则数据包的传输时长服从参数为μLvn的指数分布；其中，vn是节点n发送数据包时的传输速率。故中继数据包到达服从指数分布。定义节点n的能量状态为节点的剩余能量等级，标记为
Figure BDA0002245779220000051
相应地，节点n的剩余能量等级集合可以表示为
Figure BDA0002245779220000052
其中，
Figure BDA0002245779220000053
Figure BDA0002245779220000054
有
Figure BDA0002245779220000055
假设节点n的初始能量为e0，标记节点在能量级别为l时的初始能量为εL(l)，0≤l≤L，则有εL(L)＝e0，εL(0)＝0。基于节点当前的能量级别，给定一个能量阈值
Figure BDA0002245779220000061
则传感器节点角色及数据处理随
Figure BDA0002245779220000062
发生变化。例如：当
Figure BDA0002245779220000063
时，传感器节点仅具有SF功能，不能再执行传输中继数据包的任务。
标记sn为传感器节点n的状态，则节点状态sn定义为节点n的剩余能量等级
Figure BDA0002245779220000064
和系统中发生事件子集。其中，事件的触发来自于数据包到达或突发情况等。由于数据包到达服从指数分布，节点n的状态迁移与当前处理到达数据包的执行动作相关，故每处理和传输完一个数据包时，当前节点的能量级别
Figure BDA0002245779220000065
的变化过程和执行动作一起构成了一个Markov决策过程，且在该过程中状态的转移是非常返性的。当
Figure BDA0002245779220000066
时，节点状态为吸收态，意味着该节点能量即将耗尽，退出网络。当数据包到达事件发生时，由Markov动态网络分析模型，节点n执行动作an发送下一个数据包后，从当前状态sn转移到下一状态zn的状态转移概率qn(zn|sn，an)，可以表达如下：
Figure BDA0002245779220000067
其中，
Figure BDA0002245779220000068
表示节点n在时刻t的能量级别，此时节点状态为zn；t0表示节点n发送下一个数据包的初始时刻，此时节点状态为sn。动作an标记为一个三元组集合，集合中的第一个元素RID表示决策结果或分配的路由，若RID＝-1表示禁止转发数据包，传感器节点直接丢弃该数据包；若RID＝0表示缓存数据包，暂不为传感器节点分配网络资源；否则，返回下一跳中继节点的路由标识及为节点n所分配的发射功率
Figure BDA0002245779220000069
和传输速率vn。
由现有技术中的能量和功率模型，若节点n发送数据包的传输时长为τn，则节点n在此期间所消耗的总能量
Figure BDA00022457792200000610
可以表示为
Figure BDA00022457792200000611
其中，常数Ebc为每bit数据所消耗的电路能量。令εn(t)表示节点n在t时刻的剩余能量，则εn(0)为节点n在网络初始时刻的剩余能量，有εn(0)＝e0。假设t时刻，节点n正在传输数据包，则有t＝t0+τn，τn＞0，其中t0是节点n发送数据包的初始时刻，则结合公式(2)可得
Figure BDA00022457792200000612
上式满足εn(t)≥0的约束条件。进而由公式(3)，公式(1)中的节点状态转移概率qn(zn|sn，an)的表达等价于
Figure BDA0002245779220000071
若εn(t0)及其对应的能量级别h均已知，则节点n从当前剩余能量级别h转移到下一能量级别l的状态转移概率qn(zn|sn，an)，可进一步由下式给出：
Figure BDA0002245779220000072
其中，
Figure BDA0002245779220000073
是节点n选择链路(n，j)时的链路能效，εn(t0)∈(εL(h-1)，εL(h)]，且h≥l。类似地，若h＞l，δ*＝εn(t0)-εL(l)；若h＝l，δ*＝0。进一步地，若l＝0，则有εL(l)＝εL(l-1)＝0。
定义节点n选择链路(n，j)发送数据包时的链路能效
Figure BDA0002245779220000074
为数据包传输期间链路传输的bit数量与所消耗的能量的比值[bits/Joule]，有
Figure BDA0002245779220000075
其中，
Figure BDA0002245779220000076
和v(n，j)分别为节点n选择链路(n，j)时由网络控制器所分配的发射功率和传输速率。从定义可知，
Figure BDA0002245779220000077
随v(n，j)增大而增大，且
Figure BDA0002245779220000078
进一步地，路径能效定义为数据包传输期间，目的节点接收到的bit数量与路径上传输所消耗的总能量的比值[bits/Joule]。
图2为本发明实施例的能效中继传输模型示意图。假设端到端路由中的中继节点Aj具有相同的数据接收和发送速率，且发送数据的能耗与链路距离和信道路径损耗指数α相关，则可以建立能效中继搜索区域。如图2所示，标记源点Si的能效中继搜索区域为
Figure BDA0002245779220000079
节点通过该区域内的中继节点Aj传输数据到下一节点所消耗的路径传输总能量小于节点直接传输数据到下一节点所消耗的路径能量。其中，节点D为源点Si的目的节点，
Figure BDA00022457792200000710
为能效中继搜索区域
Figure BDA00022457792200000711
的最佳中继位置点，
Figure BDA00022457792200000712
为
Figure BDA00022457792200000713
的最大搜索半径。称源点Si到
Figure BDA00022457792200000714
间的距离
Figure BDA00022457792200000715
为最佳跳距，标记为
Figure BDA00022457792200000716
由最小能量路径模型的计算可知，
Figure BDA00022457792200000717
不依赖于链路间距离，仅与信道路径损耗指数α相关，且最佳中继位置
Figure BDA00022457792200000718
位于源点Si和目的节点D的线段上。
Figure BDA00022457792200000719
是线段
Figure BDA00022457792200000720
在线段
Figure BDA00022457792200000721
上的投影。在能效中继搜索区域范围内，功率变化与中继节点Aj和
Figure BDA00022457792200000722
间的距离
Figure BDA00022457792200000723
相关，越靠近
Figure BDA0002245779220000081
Figure BDA0002245779220000082
越小，源点Si通过Aj传输数据到下一节点所消耗的路径传输总能量越小。当α＞2时，功率变化不仅与
Figure BDA0002245779220000083
相关，还与投影
Figure BDA0002245779220000084
相关。当
Figure BDA0002245779220000085
固定时，投影
Figure BDA0002245779220000086
越小，源点Si通过Aj传输数据到下一节点所消耗的路径传输总能量越小。
由图2可知，源点Si的能效中继搜索区域
Figure BDA0002245779220000087
可由
Figure BDA0002245779220000088
和
Figure BDA0002245779220000089
确定。其中，
Figure BDA00022457792200000810
和
Figure BDA00022457792200000811
的计算分别由下式给出：
Figure BDA00022457792200000812
和
Figure BDA00022457792200000813
其中，
Figure BDA00022457792200000814
ε0(α)是与α相关的系数，且α≥2，例如：当α＝2时，ε0(2)＝1.8×104(m2)；当α＝4时，ε0(4)＝1.8×108(m4)。也可根据需求或性能对常数进行调整。
3：设计涵盖链路收益和选择成本的动态链路权重
由Markov动态网络分析模型，qn(zn|sn，an)与链路能效相关，且反映了节点能量状态的变化。若考虑延长网络的生存期，则当节点n发送下一个数据包时，应尽可能选择停留在当前能量级别概率较大的链路。因此，定义如下的链路收益函数U(n，j)：已知链路(n，j)，令链路中的发射节点n和接收节点j的下一状态zn和zj分别为当前状态sn和sj，则当节点n和节点j执行动作an和aj时，qn(sn|sn，an)和qj(sj|sj，aj)分别表示节点n和节点j停留在当前状态上的概率，有
Figure BDA00022457792200000815
其中，n，j，k∈VSSN，VSSN为传感器节点集合，
Figure BDA00022457792200000816
表示节点n在所选择的链路(n，j)上发送数据包时的能效。此外，max(j，k)≠(j，n)qj(sj|sj，aj)表示链路中的接收节点j选择邻近链路执行动作aj传输数据时停留在当前能量级别上的最大节点状态转移概率，其中所选择的邻近链路(j，k)≠(j，n)。故链路收益函数U(n，j)能够反映链路能效和节点能量状态的变化，链路收益越大，链路能效越大，越有益于延长网络的生存期。
考虑端到端路由的最小能量路径，由能效中继传输模型，为数据源点确定能效中继搜索区域，并通过能效中继选择策略在给定的能效中继搜索区域范围内，选择最佳中继节点作为源点的下一跳路由。最佳中继节点具有如下的特征：在能效中继搜索区域范围内的所有中继节点中，源点通过最佳中继节点传输数据到下一节点所消耗的路径传输总能量最小。因此，定义选择成本函数C(n，j)：已知链路(n，j)，有
Figure BDA0002245779220000091
其中，
Figure BDA0002245779220000092
为节点n的最大搜索半径，
Figure BDA0002245779220000093
是节点j到最佳中继位置Pn间的距离，xj和
Figure BDA0002245779220000094
分别是节点j和点Pn的位置坐标；
Figure BDA0002245779220000095
是向量
Figure BDA0002245779220000096
到向量
Figure BDA0002245779220000097
上的投影函数，ρ2是投影的加权系数，满足0≤ρ2＜1。
通过能效中继传输模型，为源点n选择具有最小成本C(n，j)的中继节点j作为下一跳路由；继而将中继节点j作为源点，选择具有最小成本C(j，k)的中继节点k作为下一跳路由，并以此类推，直到数据到达目的节点。由此得到具有最小能量消耗的最佳路径。然而，该最佳路径假设中继节点的接收速率和发送速率相同，且未考虑到链路干扰情况。因此，在时变无线传感器网络中，通过能效中继传输模型获取的最佳路径的能量消耗未必最小。在本发明的实施例中，设计一个涵盖链路收益和选择成本的动态链路权重：已知链路(n，j)，有
Figure BDA0002245779220000098
其中，ρ1是影响指数，满足0≤ρ1≤1。当中继节点j不在源点n能效中继搜索区域
Figure BDA0002245779220000099
范围内时，链路权重w(n，j)＝0。由定义可知，w(n，j)与链路收益U(n，j)成正比，与选择成本C(n，j)成反比；ρ1越大，U(n，j)在w(n，j)中的影响越大，C(n，j)的影响越小，反之亦然。
利用所设计的动态链路权重，能效中继选择策略变为：在给定的能效中继搜索区域
Figure BDA00022457792200000910
范围内，选择一个最佳中继节点作为源点n的下一跳路由；该最佳中继节点具有如下的特征：源点n到最佳中继节点之间的链路权重值最大，且该权重值大于0。
4：考虑链路质量需求保证和链路干扰影响的功率和速率分配方法
由于接收数据包的长度服从参数为μL的指数分布，故在每次数据包开始传输时采用一种固定的速率分配方式，而节点的发射功率分配则需考虑链路质量需求保证和链路干扰影响。给定链路(n，j)，则链路的中断概率pout可以表示如下
Figure BDA0002245779220000101
其中，β(n，j)是接收节点j在链路(n，j)中所接收到的信噪比，
Figure BDA0002245779220000102
是其所对应的接收阈值。考虑到链路传输质量，只有当接收信噪比β(n，j)大于或等于阈值
Figure BDA0002245779220000103
时才发送数据，故可以设置一个期望的中断概率pout满足链路质量需求。若同时考虑到链路的干扰情况，标记链路(n，j)的接收信干噪比为
Figure BDA0002245779220000104
则
Figure BDA0002245779220000105
与β(n，j)有如下的对应关系
Figure BDA0002245779220000106
其中，
Figure BDA0002245779220000107
是链路中的接收噪声功率，I(n，j)是链路中的累积干扰功率。进一步地，结合公式(12)，链路的中断概率pout可以由下式表示
Figure BDA0002245779220000108
其中，βj是接收节点j的最小接收阈值。因而，链路中断概率pout的接收阈值
Figure BDA0002245779220000109
可以设置为
Figure BDA00022457792200001010
此外，由公式(14)和现有技术中β(n，j)与节点发射功率之间的对应关系，可以计算出给定链路(n，j)所分配的发射功率
Figure BDA00022457792200001011
如下式所示。
Figure BDA00022457792200001012
其中，λW是信道小尺度衰落分布的一个常数；α是路径损耗指数，满足α≥2；dnj和d0分别表示链路(n，j)接收节点和发射节点之间的欧式距离和参考距离，并且满足dnj≥d0。因而，给定链路质量需求保证的期望pout，发射功率
Figure BDA00022457792200001013
的分配同时考虑了链路干扰I(n，j)的影响。
5：基于能效中继选择的动态路由方法
图3为本发明实施例的基于能效中继选择的动态路由算法流程图。在本实施例中，基于所设计的动态链路权重，通过能效中继选择策略在端到端的数据传输过程中，由网络控制器为每一个路由请求节点在给定的能效中继搜索区域内，选择具有最佳链路权重的中继节点作为下一跳路由。因此，在端到端的数据传输过程中，路由不是静态的，而是随着网络中节点能量状态、节点激活状态以及信道干扰情况动态发生变化，具体表现为：
(1)路由选择中会优先选择节点能量级别较高的中继节点，而节点能量级别会随着节点能量状态的改变而变化；
(2)数据传输受当前节点激活状态影响，并有可能影响后续路由，具体包括：
(a)若节点当前激活状态为激活(有数据传输任务)，则到达数据包会缓存在当前节点中延迟发送，在后续的路由请求中，路由可能发生改变；
(b)若节点当前激活状态为关机(节点能量耗尽)，则节点退出网络，相应地，路由到该节点的数据丢失，会导致端到端路由失败。
(3)信道干扰严重，会导致在路由请求过程中，网络控制器在路由预选择中无法获得一个有效的到达目的节点的能效路径，造成该节点的路由选择失败，进而暂缓数据传输。
如图3所示，基于能效中继选择的动态路由方法主要包括如下几个步骤：
S301：当有数据包到达时，传感器节点向网络控制器请求路由及资源分配。
S302：网络控制器为请求节点依次确定到目的节点的能效中继搜索区域，并基于所设计的动态链路权重，在该区域范围内通过能效中继选择策略，预选择由请求节点到目的节点之间的最佳路径。该最佳路径通过依次迭代选择获得，且具有如下的特征：路径中的任一路由节点(源节点除外)均为其前一路由节点在能效中继搜索区域内的最佳中继节点。因而，可以通过调节链路权重中的影响指数ρ1，使得该最佳路径能够有效权衡路径能效和吞吐量。
若最佳路径存在，则进行步骤S303；否则，更新节点激活状态为休眠，路由失败。
S303：传感器节点接收到可用路由及分配资源后，传输数据并更新节点的激活状态。若节点的激活状态为关机，则节点在数据传输完毕后退出网络；否则，继续下一数据传输。
基于相同的技术构思，本发明实施例的一种基于能效中继选择的动态路由系统，包括若干传感器节点以及位于基站的控制器；传感器节点在有数据包到达时，向网络控制器请求路由及资源分配；网络控制器接收到传感器节点的路由请求及资源分配后，基于动态链路权重的能效中继选择策略，在能效中继搜索区域内预选择路由请求节点和目的节点间的最佳路径，该最佳路径可以权衡路径能效和吞吐量，并基于该最佳路径为所请求的传感器节点分配资源及下一跳路由；动态链路权重具有一定的动态特性，能够反映链路能效和节点能量状态；传感器节点接收到控制器反馈的可用路由及分配资源后，传输数据并更新节点的激活状态；若节点的激活状态为去激活，则节点在数据传输完毕后退出网络。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于能效中继选择的动态路由方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
当有数据包到达时，传感器节点向网络控制器请求路由及资源分配；
网络控制器接收到传感器节点的路由及资源分配请求后，根据能效中继搜索区域中心点及最大搜索半径确定能效中继搜索区域范围，并在该区域内通过基于动态链路权重的能效中继选择策略，预选择路由请求节点到目的节点之间的最佳路径，返回最佳路径上请求节点的下一跳路由，并分配对应的资源；所述动态链路权重与链路收益成正比，与选择成本成反比，所述链路收益为当前链路能效与指数函数的乘积，该指数函数的指数为链路发送节点和接收节点在执行数据传输动作后能够停留在当前能量级别上的节点状态转移概率，所述选择成本为能效中继搜索区域内的中继节点到该区域中心点间的距离与该距离在路由请求节点和目的节点间线段上投影之和作为指数的函数；
若路由请求成功，传感器节点向下一跳路由节点传输数据包，并更新传感器节点激活状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于能效中继选择的动态路由方法，其特征在于：所述能效中继搜索区域的中心点位于路由请求节点和目的节点之间的线段上；区域半径小于路由请求节点到中心点之间的距离。
3.根据权利要求1所述的一种基于能效中继选择的动态路由方法，其特征在于：在所述能效中继搜索区域内选择的中继节点满足：
路由请求节点经由能效中继搜索区域内的中继节点传输数据到达下一跳节点之间所消耗的路径传输总能量小于路由请求节点直接传输数据到下一跳节点之间所消耗的能量。
4.根据权利要求1所述的一种基于能效中继选择的动态路由方法，其特征在于：所述路由请求节点到能效中继搜索区域中心点之间的距离不依赖于请求节点和目的节点之间的距离，与信道路径损耗指数相关。
5.根据权利要求1所述的一种基于能效中继选择的动态路由方法，其特征在于：所述能效中继选择策略是在给定的能效中继搜索区域内为路由请求节点选择一个最佳中继节点，所述最佳中继节点具有如下的特征：
在给定的能效中继搜索区域内，路由请求节点到最佳中继节点之间的链路权重值最大，且该权重值大于0。
6.根据权利要求1所述的一种基于能效中继选择的动态路由方法，其特征在于：所述动态链路权重中链路收益与选择成本的影响指数可以调节。
7.根据权利要求1所述的一种基于能效中继选择的动态路由方法，其特征在于：所述动态链路权重中的链路收益主要来自于链路能效、节点能量状态和角色的变化，具体包括：
链路能效的变化，基于不同时刻分配给该链路发送端节点所需的发射功率，该发射功率同时考虑了链路质量需求保证和链路干扰情况；
节点能量状态的变化，基于不同时刻节点能量级别保持或转移的概率，该概率与节点所选择的链路能效相关；
节点角色的变化，基于节点剩余能量的变化，当节点剩余能量低于给定阈值时，节点功能降级，由支持中继功能转为不支持中继功能。
8.根据权利要求1所述的一种基于能效中继选择的动态路由方法，其特征在于：所述链路权重的设计基于能效中继传输模型和马尔科夫(Markov)动态网络分析模型。
9.根据权利要求7所述的一种基于能效中继选择的动态路由方法，其特征在于：所述传感器节点涉及的节点角色包括中继功能和感知功能，节点角色具有可变性；所述传感器节点涉及的资源分配包括节点的发射功率和速率的分配；资源分配和路由具有可调性，每次发送数据包时所分配的资源及路由基于当前的网络拓扑状态。
10.一种基于能效中继选择的动态路由系统，其特征在于：包括若干传感器节点以及位于基站的网络控制器；所述传感器节点在有数据包到达时，向网络控制器请求路由及资源分配；所述网络控制器接收到传感器节点的路由及资源分配请求后，根据能效中继搜索区域中心点及最大搜索半径确定能效中继搜索区域范围，并在该区域内通过基于动态链路权重的能效中继选择策略，预选择路由请求节点和目的节点间的最佳路径，并基于该最佳路径为所请求的传感器节点分配资源及下一跳路由；所述动态链路权重与链路收益成正比，与选择成本成反比，所述链路收益为当前链路能效与指数函数的乘积，该指数函数的指数为链路发送节点和接收节点在执行数据传输动作后能够停留在当前能量级别上的节点状态转移概率，所述选择成本为能效中继搜索区域内的中继节点到该区域中心点间的距离与该距离在路由请求节点和目的节点间线段上投影之和作为指数的函数；所述传感器节点接收到网络控制器反馈的可用分配资源及路由后，传输数据并更新节点的激活状态。
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