CN110809305A - 一种多节点低开销的无线路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多节点低开销的无线路由方法，其包括以下步骤：步骤1：对每个节点进行初始化；步骤2：每个节点周期发送自身状态信息；步骤3：每个节点根据收到的其它节点发来的状态信息或者路由信息，更新自身的直接连接表的连接状态和信号场强；步骤4：当源节点向目标节点发送数据时，分别以1跳、2跳、以及3跳以上的情形介绍路由实现过程。本发明采用了能量判决机制，配合延时广播策略，在多数情况下，在2跳路由内会自动竞争出一个中继节点，完成路由通信，可以有效避免广播风暴的发生，可以极好的应用在多节点、低开销的无线网络中。

Description

一种多节点低开销的无线路由方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种与无线数据通信网络相关的多节点低开销的无线路由方法，用于多节点、非直连无线数据网络交换场所。
背景技术
在无线网络应用中，存在一种情况即网络中节点众多，但每个节点由于受到信道容量、功耗、低可探测性等因素的制约，具有短猝发送、极低数据量等特点。在这样的应用场景中，每个节点的占用的总体信道较少，对路由的开销要求极高，普通的路由算法如TCP/IP协议由于开销太大肯定无法实现。
为此目前针对无线数据通信提出了各种路由算法，主要可以分为两大类：先应路由和后应路由。先应路由与TCP/IP路由协议类似，每一个节点都存储一张路由表，包含与自己通信范围内的其他节点的路由信息。并且根据节点变化不断更新路由表。典型代表的协议是DSDV(目标序列距离矢量)协议。后应路由各个节点无需定时维护路由表，只有节点需要通信时才进行路由寻址。典型代表的协议是AODV(自组网按需距离矢量)协议。
上述两类路由算法都存在各自的弊端，先应路由每个节点都要定时广播完完整的路由信息，由此带来的信道开销较大。而后应路由任意节点每次发起数据传输前必须发起广播寻址，建立握手后才能展开通信，导致数据时延；而且当多节点同时通信，同时发起广播寻址时将导致网络瞬时开销较大，容易导致网络阻塞。
申请人在之前的发明专利中提出了一种低开销的路由算法，无线网络节点通过传递两个连接表即可实现在3跳内直接寻的路由操作，但是这两个连接表数据量随着节点数量的增加而增大，在极端的多节点、低开销网络中仍然不能满足要求。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种多节点低开销的无线路由方法，采用能量判决机制，使整个网络的路由开销降到最低。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种多节点低开销的无线路由方法，其包括以下步骤：
步骤1：对每个节点进行初始化；
步骤2：每个节点周期发送自身状态信息；
步骤3：每个节点根据收到的其它节点发来的状态信息或者路由信息，更新自身的直接连接表的连接状态和信号场强；
步骤4：当源节点向目标节点发送数据时，分别以1跳、2跳、以及3跳以上的情形介绍路由实现过程；
源节点与目标节点1跳时：源节点查找自身的直接连接表，发现与目标节点存在直连关系，则数据直接发送，无需中继节点；
源节点与目标节点2跳时：源节点查找自身的直接连接表，未发现与目标节点存在直连关系，则直接发送目标节点的ID；此时，如果目标节点与源节点自然直连，因静默而未被源节点记录，则此时目标节点响应通信，两个节点建立直接连接，并更新各自的直接连接表；如果此时目标节点与源节点需要1跳中继，则通过能量判决机制和延时广播策略完成中继通信；
源节点与目标节点3跳以上时：源节点查找自身的直接连接表，未发现与目标节点存在直连关系，则直接发送目标节点的ID。
其中，所述步骤1中，每个节点初始化的过程为：
S11：给每一个节点建立自己的id号；
S12：每一个节点在内部存储空间建立自身的直接连接表和场强记录表。
其中，所述S11中，用1到127共计127个数字依次代表每个节点的id号，占用7bit。
其中，所述S12中，每一个直接连接表包含2个存储单元，一个存储单元127bit，纪录本节点与其它节点的连接关系，从1到127与节点的id号对应，每一个bit位用来表征与对应节点的连接关系，1代表有连接，0代表无连接，所有连接表的初始值都为0；另一个存储单元是127*16bit，用来记录接收到其它节点信息时的信号强度。
其中，所述步骤2中，每个节点在1-10s内周期发送自身的状态信息。
其中，所述步骤3中，每个节点将接收到的其它节点场强信号与之前的场强信号进行平滑滤波，更新连接表中的场强存储单元。
其中，所述步骤3中，每个连接表中定时清理无效的连接表单元，即每个连接表单元都有对应的监视及清零控制信号，当设定的时间间隔内，连接表内某个节点未出现任何更新时，则将该节点对应单元清零。
其中，所述步骤4中，源节点与目标节点2跳时，能量判决机制是中继节点通过计算自身接收到源节点的信号场强和目标节点的信号场强，两者进行一次做差运算，以及一次做和运算，然后计算差值绝对值，再与和值进行归一化，归一化的值越小，则优先级越高，将计算出来的优先级提供给后续的延时广播策略进行通信决策；如果中继节点未感知到目标节点，则将目标节点的信号场强设为0，此时绝对差值即为自身接收到源节点的信号场强。
其中，所述步骤4中，源节点与目标节点2跳时，延时广播策略是根据先前计算的归一化值以及预先设置好的优先级映射表，来确定转发时间，为避免在同一优先级下发生碰撞问题，加入伪随机抖动。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的多节点低开销的无线路由方法，采用了能量判决机制，配合延时广播策略，在多数情况下，在2跳路由内会自动竞争出一个中继节点，完成路由通信，可以有效避免广播风暴的发生，可以极好的应用在多节点、低开销的无线网络中。
附图说明
图1每个节点包含的连接表示意图
图2通信节点连接以及路由示意图1。
图3通信节点连接以及路由示意图2。
图1中每个小格代表1bit，小格中的idx(x代表0到31)表示该小格与idx对应。
图2、图3中双向箭头代表两个节点可以通过无线链路直连，否则需要通过其它节点路由连接。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明多节点低开销的无线路由方法包括以下步骤：
步骤1：对每个节点进行初始化
S11：给每一个节点建立自己的id号；本实施例中，用1到127共计127个数字依次代表每个节点的id号，占用7bit。
S12：每一个节点在内部存储空间建立自身的直接连接表和场强记录表，格式见图1，每一个直接连接表包含2个存储单元，一个存储单元127bit，纪录本节点与其它节点的连接关系，从1到127与节点的id号对应，每一个bit位用来表征与对应节点的连接关系，1代表有连接，0代表无连接，所有连接表的初始值都为0；另一个存储单元是127*16bit，用来记录接收到其它节点信息时的信号强度。连接表的更新与维护在步骤3详述。
步骤2：每个节点周期发送自身状态信息
每一个节点通常处于接收状态，可以定时发送自身状态信息，也可以一直保持静默直到需要发送数据为止。如果定时发送自身状态信息，可以让周围的节点感知本节点以及支持网络动态变化，有利于路由的快速建立，但是也带来了信道开销大、功耗大、不利于隐蔽的缺点。如果始终静默，则周围节点无法感知本节点的存在，则在路由寻址时造成一定的延时。在本发明依托的系统中，每个节点在1-10s(周期可调节)内发送自身的状态信息，以平衡上述两种模式的优缺点。
步骤3：每个节点根据收到的其它节点发来的状态信息或者路由信息，更新自身的直接连接表的连接状态和信号场强。
以图2节点的直接连接表更新为例，通过无线链路感知，A节点接收到B、C、D节点消息，知道B、C、D节点为它的直接连接节点，假设B节点的id号为5，C节点的id号为21，D节点的id号为60，则A节点的直接连接表第5、21、60位置1，其它位不变(连接表位号也从1开始计数)。最后将接收到的B、C、D节点场强信号与之前的场强信号进行平滑滤波，更新连接表中的场强存储单元。
为了确保连接表的有效性，需要定时清理无效的连接表单元，即每个连接表单元都有对应的监视及清零控制信号。当设定的时间间隔内，连接表内某个节点未出现任何更新时，则将该节点对应单元清零，实现对连接表的维护功能。
步骤4：当源节点向目标节点发送数据时，以下分别以1跳、2跳、以及3跳以上的情形分别介绍具体路由实现。
源节点与目标节点1跳：源节点查找自身的直接连接表，发现与目标节点存在直连接关系，则数据直接发送，无需中继节点。
源节点与目标节点2跳：源节点查找自身的直接连接表，未发现与目标节点存在直连关系，于是直接发送目标节点的ID。此时，如果目标节点与源节点自然直连，只是由于静默未被源节点记录，则此时目标节点响应通信，两个节点建立直接连接，并更新各自的直接连接表；如果此时目标节点与源节点需要1跳中继，此时需要本发明的核心内容即能量判决机制和延时广播策略完成中继通信。
首先介绍能量判决机制，该机制的内容是中继节点通过计算自身接收到源节点的信号场强(能量)和目标节点的信号场强(能量)，两者进行一次做差运算，以及一次做和运算，然后计算差值绝对值，再与和值进行归一化，则归一化的值越小，则优先级越高，将计算出来的优先级提供给后续的延时广播策略进行通信决策。如果中继节点未感知到目标节点，则将目标节点的信号场强(能量)设为0，此时绝对差值即为自身接收到源节点的信号场强。
如图2、图3为例，图2中B节点与A、E节点距离相同，C、D节点则与A、E节点距离不同，则此时B节点为优先级最高节点。图3中B、C、D节点与A、E节点距离相同，但是B节点与A、E节点距离更近，场强(能量)更大，通信更可靠，则此时B节点仍为优先级最高节点。可见能量判决机制巧妙的利用接收节点的场强(能量)通过简单计算，形成对节点空间位置的判断，选择最优节点最为优先级最的中继节点。
延时广播策略是根据先前计算的归一化值以及预先设置好的优先级映射表，来确定转发时间，为了避免在同一优先级下发生碰撞问题，加入伪随机抖动。
采用延时广播策略的根本目的是为了降低中继转发次数，减少信道开销。因此一旦优先级较低的中继节点接收到优先级较高中继节点发送的信息，并得到源节点确认，则不再发送中继信息。
以本发明依托的无线网络系统为例，首先根据实际应用，预先设置绝优先级映的射表，在本表中归一化值为每100(乘以1024)为一个优先级，共设置10个优先级，最高优先级的节点在接收到源节点信号后1.5ms内转发，下一级优先级则再加1.5ms为3ms。以此类推。中继节点完成优先级判断后在规定的时隙发送，还要加入一个伪随机抖动的时间，该时间由ID送入伪码发生器得到。每个节点的发送持续时间非常短，只有40us，因此即便存在优先级相同的两个节点碰撞概率也是极低。算上路径延时和节点的发送时间，在一个中继优先级的时间内(1.5ms)能够完成一次确认，一旦其它节点接收到确认则放弃发送送。由源节点、中继节点、目标节点建立连接。
源节点与目标节点3跳以上：与2跳类似，源节点查找自身的直接连接表，未发现与目标节点存在直连关系，于是直接发送目标节点的ID。在中继节点选择上有两种方式，第一种方式即根据优先级中继节点依次发送中继消息，此时中继算法退化成普通中继寻的，则广播次数较多，容易形成广播风暴，对系统产生不利影响；另一种是利用静态或者动态规划，将整个网络划分成几个子网，每个子网指定或竞争出簇头，采用网络级联模式，即每个子网的簇头作为整网各自独立的节点，整网和子网内部分级应用本路由算法即可。
本发明是依据一个多节点低开销的无线网络系统的自身特点所提出，应用在一个具有127个节点的无线数据链系统上，支持2跳通信功能，也支持3跳以上的扩展功能。每个节点无需存储整个网络路由表，发起路由时只需要发送目标节点的ID即可。虽然采用了路由广播寻址模式，但是采用了能量判决机制，配合延时广播策略，在多数情况下，在2跳路由内会自动竞争出一个中继节点，完成路由通信，可以有效避免广播风暴的发生。所以本发明可以极好的应用在多节点、低开销的无线网络中。
需要说明的是，本发明虽然应用于一个127节点的网络中，但不仅限于该数量节点的网络，本发明的路由开销与节点数量几乎无关而与跳数相关。如果存在多跳的情况，可以将整个网络划分成几个子网，每个子网指定或竞争出簇头，采用网络级联模式，即每个子网的簇头作为整网各自独立的节点，整网和子网内部分级应用本路由算法即可。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多节点低开销的无线路由方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对每个节点进行初始化；
步骤2：每个节点周期发送自身状态信息；
步骤3：每个节点根据收到的其它节点发来的状态信息或者路由信息，更新自身的直接连接表的连接状态和信号场强；
步骤4：当源节点向目标节点发送数据时，分别以1跳、2跳、以及3跳以上的情形介绍路由实现过程；
源节点与目标节点1跳时：源节点查找自身的直接连接表，发现与目标节点存在直连关系，则数据直接发送，无需中继节点；
源节点与目标节点2跳时：源节点查找自身的直接连接表，未发现与目标节点存在直连关系，则直接发送目标节点的ID；此时，如果目标节点与源节点自然直连，因静默而未被源节点记录，则此时目标节点响应通信，两个节点建立直接连接，并更新各自的直接连接表；如果此时目标节点与源节点需要1跳中继，则通过能量判决机制和延时广播策略完成中继通信；
源节点与目标节点3跳以上时：源节点查找自身的直接连接表，未发现与目标节点存在直连关系，则直接发送目标节点的ID。
2.如权利要求1所述的多节点低开销的无线路由方法，其特征在于，所述步骤1中，每个节点初始化的过程为：
S11：给每一个节点建立自己的id号；
S12：每一个节点在内部存储空间建立自身的直接连接表和场强记录表。
3.如权利要求2所述的多节点低开销的无线路由方法，其特征在于，所述S11中，用1到127共计127个数字依次代表每个节点的id号，占用7bit。
4.如权利要求3所述的多节点低开销的无线路由方法，其特征在于，所述S12中，每一个直接连接表包含2个存储单元，一个存储单元127bit，纪录本节点与其它节点的连接关系，从1到127与节点的id号对应，每一个bit位用来表征与对应节点的连接关系，1代表有连接，0代表无连接，所有连接表的初始值都为0；另一个存储单元是127*16bit，用来记录接收到其它节点信息时的信号强度。
5.如权利要求4所述的多节点低开销的无线路由方法，其特征在于，所述步骤2中，每个节点在1-10s内周期发送自身的状态信息。
6.如权利要求5所述的多节点低开销的无线路由方法，其特征在于，所述步骤3中，每个节点将接收到的其它节点场强信号与之前的场强信号进行平滑滤波，更新连接表中的场强存储单元。
7.如权利要求6所述的多节点低开销的无线路由方法，其特征在于，所述步骤3中，每个连接表中定时清理无效的连接表单元，即每个连接表单元都有对应的监视及清零控制信号，当设定的时间间隔内，连接表内某个节点未出现任何更新时，则将该节点对应单元清零。
8.如权利要求7所述的多节点低开销的无线路由方法，其特征在于，所述步骤4中，源节点与目标节点2跳时，能量判决机制是中继节点通过计算自身接收到源节点的信号场强和目标节点的信号场强，两者进行一次做差运算，以及一次做和运算，然后计算差值绝对值，再与和值进行归一化，归一化的值越小，则优先级越高，将计算出来的优先级提供给后续的延时广播策略进行通信决策；如果中继节点未感知到目标节点，则将目标节点的信号场强设为0，此时绝对差值即为自身接收到源节点的信号场强。
9.如权利要求8所述的多节点低开销的无线路由方法，其特征在于，所述步骤4中，源节点与目标节点2跳时，延时广播策略是根据先前计算的归一化值以及预先设置好的优先级映射表，来确定转发时间，为避免在同一优先级下发生碰撞问题，加入伪随机抖动。
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