CN112672397B - 基于rpl的月球通信系统路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于低功耗有损网络路由协议RPL的月球通信系统路由方法，用于解决现有技术中存在的节点平均能耗高、各节点能量消耗不均衡、路由表信息转发开销大的技术问题，实现步骤为：设置参数；每个通讯节点S_n基于RPL报文格式构造自己的信息对象报文DIO_n；每个宇航员节点基于月球表面自传周期特性选择自己的父节点；构建非存储模式的RPL网络拓扑G₀；在G₀的节点间传输生命体征数据。本发明可用于低功耗有损网络等领域。

Description

基于RPL的月球通信系统路由方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种月球通信系统的路由方法，具体涉及一种基于低功耗有损网络路由协议RPL的月球通信系统路由方法，可用于低功耗有损网络等领域。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络。低功耗有损网络(Low power and Lossy Networks，LLN)属于WSN，组建LLN的节点具有能量受限，信息处理能力弱的特点。

月球表面呈现14天极昼，14天极夜，且会周期切换。部署于月球表面的通讯设备通过太阳能进行能源补给，在月球极夜期，有长达14天没有能源供给，因此能量受限，且月球表面通讯设备功耗低、信息处理能力弱，在没有基站等固定基础设施的支持下，无法直接进行通信的通讯设备间需要通过多跳进行数据传输。由这些月面通讯设备构建的网络非常符合LLN的特点。

RPL(Routing Protocol for LLN,RPL)是由互联网工程任务组(InternetEngineering Task Force,IETF)研究制定的专用于LLN的低功耗有损网络路由协议。比较重要的路由协议性能指标有时延，控制报文开销等，并且不同路由协议的性能指标不尽相同。RPL是一种距离矢量路由协议，节点间通过交互信息组建有向无环图(DestinationOriented Directed Acyclic Graph,DODAG)状的网络拓扑。

RPL路由协议有存储模式及非存储模式两种工作模式。存储模式就是DODAG中的所有节点都会存储子图当中所有节点的路由信息。非存储模式就是DODAG中所有节点之间的数据通信都必须经过根节点来转发，非存储模式下，仅根节点存储其到所有叶子节点的路由信息，叶子节点不存储路由信息，因此叶子节点没有路由存储及维护开销，节点平均能耗低，但是目前非存储模式的RPL路由协议依然存在不足，在RPL拓扑组建时，各叶子节点通过跳数或链路质量来进行自己父节点的选择，这样由单一指标构造出的RPL网络拓扑仅适用于单一网络场景的网络环境；同时，各节点在父节点选择时未考虑节点剩余能量，即使节点剩余能量低于节点平均剩余能量值，也会选其作父节点进行数据传输，从而导致这部分节点会过早耗尽能量，各节点能耗较不均衡；此外，随着网络规模的扩大，大量由根节点转发的含路由表的信息会造成大量开销。

近年来，用于月球通信系统的路由协议受到越来越多的关注，目前月球通信系统中各节点路由时多采用WSN中的传统路由协议，例如路艳玲，秦世引在2009年科技导报第19期公开了一种“面向月球探测多机器人通信系统的Ad hoc路由协议优化设计”，在动态源路由协议DSR的基础上设计了一种基于能量约束的Adhoc网络路由协议。该协议综合考虑了通信系统对于节能和实时性两方面的需求，将路由跳数、路由传送功率、节点剩余电池能量作为路由度量，采用改进的离散Bellman-Ford算法进行最优路径的求解。该协议综合考虑了通信系统对于节能和实时性两方面的需求，将路由跳数、路由传送功率、节点剩余电池能量作为路由度量，采用改进的离散Bellman-Ford算法进行最优路径的求解。但是存在的缺陷是该路由协议采用洪泛机制寻找和维护路由表，由于月面通信环境中信道质量差，导致分组交付率低，从而大量路由信息需要重传，路由开销大。同时，各节点由于频繁传送接收数据，节点平均能耗高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于低功耗有损网络路由协议RPL的月球通信系统路由方法，用于解决现有技术中存在的节点平均能耗较高、各节点能量消耗均衡性较差，且路由表信息开销较大的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：

(1)设置参数：

设月球表面分布有N个带有编号的节点S＝{S₁,S₂,...,S_n,...,S_N}，每个节点既为源节点，又为其余节点的目的节点，其中N≥3，S_n表示第n个节点，当n＝1时，S_n表示登陆器通讯节点，当n∈[2,N]时，S_n表示背负通讯机的宇航员节点，则宇航员节点集合为S′＝{S₂,...,S_n,...,S_N}；

(2)每个通讯节点S_n基于RPL报文格式构造自己的信息对象报文DIO_n并发送：

(2a)每个通讯节点S_n探测其与S₁距离值l_n，同时根据自己的初始总能量E_n0、在待机模式下的时间和功率T_n1和P_n1、在传输模式下的时间和功率T_n2和P_n2，以及在侦听模式下的时间和功率T_n3和P_n3，计算自己的剩余能量E_n：

E_n＝E_n0-(T_n1×P_n1+T_n2×P_n2+T_n3×P_n3)；

(2b)每个通讯节点S_n构造与低功耗有损网络路由协议RPL通信报文格式相同的信息对象报文DIO_n，并将l_n和E_n存储到自己的信息对象报文DIO_n的空余可选字段中后，将DIO_n发送至自己的每个目的节点；

(3)S′中每个节点S_n基于月球自转周期特性选择自己的父节点：

(3a)S′中每个节点S_n读取自己N-1个源节点发送的信息对象报文，并将所有信息对象报文空余可选字段中存储的剩余能量存储到自己的剩余能量集W_n ⁱ中，同时将所有信息对象报文空余可选字段中存储的距离值存储到自己的距离值集L_n ⁱ中；

(3b)S′中每个节点S_n判断月球表面自转周期是否处于极夜期，若是，将剩余能量集W_n ⁱ中最大剩余能量所对应的源节点作为自己的父节点F_n，否则，执行步骤(3c)；

(3c)S′中每个节点S_n判断剩余能量集F_n ⁱ中每个剩余能量是否大于该剩余能量初始值的一半，若是，将距离值集L_n ⁱ中最小距离值所对应的源节点作为自己的父节点F_n，否则，将剩余能量集W_n ⁱ中最大剩余能量所对应的源节点作为自己的父节点F_n；

(4)构建非存储模式的RPL网络拓扑G₀：

以S₁为根节点，以S′中每个节点S_n为叶子节点，并将S₁到每个叶子节点S_n的路由表R＝{R₂,...,R_n,...,R_N}存储在根节点S₁中，将S_n与F_n连接，得到非存储模式的RPL网络拓扑G₀，其中，R_n表示S₁到第n个叶子节点S_n的路由表，n∈[2,N]；

(5)在G₀的节点间传输生命体征数据：

(5a)每个叶子节点S_n通过通讯机对宇航员的生命体征数据B_n进行检测，并将叶子节点S_d的编号d添加到B_n的空闲字段中，再将B_n通过S_n转发至根节点S₁，其中，n,d∈[2,N]，且n≠d；

(5b)根节点S₁通过读取B_n空闲字段中叶子节点S_d的编号d，获取S_d的路由表R_d，并采用布隆过滤器压缩方法对R_d进行压缩，得到由R_d压缩而成的m bit大小的转发表Z_d，再将Z_d添加到B_n的剩余空闲字段中，构成新的生命体征数据NB_n，然后将NB_n广播给以自己为父节点的所有叶子节点，其中m≥8；

(5c)每个收到NB_n的叶子节点读取NB_n空闲字段中叶子节点S_d的编号d，判断自己的节点编号是否为d，若是，接收NB_n，实现与叶子节点S_n间生命体征数据的传输，否则，执行步骤(5d)；

(5d)每个收到NB_n的叶子节点读取NB_n空闲字段中的转发表Z_d，采用布隆过滤器解析方法对自身节点编号解析，得到Z_d中的k个bit位置，并使用k个bit位置的数值判断自己是否在Z_d上，若是，将NB_n广播给以自己为父节点的所有叶子节点，并执行(5c)，否则，忽略该生命体征数据NB_n，其中k≥2。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

第一、本发明在月球通信系统网络拓扑构建时，构造非存储模式的RPL网络拓扑，RPL更匹配月球表面低功耗有损网络特性，且整个网络拓扑中仅根节点存储和维护路由表，叶子节点无路由表存储和维护能量开销，与现有技术相比，降低了节点平均能耗。

第二、本发明在宇航员节点进行父节点的选择时，用月球表面通讯节点各工作模式功率和时间建模，创建月球表面通讯节点剩余能量公式，且月球极昼、极夜期使用两不同方法为宇航员节点选择父节点，两方法均考虑了节点剩余能量，与现有技术相比，提高了RPL拓扑中各节点能量消耗的均衡性，并增强了RPL网络场景的适用性，使所构建的RPL网络拓扑可适用月球极昼、极夜两种不同网络场景。

第三、本发明在根节点对信息转发时，使用布隆过滤器压缩方法将根节点中存储的到各叶子节点的字节级别的路由表通过哈希计算压缩成比特级别的转发表，减小了根节点对路由表的存储及发送开销，与现有技术相比，有效减小了各叶子节点对路由表的转发开销。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明的DIO报文格式图；

图3是本发明中S′中每个通讯节点基于月球自转周期特性选择自己的父节点的实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

参照图1，本发明包括如下步骤：

步骤1)设置参数：

设月球表面分布有N个带有编号的节点S＝{S₁,S₂,...,S_n,...,S_N}，每个节点既为源节点，又为其余节点的目的节点，其中N≥3，S_n表示第n个节点，当n＝1时，S_n表示登陆器通讯节点，当n∈[2,N]时，S_n表示背负通讯机的宇航员节点，则宇航员节点集合为S′＝{S₂,...,S_n,...,S_N}；登陆器节点和宇航员节点均有半径为5km的通讯范围。登陆器节点与宇航员节点相比具有更高的初始能量，更强的计算能力，但体积更大，重量更沉，移动能力更弱。宇航员节点移动性好，在月球表面开展勘测工作，宇航员所背负通讯机装有传感器，传感器可检测宇航员的呼吸频率、心率等生命体征数据，本实施例中，宇航员节点每5秒检测并发送一次生命体征数据。

步骤2)每个通讯节点S_n基于RPL报文格式构造自己的信息对象报文DIO_n并发送：

(2a)每个通讯节点S_n通过全球定位系统GPS探测其与S₁距离值l_n，同时根据自己的初始总能量E_n0、在待机模式下的时间和功率T_n1和P_n1、在传输模式下的时间和功率T_n2和P_n2，以及在侦听模式下的时间和功率T_n3和P_n3，计算自己的剩余能量E_n：

E_n＝E_n0-(T_n1×P_n1+T_n2×P_n2+T_n3×P_n3)；

本实施例中，P_n1＝20，P_n2＝28+30x，其中x为发射占空比，P_n3＝28。

(2b)每个通讯节点S_n构造与低功耗有损网络路由协议RPL通信报文格式相同的信息对象报文DIO_n，其格式如图2所示，其中，MOP占3bit，为RPL操作模式号，本发明使用的是非存储模式，MOP值设置为1，l_n和E_n各占4bit，将l_n和E_n值存储到自己的信息对象报文DIO_n的相应字段中后，将DIO_n发送至自己的每个目的节点；

步骤3)S′中每个节点S_n基于月球自转周期特性选择自己的父节点，实现流程如图3所示：

(3a)S′中每个节点S_n读取自己N-1个源节点发送的信息对象报文，并将所有信息对象报文空余可选字段中存储的剩余能量存储到自己的剩余能量集W_n ⁱ中，同时将所有信息对象报文空余可选字段中存储的距离值存储到自己的距离值集L_n ⁱ中；S_n在选择父节点时，会针对月球极昼极夜场景选用不同方法以提高RPL网络拓扑的适用性，每个方法均考虑有节点剩余能量，用于提高各节点能量消耗的均衡性；

(3b)S′中每个节点S_n使用光电传感器判断月球自转周期是否处于极夜期，若是，将剩余能量集W_n ⁱ中最大剩余能量所对应的源节点作为自己的父节点F_n，否则，执行步骤(3c)；

(3c)S′中每个节点S_n判断剩余能量集F_n ⁱ中每个剩余能量是否大于该剩余能量初始值的一半，若是，将距离值集L_n ⁱ中最小距离值所对应的源节点作为自己的父节点F_n，否则，将剩余能量集W_n ⁱ中最大剩余能量所对应的源节点作为自己的父节点F_n；

步骤4)构建非存储模式的RPL网络拓扑G₀：

以S₁为根节点，以S′中每个节点S_n为叶子节点，并将S₁到每个叶子节点S_n的路由表R＝{R₂,...,R_n,...,R_N}存储在根节点S₁中，将S_n与F_n连接，得到非存储模式的RPL网络拓扑G₀，其中，R_n表示S₁到第n个叶子节点S_n的路由表，n∈[2,N]；非存储模式下，G₀中的每个叶子节点S_n均不存储路由表，仅根节点S₁中存储有其到所有叶子节点的路由表，所以叶子节点之间的数据通信都必须经过S₁转发，且由于仅根节点存储路由表，叶子节点无路由表存储和维护能量开销，有效降低了节点平均能耗。

步骤5)在G₀的节点间传输生命体征数据：

(5a)每个叶子节点S_n通过通讯机对宇航员的生命体征数据B_n进行检测，并将叶子节点S_d的编号d添加到B_n的空闲字段中，再将B_n通过S_n转发至根节点S₁，其中，n,d∈[2,N]，且n≠d；

(5b)根节点S₁通过读取B_n空闲字段中叶子节点S_d的编号d，获取S_d的路由表R_d，采用布隆过滤器压缩方法对R_d进行压缩，得到由R_d压缩而成的m bit大小的转发表Z_d，再将Z_d添加到B_n的剩余空闲字段中，构成新的生命体征数据NB_n，然后将NB_n广播给以自己为父节点的所有叶子节点，其中m≥8；采用布隆过滤器压缩方法对R_d进行压缩，实现方法为：

(5b1)创建大小为m bit的数组Z_d作为转发表，并将其中的每个bit位初始值设置为0，同时创建包括k个不同哈希函数的函数集H，其中k≥2，m≥8；

(5b2)通过H中每个哈希函数对路由表R_d中的每个节点编号进行哈希计算，并将计算结果映射为Z_d中的k个bit位置，再将该k个bit位置的值从初始值0设置为1，得到由R_d压缩而成的m bit大小的转发表Z_d。

该布隆过滤器压缩方法在解析时会存在误差，误差率P的计算公式如下：

其中，m为Z_d的大小，k为函数集H中哈希函数的个数，n为路由表R_d中所含的节点个数。本实施例中取n＝12，k＝4，m＝128，计算得P＝1％，R_d中每个节点号以整型存储，即每个节点号的大小为4byte，计算可得R_d大小为48byte，根据计算结果得，允许布隆过滤器解析误差率为1％时，可将48byte大小的R_d压缩为128bit大小的Z_d，Z_d的大小仅为R_d的三分之一，从而能有效减小根节点及各叶子节点对路由信息的发送开销。

(5c)每个收到NB_n的叶子节点读取NB_n空闲字段中叶子节点S_d的编号d，判断自己的节点编号是否为d，若是，接收NB_n，实现与叶子节点S_n间生命体征数据的传输，否则，执行步骤(5d)；

(5d)每个收到NB_n的叶子节点读取NB_n空闲字段中的转发表Z_d，采用布隆过滤器解析方法对自身节点编号解析，得到Z_d中的k个bit位置，并使用k个bit位置的数值判断自己是否在Z_d上，若是，将NB_n广播给以自己为父节点的所有叶子节点，并执行(5c)，否则，忽略该生命体征数据NB_n，其中k≥2。采用布隆过滤器解析方法对自身节点编号解析，得到Z_d中的k个bit位置，并使用这k个bit位置的数值判断该节点是否在Z_d上，实现方法为：

使用与布隆过滤器压缩方法中相同的函数集H，并用H中的k个哈希函数对节点编号分别作哈希计算，计算结果映射为Z_d中的k个bit位置，若这k个位置的数值全为1，则认为该节点编号对应的节点在转发表上，否则，判断为不在。

Claims (3)

1.一种基于低功耗有损网络路由协议RPL的月球通信系统路由方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)设置参数：

设月球表面分布有N个带有编号的节点S＝{S₁,S₂,...,S_n,...,S_N}，每个节点既为源节点，又为其余节点的目的节点，其中N≥3，S_n表示第n个节点，当n＝1时，S_n表示登陆器通讯节点，当n∈[2,N]时，S_n表示背负通讯机的宇航员节点，则宇航员节点集合为S′＝{S₂,...,S_n,...,S_N}；

(2)每个通讯节点S_n基于RPL报文格式构造自己的信息对象报文DIO_n并发送：

(2a)每个通讯节点S_n探测其与S₁距离值l_n，同时根据自己的初始总能量E_n0、在待机模式下的时间和功率T_n1和P_n1、在传输模式下的时间和功率T_n2和P_n2，以及在侦听模式下的时间和功率T_n3和P_n3，计算自己的剩余能量E_n：

E_n＝E_n0-(T_n1×P_n1+T_n2×P_n2+T_n3×P_n3)；

(2b)每个通讯节点S_n构造与低功耗有损网络路由协议RPL通信报文格式相同的信息对象报文DIO_n，并将l_n和E_n存储到自己的信息对象报文DIO_n的空余可选字段中后，将DIO_n发送至自己的每个目的节点；

(3)S′中每个节点S_n基于月球自转周期特性选择自己的父节点：

(3a)S′中每个节点S_n读取自己N-1个源节点发送的信息对象报文，并将所有信息对象报文空余可选字段中存储的剩余能量存储到自己的剩余能量集W_n ⁱ中，同时将所有信息对象报文空余可选字段中存储的距离值存储到自己的距离值集L_n ⁱ中；

(3b)S′中每个节点S_n判断月球自转周期是否处于极夜期，若是，将剩余能量集W_n ⁱ中最大剩余能量所对应的源节点作为自己的父节点F_n，否则，执行步骤(3c)；

(3c)S′中每个节点S_n判断剩余能量集F_n ⁱ中每个剩余能量是否大于该剩余能量初始值的一半，若是，将距离值集L_n ⁱ中最小距离值所对应的源节点作为自己的父节点F_n，否则，将剩余能量集W_n ⁱ中最大剩余能量所对应的源节点作为自己的父节点F_n；

(4)构建非存储模式的RPL网络拓扑G₀：

以S₁为根节点，以S′中每个节点S_n为叶子节点，并将S₁到每个叶子节点S_n的路由表R＝{R₂,...,R_n,...,R_N}存储在根节点S₁中，将S_n与F_n连接，得到非存储模式的RPL网络拓扑G₀，其中，R_n表示S₁到第n个叶子节点S_n的路由表，n∈[2,N]；

(5)在G₀的节点间传输生命体征数据：

(5a)每个叶子节点S_n通过通讯机对宇航员的生命体征数据B_n进行检测，并将叶子节点S_d的编号d添加到B_n的空闲字段中，再将B_n通过S_n转发至根节点S₁，其中，n,d∈[2,N]，且n≠d；

(5b)根节点S₁通过读取B_n空闲字段中叶子节点S_d的编号d，获取S_d的路由表R_d，并采用布隆过滤器压缩方法对R_d进行压缩，得到由R_d压缩而成的m bit大小的转发表Z_d，再将Z_d添加到B_n的剩余空闲字段中，构成新的生命体征数据NB_n，然后将NB_n广播给以自己为父节点的所有叶子节点，其中m≥8；

(5c)每个收到NB_n的叶子节点读取NB_n空闲字段中叶子节点S_d的编号d，判断自己的节点编号是否为d，若是，接收NB_n，实现与叶子节点S_n间生命体征数据的传输，否则，执行步骤(5d)；

(5d)每个收到NB_n的叶子节点读取NB_n空闲字段中的转发表Z_d，采用布隆过滤器解析方法对自身节点编号解析，得到Z_d中的k个bit位置，并使用k个bit位置的数值判断自己是否在Z_d上，若是，将NB_n广播给以自己为父节点的所有叶子节点，并执行(5c)，否则，忽略该生命体征数据NB_n，其中k≥2。

2.根据权利要求1所述的基于低功耗有损网络路由协议RPL的月球通信系统路由方法，其特征在于：步骤(5b)中所述的采用布隆过滤器压缩方法对R_d进行压缩，实现方法为：

(5b1)创建大小为m bit的数组Z_d作为转发表，并将其中的每个bit位初始值设置为0，同时创建包括k个不同哈希函数的函数集H，其中k≥2，m≥8；

(5b2)通过H中每个哈希函数对路由表R_d中的每个节点编号进行哈希计算，并将计算结果映射为Z_d中的k个bit位置，再将该k个bit位置的值从初始值0设置为1，得到由R_d压缩而成的m bit大小的转发表Z_d。

3.根据权利要求1所述的基于低功耗有损网络路由协议RPL的月球通信系统路由方法，其特征在于：步骤(5d)中所述的采用布隆过滤器解析方法对自身节点编号解析，得到Z_d中的k个bit位置，并使用这k个bit位置的数值判断该节点是否在Z_d上，实现方法为：

使用与布隆过滤器压缩方法中相同的函数集H，并用H中的k个哈希函数对节点编号分别作哈希计算，计算结果映射为Z_d中的k个bit位置，若这k个位置的数值全为1，则认为该节点编号对应的节点在转发表上，否则，判断为不在。

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