CN114339933B - 基于能量有效的机会路由方法、装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于能量有效的机会路由方法、装置及系统，所述方法包括发射节点和/或每一跳节点根据地理位置信息和包成功传输概率选择下一跳候选节点集合，并在下一跳候选节点集合中选择平均功耗最低的一个或多个节点作为下一条节点来中继消息，直至目的节点接收到消息，所述目的节点的位置是已知的。本发明能够满足低功耗蓝牙网状网中节点的移动性以及能量消耗敏感的高要求。

Description

基于能量有效的机会路由方法、装置及系统
技术领域
本发明属于及低功耗蓝牙网络技术，具体涉及一种基于能量有效的机会路由方法、装置及系统。
背景技术
目前，蓝牙技术已广泛应用于我们日常生活中通信的各个领域，并且日新月异。自2017年以来，SIG发布了基于蓝牙低能耗核心规范协议栈的Mesh Profile Specification，以适应物联网的发展。并不是一种全新的无线通信技术，而是一种经过改进的网络技术，因为低功耗蓝牙网状网的底层协议仍然是蓝牙规范。低功耗蓝牙网状网具有比其他无线技术传输小数据包和更高的数据速率的优势，推动了智能家居的发展，因此吸引了大量的研究人员和工程师。
对于蓝牙网状网中的节点，亟需一种适用于蓝牙可移动性、能耗敏感特点的路由机制。虽然Mesh Profile Specification通过引入网络消息缓存方法和生存时间方法，定义了一种基于受控的洪泛路由机制，一定程度上避免了广播风暴问题。但是它依旧会转发大量冗余消息，导致不必要的功耗。
为了贴合蓝牙节点无连接、移动性高、能量有限、通信距离短的特点，机会路由成为了一种可行的解决方法。机会路由在转发时，并不会通过所有的邻居节点进行转发，而是根据一定的策略选择最合适的一个或者多个节点来进行转发。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于能量有效的机会路由方法、装置及系统，通过地理位置信息和包成功传输概率进行候选节点集合选择，接着利用马尔可夫分析得到候选节点集合中每个节点的平均功耗进行优先级排序，然后选择平均功耗最低的节点来中继消息，满足了低功耗蓝牙网状网中节点的移动性以及能量消耗敏感的高要求。
为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种基于能量有效的机会路由方法，包括：
发射节点和/或每一跳节点根据地理位置信息和包成功传输概率选择下一跳候选节点集合，并在下一跳候选节点集合中选择平均功耗最低的一个或多个节点作为下一条节点来中继消息，直至目的节点接收到消息，所述目的节点的位置是已知的。
可选地，所述发射节点和/或每一跳节点根据地理位置信息和包成功传输概率选择下一跳候选节点集合，具体包括：
发射节点和/或每一跳节点将其邻居节点集合中的较该一跳节点更接近目的节点的且包成功传输概率高于预定阈值的节点选择为下一跳候选节点集合。
可选地，所述下一跳候选节点集合的选择方法包括：
节点获取到发射范围内的所有节点的地理位置信息，形成邻居节点集合；
节点初始化下一跳候选节点集合并设置包成功传输概率接受门限ε；
对于邻居节点集合中所有节点，计算各节点ni与目的节点nD的距离
对于邻居节点集合中所有节点，计算l比特的数据包成功传输概率
将所有符合且/>要求的节点加入下一跳候选节点集合，/>为发射节点nS与目的节点nD的距离。
可选地，当消息由节点nj发送到节点ni，节点nj接收节点ni发送的自身参数，并计算出包成功传输概率所述包成功传输概率/>的计算公式为：
其中，为节点ni的比特差错概率；/>为节点ni的信噪比，/>为节点ni的接收功率，N0为白高斯噪声功率谱密度，Δf为节点处的接收机噪声带宽；Ar为节点ni的接收孔径，/>为节点nj与节点ni之间的距离，/>为节点nj的发射功率，/>为节点nj的发射机天线增益，/>为节点ni的接收机天线增益，f为节点的工作频率。
可选地，每个节点都具备发送、休眠、扫描、接收四种状态。
可选地，每一个节点的平均功耗的计算方法包括：
计算得到所有节点ni各自的状态转移矩阵
其中，p12表示状态1转移至状态2的状态转移概率；p13表示状态1转移至状态3的状态转移概率；p23表示状态2转移至状态3的状态转移概率，状态2只能转移至状态3，p23＝1；p32表示状态3转移至状态2的状态转移概率；p34表示状态3转移至状态4的状态转移概率；p41表示状态4转移至状态1的状态转移概率；p42表示状态4转移至状态2的状态转移概率；p43表示状态4转移至状态3的状态转移概率；
状态1：s1表示当前节点处于发送态，表示节点ni在发送态时的稳态概率，/>表示节点ni在发送态时的功率消耗；
状态2：s2表示当前节点处于休眠态，表示节点ni在休眠态时的稳态概率，/>表示节点ni在发送态时的功率消耗；
状态3：s3表示当前节点处于扫描态，表示节点ni在扫描态时的稳态概率，/>表示节点ni在发送态时的功率消耗；
状态4：s4表示当前节点处于接收态，表示节点ni在接收态时的稳态概率，/>表示节点ni在发送态时的功率消耗；
根据马尔可夫稳态概率计算公式计算得到稳态概率表达式为：
获得节点ni的稳态概率矩阵表示为并且/>
节点ni在不同状态的功率消耗矩阵为得出节点的平均功率消耗/>
可选地，在所述发射节点和/或每一跳节点根据地理位置信息和包成功传输概率选择下一跳候选节点集合步骤之前还包括：
当发射节点和/或每一跳节点需要发送或者转发数据时，首先会扫描周边所有的邻居节点，检查和确保邻居节点中不包含目的节点。
第二方面，本发明提供了一种基于能量有效的机会路由的装置，包括：发射节点和/或每一跳节点，发射节点和/或每一跳节点根据地理位置信息和包成功传输概率选择下一跳候选节点集合，并在下一跳候选节点集合中选择平均功耗最低的一个或多个节点作为下一条节点来中继消息，直至目的节点接收到消息，所述目的节点的位置是已知的。
可选地，当发射节点和/或每一跳节点需要发送或者转发数据时，首先会扫描周边所有的邻居节点，检查和确保邻居节点中不包含目的节点。
第三方面，本发明提供了一种基于能量有效的机会路由的系统，包括存储介质和处理器；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面中任一项所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明基于地理位置信息以及马尔可夫分析得到的能量有效的机会路由算法，利用机会路由在选择路由时的灵活性，以最小化节点平均功率为目标，使得网络整体存活时间延长。所述方法充分考虑蓝牙网状网中节点的移动特性以及对能量消耗的高要求问题，结合机会路由灵活选路的特点，不仅拓宽了蓝牙网状网的路由方式，同时也可以节约节点的平均功耗，延长网络中节点的存活时间，从而延长整个网状网的存活时间，改善用户体验。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1是本发明一种实施例的场景示意图；
图2是本发明一种实施例的候选节点的选择方法流程图；
图3是本发明一种实施例的候选节点的状态转移图；
图4是本发明一种实施例的节点转发优先级的排序方法流程图；
图5是本发明一种实施例的能量有效的机会路由方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
本发明基于地理位置信息和包成功传输概率进行候选节点集合选择，接着利用马尔可夫分析得到候选节点集合中每个节点的平均功耗进行优先级排序，然后选择平均功耗最低的节点来中继消息，充分考虑到蓝牙网状网中节点的移动特性以及对能耗的要求，使得网络存活时间延长，路由方式更加灵活。下面结合附图对本发明的实施方法作进一步的描述。
实施例1
本发明提供了一种基于能量有效的机会路由方法，包括：
发射节点和/或每一条节点根据地理位置信息和包成功传输概率选择下一跳候选节点集合，并在下一跳候选节点集合中选择平均功耗最低的一个或多个节点作为下一跳节点来中继消息，直至目的节点接收到消息，所述目的节点的位置是已知的。
如附图1所示为本发明实施例中基于能量有效的机会路由方法的应用场景示意图。其中包括发射节点nS＝(xS,yS,zS)、目的节点nD＝(xD,yD,zD)、邻居节点nj＝(xj,yj,zj),j＝1,2,...以及其它节点。发射节点nS和目的节点nD的位置是固定的，节点和节点之间通过广播的方式进行数据交互。其中邻居节点集合是由所有在发射节点通信范围内的节点组成的，而候选节点集合是邻居节点集合的子集。候选节点集合中的所有节点在地理位置上都比发射节点nS距离目的节点的位置更近，而距离更远的那部分节点则不需要转发消息，避免了不必要的转发能耗。每次中继最终都会选择一个或者多个节点进行转发，直至目的节点nD接收到相应的数据。
如附图2所示，所述下一跳候选节点集合的选择方法可描述为：
节点ni通过广播方式发送l比特的数据包。
(1)第一步：节点(非发射节点和目的节点)获取到发射范围内的所有节点相关地理信息等，形成邻居节点集合N，初始化候选节点集合并设置包成功传输概率接受门限ε。
(2)第二步：发射节点通过节点距离公式计算自身与目的节点nD的距离/>
(3)第三步：对于邻居节点集合中所有节点ni，计算自身与目的节点的距离并和发射节点与目的节点的距离/>进行比较，如果/>则该节点无法加入候选节点集合。
(4)第四步：对于邻居节点集合中所有节点ni，计算l比特的数据包成功传输概率：
根据自由空间传输模型，假设消息由发送节点nj发送到节点ni，节点ni向节点nj发送其自身参数，节点nj的发射功率为工作频率为f，两个节点之间的距离为节点ni的接收孔径为Ar，发射机天线增益为/>接收机天线增益为/>那么节点ni接收功率为/>
在加性高斯白噪声信道，根据接收功率、接收机噪声带宽Δf以及白高斯噪声功率谱密度N0，计算出节点ni的信噪比由于蓝牙底层传输采用的调制方式是调制，计算出节点ni的比特差错概率为/>然后计算l比特的数据包的成功传输概率/>
如果则该节点ni无法加入候选节点集合。
(5)第五步：将所有符合且/>要求的节点加入候选节点集合中。
如图3所示，每个节点都具备发送、休眠、扫描、接收四种状态，根据节点的相关先验信息可以得到各状态之间的状态转移概率：
状态1：s1表示当前节点处于发送态，表示节点ni在发送态时的稳态概率，/>表示节点ni在发送态时的功率消耗；
状态2：s2表示当前节点处于休眠态，表示节点ni在休眠态时的稳态概率，/>表示节点ni在发送态时的功率消耗；
状态3：s3表示当前节点处于扫描态，表示节点ni在扫描态时的稳态概率，/>表示节点ni在发送态时的功率消耗；
状态4：s4表示当前节点处于接收态，表示节点ni在接收态时的稳态概率，/>表示节点ni在发送态时的功率消耗；
在四种状态中，只发生8种状态转移模式：
p12表示状态1转移至状态2的状态转移概率；p13表示状态1转移至状态3的状态转移概率；p23表示状态2转移至状态3的状态转移概率，由于状态2只能转移至状态3，因此p23＝1；p32表示状态3转移至状态2的状态转移概率；p34表示状态3转移至状态4的状态转移概率；p41表示状态4转移至状态1的状态转移概率；p42表示状态4转移至状态2的状态转移概率；p43表示状态4转移至状态3的状态转移概率；
(1)发送态：节点处于发送态时，在发送完毕后，节点会根据节点的剩余能量是否大于剩余能量门限εE，选择进入扫描态还是休眠态。
如果时，节点将从接收态到休眠态，其状态转移概率为：/>
如果时，节点将从接收态到扫描态，其状态转移概率为：
(2)休眠态：节点处于休眠态时，如果此时节点休眠周期结束，节点只会进入到扫描态。因此，休眠态到扫描态的状态转移概率p23＝1。
(3)扫描态：节点处于扫描状态时，假设数据包到达率为λ，单位为包/秒，节点的数据包处理率为μ，单位为包/秒，数据包的数量服从泊松分布，那么整个过程可以看作是生灭过程。节点接收到的数据包为单位为包的概率为/>当/>时，表示节点在扫描周期内没有接收到任何数据包，此时节点将从扫描态转移到休眠态，其状态转移概率为/>如果节点在扫描周期内接收到了数据包，节点将从扫描态转移到接收态，其状态转移概率为/>
(4)接收态：为了节约能耗，并未所有接收到数据包的节点都会进行转发。为了衡量节点是否适合转发，需要综合考虑节点的发射功率剩余能量/>节点度/>(该节点的邻居节点数目)。定义权重函数为：
其中α,β,γ,η>0表示权重函数的相关参数，Pt max表示节点最大发射功率，表示节点的初始剩余能量。节点的发射功率越小，节点剩余能量和节点度越大，则节点进行数据包发送的概率越大。因此，节点的发送概率就是节点从接收态到发送态的状态转移概率
当节点不能进行数据包发送时，节点会根据自身剩余能量是否小于剩余能量门限εE，来决定进入扫描态还是休眠态。
如果时，节点将从接收态转移到休眠态，其状态转移概率为：
如果时，节点将从接收态转移到扫描态，其状态转移概率为：
(5)在获得节点ni所有状态转移概率后，可以得到状态转移矩阵：
如附图4所示，候选节点优先级排序方法可描述为：
在候选者集合C中，节点是通过候选者集合选择方法得到的。为了得到集合C中所有节点的优先级，具体步骤描述如下：
(1)第一步：计算得到所有节点ni各自的状态转移矩阵
(2)第二步：节点ni的稳态概率矩阵表示为并且/>然后根据马尔可夫稳态概率计算公式/>可以计算得到稳态概率表达式为：
(3)第三步：节点ni在不同状态的功率消耗矩阵为可以推导出节点的平均功率消耗/>
(4)第四步：按照节点的平均功率消耗大小进行优先级排序，平均功率消耗越小的节点优先级越高；平均功率消耗越大的节点，优先级越低。
如附图5所示，基于候选节点集合的选择方法和候选节点优先级排序方法，低功耗蓝牙网状网中基于能量有效的机会路由方法可描述为：
目的节点为：nD＝(xD,yD,zD)。
(1)节点向周围邻居节点进行广播，如果邻居节点集合中存在目的节点，则数据完成传输后，停止转发；如果邻居节点中不存在目的节点，得到邻居节点集合N。
(2)根据候选节点集合选择方法，筛选出候选节点集合C。
(3)根据候选节点优先级排序方法，对候选节点集合C中节点的发送优先级进行排序。
(4)每个节点按照各自的时隙进行广播数据，高优先级的节点先进行广播转发。如果低优先级的节点接收到了高优先级节点发来的数据，则低优先级节点不进行转发；否则，当低优先级时隙到来时，低优先级节点会进行广播转发。
(5)重复上述过程，直到目的节点接收到数据包。
实施例2
本发明实施例中提供了一种基于能量有效的机会路由的装置，包括：发射节点和/或每一条节点，所述发射节点和/或每一条节点根据地理位置信息和包成功传输概率选择下一跳候选节点集合，并在下一跳候选节点集合中选择平均功耗最低的一个或多个节点作为下一跳节点来中继消息，直至目的节点接收到消息，所述目的节点的位置是已知的。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，当节点需要发送或者转发数据时，首先会扫描周边所有的邻居节点，检查和确保邻居节点中不包含目的节点。
实施例3
本发明实施例中提供了一种基于能量有效的机会路由的系统，包括存储介质和处理器；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例1中任一项所述的方法。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于能量有效的机会路由方法，其特征在于，包括：
发射节点和/或每一跳节点根据地理位置信息和包成功传输概率选择下一跳候选节点集合，并在下一跳候选节点集合中选择平均功耗最低的一个或多个节点作为下一条节点来中继消息，直至目的节点接收到消息，所述目的节点的位置是已知的；
所述下一跳候选节点集合的选择方法包括：
节点获取到发射范围内的所有节点的地理位置信息，形成邻居节点集合；
节点初始化下一跳候选节点集合并设置包成功传输概率接受门限ε；
对于邻居节点集合中所有节点，计算各节点ni与目的节点nD的距离
对于邻居节点集合中所有节点，计算l比特的数据包成功传输概率
将所有符合且/>要求的节点加入下一跳候选节点集合，/>为发射节点nS与目的节点nD的距离；
当消息由节点nj发送到节点ni，节点nj接收节点ni发送的自身参数，并计算出包成功传输概率所述包成功传输概率/>的计算公式为：
其中，为节点ni的比特差错概率；/>为节点ni的信噪比，/>为节点ni的接收功率，N0为白高斯噪声功率谱密度，Δf为节点处的接收机噪声带宽；Ar为节点ni的接收孔径，/>为节点nj与节点ni之间的距离，/>为节点nj的发射功率，/>为节点nj的发射机天线增益，为节点ni的接收机天线增益，f为节点的工作频率。
2.根据权利要求1所述的一种基于能量有效的机会路由方法，其特征在于，所述发射节点和/或每一跳节点根据地理位置信息和包成功传输概率选择下一跳候选节点集合，具体包括：
发射节点和/或每一跳节点将其邻居节点集合中的较该一跳节点更接近目的节点的且包成功传输概率高于预定阈值的节点选择为下一跳候选节点集合。
3.根据权利要求1所述的一种基于能量有效的机会路由方法，其特征在于，每个节点都具备发送、休眠、扫描、接收四种状态。
4.根据权利要求3所述的一种基于能量有效的机会路由方法，其特征在于，每一个节点的平均功耗的计算方法包括：
计算得到所有节点ni各自的状态转移矩阵
其中，p12表示状态1转移至状态2的状态转移概率；p13表示状态1转移至状态3的状态转移概率；p23表示状态2转移至状态3的状态转移概率，状态2只能转移至状态3，p23＝1；p32表示状态3转移至状态2的状态转移概率；p34表示状态3转移至状态4的状态转移概率；p41表示状态4转移至状态1的状态转移概率；p42表示状态4转移至状态2的状态转移概率；p43表示状态4转移至状态3的状态转移概率；
状态1：s1表示当前节点处于发送态，表示节点ni在发送态时的稳态概率，/>表示节点ni在发送态时的功率消耗；
状态2：s2表示当前节点处于休眠态，表示节点ni在休眠态时的稳态概率，/>表示节点ni在休眠态时的功率消耗；
状态3：s3表示当前节点处于扫描态，表示节点ni在扫描态时的稳态概率，/>表示节点ni在扫描态时的功率消耗；
状态4：s4表示当前节点处于接收态，表示节点ni在接收态时的稳态概率，/>表示节点ni在接收态时的功率消耗；
根据马尔可夫稳态概率计算公式计算得到稳态概率表达式为：
获得节点ni的稳态概率矩阵表示为并且/>
节点ni在不同状态的功率消耗矩阵为得出节点的平均功率消耗/>
5.根据权利要求1所述的一种基于能量有效的机会路由方法，其特征在于：在所述发射节点和/或每一跳节点根据地理位置信息和包成功传输概率选择下一跳候选节点集合步骤之前还包括：
当发射节点和/或每一跳节点需要发送或者转发数据时，首先会扫描周边所有的邻居节点，检查和确保邻居节点中不包含目的节点。
6.一种基于能量有效的机会路由的系统，其特征在于，包括：发射节点和/或每一跳节点，发射节点和/或每一跳节点根据地理位置信息和包成功传输概率选择下一跳候选节点集合，并在下一跳候选节点集合中选择平均功耗最低的一个或多个节点作为下一条节点来中继消息，直至目的节点接收到消息，所述目的节点的位置是已知的；
所述下一跳候选节点集合的选择包括：
节点获取到发射范围内的所有节点的地理位置信息，形成邻居节点集合；
节点初始化下一跳候选节点集合并设置包成功传输概率接受门限ε；
对于邻居节点集合中所有节点，计算各节点ni与目的节点nD的距离
对于邻居节点集合中所有节点，计算l比特的数据包成功传输概率
将所有符合且/>要求的节点加入下一跳候选节点集合，/>为发射节点nS与目的节点nD的距离；
当消息由节点nj发送到节点ni，节点nj接收节点ni发送的自身参数，并计算出包成功传输概率所述包成功传输概率/>的计算公式为：
其中，为节点ni的比特差错概率；/>为节点ni的信噪比，/>为节点ni的接收功率，N0为白高斯噪声功率谱密度，Δf为节点处的接收机噪声带宽；Ar为节点ni的接收孔径，/>为节点nj与节点ni之间的距离，/>为节点nj的发射功率，/>为节点nj的发射机天线增益，为节点ni的接收机天线增益，f为节点的工作频率。
7.根据权利要求6所述的一种基于能量有效的机会路由的系统，其特征在于，当发射节点和/或每一跳节点需要发送或者转发数据时，首先会扫描周边所有的邻居节点，检查和确保邻居节点中不包含目的节点。
8.一种基于能量有效的机会路由的系统，其特征在于：包括存储介质和处理器；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1-5中任一项所述的方法。
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