一種基於隨機行走的能量高效型無線多跳網絡路由機制的製作方法
2023-10-20 22:59:27 3
專利名稱：一種基於隨機行走的能量高效型無線多跳網絡路由機制的製作方法
技術領域：
本發明屬於無線網絡協議技術領域，具體涉及一種基於隨機行走的能量高效型無線多跳網絡路由機制。該機制主要用於在數據傳輸過程中使數據發送節點以更大概率選擇能量較充沛且傳輸開銷較低的節點成為下一跳節點，從而達到節約、均衡網絡能量消耗，並提高網絡容錯性的目的。
背景技術：
近些年來，無線多跳網絡(無線傳感器網絡、移動Ad hoc網絡等)領域的相關技術得到了學術界和工業界的廣泛關注，並取得了迅猛的發展。在這一領域的諸多研究方向中，儘可能的延長網絡工作壽命成為無線多跳網絡設 計中的關鍵問題之一。由於在實際應用中，受到成本和體積等因素的限制，無線多跳網絡的網絡節點其處理能力、無線帶寬和電池容量通常十分有限，而節點的能量在大多數的情況下卻是無法得到補充的。如，無線傳感器網絡往往被部署在人們難以到達的地區以代替人對該區域進行監測，傳感器節點通常配備能量有限的電池。一旦電池耗盡，節點將無法工作，其採集的數據可能會丟失。而當網絡中眾多節點因電池耗盡而失效時，實際即宣告了網絡工作壽命的終結。在諸如環境監測等諸多應用領域中，提高網絡的工作壽命常常成為網絡協議設計中首要關鍵的問題。如何在保證網絡性能甚至少量犧牲非關鍵性能的同時最大限度地節約並均衡網絡能耗，已成為研究的一個重點問題。隨機行走，顧名思義，是指一種依靠隨機移動來形成移動軌跡的方法。隨機行走的思想已被廣泛應用於計算機、物理、生態學、經濟學及心理學等科學領域的研究並取得了很多成果。同樣地，將隨機行走的思想與無線多跳網絡的協議設計相結合，也已轉化成了許多有意義的工作。其中，在無線多跳網絡網絡層協議的設計中採用隨機行走的思想尤其得到了研究人員的關注。隨機行走路由，即使網絡節點在路由時隨機選擇傳輸的下一跳節點。顯而易見，這一方法有利於分攤網絡負載從而均衡網絡能耗。圍繞如何在路由中更好運用隨機行走思想以均衡網絡能耗這一問題已展開了很多的相關工作。儘管隨機行走方式不可避免的在較大規模網絡中可能帶來更高的端到端延遲，但在許多延遲不敏感的應用中，它的簡單高效使其成為一種極佳的選擇。同時，隨機行走路由還能夠極大地提高網絡結構的容錯性，這在鏈路時變的無線多跳網絡中是一項極為可貴的增益。
發明內容
本發明是針對無線多跳網絡的一種基於隨機行走的能量高效型路由機制。本發明的技術方案的主要思想是在無線多跳網絡中，節點不需維護固定端到端路由進行數據傳輸，而是通過逐跳隨機行走的方式，以一定概率選擇某個鄰居節點作為數據分組的下一跳節點，該發送概率以其鄰居節點的剩餘能量及發送數據給該鄰居所需發射功率的大小所決定。收到數據分組的節點繼續執行這一過程。通過這種機制，可以減少每次數據傳輸的能量消耗並均衡節點間的負載，同時提高網絡的容錯性。
圖1能量信息表結構示意圖。圖2實例網絡示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的說明。本發明是無線多跳網絡中的一種基於隨機行走的能量高效型路由機制。節點依靠·以剩餘能量和通信開銷為依據而確定的概率來隨機選擇數據發送的下一跳節點，以達到節約並均衡網絡能耗、提高網絡容錯性的目的。當一個節點進行數據發送時，並不建立固定的端到端路由，而是通過隨機行走的方式，以一定概率選擇鄰居節點作為數據傳輸的下一跳節點。具體而言節點通過在一跳範圍內周期性與鄰居節點交換HELLO分組，得知各鄰居的剩餘能量情況以及成功發送數據給各鄰居節點所需的最低發射功率；之後，剩餘能量較多且通信開銷較小(需較低的發射功率)的鄰居節點將有更高的概率被選擇為傳輸的下一跳節點。節點將始終採取這種隨機行走的方式進行逐跳(hop-by-hop)數據傳輸，直到發現數據的目的節點是自己的鄰居時，才將數據直接轉發給目的節點。如果一個分組行走的累積路徑長度已經超過給定門限(如超過預定的跳數)，則意味著網絡中可能不存在從源節點到達目的節點的路徑，這時最後收到該分組的節點丟棄該分組，不再做任何其他處理。一跳範圍內的能量信息交互—跳範圍內的能量信息交互包含兩個方面一、節點在一跳範圍內廣播包含自身剩餘能量情況的HELLO報文，從而使鄰居節點可以獲知自己的剩餘能量情況。二、節點以最大發射功率發送HELLO報文，每個節點在收到HELLO報文的同時，根據接收到信號的能量大小，藉由無線傳輸模型(propagation model)計算出與各鄰居節點通信所需的最小發射功率。節點間交換HELLO報文的周期Thell。根據網絡節點是否具有移動性而選擇不同的值。當網絡節點具有移動性時，節點間的鄰居關係常常因節點移動而改變，因此Thell。應選擇一個較小的值，以適應時變的網絡拓撲。當網絡節點不具有移動性時，Thell。可選擇一個較大的值，從而減少因交換HELLO報文而帶來的傳輸開銷。在通過HELLO報文獲得鄰居的能量信息後，每個節點將維護一個鄰居能量信息表。表內包含各個鄰居節點ID及其對應的剩餘能量情況和發送節點與其通信所需的發射功率值，如圖1所示。確定下一跳節點的選擇概率當一個節點(如S)要發送數據時，它將採用隨機行走的方式，以一定概率選擇某個鄰居節點作為數據傳輸的下一跳節點。該概率值的確定考慮了鄰居節點的剩餘能量、以及節點S與該鄰居節點通信所需發射功率。 轉發概率計算方法如下
設Ri為節點i的剩餘能量比例，Ei節點i的剩餘能量實際值，E0為節點i的初始
能量值
權利要求
1.一種基於隨機行走的能量高效型無線多跳網絡路由機制，其特徵在於在無線多跳網絡中，當一個節點進行數據轉發時，存在以下三種情況。第一種情況，如果它是數據目的節點的鄰居節點，則直接將數據轉發給目的節點；否則，執行第二種情況，如果該分組行走的累積路徑長度已經超過給定門限(如超過預定的跳數)，則意味著網絡中可能不存在從源節點到達目的節點的路徑，這時該節點丟棄該分組，不再做任何其他處理；否則，執行第三種情況，該節點通過逐跳隨機行走的分組轉發方式，以一定概率選擇某個鄰居節點作為數據傳輸的下一跳節點。
2.根據權利要求1所述的基於隨機行走的能量高效型無線多跳網絡路由機制，其特徵在於為了解鄰居節點的能量情況，必須在一跳內進行能量信息的交互。該交互包含兩個方面內容，一是節點在一跳範圍內廣播包含自身剩餘能量情況的HELLO報文，從而使鄰居節點可以獲知自己的剩餘能量情況。二是節點以最大發射功率發送HELLO報文，每個節點在收到HELLO報文的同時，根據接收到的能量大小，藉由無線傳輸模型計算出與各鄰居節點通信所需的最小發射功率。
3.根據權利要求1所述的基於隨機行走的能量高效型無線多跳網絡路由機制，其特徵在於，所述第三種情況中，對於當前數據轉發節點，對於其某鄰居節點i，其轉發概率Si的計 s RiP,算公式為1 一乞R p 』其中Ri為節點i自網絡運行至今的剩餘能量比例，Pi = Pmax/Pnrad，Pmax M為節點的最大發射功率，Pmral為當前數據發送節點成功發送數據給節點i所需的最小發射功率，η為當前數據發送節點的鄰居節點數量。
4.根據權利要求1所述的基於隨機行走的能量高效型無線多跳網絡路由機制，其特徵在於利用概率來隨機選擇下一跳節點的方法是發送節點生成一個數列ImJ，以鄰居節點被選擇成為下一跳節點的概率為依據，按比例分配數列{mk}中的數給各個鄰居節點；然後，發送節點從{mk}中隨機選出一個數,通過判斷該數被分配給了哪個節點，相應地選擇該節點為數據傳輸的下一跳節點。
全文摘要
本發明屬於無線網絡協議技術領域，具體涉及一種基於隨機行走的能量高效型無線多跳網絡路由機制。該機制主要用於在數據傳輸過程中使數據發送節點以更大概率選擇能量較充沛且傳輸開銷較低的節點成為下一跳節點，從而達到節約、均衡網絡能量消耗，提高網絡容錯性的目的。具體方法是當節點進行數據傳輸時，並不建立固定的路由，而是通過隨機行走的方式，以一定概率選擇某個鄰居節點作為數據傳輸的下一跳節點，該概率以鄰居節點的剩餘能量多少及發送數據給該鄰居所需發射功率的大小所決定。
文檔編號H04W40/10GK103002536SQ20111027188
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月14日 優先權日2011年9月14日
發明者郝潔, 焦臻楨, 姚鄭 申請人:中國科學院研究生院