专利名称：具有能量有效和编码感知的无线网络路由协议的设计方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及网络编码与路由协议的设计，可用于能 量受限的无线网络中移动节点根据路径的能量水平和编码机会来选择最优路径进行通信。
背景技术：
2000年，德国数学家Ahlswede等人提出了网络编码的思想，打破了原有的存储转 发机制中节点一次只能转发一个数据包的限制，允许中间节点对来自不同链路的数据包进 行编码组合后再发送，从而减少了传输次数，提高了网络吞吐量。同时网络编码被证明可以 使网络达到传输上限。网络编码一经提出便引起了国际学术界的广泛关注，其理论和应用 已成为通信领域研究的新热点。2005年，Katti等人提出的COPE协议是第一个将网络编码应用到实际网络中的 编码协议，实验结果证明，此编码协议显著地提高了网络吞吐量。然而在COPE协议中路由 与网络编码是相互独立进行，也就是说这种完全机会式的路由_编码技术在选择路径时并 没有考虑潜在的编码机会，这使得网络不能完全获得编码的增益。2007年以来，学术界开 始讨论具有编码意识(coding-aware)的路由机制，即在寻找路由时充分考虑编码机会，尽 可能选择编码机会多的路径作为最佳传输路径。在众多的编码感知的路由协议中最具代 表性的协议是 DCAR 路由机制，见文献 “Jilin Le, John C. S. Lui, Dah Ming Chiu，DCAR distributed coding-aware routing in wireless networks. The 28th International Conference onDistributed Computing Systems (ICDCS 2008)，pp. 462—469，2008. ，，。DCAR 能找出源和目的节点间的潜在路径并能找出这些路径上的所有潜在的网络编码机会，并且 定义了新的编码感知度量CRM，用于衡量某条路径上期望的传输次数。然而检测整条路径上 所有潜在的网络编码机会并不一定能够带来好的增益，在网络节点移动快，网络负载增大 时，会造成编码数据包的丢失和重传，造成网络拥塞，进而引起吞吐量的下降。然而其它编 码感知的路由协议仅仅检测出一跳范围内的编码机会，限制了编码增益。因此合理寻找潜 在的编码机会，充分利用编码增益是设计编码感知路由协议的关键。同时现有的编码感知路由协议都没有考虑能量有限的问题。在无线网络中节点多 采用电池供电，许多场景中电池能量的补充或电池的更换是很困难的甚至是不可能的，因 此节点的能量供应受到限制。然而现有的编码感知的路由协议在选择路径时并没有考虑节 点的能耗问题，使得一些节点较其他节点更多的参与通信，很快耗尽了能量，进而缩短了网 络生存期。因此制定一种能量有效的路由协议，延长网络生存期变得十分重要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种具有能量有效和编码感知 的无线网络路由协议的设计方法，以检测出更多合理的编码机会，且在有效地考虑节点的 剩余能量下，延长了网络生存期。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括如下步骤
(1)路由判据设计步骤(Ia)在源节点和目的节点之间的任意一条路径中选择节点剩余能量值中的最小 值作为该条路径的剩余能量值，则路径ι的剩余能量值为=，A为路径1上
的节点集合，IA|为节点的个数，E1(Hi)是路径1上节点ni的剩余能量值；(Ib)检测源节点到目的节点之间的任意一条路径上节点两跳邻居范围内的潜在
编码机会，用一个编码增益函数m7O =来衡量路径1上获得的编码增益，其中
\-(k-2) η有编码机会 NC1OO为路径ι上节点ni的编码增益函数，㈣)=v丨 《没有编码机会，
Hi中可以编码的原始数据包的个数；(Ic)根据(Ia)和(Ib)得到一种新的具有能量有效和编码感知的路由判据
NC(I) n 、IE(I)-E(I) ①=仅賺孖(/)+( ) IE(I)，H(1)为路径1的跳数，L为源节点到目的节点之间
IgL
的路径集合，NC(I)为路径1上的编码增益函数，IE(I)为路径1中节点的初始能量值，E⑴ 为路径1的剩余能量值，α为调整系数，取值范围为0 < α < 1 ；(2)路径发现步骤(2a)源节点向邻居节点广播路径请求数据包RREQ，该RREQ包在AODV路由协议中 RREQ包的基础上增加了 Path_addr区域，用来存放路径信息即路径上节点的IP地址；(2b)中间节点接收到RREQ包，先检测此RREQ包是否已经到达过此节点，如果是， 则丢弃此RREQ包以防止出现路由环，否则，更新此RREQ包并判断该节点中是否有到目的节 点ndest的路径，如果有，则沿着此路径单播此RREQ包，否则，广播此RREQ包；(2c)目的节点Iidest接收到RREQ包后沿着反向路由单播路径回复数据包RREP给 源节点nsrc，RREP包中设有增加Path_addr、Energy、Coding_Cost区域，分别存储从对应的
RREQ包中得到的路径信息、整条路径上节点剩余能量的最小值即、路径的编码增
益函数NC⑴的值；(2d)中间节点接收到RREP后，首先判断编码机会，并根据=。!^以
\-(k-2) η有编码机会 及㈣)={、 w没有编码机会更新Coding Cost区域；然后比较Energy区域与本
节点的剩余能量值，如果本节点的剩余能量值低于Energy区域的值，则用本节点的剩余能 量值更新Energy区域；最后沿着反向路由单播更新后的RREP包；(2e)源节点接收到第一个RREP包等待2秒后，选择路由判据EECAM⑴最小的路 径作为最佳路径进行数据传输，即当=时，路径k为最佳传输路 径；(3)路径维护步骤每一个节点定期向它的邻居节点广播hello包，以检测链路是否失效，该hello包 中包含了节点的两跳范围内的邻居信息，当节点一定时间内没有收到它的邻居节点发送的 hello包，则判定该节点到此邻居节点的链路断开了，否则，判定此链路是连通的。
本发明由于考虑了节点的剩余能量水平，在选择路由时避开了剩余能量值小的节 点，并且感知路径中节点两跳范围内潜在的编码机会，与现有技术相比较，具有如下优点a)检测到更多合理的编码机会，能充分利用编码增益，提高了网络吞吐量；b)选择路径时避开了剩余能量值小的节点，均衡了网络中节点的能量消耗，延长 了网络生存期。
图1为本发明的总体框架图；图2为本发明的路由判据设计中两跳编码机会检测的示意图；图3为本发明的路由判据设计中节点Iii编码增益函数的示意图；图4为本发明的路径发现流程图；图5为Y型拓扑下本发明与COPE协议的对比实验结果图；图6为本发明实验中用到的20个节点的栅格网络的示意图；图7为用本发明与COPE协议对20个节点的栅格网络下的路径发现结果图；图8为用本发明与COPE协议对20个节点的栅格网络下的性能结果对比图。
具体实施例方式本发明的核心思想是采用能量有效以及编码感知的思想设计出一种新的路由判 据，在路径选择时避开剩余能量值低的节点，同时检测节点两跳范围内的编码机会，充分利 用编码增益，提高网络吞吐量，延长网络生存期。参照图1，本发明的具体实施包括如下步骤一.路由判据设计步骤(Ia)在源节点和目的节点之间的任意一条路径中选择节点剩余能量值中的最小 值作为该条路径的剩余能量值，则路径ι的剩余能量值为=，A为路径1上
的节点集合，IA|为节点的个数，E1(Hi)是路径1上节点ni的剩余能量值；(Ib)检测源节点到目的节点之间的任意一条路径上节点两跳邻居范围内的潜在 编码机会，是指在路径I1和路径I2相交的节点Hi上检测路径I1上^的下两跳范围内的节点 能否监听到路径I2上Hi的上两跳范围内的节点发送的数据包以及路径I2上Hi的下两跳范 围内的节点能否监听到路径I1上Hi的上两跳范围内的节点发送的数据包，如果能，则节点 Hi具有编码机会，否则，节点Hi不具有编码机会。如图2所示数据流1 — 2 — 4 — 5 — 6 和数据流3 — 2—1相交于节点2，节点2检测到节点5监听到节点3发送的数据包，数据 流3 — 2 — 1的目的节点1是数据流1 — 2 — 4 — 5 — 6的源节点，则节点2具有一次编 码
机会；用一个编码增益函数μ:(/)= Σ来衡量路径/上获得的编码增益，其中
为路径/上节点的编码增益° ，NCM) = ^'^ J^H=H J为节
点Iii中可以编码的原始数据包的个数，如图3所示节点Iii的缓存区中存在P1, P2LPk共k 个数据包，其中数据包P1和P2编码成数据包P/，则节点Iii的编码增益函数NC1 (Iii) =0；(Ic)根据(a)和(b)得到一种新的具有能量有效和编码感知的路由判据①=仅賺孖(/)+( ) IE(I)，H(1)为路径1的跳数，L为源节点到目的节点之间
IgL
的路径集合，NC(I)为路径1上的编码增益函数，IE(I)为路径1中节点的初始能量值，E⑴ 为路径1的剩余能量值，α为调整系数，取值范围为0 < α < 1，α的取值取决于路径的 剩余能量值，当路径的剩余能量值高时α的取值趋近于1，当路径的剩余能量值低时α的 取值趋近于0 ；二 .路径发现步骤参照图4，本步骤的具体实现如下(2a)源节点向邻居节点广播路径请求数据包RREQ，该RREQ包在AODV路由协议中 RREQ包的基础上增加了 Path_addr区域，用来存放路径信息即路径上节点的IP地址；(2b)中间节点接收到RREQ包，先检测此RREQ包是否已经到达过此节点，如果是， 则丢弃此RREQ包以防止出现路由环，否则，更新此RREQ包并判断该节点中是否有到目的节 点ndest的路径，如果有，则沿着此路径单播此RREQ包，否则，广播此RREQ包；(2c)目的节点Iidest接收到RREQ包后沿着反向路由单播路径回复数据包RREP给 源节点nsrc，RREP包中设有增加Path_addr、Energy、Coding_Cost区域，分别存储从对应的
RREQ包中得到的路径信息、整条路径上节点剩余能量的最小值即、路径的编码增
益函数NC⑴的值；(2d)中间节点接收到RREP后，首先判断编码机会，并根据=。!^以(2e)源节点接收到第一个RREP包等待2秒后，选择路由判据EECAM⑴最小的路 径作为最佳路径进行数据传输，即当=时，路径k为最佳传输路 径；三.路径维护步骤每一个节点定期向它的邻居节点广播hello包，以检测链路是否失效，该hello包 中包含了节点的下两跳邻居信息，当节点一定时间内没有收到它的邻居节点发送的hello 包，则判定该节点到此邻居节点的链路断开了，否则，判定此链路是连通的；本发明的效果可通过以下实验进一步说明1)实验条件实验中使用ns-2网络仿真工具，采用UDP数据源，节点的传输半径为250米，缓存 队列大小为50个封包，取α = 0. 7。2)实验内容实验1 本实验设计了一种Y型网络，如图2所示，以寻找从源节点1到目的节点 6的路径。所有节点的初始能量值均设置为50焦耳，节点4不能监听到节点3发送的数据 包，节点5能监听到节点3发送的数据包，实验开始时已存在节点3到节点1的数据流，在
7实验开始的第3秒，启动路径发现过程。实验结果如图5所示，从图5中可以看出，本发明 与COPE协议相比，能检测到两跳范围内的潜在编码机会，充分利用编码增益，提高网络吞吐量。实验2 本实验设计了一个20个节点的栅格网络，如图6所示，以寻找从源节点0 到目的节点19的路径。关键节点2、5、6的初始能量值设置为20焦耳，其它普通节点的初 始能量值设置为50焦耳，存在节点3到节点1的数据流和节点12到节点4的数据流，在实 验开始的第3秒，启动路径发现过程。路径发现结果如图7所示，性能结果图如图8所示， 其中图8(a)为网络平均吞吐量与负载之间的关系，图8(b)为关键节点死亡时间。从图7可以看出使用本发明得到的路径为0 — 4 —8 —9 — 10 — 14 — 18 — 19， 此路径的剩余能量值高，避开了剩余能量值低的节点，路径中存在潜在的编码机会，充分利 用了编码增益；使用COPE协议得到的路径为0—1 — 2 — 3 — 7 — 11 — 15— 19，此路径 存在潜在的编码机会，但没有避开剩余能量值低的节点，当数据在此路径上进行传输时，节 点2将先于其他节点死亡，缩短了网络生存期。从图8(a)中可以看出，本发明与COPE协议相比显著地提高了吞吐量，从图8 (b) 中可以看出，本发明与COPE协议相比，延长了节点的死亡时间，进而延长了网络生存期。
权利要求
一种具有能量有效和编码感知的无线网络路由协议的设计方法，包括(1)路由判据设计步骤(1a)在源节点和目的节点之间的任意一条路径中选择节点剩余能量值中的最小值作为该条路径的剩余能量值，则路径l的剩余能量值为A为路径l上的节点集合，|A|为节点的个数，El(ni)是路径l上节点ni的剩余能量值；(1b)检测源节点到目的节点之间的任意一条路径上节点两跳邻居范围内的潜在编码机会，用一个编码增益函数来衡量路径l上获得的编码增益，其中NCl(ni)为路径l上节点ni的编码增益函数，k为节点ni中可以编码的原始数据包的个数；(1c)根据(1a)和(1b)得到一种新的具有能量有效和编码感知的路由判据H(l)为路径l的跳数，L为源节点到目的节点之间的路径集合，NC(l)为路径l上的编码增益函数，IE(l)为路径l中节点的初始能量值，E(l)为路径l的剩余能量值，α为调整系数，取值范围为0≤α≤1；(2)路径发现步骤(2a)源节点向邻居节点广播路径请求数据包RREQ，该RREQ包在AODV路由协议中RREQ包的基础上增加了Path_addr区域，用来存放路径信息即路径上节点的IP地址；(2b)中间节点接收到RREQ包，先检测此RREQ包是否已经到达过此节点，如果是，则丢弃此RREQ包以防止出现路由环，否则，更新此RREQ包并判断该节点中是否有到目的节点ndest的路径，如果有，则沿着此路径单播此RREQ包，否则，广播此RREQ包；(2c)目的节点ndest接收到RREQ包后沿着反向路由单播路径回复数据包RREP给源节点nsrc，RREP包中设有增加Path addr、Energy、Coding_Cost区域，分别存储从对应的RREQ包中得到的路径信息、整条路径上节点剩余能量的最小值即路径的编码增益函数NC(l)的值；(2d)中间节点接收到RREP后，首先判断编码机会，并根据以及更新Coding Cost区域；然后比较Energy区域与本节点的剩余能量值，如果本节点的剩余能量值低于Energy区域的值，则用本节点的剩余能量值更新Energy区域；最后沿着反向路由单播更新后的RREP包；(2e)源节点接收到第一个RREP包等待2秒后，选择路由判据EECAM(l)最小的路径作为最佳路径进行数据传输，即当时，路径k为最佳传输路径；(3)路径维护步骤每一个节点定期向它的邻居节点广播hello包，以检测链路是否失效，该hello包中包含了节点的两跳范围内的邻居信息，当节点一定时间内没有收到它的邻居节点发送的hello包，则判定该节点到此邻居节点的链路断开了，否则，判定此链路是连通的。FDA0000027698270000011.tif,FDA0000027698270000012.tif,FDA0000027698270000013.tif,FDA0000027698270000014.tif,FDA0000027698270000021.tif,FDA0000027698270000022.tif,FDA0000027698270000023.tif,FDA0000027698270000024.tif
2.根据权利要求1所述的无线网络路由协议设计方法，其中步骤(Ib)所述的检测源节 点到目的节点之间的任意一条路径上节点两跳邻居范围内的潜在编码机会，是在路径I1和 路径I2相交的节点Iii上进行如下检测(I)检测路径I1上Iii的下两跳范围内的节点能否监听到路径I2上Iii的上两跳范围内 的节点发送的数据包；(II)检测路径I2上Iii的下两跳范围内的节点能否监听到路径I1上Iii的上两跳范围 内的节点发送的数据包；(III)如果能，则节点Iii具有编码机会，否则，节点Iii不具有编码机会。
全文摘要
本发明公开了一种具有能量有效和编码感知的无线网络路由协议的设计方法。主要解决现有技术不能检测出更多合理的编码机会以及不能延长网络生存期的问题。该方法包含路由判据的设计、路由发现和路由维护三部分，其中在路由判据设计中将编码感知和能量有效相结合，定义新的路由判据EECAR；在路由发现中将路径中节点的最小剩余能量值作为整条路径的能量水平，在路径选择时避开剩余能量值小的节点，以延长网络生存期，并主动检测节点两跳范围内的编码机会，选择编码机会多的路径作为传输路径，提高吞吐量。在路由维护中hello包中包含两跳范围内的邻居信息，用来判断两跳范围内的编码机会。本发明可用于能量受限的无线网络，节点间相互通信选择最优传输路径。
文档编号H04W40/02GK101951656SQ20101029885
公开日2011年1月19日 申请日期2010年10月7日 优先权日2010年10月7日
发明者冯晓峰, 吕宗庭, 宗汝, 常红娜, 彭建华, 李洁, 杨勇, 王旭宇, 蔡田齐一, 高新波 申请人:西安电子科技大学