专利名称：一种无线传感网的延迟受限低代价路由方法
技术领域：
本发明属于无线传感网技术领域，具体涉及一种基于调度的低占空比无线传感网 服务质量路由方法。
背景技术：
现有的无线传感网络中，基于服务质量约束的路由方案包括基于带宽约束和基于 延迟约束两类，本发明属于后一类。已有的基于延迟约束的无线网络路由方案都是基于所 谓“平均时延”的，所述的“平均时延”就是基于CSMA等媒质接入的平均链路延迟带入寻 径路由算法中，找到满足平均延迟的路由。已有逐跳路由方案中尚没有研究在低占空比无 线传感器网络中，如何实现满足明确延迟约束的低代价逐跳分组转发机制。
发明内容
本发明主要解决的是基于调度的无线传感网中如何实现基于服务质量的路由问 题。本发明涉及的路由方法面向低占空比无线传感网，可以在降低节点能耗的同时，优化网 络资源利用，同时满足应用的服务质量要求。本发明的方法包含由sink发起的路径建立方法和分组转发方法。所述的路径建立方法是无线传感网络中含有传感器节点、sink节点，传感器节 点是同步的且工作在低占空比模式之下；sink节点全网广播一条interest消息包发起路 径建立，该消息包中包括sink节点ID、该分组已经走过路径的跳数、该分组已经走过路径 的延迟，该消息包在扩散过程中建立从传感器节点到sink节点的多条非支配性路径；当一 个传感器节点决定向相邻节点转发interest包时，依次按照每个相邻节点的工作时隙来 转发。分组转发方法是根据已经建立的非支配性多路径下一跳信息及相关路径信息， 分组持有节点从中选择满足分组延迟要求且代价(即跳数)最小的路径。收到该分组的节 点持续这一基于延迟约束的逐跳转发过程，直到分组到达sink节点；如果没有路径满足上 述延迟约束，则丢弃该分组。优选的建立非支配性路径过程中，首先要计算一对相邻传感器节点上的链路的延迟。计算上述链路延迟的方法假定一个帧中的时隙数为F，对于一对相邻传感器节 点X和y，从X到y的链路上的延迟计算方法如下设si0t』nsi0ty分别是X和y的工作时隙 号。如果 Slotx < Sloty,则 Delay(x，y) =Sloty-Slotx ；否则 Delay (x，y) =F+Sloty_Slotx。优选的非支配性路径的建立方法是对于从一个传感器节点到sink节点的两 条路径Pl和P2，以HopC0Unt(P)表示路径P的跳数，Delay(P)表示P的端到端延迟；如 果“HopCount (Pl) > HopCount (P2)，但 Delay(Pl) < Delay (P2)”，或者“HopCount (Pl) < HopCount (P2)，但Delay(Pl) > Delay (P2) ”，则路径Pl和路径P2具有非支配性；如果 HopCount (Pl) > HopCount (P2)，但 Delay (Pl) > Delay (P2)，则路径 Pl 被 P2 所支配。
存在多条路径时，其相互之间的非支配性也可以两两判断，被任何一条路径所支 配的路径则无需保存。上述路径建立和分组转发都采用了逐跳路由方法，具有简单性和可扩展性，。本发 明方法具有分布式特性，能够通过逐跳方式快速建立从各个传感器节点到Sink节点的延 迟受限低代价路径，并可方便地实现逐跳式延迟受限低代价分组转发。
具体实施例方式本发明涉及的路由方法面向低占空比无线传感器网络，所述的无线传感器网络由 传感器节点和sink节点组成。本发明基于以下设定
1)节点采用电池供电，且无法在工作过程中二次充电，即其能源有限。2) 节点不需要了解位置信息，不了解全局拓扑和网络中的流量分布信息。3) 网络中的节点是同步的，时间分为连续的帧，每个帧由很多时隙组成；每个 节点以两跳范围内无冲突方式固定选择某个时隙为其工作时隙，每个节点在自己所确定的 工作时隙内可以接收数据，其他时隙则可以选择睡眠。为了方便起见，记节点X的工作时隙 为Slotx。sink节点一直处在活跃状态。每个帧的时隙数较多，足以实现两跳内无冲突低 占空比调度。4)每个节点了解自己邻居节点的工作时隙。5)网络中传感器节点产生的数据较为稀少。因此极少发生网络阻塞的情况，即使 偶然发生，也很容易快速消除。一个数据分组，其延迟要求为D，D的单位为时隙数，在满足延迟约束的条件下，本 发明旨在通过最少的转发次数完成从信源传感器节点到sink节点的分组转发。引入一个路径的非支配性(non-dominance)概念两条连接同一对源节点和宿节 点的路径Pl和P2，以HopC0Imt(P)表示路径P的跳数，Delay(P)表示P的端到端延迟。 如果 “HopCount (Pl) > HopCount (P2)，但 Delay (Pl) < Delay (P2) ” 或者 “HopCount (Pl) < HopCount (P2)，但 Delay (Pl) > Delay (P2) ”，则路径 Pl 和 P2 具有非支配性；如果 HopCount (Pl) > HopCount (P2)且 Delay (Pl) > Delay (P2)，则称路径 Pl 被 P2 所支配。并且，在寻径过程中，已经找到的从某传感器节点χ到sink的最短延迟记做 MinimumDelaySoFarx,显而易见，对于任意节点x，其初始值MinimumDelaySoFarx=①。假定 一个帧中的时隙数为F，对于一对相邻传感器节点χ和y，从χ到y的链路上的延迟计算方 法如下如果Slotx<Sloty，则Delay(x，y) =Sloty-Slotx ；否则Delay(x，y) =F+Sloty_Slotx。本发明的路由方法既适合单sink网络，也适合多sink网络。为了方便起见，我们 以单sink网络为例来进行说明。本发明涉及的路由方法由两部分组成。一部分是由sink发起的从传感器节点到 sink的路径建立过程，另一部分是从传感器节点到sink节点的延迟受限逐跳数据转发过程。初始情况下，每个传感器节点(如χ )到sink节点的跳数距离H0pC0imtx=-， Delayx= 00。(1) sink节点发起的路径建立过程当网络中的节点完成同步之后，且每个节点各自确定自己的工作时隙之后，sink节 点生成一个interest包，该包中包括sink节点ID、该分组已经走过路径的跳数(初值为 HOpSOFars=0)、该分组已经走过路径的延迟(初值为DelaySOFars=0)。为了方便起见，我们 把sink节点记做节点0，传感器节点编号为1，2，…，η。Sink节点分别按照每个邻居传感器节点的工作时隙向该传感器节点发送 interest消息包，收到interest包的节点(如节点χ)执行以下操作将sink节点作为自 己到sink路径上的下一跳节点，并记入本地路由表；该分组已经走过的路径的跳数记为1 跳，记作H0pC0imtx=l，该分组已经走过的路径的延迟记为1个时隙——作为sink的邻居 节点从χ到sink的延迟为1个时隙——也就是说收到的数据可以立即转发给sink节点， 即=Delayx=I。 因此，对于sink的邻居节点来说，其到sink的最短路径和最小延迟路径 是相同的，都是直接和sink通信的方式。每个sink的邻居节点将继续将将到的interest 包转发给自己的每个邻居节点(sink除外)——具体实施则是根据这些邻居的工作时隙来 发送——即，对于节点y来说，以Sloty来发送。当一个传感器节点(如χ)从一个邻居传感器节点(如y)收到一个interest报文 时，将执行以下操作。注意，该interest信息包携带的已经走过路径上的延迟是在节点y 发送该interest时节点y所收到的所有interest包中，延迟最小的那个所走过的路径以 及该路径的跳数距离，分别记做Delayy和HopCoim、。节点χ首先按一下原则计算经由y到达sink的延迟和跳数距离 Del ay SoFarx=De 1 ayy+De 1 ay (χ, y) HopCountSoFar=HopCounty+l ；
如果DelaySoFarx的值小于节点χ之前所收到的interest所走过的路径的延迟，则将 通过1到达sink的路径记做迄今为止的从χ到达sink的最小延迟路径，并将该路径的下 一跳、路径延迟和跳数距离记入路由表；
否则如果经由1到达sink的路径与之前收到的所有非支配性路径都具有非支 配特性的话，那么将经由y到达sink的新路径记入χ的路由表中。否则，经由y到达sink的路径是一条被支配路径，这种情况下，直接丢弃掉该 interest 分组。当一个节点完成转发一次interest信息包之后，将不再转发同一 interest 包一一这样做的目的是为了抑制开销。但是，这是，该节点仍然可以接受并处理来自邻居的 interest信息包。根据上述法则，每个传感器节点可能找到1到多条从自己到sink节点的非支配路径。(2)基于服务质量的逐跳式分组转发过程
对于一个延迟要求为D的分组，分组持有节点(记做χ)首先查阅本地路由表，如果表中 记录的延迟最小的路径的延迟大于D，则网络中没有满足上述延迟要求的路径，直接丢失该 分组；否则，节点χ从路由表中找出延迟小于D且代价最小的非支配路径，然后把分组转发 给该路径上的下一跳节点(如y)。y收到该分组之后，将继续执行上述过程，唯一的变化是 此时延迟要求变为D-Delay (X，y)。这一过程一直持续下去，直到分组到达sink节点。
权利要求
1.一种无线传感网的延迟受限低代价路由方法，其特征是包含由Sink发起的路径建 立方法和分组转发方法；所述的路径建立方法是无线传感网络中含有传感器节点、sink节点，传感器节点是 同步的且工作在低占空比模式之下；sink节点全网广播一条interest消息包发起路径建 立，该消息包中包括sink节点ID、该分组已经走过路径的跳数、该分组已经走过路径的延 迟，该消息包在扩散过程中建立从传感器节点到sink节点的多条非支配性路径；当一个传 感器节点决定向相邻节点转发interest包时，依次按照每个相邻节点的工作时隙来转发；分组转发方法是根据已经建立的非支配性多路径下一跳信息及相关路径信息，分组 持有节点从中选择满足分组延迟要求且代价(即跳数)最小的路径；收到该分组的节点持 续这一基于延迟约束的逐跳转发过程，直到分组到达sink节点；如果没有路径满足上述延 迟约束，则丢弃该分组。
2.根据权利要求1所述的一种无线传感网的延迟受限低代价路由方法，其特征是建 立非支配性路径过程中，首先要计算一对相邻传感器节点上的链路的延迟。
3.根据权利要求1所述的一种无线传感网的延迟受限低代价路由方法，其特征是若 一个帧中的时隙数为F，对于一对相邻传感器节点χ和y，从节点χ到y的链路上的延迟计算 方法是设Slotx和Sloty分别是χ和y的工作时隙号，如果Slotx < Sloty,则Delay (χ, y) =Sloty-Slotx ；否则 Delay (x，y) =F+Sloty_Slotx。
4.根据权利要求1所述的一种无线传感网的延迟受限低代价路由方法，其特征在于 非支配性路径的建立方法是对于从一个传感器节点到sink节点的两条路径Pl和P2， 以HopCount (P)表示路径P的跳数，Delay(P)表示P的端到端延迟；如果“HopCount (Pl) > HopCount(P2)，但 Delay (Pl) < Delay(P2)”，或者 “HopCount (Pl) < HopCount (P2)， 但Delay (Pl) > Delay (P2) ”，则路径Pl和路径P2具有非支配性；如果HopCount (Pl) > HopCount (P2)，但Delay (Pl) > Delay (P2)，则路径Pl被P2所支配；存在多条路径时，其相 互之间的非支配性也可以两两判断，被任何一条路径所支配的路径则无需保存。
全文摘要
一种无线传感网的延迟受限低代价路由方法，传感器节点是同步的且工作在低占空比模式；sink节点全网广播一条interest消息包发起路径建立，该包在扩散过程中建立从传感器节点到sink节点的多条非支配性路径；当一个传感器节点决定向相邻节点转发interest包时，依次按每个相邻节点的工作时隙转发；根据已经建立的非支配性多路径下一跳信息及相关路径信息，分组持有节点从中选择满足跳数最小的路径；收到该分组的节点持续逐跳转发，直到分组到达sink节点；如果没有路径满足上述延迟约束，则丢弃该分组。本发明方法具有分布式特性，能够快速建立从各个传感器节点到sink节点的延迟受限低代价路径，并可方便地实现分组转发。
文档编号H04W40/22GK102098755SQ201110031448
公开日2011年6月15日 申请日期2011年1月28日 优先权日2011年1月28日
发明者张锦刚, 王江, 王钦, 赵壮, 高雪 申请人:无锡泛联物联网科技股份有限公司