一种基于6LoWPAN的路由方法
【专利摘要】本发明公开一种基于6LoWPAN的路由方法，属于通信领域。先根据应用场景或数据传输要求选择能量有效低功耗传输或高可靠性、高吞吐量传输；若选择能量有效低功耗传输，当无线传感器网络中任意路由节点剩余能量均大于阀值η时，采用MTPR，以传输能量的消耗作为路由选择的标准，最大程度节省每个传输包的能量消耗；当任一路由节点剩余能量小于阀值η时，采用MMBCR，以节点的剩余能量作为路由选择的标准，尽可能的保证了能量消耗的公平性，延长整个网络的生命周期。选择高可靠性和高吞吐量传输时，采用基于ETX的算法在选择最优路径上所有链路的ETX的总和为最小，从而降低帧重传次数，即增大了网络的吞吐量，提高了传输的可靠性。
【专利说明】—种基于6LoWPAN的路由方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于6LoWPAN的路由方法，属于通信领域。
【背景技术】
[0002]6LowPAN即IPv6 over IEEE 802.15.4，是一种将IP协议引入无线通信网络的低速率的无线个域网标准，具有无线低功耗、自组织网络、廉价、便捷、实用等特点，是应用于物联网感知层、无线传感器网络的重要技术。
[0003]无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是由大量静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。在无线传感器网络使用过程中，特别是在野外环境监测领域，由于环境条件的特殊情况，部分传感器节点很容易因为能量耗尽或自然环境的不稳定造成失效；也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。因此无线传感器网络必须具有低功耗、自组织路由等特性，而路由的选择也必须考虑低功耗、有损环境、节点数据传输可靠性等条件，因此选择能量有效路由协议，是延长整个无线传感器网络生命周期重点考虑的因素之一。
[0004]此外，因为无线信道通信质量依赖于背景噪声、障碍物、信道衰减以及其他通信产生的干扰等。一般情况下，链路层协议在有数据帧发生丢失时，通常会进行重传操作。传统无线网络中所普遍采用的跳数不能反映出多跳网络中的干扰特性，对QoS (Qualityof Service)支持力度很弱，不适用于基于6L0WPAN的无线网状网(WMN, Wireless MeshNetwork)。WMN应该采用支持QoS的路由度量机制，根据无线链路状态以及高层需求等信息，综合评估链路度量值，并形成最优路由，有效增加网络可用带宽和容量。
[0005]ETX定义为WMN网络节点的MAC层在一条无线链路上成功交付一个数据帧所需传输次数的期望值。
[0006]有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种基于6LoWPAN的路由方法，本
案由此产生。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种适用于野外监测环境，具有功耗低、可靠性高的基于6LoffPAN的路由方法。
[0008]为了实现上述目的，本发明的解决方案是:
[0009]一种基于6LoWPAN的路由方法，包括步骤:
[0010]步骤101:根据应用场景或数据传输要求进行配置:选择能量有效低功耗传输或高可靠性、高吞吐量传输；
[0011]步骤201:若选择能量有效低功耗传输，当无线传感器网络中任意路由节点剩余能量均大于阀值η时，采用MTPR (最小总传输能量路由算法);当任一路由节点剩余能量小于阀值η时，采用MMBCR (最小最大电池容量路由算法)；
[0012]步骤301:若选择高可靠性和高吞吐量传输，包括如下步骤:
[0013]①首先使用广播发送和接收路由探测包，计算得到Df和&，其中Df为发送数据成功率，Dr为接收数据成功率；
[0014]②然后根据公式ETX=I/(Df*D,)计算得到所有可能邻居节点间的链路ETX值；
[0015]③接着，将每条路径上的每条链路ETX值相加，得到每条路由的ETX值，选择拥有ETX值最小的作为最佳路由；
[0016]④当链路质量发生改变时，重新计算所有可能邻居节点的链路ETX值，并计算每条路由的ETX值，选择拥有ETX值最小的作为最佳路由。
[0017]上述步骤201中的阀值η为1%_100%中任一值，作为优选，阀值η —般为15%-25%。
[0018]上述步骤201中所述的MTPR包括如下步骤:
[0019]①先根据距离和传输数据量进行计算，得到无线传感器网络中各个单跳节点间的能量消耗Ρ(η」，η」+1)；
d-l
[0020]②然后计算得到可能的每条路径的总能耗巧其中Iitl为源节点，nd
J'=0，
为目的节点，Iij是路由r中的所有节点；
[0021]③最后选择一条最小能耗路由Pk=Hiir^ e APj.,其中A为所有的可能路由集。
[0022]上述步骤201中所述的MMBCR包括如下步骤: [0023]①先遍历无线传感器网络路由r中所有节点的剩余能量C# j为路由r中任一节
占.[0024]②然后计算得到每条路由中剩余能量最小的那个节点，该节点的剩余能量为:Crm=Ininj e ECrJ, R为路由r的所有节点的集合；
[0025]③接着计算出所有可能路由的C?的最大值，Ckm=Hiax{Crm|re A}，其中A为所有的可能路由集，剩余能量为Ckm的节点所在的路由k就是一条节点的生存时间相对最长的可能路由，然后根据节点能量越少选中机会越小的原则，选择节点中剩余能量最大的节点所在的路由。
[0026]上述基于6LoWPAN的路由方法，应用在野外监测环境中时，可根据具体需求、剩余能量阀值随意调整路由方法，其中，MTPR和MMBCR的选择由程序根据η值自动选择，采用MTPR算法，以传输能量的消耗作为路由选择的标准，最大程度节省每个传输包的能量消耗；采用MMBCR算法，以节点的剩余能量作为路由选择的标准，尽可能的保证了能量消耗的公平性，延长了整个无线传感器网络的生命周期。QoS (高可靠性和高吞吐量)路由选择根据具体应用场景或数据传输要求选择配置，选择QoS传输时，采用基于ETX的算法在选择最优路径上所有链路的ETX的总和为最小，从而降低帧重传次数，即增大了网络的吞吐量，提高了传输的可靠性。
[0027]以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为本实施例的路由方法流程图；[0029]图2为本实施例的节点关系拓扑图。
【具体实施方式】
[0030]如图1-2所述，一种基于6LoWPAN的路由方法，所在无线传感器网络具有4个传感节点，应用在野外监测环境中时，可根据具体需求、剩余能量阀值随意调整路由方法，包括如下步骤:
[0031]步骤101:根据应用场景或数据传输要求进行配置:选择能量有效低功耗传输或高可靠性、高吞吐量传输；
[0032]步骤201:如果无线传感器网络需要维持较长时间，而整个网络的剩余能量又较为紧张时，则优先选择能量有效低功耗传输，在本实施例中当无线传感器网络4个节点中任意一个剩余能量均大于阀值20%时，采用MTPR (最小总传输能量路由算法)；当任一路由节点剩余能量小于阀值20%时，采用MMBCR(最小最大电池容量路由算法);MTPR和MMBCR的选择由程序根据Π值自动选择，采用MTPR算法，以传输能量的消耗作为路由选择的标准，最大程度节省每个传输包的能量消耗；采用MMBCR算法，以节点的剩余能量作为路由选择的标准，尽可能的保证了能量消耗的公平性，延长了整个无线传感器网络的生命周期。
[0033]上述步骤201中的阀值η可以为1%_100%中任一值，具体根据实际情况而定。
[0034]在本实施例中，以节点O为源节点，节点3为目标节点为例，上述步骤201中所述的MTPR包括如下步骤:
[0035]步骤202a:先根据距离和传输数据量进行计算，得到无线传感器网络中各个单跳节点0-3之间的能量消耗P (ny nJ+1)，即节点O分别到节点1、2、3的能量消耗，节点I分别到节点2和3的能量消耗，节点2分别到节点3的能量消耗；
[0036]步骤203a:然后计算得到可能的每条路径的总能耗乃=[八",，"..;)，其中nQ为
J=O
源节点，n3为目的节点，r^_是路由r中的所有节点，上述可能的每条路径分别为0—1 — 3、O — 2 — 3、0 — 3、0 — I — 2 — 3、0 — 2 — I — 3 ;
[0037]步骤204a:最后选择一条最小能耗路由Ρρπ?η-Ζ，其中A为所有的可能路由集。
[0038]上述步骤201中所述的MMBCR包括如下步骤:
[0039]步骤202b:先遍历无线传感器网络路由r中所有节点0、1、2和3的剩余能量C?.，j为路由r中任一节点；
[0040]步骤203b:然后计算得到每条路由中剩余能量最小的那个节点，该节点的剩余能量为:C?=minj e ECrJ, R为路由r的所有节点的集合；
[0041]步骤204b:接着计算得到所有可能路由的Cnil的最大值，Ckm=InaxICnJr e A}，其中A为所有的可能路由集，剩余能量为Ckm的节点所在的路由k就是一条节点的生存时间相对最长的可能路由，然后根据节点能量越少选中机会越小的原则，选择节点中剩余能量最大的节点所在的路由。
[0042]步骤301:如果无线传感器网络首先要保证传输的可靠性，而剩余能量又充足，则优先选择高可靠性和高吞吐量传输，具体包括如下步骤:
[0043]步骤302:首先使用广播发送和接收路由探测包来计算Df和比，其中Df为发送数据成功率，Dr为接收数据成功率；[0044]步骤303:然后根据公式ETX=I/ (Df*Dr)计算得到所有可能邻居节点间的链路ETX值，如表1所示；
[0045]表1:邻居节点间的链路ETX值表
[0046]
【权利要求】
1.一种基于6L0WPAN的路由方法，其特征在于:包括步骤: 步骤101:根据应用场景或数据传输要求进行配置:选择能量有效低功耗传输或高可靠性、高吞吐量传输； 步骤201:若选择能量有效低功耗传输，当无线传感器网络中任意路由节点剩余能量均大于阀值η时，采用MTPR ;当任一路由节点剩余能量小于阀值η时，采用MMBCR，上述阀值η为1%_100%中任一值； 步骤301:若选择高可靠性和高吞吐量传输，包括如下步骤: ①首先使用广播发送和接收路由探测包，计算得到Df和W，其中Df为发送数据成功率，Dr为接收数据成功率； ②然后根据公式ETX=I/(Df*Dr)计算得到所有可能邻居节点间的链路ETX值； ③接着，将每条路径上的每条链路ETX值相加，得到每条路由的ETX值，选择拥有ETX值最小的作为最佳路由； ④当链路质量发生改变时，重新计算所有可能邻居节点的链路ETX值，并计算每条路由的ETX值，选择拥有ETX值最小的作为最佳路由。
2.如权利要求1所述的一种基于6LoWPAN的路由方法，其特征在于:上述步骤201中所述 的阀值n为15%-25%。
3.如权利要求1所述的一种基于6LoWPAN的路由方法，其特征在于上述步骤201中所述的MTPR包括如下步骤: ①先根据距离和传输数据量进行计算，得到无线传感器网络中各个单跳节点间的能量消耗Ρ(η」，η」+1)；
d-l ②然后计算得到可能的每条路径的总能耗C其中Iltl为源节点，nd为目
J=O,的节点，Iij是路由r中的所有节点； ③最后选择一条最小能耗路由Pk=Hiir^e APj.,其中A为所有的可能路由集。
4.如权利要求1所述的一种基于6LoWPAN的路由方法，其特征在于上述步骤二中所述的MMBCR包括如下步骤: ①先遍历无线传感器网络路由r中所有节点的剩余能量C?_，j为路由r中任一节点； ②然后计算得到每条路由中剩余能量最小的那个节点，该节点的剩余能量为:Crm=Ininj e ECrJ, R为路由r的所有节点的集合； ③接着计算出所有可能路由的Cnn的最大值，Ckm=max{CrmIre A}，其中A为所有的可能路由集，剩余能量为Ckm的节点所在的路由k就是一条节点的生存时间相对最长的可能路由，然后根据节点能量越少选中机会越小的原则，选择节点中剩余能量最大的节点所在的路由。
【文档编号】H04W40/10GK103476085SQ201310399786
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】陈建军 申请人:绍兴文理学院元培学院