一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法
【专利摘要】本发明公开一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，涉及无线传感器网络【技术领域】，利用被广泛采用的节点能耗模型，将节点的剩余能量值转换成最大数据传输能力，用C来表示，并在数据包中将C的值传递给下一跳节点，源节点依据相邻节点的传输能力以及其所在路径的最大传输能力进行路由决策，保证源节点到目的节点多条路径的传输能力尽可能的接近，避免某条路径因承担过多的负载使路径上的节点过早死亡，以延长网络寿命，提高网络的整体性能。
【专利说明】一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线传感器网络【技术领域】，具体涉及一种利用节点信息传输能力进行 流量分配的路由方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络是由大量具有感知、通信和计算能力的微小传感器节点，以无线 的方式连接构成的自治测控网络。一种普遍被接受的无线传感器网络的定义为：大规模、无 线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络，节点往往具有相同的结构，价格低廉，体 积小，可以通过飞机散布等方式抛撒到需要测控的区域，节点通过自组织快速形成一个无 线网络。它综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息 处理技术等，能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方 式被发送，并以自组织多跳的网络方式传送到用户端。
[0003] 无线传感器网络中的节点常常采用电池等形式供电，且在网络的整个工作过程中 无法更换新的电池，能量有限，因此延长整个网络的生存时间成为传感器网络路由协议设 计的重要目标。能量感知多路径路由协议是延长网络寿命的一种非常重要的节能技术，节 点在进行路由选择时不仅要选择能量消耗小的数据传输路径，而且要从整个网络的角度考 虑，选择使整个网络能量均衡消耗的路由。
[0004] 传感器节点通常由处理模块、通信模块、感知模块、能量供应模块组成。在整个节 点的能耗里，通信模块的能量消耗占了绝大部分，在研究无线传感器网络协议中，往往只需 考虑通信模块的能量消耗对网络节点寿命的影响。
[0005] 使用中继节点能量消耗总和作为度量的路由协议能够在源节点和目的节点之间 建立一条能量消耗最小的路径，但是该方法将使得网络中部分节点的负担过重，造成节点 过早死亡的问题。采用能量感知路由协议能较好的解决网络中部分节点死亡过早的问题。 对于无线传感器网络来说，这样的集中式方式可以达到全网能量均衡的目的，但是随着网 络规模的增大，集中式方式会带来较大的控制开销。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提出一种利用节点信息传输 能力进行流量分配的路由方法，源节点将数据流量分配到不同路径上，中间节点i根据高 层节点集上报的信息传输能力进行流量分配，使能量较多的节点承载的传输负担较多，能 量少的节点承担的负载较少，从而达到均衡网络负载，延长网络寿命的目的。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0008] 本发明提出一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，具体包括以下 步骤：
[0009] 步骤A:源节点向目的节点广播包括路由请求RREQ的数据巾贞，与源节点相邻的中 继节点在收到数据帧后，将自身的剩余能量信息更新至数据帧中，并转发数据帧给该中继 节点的高层中继节点，所述高层中继节点为与该中继节点相邻、相对于该中继节点距源节 点更远而距目的节点更近的中继节点，该中继节点相对于该高层中继节点为低层中继节 占.
[0010] 步骤B:高层中继节点根据收到的低层中继节点的能量信息和低层中继节点的位 置计算该低层中继节点到自身的最大信息传输能力并存储，然后将自身的剩余能量信息更 新至数据帧中，并转发数据帧给其自身的高层中继节点；
[0011] 步骤C:重复步骤B，直到目的节点收到了来自源节点的路由请求RREQ;
[0012] 步骤D:目的节点通过广播的方式给源节点回复包括ACK信息的数据巾贞，与目的节 点相邻的高层中继节点在收到数据帧后，在该数据帧中添加自身的信息传输能力，并根据 其低层中继节点广播的节点能量信息计算出低层中继节点到该节点的点对点信息传输能 力之和Q，添加至数据帧中并转发给其自身的低层中继节点；
[0013] 步骤E:重复步骤D，直到源节点收到了来自目的节点的ACK信息；
[0014] 步骤F:源节点与目的节点建立传输路径，源节点根据其相邻的中继节点上报的 信息传输能力进行数据流量分配。
[0015] 进一步的，本发明的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，所述 的信息传输能力是网络中的各个节点获知相邻节点的能量信息并根据节点能耗模型计算 而来。
[0016] 进一步的，本发明的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，所述 的信息传输能力以bit为单位计量。
[0017] 进一步的，本发明的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，当前 节点利用相对于自身的高层节点集{1，2,……，N}各自上报的信息传输能力来计算高层节 点集中各个节点被选中作为转发节点的概率{Pl，P2,……，PN}。
[0018] 进一步的，本发明的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，当前 节点对外广播的自身传输能力Ci是根据自身能量信息和自己相邻的高层节点集的传输能 力共同决定。
[0019] 进一步的，本发明的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，步骤F 中，源节点根据其相邻的中继节点上报的信息传输能力进行数据流量分配，是按该相邻中 继节点的信息传输能力与源节点的所有相邻中继节点信息传输能力之和的比值进行分配。
[0020] 本发明利用广泛使用的节点能耗模型，采用负责机制，将节点剩余能量转换成以 bit为单位计量的信息传输能力，使当前节点只需维护相邻节点的节点信息，即可了解该节 点的最大信息传输能力，从而对数据流量进行合理分配，减少能量小的节点的负载，使局部 流量分配最优，达到全网能量均衡的目的。
[0021] 本发明采用的技术方案与现存的能量感知和能量多路径协议相比，具有如下优 占.
[0022] (1)源节点根据相邻节点的传输能力进行合理的流量分配，可以均衡网络负载，避 免网络拥塞和节点过早死亡。
[0023] (2)中继节点只需要知道少量相邻节点的信息就可以做出合理的流量分配决策， 减少了节点用于维护和控制的开销。
[0024] (3)该方法对变化的网络拓扑具有良好的适应性，当有新节点加入或旧节点退出 时，利用网络节点通信的广播性可以快速获知相邻节点的信息并加入网络，而不会带来网 络中过多的信息维护开销。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1是无线传感器网络网络拓扑结构示意图。
[0026] 图2是本发明中源节点S到目的节点D路由建立和流量分配的流程图。
【具体实施方式】
[0027] 为使本发明的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法要解决的技 术问题、技术方案和技术效果更加清楚，下面将结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一 步详细说明。
[0028] 图1是无线传感器网络网络拓扑结构示意图，图中有虚线连接的两个点表示这两 点之间可以收到彼此广播的数据包，为了方便叙述，这里将I、J、K称为第一层节点，F、E、G、 H、L称为第二层节点，A、B、C称为第三层节点。
[0029] 高层节点和低层节点的定义：就网络中的某个节点而言，比该节点更靠近源节点 S并且更远离目的节点D的节点称为该节点的低层节点，比该节点距源节点S更远而距目的 节点D更近的节点称为该节点的高层节点。对于节点集{F、E、G、H、L}来说，{I、J、K}是低 层节点，{A、B、C}是高层节点；对于节点集{A、B、C}来说，{F、E、G、H、L}是低层节点；对于 节点集{I、J、K}来说，{F、E、G、H、L}是高层节点，以此类推。
[0030] 结合图1，本发明中利用节点信息传输能力进行流量分配的的路由方法如图2所 示，具体包含以下步骤：
[0031] 第一步，源节点S发起路由请求，在S-D这个过程中，节点在收到的数据巾贞中添 加自身的剩余能量信息并向自己的高层节点广播，节点根据自身剩余能量和到相邻高层节 点的距离计算出自己到各个高层节点的最大信息传输能力，并存储；而收到来自低层节点 广播的当前节点按照此方法继续广播，从而使网络中的节点都获知相邻节点的能量信息， 并计算出对应的以bit为单位计量的信息传输能力。
[0032] 第二步，目的节点D回复ACK信息，在D-S这个过程中，D的相邻节点B(即第三 层节点），根据自身到D节点的距离计算自己到D节点的信息传输能力，并在数据帧中添加 自己的信息传输能力CB，B节点再根据收到的来自各个第二层节点的能量计算各个第二层 节点到B节点的传输能力，并相加，记为QB，QB = ，其中分别表示E、G、 H节点到B节点的点到点信息传输能力，将QB的值添加到数据帧中并广播给第二层节点；同 理C节点也做相同的处理，在帧中添加C节点的信息传输能力Cc和各个第二层节点到C节 点的传输能力之和Q。，Q。=CHe+(^，C节点广播带有自己信息的数据帧。
[0033] 第三步，以H节点为例，H节点收到来自B节点和C节点的广播信息。通过处 理C节点的广播信息，得到C节点的传输能力Q和所有第二层节点到C节点的传输能力 之和Q。，H节点根据自身剩余能量和到C节点的距离计算自己到C节点的点到点信息传 输能力CTC。C节点在对外广播的信息中宣布自己的最大信息传输能力为C。，则H节点根 据CH。、Q。和C。的值，计算C节点的传输能力C。中留给传输来自H节点的信息流量的值：
【权利要求】
1. 一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，其特征在于：具体包括以下 步骤： 步骤A :源节点向目的节点广播包括路由请求RREQ的数据巾贞，与源节点相邻的中继节 点在收到数据帧后，将自身的剩余能量信息更新至数据帧中，并转发数据帧给该中继节点 的高层中继节点，所述高层中继节点为与该中继节点相邻、相对于该中继节点距源节点更 远而距目的节点更近的中继节点，该中继节点相对于该高层中继节点为低层中继节点； 步骤B :高层中继节点根据收到的低层中继节点的能量信息和低层中继节点的位置计 算该低层中继节点到自身的最大信息传输能力并存储，然后将自身的剩余能量信息更新至 数据帧中，并转发数据帧给其自身的高层中继节点； 步骤C :重复步骤B，直到目的节点收到了来自源节点的路由请求RREQ ; 步骤D :目的节点通过广播的方式给源节点回复包括ACK信息的数据巾贞，与目的节点相 邻的高层中继节点在收到数据帧后，在该数据帧中添加自身的信息传输能力，并根据其低 层中继节点广播的节点能量信息计算出低层中继节点到该节点的点对点信息传输能力之 和Q，添加至数据帧中并转发给其自身的低层中继节点； 步骤E :重复步骤D，直到源节点收到了来自目的节点的ACK信息； 步骤F :源节点与目的节点建立传输路径，源节点根据其相邻的中继节点上报的信息 传输能力进行数据流量分配。
2. 根据权利要求1所述的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，其特 征在于：所述的信息传输能力是网络中的各个节点获知相邻节点的能量信息并根据节点能 耗模型计算而来。
3. 根据权利要求2所述的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，其特 征在于：所述的信息传输能力以bit为单位计量。
4. 根据权利要求1所述的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，其特 征在于：当前节点利用相对于自身的高层节点集{1，2,……，N}各自上报的信息传输能力 来计算高层节点集中各个节点被选中作为转发节点的概率{Pl，P2,……，PN}。
5. 根据权利要求1所述的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，其特 征在于：当前节点对外广播的自身传输能力Ci是根据自身能量信息和自己相邻的高层节点 集的传输能力共同决定。
6. 根据权利要求1所述的一种利用节点信息传输能力进行流量分配的路由方法，其特 征在于：步骤F中，源节点根据其相邻的中继节点上报的信息传输能力进行数据流量分配， 是按该相邻中继节点的信息传输能力与源节点的所有相邻中继节点信息传输能力之和的 比值进行分配。
【文档编号】H04W40/22GK104320811SQ201410479428
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】刘硕, 张玲华, 张伟 申请人:南京邮电大学