一种隧道环境下无线传感器网络能量有效的路由决策方法与流程

本发明涉及无线传感器网络最优的无线传输路径决策，具体涉及一种隧道环境下无线传感器网络能量有效的路由决策方法。
背景技术：
：在施工、运营隧道健康状况监测等实际无线传输网络应用方面，由于环境复杂、网络节点分布特殊，传统的路由协议在隧道复杂环境中对能耗以及网络可靠性都无法保证。隧道环境中，路由很难存在常规网络的多路径路由，而通常都是直线型的单路径路由，却比常规环境存在更加显著的多径效应影响。为了解决隧道环境下的无线传输网络能量有效性以及网络可靠性问题，需要考虑隧道环境复杂的原因，需对传统的路由策略进行优化改进，针对隧道环境中的单路径网络，提供最优的路由决策策略。现有的技术一种分级aodv路由方法(cn102118312b)，是一种在aodv基础上的改进，是一种传统的网络aodv路由协议，主要用于战场地面战术网络，并不适用于无线传感器网络，尤其是隧道环境下的直线型无线传感器网络。技术实现要素：为了解决在隧道环境下的直线型无线传感器网络面临的网络延时、能量有效性和网络可靠性问题，本发明提供了一种隧道环境下无线传感器网络能量有效的路由决策方法。本发明为了保证隧道中节点能耗的均衡性，提出一种节点剩余能量惩罚机制。某个节点偷吃能量越多，则获得的路由决策惩罚越重。具体包括以下步骤：步骤1：隧道节点作为源节点发起路由请求rreq，同时对路由请求帧进行初始化；步骤2：路由节点接收到路由请求rreq后，计算路由表中的决策因子，对路由请求rreq进行处理，处理结果为：转发更新后的路由请求rreq、或者发送路由响应rrep并丢弃路由请求rreq；步骤3：路由节点接收到路由响应rrep后，计算路由表中的决策因子，对路由响应rrep进行处理，处理结果为：转发更新后的路由响应rrep、或者丢弃路由响应rrep；步骤4：重复步骤3直到路由响应rrep返回源节点，通过路由表产生一条反向路由，这条路由路径就是从源节点到达目的节点的最优路径。其中上述步骤2中对路由请求rreq进行处理的流程为：2.1路由节点接收到路由请求rreq后，对决策因子进行计算；2.2判断该路由请求rreq是否重复接收，如果重复接收则先更新最优的反向路由表，再将路由请求帧丢弃，如果不是则更新路由请求帧，且更新反向路由表中的e3tx；2.3根据路由请求帧结构中的目的地址判断是否该路由请求指向自己或者节点路由表中已存指向目的节点的路由表项，如果满足条件，则节点丢弃路由请求rreq，并通过反向路由表发送路由响应rrep，路由响应帧中包含本节点的路由决策值；若不满足条件，则路由节点转发更新的路由请求rreq。其中上述步骤3中对路由响应rrep进行处理的流程为：3.1接收到路由响应rrep的节点先根据路由响应帧里的数据以及节点本地的能量信息计算对应的路由表中决策因子和其他表项；3.2确定路由响应rrep是否重复接收，如果重复接收则丢弃路由响应rrep，否则转发路由响应rrep；3.3判断是否到达源节点，否则更新转发路由响应rrep，是则弃路由响应rrep并产生一条反向路由。决策因子包括预期传输数etx值、最大剩余能量代价值ei和能量有效期待传输数e3tx。分别有下列公式(1)、(2)和(3)计算出式中stn指隧道中某一条链路的预期传输数etx(expectedtransmissioncount)，etxi表示单跳预期传输数；式中sen指链路节点最大惩罚值，sn代表隧道中自组织路由生成的路径节点集合，f(ei)指剩余能量代价值；式中权重λ满足0<λ<1。上述剩余能量代价值使用公式(4)来计算：式中ei代表隧道无线监测网络中第i个路由节点的剩余能量，i＝1,2，…n，e表示自然常数。上述单跳预期传输数由公式(5)得出，式中分别表示正向包成功率，反向包成功率；本方案令反向包成功率dir＝1；正向包成功率可利用下列等式(6)计算获得，其中rssi为接收到的信号强度指示(receivedsignalstrengthindication)，rssi在无线通信过程中由硬件获得，psr为包成功率(packetsuccessrate)。本发明的有益效果为：本发明提出的无线传感器网络能量有效的路由决策算法仅仅产生一条反向路由，这恰恰满足隧道环境中的直线型路由网络。尽管最终只产生一条反向路由，然而，本路由决策算法能结合能量有效，跳数，etx以及可靠性获得从源节点到达目的节点的最优路径。同时解决了时延和可靠性的问题。附图说明图1为隧道无线监测网络传输示意图；图2为路由请求处理流程；图3为路由响应处理流程；图4为一个简单的8个节点直线型隧道网络；图5为一个简单的8个节点直线型隧道网络的网络例图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。为了保证隧道中监测数据能正确可靠传输，本文对隧道中的网络路由节点布局进行冗余处理，即路由节点可以跳跃传输，以避免某个节点的物理死亡，导致无线监测网络瘫痪。隧道无线监测网络传输示意图如图1所示。本方案提出的路由决策策略与aodv(adhocon-demanddistancevectorrouting)路由协议包类型一致，分别有路由请求(rreq：routingrequest)，路由响应(rrep：routingreply)，路由错误(rerr：routingerror)，hello包及用户数据包。其中本方案中的路由错误与心跳包的数据结构都与aodv协议保持一致。在本方案中隧道节点发起路由请求rreq，在源节点中对路由请求帧进行初始化，etx为0。通常，节点由两节5号干电池进行供能。假设隧道中每个节点都具有同样的初始能量eint，这里令eint＝3.3v。因此初始e1＝eint＝3.3v，e3tx＝λ×0+(1-λ)×f(e1)。路由请求帧结构如下表所示：表1路由请求帧结构路由节点接收到路由请求rreq后，该节点通过等式(1)、(2)与(3)计算决策因子etx，ei以及e3tx并更新路由表。再判断该路由请求rreq是否重复接收。如果重复接收则丢弃，但丢弃前先更新最优的反向路由表，再将路由请求rreq丢弃，如果不是则更新路由请求帧，且更新反向路由表中的e3tx。节点在转发路由请求rreq前，会根据路由请求帧结构中的目的地址判断是否该路由请求指向自己或者节点路由表中已存指向目的节点的路由表项。若果满足条件，则节点丢弃路由请求rreq，并通过反向路由表发送路由响应rrep，路由响应帧中包含本节点的路由决策值。若不满足条件，则路由节点转发更新的路由请求帧。路由请求rreq的处理过程如图2所示。在路由响应处理过程，接收到路由响应rrep的节点先根据路由响应帧里的数据以及节点本地的能量信息计算对应的路由表项，路由响应帧结构如下表2所示。表2路由响应帧结构节点确定路由响应rrep是否重复接收，如果重复接收则丢弃路由响应rrep，否则转发丢弃路由响应rrep。节点将本地计算的信息与路由响应帧中的数据进行对比，节点会将更新最大剩余能量代价值的结果。通过路由响应帧来更新路由表项，可以提高下一个路由请求rreq的响应速度。路由响应rrep的处理过程如图3所示。本方案对aodv路由表实体的基础上进行了一定的改进，表项中增加了etx值，最大剩余能量代价值与e3tx决策值。表3是本文的路由表实体。表3路由表实体目的地址(32bit)目的序列号(32bit)跳数(16bit)上一次跳数(16bit)下一跳节点地址(32bit)etx值(32bit)最大剩余能量代价值(32bit)e3tx决策值(32bit)前导列表(32bit)存活时间(32bit)标志(8bit)本方案提出的无线传感器网络能量有效的路由决策算法仅仅产生一条反向路由，这恰恰满足隧道环境中的直线型路由网络。尽管最终只产生一条反向路由，然而，本路由决策算法能结合能量有效，跳数，etx以及可靠性获得从源节点到达目的节点的最优路径。链路可靠性与很多因素有关，直接影响路径与网络的可靠性。本发明用一个例子来验证本方法的效果。图4所示的是一个简单的8个节点直线型隧道网络。为了便于分析，这里将图4直线型网络改成下图5所示简单的网络例图。图4与图5节点上方的数据表示节点剩余能量值，图5节点中的链路上的数据代表的是链路包成功率。本发明为了计算简单，直接利用电池剩余电压值代表节点能量值。这里用图5中的路径s-6-2-d进行举例计算，该路径的跳数为3跳。利用公式(1)可以计算出etx的值为：最终决策值可通过公式(3)计算获得，该结果相比etx存在一定的差异，因为本发明不仅将链路可靠性作为距离决策因子，同时还考虑了跳数以及节点剩余能量。最终决策值计算结果如下式所示。本例中所有例举的4条路径计算结果如表4所示。与中间节点不同，目的节点在计算路由决策值时，不是利用目的节点实际的电池剩余电压，而是利用初始化能电压值eint，而eint可能与目的节点实际的电池剩余电压不同。但当目的节点在作为其他路径的中间节点时，则按照本发明的决策策略，利用节点实际的电池剩余电压进行计算。表4本发明的e3tx与aodv以及etx的最终决策值对比决策路径aodvetxe3tx路径s-5-3-1-d44.6994.377路径s-d14.7623.633路径s-4-d23.4104.177路径s-6-2-d33.7033.579通过表4中可以看到，三种路由策略最终决策值存在较大的差异。aodv与etx由于考虑的因素单一，都存在一定的局限性。而本发明的e3tx就网络能量均衡、跳数、期待传输数、网络延迟等综合决策，在能量、延迟敏感的网络中，存在明显的优势，尤其是针对隧道直线型路由网络中可以显现出其本身的特点与优势。当前第1页12