在电磁干扰环境下的能量有效的wsn路由协议设计方法_3

文档序号:9601335阅读:来源:国知局
点根据自己的竞争能力加入相应的延时后再广播 RREQ,广播RREQ消息时需要判断前一跳节点序号是否在路由链表中,如果不在,将前一跳 地址加入到链表中,若前一跳节点序号在路由链表中则销毁RREQ消息数据包,与此同时我 们需要判断目前已经执行的跳数是否超过了网络的最大直径,也就是判断节点是否已经跳 出了我们定义的网络区域,如果超出了的话就销毁数据包,重复此操作直到此数据包到达 了目的节点,否者广播跳数减1,继续广播RREQ。最终到达目的节点后,目的节点复制收到 的RREQ消息并广播RREP消息,收到RREP消息包的节点判断自己是否存在链表中,若存在 则销毁数据包,否者根据收到的RREP消息包更新前一跳邻居节点信息,此步骤一直持续直 到达源节点收到RREP消息包,则根据路由链表建立起路由,其中RREQ消息包是源节点发起 为了寻找到源节点的路径,而当目的节点收到来自源节点的RREQ包后,发送RREP消息包对 此路径进行确认。
[0027]更新邻居节点后,邻居节点比较两者的梯度值,使得RREQ请求包是沿着目的节点 的方向传递,当广播跳数减少到1时,如果下一跳节点还不是目的节点,那么接受到此RREQ 请求包的节点把其删掉,RREQ分组中携带以下信息字段:源地址、源序列号、广播ID、目的 地址、跳数计数器。
[0028] 数据的稳定传输:引入动态多信道策略后,无线传感器网络中的所有节点不再工 作在同一信道,如图2中所示,网络中有部分节点收到干扰源设备的干扰,当下一跳中继节 点选择干扰区域内的节点的话,那么这条路径最终到达汇聚节点就需要做两次信道切换: 在干扰区域外的节点选取区域内节点作为中继节点时需要进行一次信道的切换,当然干扰 区域内的节点可以工作在同一信道频段,然而从干扰区域内的节点选取区域外节点作为 中继节点时,还需要进行一次信道切换。R.Draves等人指出在20MHz~3GHz频谱区间每 10MHz的频谱改变将带来10ms的延时和2%的额外能量开销。首先是对干扰区域内信道的 调整,在干扰区域内节点动态的调整自己的频谱信道使得与干扰源不重叠,但是不再与其 他的节点工作在同一个频道了,信道的切换回带来额外的时延和能量开销,把信道切换所 带来的能量消耗折算为路由代价,可用公式csw=ISfSjXwJS。)来表示,其中S。代表节 点之前的信道频谱,Ss代表的是需要跳变到的信道频谱,wjsj是一个与I有关的单位变 化频谱对应的代价函数。同样的,将节点间的信噪比也可以作为选取下一跳中继节点的一 个依据,这是因为信噪比的获取比较简单,不需要大量的计算,在opnet中模块之间的函数 传递可以通过包域、全局变量以及ICI接口控制信息三种方式。使用ICI接口信息来传递。 首先物理层传到MAC层,就是直接获取包中的TDA的值,从而可以获得写入包中TDA的信噪 比。从MAC层传到ARP层,用的是wlan_mac_ind这个ICI接口,在其中加入SNR的值。从 ARP层传输到IP层,用的是ip_arp_ind_v这个ICI接口,在其中加入SNR的值。通过ICI 接口控制信息将RREQ经过的当前链路的信噪比值直接用来作为选路代价,不需要发送检 测包或者再增加包头的值,避免了不必要的路由开销。信噪比的大小反应了节点间干扰的 程度,信噪比越小,误码率越高,节点间的干扰程度越大,那么就需要增大发射功率才能与 相邻节点通信,增加了节点的能量的消耗;根据从节点物理层提取的信噪比的大小来定义 链路受干扰程度的代价因子,采用的是DPSK调制方法,当SNR=Ε^Ν^Η. 4时误码率BER 值数量级达到10 12,满足通信要求;当信噪比SNR大于14. 4时,设定节点间的路由代价为 0,当信噪比SNR在[b,14.4)范围内的话,将信噪比的大小折算为路由代价,而当信噪比SNR 小于b的话,将此时的SNR置为+ %用公式表达为
值,把不同的信噪比转化为相应的路由代价,其中b为节点受电磁干扰的容忍度,根据设备 误码率的承受度来初始化b的大小,把信噪比SNR折算为路由代价用公式表示为CSNR=en/ wa,其中en代表的是接受信噪比的强度,wa代表的是单位信噪比对应的路由代价;由于节点 到汇聚节点最短的距离是连接它们的直线,应尽量选择靠近这条直线的下一跳节点,以确 保节点到汇聚节点的传输距离最短,以节省更多的能量用于数据的转发,在开始阶段,节点 把自己的信息广播给自己的邻居节点,每个节点存储自己邻居节点的信息,也获取了邻居 节点间的信噪比,如果判断出节点i的梯度值小于节点j的梯度值,即将节点i添加到节点 j的下一跳集合中,
表示的是基于距离的路由代价函数,其中山j表示 簇头i到簇头j的距离,d,sink表示簇头j到汇聚节点距离,disink表示簇头i到汇聚节点距 离,从公式我们可以看出与尤sin,f+<,越是接近,说明节点j与节点i越是接近在一 条直线上,那么此时的路由代价函数值越小;下一跳节点的剩余能量,折算为路由代价用公
其中E_(j)表示节点j下一跳节点集合具有的最小剩余能量,E(i) 表示节点i的剩余能量,同样可以看出下一跳节点剩余能量越多,路由代价函数越小,反之 越大。如何把路由代价反馈给源节点,并让其选择成本最小的路径是关键。相比较于EEPA 算法的三次信息交互,本发明只需要两次信息的交互,每一个节点在接收到一个路由RREQ 请求时会延时一个与路由代价成正比的时间间隔,进而往下一跳继续request,定义节点i 在转发一个路由RREQ请求包时的路由代价延时D(i)为:D(i) =Dlog2(l+min[aCsw(i) +i3 CSNR⑴+γCd (i) +εCe (i),QJ),其中D为延时时间参数,表示路由最大成本,避免网络 后期整体性能下降后延时过长时间;对四个参数归一化处理Csw(i) =log1(](Csw(i)),CSNR(i) =log10(CSNR⑴),CZi) =log10(CZi)),Cji) =log10(Ce(i))后,取值范围都在[-1,1]之 间。
[0029] 路由的维护包括:
[0030]a)路由过期处理:数据包的转发过程中,路径不断更新生存时间,当路径在ACTIVE_R0UTE_HME0U的时间间隔内没有被使用,就会被标记为无效,经过DELETE_PERI0D 时间被撤销;
[0031] b)路由错误处理:链路中断,下一跳节点不可达,节点不存在到达目的节点的活 跃路由并且节点没有进行本地修复,节点收到邻居节点发送的RERR这三种情况下向节点 的前区列表发送携带下一跳不可达节点的RERR信息;
[0032] c)Hello信息处理机制:Hello信息用来维护网络的局部连接。节点在HELL0_ INTERVAL时间间隔内定期向邻居节点发送He11〇信息,当节点在ALL0WED_HELL0_L0SS或者 是在HELLOIN_TERVAL时间内没有收到活跃邻居的Hello信息,此链路无效。
【主权项】
1. 在电磁干扰环境下的能量高效的WSN路由协议设计方法,其特征在于包括建立 梯度模型、路由的构建、数据的稳定传输和路由的维护;建立梯度模型采用基于跳数的 梯度建立模型,节点根据自身梯度值选择比自己更接近汇聚节点的中间节点进行数据 的转发,在选择下一跳中继节点选取过程中,通过基于节点剩余能量、节点间的相对位 置、节点与干扰区域的相对位置动态选择下一跳节点;路由的构建是中继节点根据自 身的路由代价相应的加入延时,目的节点记录最先发来的RREQ消息后,发送RREP处 理消息进行应答,源节点接收到RREP应答后,路由即建立;数据的稳定传输利用
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