专利名称：一种基于网络编码的多径路由可靠传输方法
技术领域：
本发明是一种基于网络编码的多径路由可靠传输方。主要解决无线传感器网络中可靠传输问题及能量均衡问题，属于无线传感器网络路由技术领域。
背景技术：
无线传感器网络(Wireless Sensor Network)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络在国防、工业、环境等领域有着广泛的应用前景，其中很多应用对数据的可靠传输都有着较高的要求。而且，传感器节点本身能量有限。因此，能量和可靠传输问题在无线传感器网络中非常重要。冗余数据传输是为达到数据传输的可靠性，将数据传输多次或多份，以抵御数据丢失，保证数据能被传送到目的地的方法，其基本思想都是用增加数据的传输量来换取可靠性的提高。冗余数据传输是传感器网络中保证数据传输可靠性的主要手段，基本方法有两种重传机制和多路径机制。1.重传机制重传机制在传感器网络中的应用可以分为两类第一类是指当基站收到数据后， 发送确认信息，产生数据的源节点如果收到确认信息，就认为该数据已成功传到基站；否则，源节点在等待一段时间后将重传该数据。另一种链路重传机制是单跳确认重传机制，它通过每一跳传输时的多次重传和确认，提高了传输质量，满足数据传输成功率的要求。2.多路径机制多路径机制通过信源节点到汇聚节点的多条不同路径将数据包传递到汇聚节点，具有延迟小、负载均衡、吞吐量大，并且能够保证数据传输很高的可靠性，是无线传感器网络可靠传输机制研究的重点。ReInForM(Reliable Information Forwarding Using Multiple Paths in Sensor Networks)机制是一种考虑了汇聚节点成功接收率的多路径冗余传输机制，其流程图如
图1所示。在该机制中，源节点首先设定希望汇聚节点成功接收数据包的概率，根据到汇聚节点的跳数及传输过程中的链路错误率，确定传输数据的路径数， 然后，根据路径数选择下一跳邻居节点，并确定邻居节点的相应转发路径数，发送数据包。 转发节接收到数据包后，根据数据包中携带的有关转发路径数，再选择下一跳邻居节点和相应转发路径数进行转发，直到汇聚节点。该路由存在不足一方面，该路由保证端到端的可靠性，节点只具备转发功能，不能缓存数据，根据数据包头信息直接决定转发给下一个节点，下一跳节点选择重复使用默认节点，容易造成该路径的信息拥塞，不利于网络的负载均衡；另一方面，该算法没有关注如何优化能量消耗，不利于网络的能量均衡。
发明内容
技术问题本发明主要针对RdnR)rM协议的不足加以改进，将网络编码应用于多路径数据传输，并引入节点能耗机制，以延长网络的生存期和保证网络的可靠传输。通过使用本发明提出的方法，可以保证网络的可靠传输及其网络能量的均衡。技术方案本发明提出了一种基于网络编码的多径路由可靠传输方法，将网络编码应用于多路径数据传输，通过将同组数据编码产生相互独立的多份数据，沿多条路径同时传输，并在传输时继续编码以降低相关性，有效减少了链路失效带来的影响，提高了传输可靠性。还引入节点能耗机制，将邻居节点集合中待选节点按其剩余能量进行排序，在保证传输可靠性的前提下，优先选择剩余能量多的节点，从而均衡网络能量，延长网络生命周期。一、体系结构1.图2给出了原路由更新消息的格式，其中字段含义如下所示Type 该字段是报文类型，判断是路由更新消息还是路由报文；Packet_ID 该字段是报文序列号；Hops 该字段是当前节点到汇聚节点的跳数，汇聚节点自身为0 ；Addr 该字段是发送节点的地址；Reserved 该字段是保留字段；Data 该字段是要发送的数据内容；2.图3给出了原路由报文的格式，其中字段含义如下所示Type 该字段是报文类型，判断是路由更新消息还是路由报文；Packet_ID 该字段是报文序列号；Paths 该字段是该节点分配给下一跳节点的路径数；
NextAddr 该字段是下一跳节点的地址；Reserved 该字段是保留字段；Data 该字段是要发送的数据内容；3.图4给出了改进的路由更新消息的格式，它与原路由更新消息相比没有增加消息大小，但是把消息中的一个Reversed字段改为Energy字段，Energy字段放置当前节点剩余能量。4.图5给出了改进的路由报文的格式，它与原路由报文相比没有增加消息大小， 把消息中的一个Reversed字段改为Group_ID、Nom和Vector三个字段。Group_ID 该字段是编码数据包时分配的组标志；Nom 该字段是同组编码报文数；Vector 该字段是编码系数；二、方法流程基于网络编码的多径路由可靠传输机制主要包括两个阶段邻居发现阶段、编码数据包传输阶段。系统在网络部署之初，通过发送路由更新消息来完成邻居的发现过程；在数据包传输阶段，源节点将原始数据包进行随机线性编码，并确定发送的编码包数量，中间节点将收到的同组编码包进行编码并发送出去；汇聚节点收到足够线性无关的编码包就能根据高斯消元法成功解码包得到原始数据包。1.邻居发现阶段(1)汇聚节点周期性地广播路由更新消息(格式如图4)，其中，发送节点地址 (Addr)为汇聚的地址，到汇聚点的跳数(Hops)设置为0，发送节点剩余能量(Energy)为汇聚节点的剩余能量。(2)每个收到路由更新消息的节点，若还未向其他节点发送过自己的路由更新消息，则在本地邻居表中记录该路由更新消息中的源地址、到汇聚节点的跳数和邻居节点剩余能量。等待一段时间后，节点选出邻居中距离汇聚节点跳数最小的节点作为自己的近邻居，若有多个，那么这几个就都为该节点的近邻居；然后继续转发路由更新消息，以节点自己的地址替换路由更新消息的Addr字段，以近邻居到汇聚节点的跳数加1作为Hops字段， 以自己的剩余能量作为路由更新消息的Energy字段，将包发送出去。若节点发送路由更新消息后，仍然收到了其它节点发来的路由更新消息，则提取出路由更新消息的包头中发送节点地址(Addr)、发送节点到汇聚节点的跳数(Hops)和剩余能量(Energy)，若发送节点不在邻居表中，则将该发送节点加入到本节点的邻居列表中，否则，若该跳数(Hops)或剩余能量(Energy)比记录中的小，则更新邻居表。当剩余能量低于门限值(根据实际情况有所不同)时，就确定该节点能量耗尽，从邻居表中除去该节点的记录。通过上述两个步骤，每个节点都可以获得自己到汇聚节点的跳数以及一个包含各个邻居地址和各个邻居节点剩余能量的邻居列表。2.编码数据发送阶段编码数据发送阶段分为源节点编码数据包、选择下一跳节点并发送数据，下一跳节点重编码及转发处理、汇聚节点解码包四个阶段。(1)源节点编码数据包源节点发送源码包包括三个过程计算路径数、编码包构造和封装编码包三个过程。计算路径数Ps 源节点根据传输的可靠性要求计算所需传输路径数目。假设源节点有m个原始数据报文需要发送，满足要求的可靠度下成功交付m个报文需要的总路径数为Ps，Ps的值可以根据公式⑴计算得到。M = XrO^r μ = Xr^M(\ - e)k (1-(1-e)k) +M (I - e)k(1)其中，m是源节点需要发送的原始数据报文，k是该节点到汇聚节点的跳数，e是该节点与其邻居节点之间的链路错误率，&是与期望的可靠度r对应的值。其对应关系如表 1。表Ir与Xr对应表
权利要求
1.一种基于网络编码的多径路由可靠传输方法，其特征在于包含以下步骤(1)汇聚节点周期性地广播路由更新消息，每个节点都可以获得自己到汇聚节点的跳数以及一个包含各个邻居地址和各个邻居节点剩余能量的邻居列表；(2)源节点计算需要的路径数；(3)源节点把需要传输的数据包进行编码，选择下一跳节点并发送编码包，选择下一跳节点时，对于到汇聚节点的跳数都相同的情况下，优先选择剩余能量较高的节点；(4)在一定时间间隔内，下一跳节点收到多个编码包，对这些节点中具有相同组标识的编码报文进行重编码，并重新计算所需的路径数；(5)重复上述过程2、3、4，直到到达汇聚节点；(6)汇聚节点对同组编码包进行解码，恢复出原始数据包。
2.如权利要求1所述的一种基于网络编码的多径路由可靠传输方法，其特征在于所述的路由更新消息包含剩余能量字段，汇聚节点广播路由更新消息后，每个节点都可以获得自己到汇聚节点的跳数以及一个包含各个邻居地址和各个邻居节点剩余能量的邻居列表。
全文摘要
本发明涉及一种基于网络编码的多径路由可靠传输方法。该方法包括如下步骤汇聚节点周期性地广播路由更新消息，每个节点都获得自己到汇聚节点的跳数和邻居表，邻居表里包含了所有的邻居节点及其剩余能量；源节点计算需要的路径数；源节点把需要传输的数据包进行编码，选择下一跳节点并发送数据；下一跳节点收到编码包后，对具有同组标志的数据包进行编码，并重新计算所需的路径数；重复上述过程，直到到达汇聚节点，汇聚节点再解码出原始数据包。使用该方法可以保证网络的可靠传输及其网络能量的均衡。
文档编号H04W40/24GK102572717SQ20121003792
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月20日 优先权日2012年2月20日
发明者张登银, 徐向阳, 梁晓晴, 程春玲 申请人:南京中通电气有限公司