一种高效利用能源的移动无线传感网机会路由方法
【专利摘要】本发明提供一种高效利用能源的移动无线传感网机会路由方法，解决移动无线传感网中节点空洞、网络生存期短等问题，以延长移动无线传感网的生存时间。该方法确定候选转发节点集，通过结合地理位置、能量感知和负载均衡等机制，使用能量估计、负载估计、移动影响因子等综合度量的策略来优化候选转发结点集优先级，完成移动无线传感网数据包转发。本发明能够有效缓解移动无线传感网数据包转发中节点空洞、网络生存期短的问题。
【专利说明】 一种高效利用能源的移动无线传感网机会路由方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在移动无线传感网中高效利用能源的机会路由方法，该方法结合基于地理位置、能量感知和负载均衡机制，使能量消耗和网络负荷分布更加均匀，属于计算机技术、无线通信、传感器技术交叉技术应用领域。
【背景技术】
[0002]随着无线通信、电子和传感器技术的发展，无线传感器网络得到了飞速的发展，被广泛应用于各种领域，如智能家居、建筑监控、电子围界、环境监测、军事运用等。当前，野生动物监测成为无线传感器网络热门应用之一，代表项目包括SW頂和ZebraNet。而移动环境下，传感器网络路由面临着更多新的挑战。目前，无线传感网中多数路由协议针对静态拓扑提出，如Leach、Spin等，而移动环境下的路由则简单借鉴移动自组网路由协议，形成TinyAODV、Flooding等。这些路由协议都存在共性假设:数据源节点与汇聚节点间总是存在一条可用路径.但实际的移动环境下，节点任意动态移动，因而链路也随时间变化而改变。正由于拓扑动态变化、链路变化频繁以及节点有限的传输通信距离，上述假设是不成立的。换句话说，节点由协议不适用于移动传感器网络。移动传感器网络中，虽然网络拓扑动态变化，源节点与目标节点之间未必存在一条可用路径，但可以利用它们间的移动节点存储转发报文，机会性的完成报文的传输。移动传感器网络利用中间移动节点机会性的存储转发报文，因此也称为机会网络(Opportunistic Networks)。机会网络往往要求收集数据的全面性、完整性，而对延时的要求不高，所以移动无线传感网络也属于延时容忍网络(DTN, Delay Tolerant Network)。近几年，国内外学者对延时容忍网络路由做了大量的研究，提出了一系列的算法，如感染路由(Epidemic Routing)、CAR (context AwareRout ing)、ProPHET等。但它们或需要大量的缓存空间缓存报文，或需要大量能耗来交互大量的路由报文，传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代移动无线传感网的产生和发展。移动无线传感网扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。移动无线传感网是由一组传感器节点以自组织方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。从上述定义可以看到，传感器节点、感知对象和观察者是移动无线传感网的3个基本要素。移动无线传感网可以被广泛地应用于军事应用、医疗护理、环境监测、空间探索、医疗卫生、制造业和反恐抗灾等领域。
[0003]移动无线传感网有着广泛的应用背景，然而网络拓扑不断变化，通信带宽有限且信号易受干扰等特点给其路由协议的设计带来了困难和挑战。在已经提出的路由协议设计带来了困难和挑战。按需路由协议和基于地理位置的路由协议已被广泛讨论和深入研究，AODV (Ad hoc 0n-demand Distance Vector)和 GPRS (Greedy Perimeter Stateless Routing)分别是以上两类协议的典型代表。
[0004]在AODV中，节点通过逐步广播RREQ报文来请求到目的节点的路由，参与的节点会在此过程中记录反向路由信息，以便之后转发RREP报文并最终建立前向路由。这种洪泛路由请求方式能够建立长度最短的高质量路由，但是广播洪泛会产生大量的RREQ报文，造成巨大的信号冲突和协议开销，还可能造成广播风暴。另一方面，全向广播RREQ报文会在中间节点中产生大量无用的路由信息，当邻居节点移动而导致这些路由信息无效时，中间节点又需发送大量的RERR报文给其前驱邻居节点，以保证其路由表的正确性，这也给网络带来无谓的冲突和协议开销，影响其协议性能。
[0005]在GPRS中，节点借助地理信息，将数据报文以距离最近逐跳发送到目的节点。由于没有建立和维护路由信息，无状态的GPRS有很好的可扩展性。然而已有很多研究者指出，在网络密度不太大的情况下，数据报文处于周边模式时，GPRS存在严重的绕路现象。而且，由于被选作下一跳的邻居距离目的节点最近(距离自身最远)，因此GPRS易主不稳定的链路上丢失报文。
【发明内容】
[0006]技术问题:本发明的目的是设计一种高效利用能源的移动无线传感网机会路由方法，解决移动无线传感网中节点空洞、网络生存期短等问题，以延长移动无线传感网的生存时间。
[0007]技术方案:本发明所述的一种高效利用能源的移动无线传感网机会路由方法通过结合基于地理位置、能量感知和负载均衡机制，使用综合度量的策略来优化候选转发结点集优先级的设定。
[0008]所述的移动无线传感网是由部署在监测区域内的传感器节点通过无线通信形成一个多跳的自组织网络系统，传感器节点协作地感知、采集、处理网络覆盖区域内感知对象的信息，通过汇聚节点将数据信息发送给用户，用户得到监测区域的实时信息。
[0009]所述的移动无线传感网中，传感器节点都是具有移动性的同构节点，具有相同的初始能量和发射功率，所有传感器节点的有效通信范围均相等；传感器节点都在同一个平面内，能够获得自己的位置信息；传感器节点通过GPS等设备获得自己的地理位置；在监测区域的传感器节点收集监测区域信息并转发这些信息，在非监测区域的传感器节点转发收到的监测区域信息。
[0010]所述的移动无线传感网中，汇聚节点为固定的、能量高的基站设备，它通过GPS等设备获得自己的地理位置，具有充足的能量、很强的计算能力和覆盖全部监测区域的通信能力，汇聚节点有能力向全网广播自己的地理位置。
[0011]本发明所述的一种高效利用能源的移动无线传感网机会路由方法具体流程如下:
[0012]步骤1:启动移动无线传感网汇聚节点和所有传感器节点，控制汇聚节点向全网广播自己的地理位置。
[0013]步骤2:传感器节点侦听在通信范围内信息，从汇聚节点的广播信息获取汇聚节点的地理位置，在监测区域的传感器节点收集监测区域信息。
[0014]步骤3:传感器节点周期性的发送和接收“Hello”消息。所述的“Hello”消息包括传感器节点自身地理位置信息、剩余能量信息和业务队列长度信息。
[0015]步骤4:根据旁听算法，传感器节点在旁听表内建立存储条目或者刷新信息来收集邻居节点的信息，根据能量估计函数计算其邻近节点的能量估计值，根据负载估计函数计算其邻近节点的负载估计值。
[0016]所述的旁听算法是指传感器节点间通过周期性的交换“Hello”信息得到邻居节点的信息，包括位置信息、能量信息和负载信息，这些信息组成旁听表。所述的存储条目是指用(ID，Pi, Ci, Li)表示的四维数组，其中ID表示旁听节点的唯一识别码，ID用介质访问控制(MAC)地址或者网络之间互连的协议(IP)地址来表示；i表示邻居节点号A表示邻居节点Si的位置信息，Ci表示邻居节点Si的能量估计值，其值由以下能量估计函数计算获得，
【权利要求】
1.一种高效利用能源的移动无线传感网机会路由方法，其特征在于该方法包含的步骤为: 步骤1:启动移动无线传感网汇聚节点和所有传感器节点，控制汇聚节点向全网广播自己的地理位置； 步骤2:传感器节点侦听在通信范围内信息，从汇聚节点的广播信息获取汇聚节点的地理位置，在监测区域的传感器节点收集监测区域信息； 步骤3:传感器节点周期性的发送和接收“Hello”消息，所述的“Hello”消息包括传感器节点自身地理位置信息、剩余能量信息和业务队列长度信息； 步骤4:根据旁听算法，传感器节点在旁听表内建立存储条目或者刷新信息来收集邻居节点的信息，根据能量估计函数计算邻近节点的能量估计值，根据负载估计函数计算邻近节点的负载估计值； 步骤5:在监测区域内监听到数据信息的传感器节点，建立候选转发节点集，其他传感器节点在通信范围内继续侦听， 步骤5具体过程如下: 步骤51:在监测区域内监听到数据信息的传感器节点侦听到数据，则广播请求消息RTS，标记自身为发送节点； 步骤52:当发送节点收到回复消息CTS时，把发送回复消息CTS的传感器节点信息添加到自己的转发节点集中； 步骤53:根据发送节点和转发节点集中传感器节点的地理位置信息计算转发节点集中，各传感器节点的机会概率值； 步骤54:把各节点的机会概率值与发送节点的机会概率值比较，当转发节点集中的节点的机会概率值大于发送节点的机会概率值时，把转发节点集中的这个节点添加到发送节点的候选转发节点集中，否则不添加； 所述的转发节点集是指发送节点所有有效通信距离内邻居节点的集合； 所述的机会概率值是指数据包从发送节点到目标节点成功传输的机会概率，是选择候选转发节点集的最重要的度量指标，是实现机会主义路由的基础，这里的机会概率基于地理位置来获得，节点距离目的节点越近，机会概率值越大，反之则越小； 所述的候选转发节点集是指转发节点集中机会概率值大于发送节点机会概率值的节占.步骤6:根据候选转发节点到发送节点的距离,计算候选转发节点移动影响因子mv,当候选转发节点移动远离发送节点时，候选转发节点移动影响因子mv = -1,当候选转发节点移动靠近发送节点时，候选转发节点移动影响因子mv = I,但候选转发节点与发送节点的距离不变时，则候选转发节点移动影响因子mv = O ;再候选转发节点维护的旁听表内的存储条目信息和节点移动影响因子，确定候选转发节点的转发优先级。对于候选转发节点Si,计算We = e而K 如果Wi值高，侧候选转发节点Si的转发优先级就高，如果Wi值低，则候选转发节点Si的转发优先级就低，所述β是用户指定的常数，Li是候选转发节点Si的负载估计值，Ci是候选转发节点Si的能量估计值； 步骤7:发送节点转发数据包，具体过程如下:步骤71:发送节点向候选转发节点集中转发优先级最高或转发优先级最高之一的传感器节点转发数据包； 步骤72:在候选转发节点集中，有传感器节点接收到数据包，就发送回复消息ACK ；步骤73:发送节点在一段时间内收不到ACK，则重发数据包，直到发送节点数据包发送成功，接收到回复消息； 步骤8:收到数据包的传感器节点，标记自身为发送节点；重复步骤5到步骤7，直到数据包发送到汇聚节点为止。
2.根据权利要I所述的高效利用能源的移动无线传感网机会路由方法，其特征在于，所述的旁听算法是指传感器节点间通过周期性的交换“Hello”信息得到邻居节点的信息，包括位置信息、能量信息和负载信息，这些信息组成旁听表；所述的存储条目是指用(ID，PiiCi7Li)表示的四维数组，其中ID表示旁听节点的唯一识别码，ID用介质访问控制MAC地址或者网络之间互连的协议IP地址来表示；i表示邻居节点号A表示邻居节点Si的位置信息，Ci表示邻居节点Si的能量估计值，其值由以下能量估计函数计算获得，
【文档编号】H04W28/08GK104038965SQ201410255200
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】陈志 , 顾敏丽 申请人:南京邮电大学