專利名稱：基于勢能場的能量平衡的路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于勢能場的能量平 衡的路由方法。
背景技術(shù)：
對于WSN路由協(xié)議設(shè)計而言，能量平衡和能量效率是兩個重要的技術(shù)指標，它們 也將采用不同的方法來設(shè)計路由算法。能量效率路由協(xié)議通過最小化能量消耗來延長網(wǎng) 絡(luò)生命期，但是能量平衡路由協(xié)議是通過平衡能量消耗來延長網(wǎng)絡(luò)生命期的。前者很容易 導(dǎo)致很早的網(wǎng)絡(luò)分區(qū)，以至于雖然有很多的剩余能量但網(wǎng)絡(luò)不可用。雖然后者可能不能 達到各自最優(yōu)化的能量效率，但是它可以均勻地消耗能量來盡可能長時間地維持網(wǎng)絡(luò)連 接性和網(wǎng)絡(luò)功能。到目前為止，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議大量的研究都關(guān)注在能量高效 的路由協(xié)議，其目標是在本地節(jié)點或者整個網(wǎng)絡(luò)中尋找一種優(yōu)化的路徑去最小化能量消 耗。不過，有一些協(xié)議也注意到了能量不平衡的問題。低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy, LEACH)、高效成族算法(Efficient Clustering Algorithm, EAD)和能量效率混合聚類算法(A hybrid, Energy-efficient Distributed Clustering Approach, HEED)三個路由協(xié)議都提供了在簇中通過隨機選擇簇頭的方式來 達到能量平衡的解決方案，但是它們僅僅是本地化的解決方案。除此之外在Singh和 Prasarma的研究中，定義了能量平衡的性質(zhì)和建議，分析和評估了能量平衡的算法在單跳 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的情況，但是這是基于每個節(jié)點可以直接同終端通信的假設(shè)，和實際 的多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不相符合。在Olariu和Sto jmenovic的研究中，關(guān)注于在終端附近 的能量洞現(xiàn)象，而不是整個網(wǎng)絡(luò)的能量平衡問題。非均勻節(jié)點分配策略的提出實現(xiàn)了近平 衡的能源消耗，但是由于除了最外面的部分之外，節(jié)點數(shù)量從外到內(nèi)成幾何倍增加，這樣帶 來的消耗是巨大的。能量感知的路由協(xié)議維護了多條路徑，同時為每一個數(shù)據(jù)包的發(fā)送選 擇其中合適的一條路徑，通過這種方式可以改善網(wǎng)絡(luò)的生存能力。但是它是十分耗能的，因 為它需要十分頻繁地交換路由信息(每次在路徑上的節(jié)點能量值改變的時候)來獲得精確 的路由量度。主動多路徑路由算法實現(xiàn)了空間能量平衡，但是實際上它是一個負載平衡機 制，這是因為它是基于“能量負擔”和“傳輸負載”被認為是相同的前提下。在實際的無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)中，除了傳輸負載外還有很多的因素導(dǎo)致了能量的負擔，例如通道感知和通道 競爭。無疑，通過多路徑散播傳輸，能量在一定程度上得到了平衡。但是它不是一個優(yōu)化的 解決方案，因為對于散播傳輸而言，對于剩余能量分布的不了解是一個很大的弊端。在其它研究中，關(guān)于平衡能量消耗的綜合設(shè)計已經(jīng)有所研究，同時其路由算法已 經(jīng)作為了一種輔助的機制。在EfthymioiuNikoletseas和Rolim的研究中，能量消耗通過選 擇一跳接一跳傳輸模式還是直接傳輸模式來達到平衡。一跳接一跳傳輸可以節(jié)省距離終端 較遠的節(jié)點的能量，而直接傳輸可以節(jié)省距離終端較近的節(jié)點的能量，由于轉(zhuǎn)發(fā)的負擔在 這種傳輸模式中得到了緩解。數(shù)據(jù)聚集的能量平衡算法(Balancing Energy Consumption to Maximize Network Lifetime inData-gathering Sensor Networks,EBDG)路由協(xié)議充分利用了基于邊緣的網(wǎng)絡(luò)劃分、混合路由和數(shù)據(jù)聚合來平衡能量消耗。下面是一些在無線傳感器網(wǎng)路中基于梯度的路由協(xié)議。它們主要分為兩大類信 息問詢路由和數(shù)據(jù)收集路由。前者是將問詢信息由終端發(fā)送到節(jié)點，而后者是將收集的數(shù) 據(jù)從節(jié)點發(fā)向終端。大部分基于梯度的信息問詢路由協(xié)議都采用物理現(xiàn)象的自然梯度，物 理量的空間分布(例如溫度測量)符合自然界的擴散法則。然而，在一些存在的局部極值 或者大型高原地區(qū)，通過自然法則實施的梯度就不能起到很好的作用了。為了去克服這些 缺點，H. J Lin等提出了一種在合適的網(wǎng)絡(luò)中，通過解決一個離散逼近的偏微分方程來計算 信息勢能的方法。這種解決方案是一種典型的調(diào)和函數(shù)，它具有很好的代數(shù)結(jié)構(gòu)和很多有 用的性質(zhì)，包括缺少局部極值的情況下。一些數(shù)據(jù)收集的路由協(xié)議也使用梯度的概念?；谔荻鹊穆酚蓞f(xié)議(Gradient Based Routing，GBR)將傳輸均勻地分配到了每一個節(jié)點上，并防止不均勻的傳輸過載。終 端廣播一條感興趣的信息到整個網(wǎng)絡(luò)。每一個節(jié)點收到這條感興趣的信息并且在信息中帶 有跳數(shù)的記錄，記載著到終端所需要的跳數(shù)。每個節(jié)點的梯度就是由跳數(shù)所決定的。跳數(shù) 梯度從節(jié)點到終端被建立起來，同時所有的消息也將順著終端的方向傳輸。事實上，GBR協(xié) 議等同于最短路徑路由，其計算梯度時僅僅將跳數(shù)考慮在內(nèi)。基于梯度的廣播協(xié)議(Gradient Broadcast, GRAB)是為了可靠性而設(shè)計的，其主 要是從每個源到接收者都要傳輸消息的多個冗余副本經(jīng)過一個交錯網(wǎng)絡(luò)。GRAB根據(jù)數(shù)據(jù) 消息中攜帶的信用值來控制帶寬，從而允許發(fā)送者調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送的可靠性。耗能場是通過 網(wǎng)絡(luò)中的廣播包來實現(xiàn)的。一個節(jié)點的耗能指的是從該節(jié)點到終端發(fā)送一個包所需消耗的 最少能量。換句話來說，GRAB采用了多路徑和耗能場來達到增強數(shù)據(jù)發(fā)送的可靠性以及實 現(xiàn)最小能量消耗的目的，但是這仍然很容易導(dǎo)致能量不平衡，甚至產(chǎn)生能量洞。除此之外， GRAB十分依賴于周期性的梯度信息的維護，這樣導(dǎo)致了高帶寬和能量消耗。狀態(tài)無關(guān)的基 于勢能場的傳輸協(xié)議(A State-Free Gradient-BasedForwarding Protocol, SGF)將 GRAB 進行了擴展，它為了能夠適應(yīng)短暫的通道和拓撲變化，采用了在多個候選節(jié)點中投機地選 擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的方式。它對于梯度的維護完全是由數(shù)據(jù)傳輸來實現(xiàn)的，因此減少了能量的消 耗。但是，投機的選擇幾乎不能保證耗能場的單調(diào)性，因此路由環(huán)路很可能無法控制。勢能和梯度的概念不僅僅應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，同時應(yīng)用于有線領(lǐng)域。舉個例子， 傳輸感知的路由算法(稱為PBTA)為采用路由數(shù)據(jù)包繞開網(wǎng)絡(luò)中擁擠的熱點的方法，改善 了端到端的延時和振動。但是，由于需要有大量的管理消耗，它沒有得到廣泛的關(guān)注。在傳 統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中為每一個發(fā)送目的地建立一個獨占的虛擬場是很昂貴的，而且在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中每一 個隨機部署的節(jié)點都能成為一些包的發(fā)送目的地。相反，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中當基于勢能 的路由協(xié)議被應(yīng)用的時候，由于整個網(wǎng)絡(luò)只有一個終端，所以這種多對一的向心型傳輸模 式僅僅需要一個混合場去維護。在另外一項工作中，受到物理學(xué)中磁學(xué)的影響，H. J.Huang 等提出了一個數(shù)據(jù)傳播機制，這種機制就是將數(shù)據(jù)包作為金屬針而終端節(jié)點作為一塊磁 石，這個過程就是金屬針被磁石吸引的過程。這個簡單的數(shù)據(jù)傳播機制僅僅能提供一個基 本的路由功能，例如通過建立一個簡單的磁場，讓指令包向終端傳播。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于勢能場的能量平衡的路由方法，以實 現(xiàn)以均勻地消耗能量來盡可能長時間地維持網(wǎng)絡(luò)連接性和網(wǎng)絡(luò)功能。(二)技術(shù)方案為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于勢能場的能量平衡的路由方法，該方法 包括步驟Si.初始化節(jié)點，設(shè)置路由狀態(tài)為正常，終端深度為0，其余節(jié)點深度為+⑴，檢測 節(jié)點自身能量并存儲在能量表中，接收來自終端或鄰居節(jié)點的信息包；S2.解析接收到的信息包，若接收到的信息包為非確認路由環(huán)路的更新信息包且 非數(shù)據(jù)包，則執(zhí)行步驟S3，若接收到的信息包為確認路由環(huán)路的更新信息包或數(shù)據(jù)包，則執(zhí) 行步驟S5 ；S3.根據(jù)接收到的所述更新信息包，更新節(jié)點自身的深度表、能量密度表及能量 表，若節(jié)點自身的深度以及能量密度沒有改變，則返回步驟S2，否則，執(zhí)行步驟S4 ；S4.廣播節(jié)點自身的更新信息包，并返回步驟S2 ；S5.根據(jù)節(jié)點自身的深度表、能量密度表及能量表，計算鄰居節(jié)點勢能差，選擇勢 能差最大的節(jié)點作為下一跳節(jié)點；S6.根據(jù)選擇的下一跳節(jié)點的深度，確認最終下一跳節(jié)點，并發(fā)送所述確認路由環(huán) 路的更新信息包或數(shù)據(jù)包至所述最終下一跳節(jié)點，并返回步驟S2。其中，所述深度表、能量密度表及能量表分別存有每個節(jié)點自身及其鄰居節(jié)點的 深度、能量密度及剩余能量信息。其中，在步驟Sl后、步驟S2之前還包括步驟若在兩個設(shè)定的最大更新間隔內(nèi)沒有收到來自鄰居節(jié)點的更新信息包，則判定對 應(yīng)的鄰居節(jié)點失效，去除節(jié)點自身的深度表、能量密度表及能量表中所述對應(yīng)的鄰居節(jié)點 的信息，并更新節(jié)點自身的能量密度。其中，在步驟Sl后，步驟S2之前還包括步驟若節(jié)點自身的能量消耗超過其剩余能量的時，檢測節(jié)點自身的剩余能量，更新 節(jié)點自身的能量信息，并執(zhí)行步驟S4。其中，在步驟S2中還包括步驟若在設(shè)定的最小更新間隔內(nèi)，接收到的信息包在緩沖區(qū)內(nèi)的隊列長度增加了緩沖 區(qū)大小的20%時，將路由狀態(tài)變?yōu)榫姝h(huán)路，啟動警告計時器，并執(zhí)行步驟S6。其中，若所述警告計時器計時超過3倍深度個設(shè)定的最大更新間隔時，關(guān)閉所述 警告計時器，將路由狀態(tài)變?yōu)檎?，并重新?zhí)行步驟S2。其中，步驟S5后、步驟S6前還包括步驟S5. 1若所述確認路由環(huán)路的更新信息包或數(shù)據(jù)包的原始地址為節(jié)點自身的ID或 者其源地址為選擇的下一跳節(jié)點ID，則關(guān)閉警告計時器，開啟發(fā)現(xiàn)環(huán)路計時器，將路由狀態(tài) 變?yōu)榘l(fā)現(xiàn)環(huán)路，并重新執(zhí)行步驟S5，否則執(zhí)行步驟S6。其中，若發(fā)現(xiàn)環(huán)路計時器超過6倍深度個設(shè)定的最大更新間隔時，關(guān)閉所述發(fā)現(xiàn) 環(huán)路計時器，將路由狀態(tài)變?yōu)檎＃⒅匦聢?zhí)行步驟S2。其中，步驟S6進一步包括S6. 1若選擇的下一跳節(jié)點的深度小于節(jié)點本身深度或其他鄰居節(jié)點深度，則執(zhí)行步驟S6. 2，否則，選擇勢能差次最大的節(jié)點作為選擇的下一跳節(jié)點，關(guān)閉發(fā)現(xiàn)環(huán)路計時器， 將路由狀態(tài)變?yōu)檎＃⒎祷夭襟ES5. 1 ； S6. 2以選擇的下一跳節(jié)點作為最終下一跳節(jié)點，發(fā)送所述確認路由環(huán)路的更新fi 息包或數(shù)據(jù)包至所述最終下一跳節(jié)點，并返回步驟S2。
權(quán)利要求
1.一種基于勢能場的能量平衡的路由方法，其特征在于，該方法包括步驟S1.初始化節(jié)點，設(shè)置路由狀態(tài)為正常，終端深度為0，其余節(jié)點深度為+⑴，檢測節(jié)點 自身能量并存儲在能量表中，接收來自終端或鄰居節(jié)點的信息包；S2.解析接收到的信息包，若接收到的信息包為非確認路由環(huán)路的更新信息包且非數(shù) 據(jù)包，則執(zhí)行步驟S3，若接收到的信息包為確認路由環(huán)路的更新信息包或數(shù)據(jù)包，則執(zhí)行步 驟S5 ；S3.根據(jù)接收到的所述更新信息包，更新節(jié)點自身的深度表、能量密度表及能量表，若 節(jié)點自身的深度以及能量密度沒有改變，則返回步驟S2，否則，執(zhí)行步驟S4 ；S4.廣播節(jié)點自身的更新信息包，并返回步驟S2;S5.根據(jù)節(jié)點自身的深度表、能量密度表及能量表，計算鄰居節(jié)點勢能差，選擇勢能差 最大的節(jié)點作為下一跳節(jié)點；S6.根據(jù)選擇的下一跳節(jié)點的深度，確認最終下一跳節(jié)點，并發(fā)送所述確認路由環(huán)路的 更新信息包或數(shù)據(jù)包至所述最終下一跳節(jié)點，并返回步驟S2。
2.如權(quán)利要求1所述的基于勢能場的能量平衡的路由方法，其特征在于，所述深度表、 能量密度表及能量表分別存有每個節(jié)點自身及其鄰居節(jié)點的深度、能量密度及剩余能量信 息。
3.如權(quán)利要求1所述的基于勢能場的能量平衡的路由方法，其特征在于，在步驟Sl后、 步驟S2之前還包括步驟若在兩個設(shè)定的最大更新間隔內(nèi)沒有收到來自鄰居節(jié)點的更新信息包，則判定對應(yīng)的 鄰居節(jié)點失效，去除節(jié)點自身的深度表、能量密度表及能量表中所述對應(yīng)的鄰居節(jié)點的信 息，并更新節(jié)點自身的能量密度。
4.如權(quán)利要求1所述的基于勢能場的能量平衡的路由方法，其特征在于，在步驟Sl后， 步驟S2之前還包括步驟若節(jié)點自身的能量消耗超過其剩余能量的時，檢測節(jié)點自身的剩余能量，更新節(jié)點 自身的能量信息，并執(zhí)行步驟S4。
5.如權(quán)利要求1所述的基于勢能場的能量平衡的路由方法，其特征在于，在步驟S2中 還包括步驟若在設(shè)定的最小更新間隔內(nèi)，接收到的信息包在緩沖區(qū)內(nèi)的隊列長度增加了緩沖區(qū)大 小的20%時，將路由狀態(tài)變?yōu)榫姝h(huán)路，啟動警告計時器，并執(zhí)行步驟S6。
6.如權(quán)利要求5所述的基于勢能場的能量平衡的路由方法，其特征在于，若所述警告 計時器計時超過3倍深度個設(shè)定的最大更新間隔時，關(guān)閉所述警告計時器，將路由狀態(tài)變 為正常，并重新執(zhí)行步驟S2。
7.如權(quán)利要求6所述的基于勢能場的能量平衡的路由方法，其特征在于，步驟S5后、步 驟S6前還包括步驟S5. 1若所述確認路由環(huán)路的更新信息包或數(shù)據(jù)包的原始地址為節(jié)點自身的ID或者其 源地址為選擇的下一跳節(jié)點ID，則關(guān)閉警告計時器，開啟發(fā)現(xiàn)環(huán)路計時器，將路由狀態(tài)變?yōu)?發(fā)現(xiàn)環(huán)路，并重新執(zhí)行步驟S5，否則執(zhí)行步驟S6。
8.如權(quán)利要求7所述的基于勢能場的能量平衡的路由方法，其特征在于，若發(fā)現(xiàn)環(huán)路 計時器超過6倍深度個設(shè)定的最大更新間隔時，關(guān)閉所述發(fā)現(xiàn)環(huán)路計時器，將路由狀態(tài)變?yōu)檎?，并重新?zhí)行步驟S2。
9.如權(quán)利要求7所述的基于勢能場的能量平衡的路由方法，其特征在于，步驟S6進一 步包括S6. 1若選擇的下一跳節(jié)點的深度小于節(jié)點本身深度或其他鄰居節(jié)點深度，則執(zhí)行步驟 S6. 2，否則，選擇勢能差次最大的節(jié)點作為選擇的下一跳節(jié)點，關(guān)閉發(fā)現(xiàn)環(huán)路計時器，將路 由狀態(tài)變?yōu)檎?，并返回步驟S5. 1 ；S6. 2以選擇的下一跳節(jié)點作為最終下一跳節(jié)點，發(fā)送所述確認路由環(huán)路的更新信息包 或數(shù)據(jù)包至所述最終下一跳節(jié)點，并返回步驟S2。
10.如權(quán)利要求1所述的基于勢能場的能量平衡的路由方法，其特征在于，步驟S3進一 步包括S3. 1若節(jié)點自身的深度大于對應(yīng)的鄰居節(jié)點的深度加1，則更新節(jié)點自身的深度信息；S3. 1若所述對應(yīng)節(jié)點的剩余能量改變，則更新節(jié)點自身的能量密度信息；S3. 3若節(jié)點自身的深度、能量密度均沒有改變，則返回步驟S2，否則執(zhí)行步驟S4。
11.如權(quán)利要求1所述的基于勢能場的能量平衡的路由方法，其特征在于，若節(jié)點在設(shè) 定的最大更新間隔內(nèi)沒有廣播自身的更新信息包，則執(zhí)行步驟S4。
12.如權(quán)利要求9所述的基于勢能場的能量平衡的路由方法，其特征在于，所述勢能差 的計算公式為Um(i, j, t) = (Ι-α-β)υ' d(i, j) + aU' ed(i，j，t) + β U' e(i，j，t)其中，Um(i，j，t)為勢能差，0彡a ^ 1,0 ^ β彡1且0彡α+β彡1，α和β分別 表明能量密度勢能場和剩余能量勢能場對于路由決定的權(quán)重，U' d(i，j)、U' e(i, j, t), U' ed(i, j，t)分別表示每單位深度勢能的勢能差、每單位剩余能量勢能的勢能差、以及每 單位能量密度勢能的勢能差，
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于勢能場的能量平衡的路由方法，該方法包括步驟S1.初始化節(jié)點；S2.若接收到的信息包為非CLP更新信息包且非數(shù)據(jù)包，則執(zhí)行步驟S3，否則，執(zhí)行步驟S5；S3.更新節(jié)點自身的深度表、能量密度表及能量表，若節(jié)點自身的深度以及能量密度沒有改變，則返回步驟S2，否則，執(zhí)行步驟S4；S4.廣播節(jié)點自身的更新信息包，返回步驟S2；S5.計算鄰居節(jié)點勢能差，選擇勢能差最大的節(jié)點作為下一跳節(jié)點；S6.確認最終下一跳節(jié)點，并發(fā)送信息包包至最終下一跳節(jié)點，返回步驟S2。本發(fā)明的方法根據(jù)可用的區(qū)域信息來動態(tài)地轉(zhuǎn)換不同的路徑，以實現(xiàn)以均勻地消耗能量來盡可能長時間地維持網(wǎng)絡(luò)連接性和網(wǎng)絡(luò)功能，且避免網(wǎng)絡(luò)劃分和能量洞。
文檔編號H04W40/10GK102076049SQ20101059643
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月10日
發(fā)明者任豐原, 何滔, 程鵬 申請人:清華大學(xué)