專利名稱：一種基于隨機(jī)行走的能量高效型無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于隨機(jī)行走的能量高效型無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制。該機(jī)制主要用于在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中使數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)以更大概率選擇能量較充沛且傳輸開銷較低的節(jié)點(diǎn)成為下一跳節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到節(jié)約、均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗，并提高網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性的目的。
背景技術(shù)：
近些年來(lái)，無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)(無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)等)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并取得了迅猛的發(fā)展。在這一領(lǐng)域的諸多研究方向中，盡可能的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)工作壽命成為無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè) 計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。由于在實(shí)際應(yīng)用中，受到成本和體積等因素的限制，無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)其處理能力、無(wú)線帶寬和電池容量通常十分有限，而節(jié)點(diǎn)的能量在大多數(shù)的情況下卻是無(wú)法得到補(bǔ)充的。如，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)往往被部署在人們難以到達(dá)的地區(qū)以代替人對(duì)該區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，傳感器節(jié)點(diǎn)通常配備能量有限的電池。一旦電池耗盡，節(jié)點(diǎn)將無(wú)法工作，其采集的數(shù)據(jù)可能會(huì)丟失。而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中眾多節(jié)點(diǎn)因電池耗盡而失效時(shí)，實(shí)際即宣告了網(wǎng)絡(luò)工作壽命的終結(jié)。在諸如環(huán)境監(jiān)測(cè)等諸多應(yīng)用領(lǐng)域中，提高網(wǎng)絡(luò)的工作壽命常常成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)中首要關(guān)鍵的問(wèn)題。如何在保證網(wǎng)絡(luò)性能甚至少量犧牲非關(guān)鍵性能的同時(shí)最大限度地節(jié)約并均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，已成為研究的一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題。隨機(jī)行走，顧名思義，是指一種依靠隨機(jī)移動(dòng)來(lái)形成移動(dòng)軌跡的方法。隨機(jī)行走的思想已被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、物理、生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)及心理學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域的研究并取得了很多成果。同樣地，將隨機(jī)行走的思想與無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議設(shè)計(jì)相結(jié)合，也已轉(zhuǎn)化成了許多有意義的工作。其中，在無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的設(shè)計(jì)中采用隨機(jī)行走的思想尤其得到了研究人員的關(guān)注。隨機(jī)行走路由，即使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在路由時(shí)隨機(jī)選擇傳輸?shù)南乱惶?jié)點(diǎn)。顯而易見，這一方法有利于分?jǐn)偩W(wǎng)絡(luò)負(fù)載從而均衡網(wǎng)絡(luò)能耗。圍繞如何在路由中更好運(yùn)用隨機(jī)行走思想以均衡網(wǎng)絡(luò)能耗這一問(wèn)題已展開了很多的相關(guān)工作。盡管隨機(jī)行走方式不可避免的在較大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中可能帶來(lái)更高的端到端延遲，但在許多延遲不敏感的應(yīng)用中，它的簡(jiǎn)單高效使其成為一種極佳的選擇。同時(shí)，隨機(jī)行走路由還能夠極大地提高網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的容錯(cuò)性，這在鏈路時(shí)變的無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中是一項(xiàng)極為可貴的增益。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的一種基于隨機(jī)行走的能量高效型路由機(jī)制。本發(fā)明的技術(shù)方案的主要思想是在無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)不需維護(hù)固定端到端路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而是通過(guò)逐跳隨機(jī)行走的方式，以一定概率選擇某個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)分組的下一跳節(jié)點(diǎn)，該發(fā)送概率以其鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量及發(fā)送數(shù)據(jù)給該鄰居所需發(fā)射功率的大小所決定。收到數(shù)據(jù)分組的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行這一過(guò)程。通過(guò)這種機(jī)制，可以減少每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯牟⒕夤?jié)點(diǎn)間的負(fù)載，同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性。


圖1能量信息表結(jié)構(gòu)示意圖。圖2實(shí)例網(wǎng)絡(luò)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。本發(fā)明是無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中的一種基于隨機(jī)行走的能量高效型路由機(jī)制。節(jié)點(diǎn)依靠·以剩余能量和通信開銷為依據(jù)而確定的概率來(lái)隨機(jī)選擇數(shù)據(jù)發(fā)送的下一跳節(jié)點(diǎn)，以達(dá)到節(jié)約并均衡網(wǎng)絡(luò)能耗、提高網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性的目的。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，并不建立固定的端到端路由，而是通過(guò)隨機(jī)行走的方式，以一定概率選擇鄰居節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)南乱惶?jié)點(diǎn)。具體而言節(jié)點(diǎn)通過(guò)在一跳范圍內(nèi)周期性與鄰居節(jié)點(diǎn)交換HELLO分組，得知各鄰居的剩余能量情況以及成功發(fā)送數(shù)據(jù)給各鄰居節(jié)點(diǎn)所需的最低發(fā)射功率；之后，剩余能量較多且通信開銷較小(需較低的發(fā)射功率)的鄰居節(jié)點(diǎn)將有更高的概率被選擇為傳輸?shù)南乱惶?jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)將始終采取這種隨機(jī)行走的方式進(jìn)行逐跳(hop-by-hop)數(shù)據(jù)傳輸，直到發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的目的節(jié)點(diǎn)是自己的鄰居時(shí)，才將數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。如果一個(gè)分組行走的累積路徑長(zhǎng)度已經(jīng)超過(guò)給定門限(如超過(guò)預(yù)定的跳數(shù))，則意味著網(wǎng)絡(luò)中可能不存在從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑，這時(shí)最后收到該分組的節(jié)點(diǎn)丟棄該分組，不再做任何其他處理。一跳范圍內(nèi)的能量信息交互—跳范圍內(nèi)的能量信息交互包含兩個(gè)方面一、節(jié)點(diǎn)在一跳范圍內(nèi)廣播包含自身剩余能量情況的HELLO報(bào)文，從而使鄰居節(jié)點(diǎn)可以獲知自己的剩余能量情況。二、節(jié)點(diǎn)以最大發(fā)射功率發(fā)送HELLO報(bào)文，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在收到HELLO報(bào)文的同時(shí)，根據(jù)接收到信號(hào)的能量大小，藉由無(wú)線傳輸模型(propagation model)計(jì)算出與各鄰居節(jié)點(diǎn)通信所需的最小發(fā)射功率。節(jié)點(diǎn)間交換HELLO報(bào)文的周期Thell。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是否具有移動(dòng)性而選擇不同的值。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性時(shí)，節(jié)點(diǎn)間的鄰居關(guān)系常常因節(jié)點(diǎn)移動(dòng)而改變，因此Thell。應(yīng)選擇一個(gè)較小的值，以適應(yīng)時(shí)變的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。?dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不具有移動(dòng)性時(shí)，Thell?？蛇x擇一個(gè)較大的值，從而減少因交換HELLO報(bào)文而帶來(lái)的傳輸開銷。在通過(guò)HELLO報(bào)文獲得鄰居的能量信息后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將維護(hù)一個(gè)鄰居能量信息表。表內(nèi)包含各個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)ID及其對(duì)應(yīng)的剩余能量情況和發(fā)送節(jié)點(diǎn)與其通信所需的發(fā)射功率值，如圖1所示。確定下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇概率當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)(如S)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它將采用隨機(jī)行走的方式，以一定概率選擇某個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)南乱惶?jié)點(diǎn)。該概率值的確定考慮了鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量、以及節(jié)點(diǎn)S與該鄰居節(jié)點(diǎn)通信所需發(fā)射功率。 轉(zhuǎn)發(fā)概率計(jì)算方法如下
設(shè)Ri為節(jié)點(diǎn)i的剩余能量比例，Ei節(jié)點(diǎn)i的剩余能量實(shí)際值，E0為節(jié)點(diǎn)i的初始
能量值
權(quán)利要求
1.一種基于隨機(jī)行走的能量高效型無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制，其特征在于在無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，存在以下三種情況。第一種情況，如果它是數(shù)據(jù)目的節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)，則直接將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)；否則，執(zhí)行第二種情況，如果該分組行走的累積路徑長(zhǎng)度已經(jīng)超過(guò)給定門限(如超過(guò)預(yù)定的跳數(shù))，則意味著網(wǎng)絡(luò)中可能不存在從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑，這時(shí)該節(jié)點(diǎn)丟棄該分組，不再做任何其他處理；否則，執(zhí)行第三種情況，該節(jié)點(diǎn)通過(guò)逐跳隨機(jī)行走的分組轉(zhuǎn)發(fā)方式，以一定概率選擇某個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)南乱惶?jié)點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)行走的能量高效型無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制，其特征在于為了解鄰居節(jié)點(diǎn)的能量情況，必須在一跳內(nèi)進(jìn)行能量信息的交互。該交互包含兩個(gè)方面內(nèi)容，一是節(jié)點(diǎn)在一跳范圍內(nèi)廣播包含自身剩余能量情況的HELLO報(bào)文，從而使鄰居節(jié)點(diǎn)可以獲知自己的剩余能量情況。二是節(jié)點(diǎn)以最大發(fā)射功率發(fā)送HELLO報(bào)文，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在收到HELLO報(bào)文的同時(shí)，根據(jù)接收到的能量大小，藉由無(wú)線傳輸模型計(jì)算出與各鄰居節(jié)點(diǎn)通信所需的最小發(fā)射功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)行走的能量高效型無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制，其特征在于，所述第三種情況中，對(duì)于當(dāng)前數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，對(duì)于其某鄰居節(jié)點(diǎn)i，其轉(zhuǎn)發(fā)概率Si的計(jì) s RiP,算公式為1 一乞R p ’其中Ri為節(jié)點(diǎn)i自網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行至今的剩余能量比例，Pi = Pmax/Pnrad，Pmax M為節(jié)點(diǎn)的最大發(fā)射功率，Pmral為當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)i所需的最小發(fā)射功率，η為當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)行走的能量高效型無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制，其特征在于利用概率來(lái)隨機(jī)選擇下一跳節(jié)點(diǎn)的方法是發(fā)送節(jié)點(diǎn)生成一個(gè)數(shù)列ImJ，以鄰居節(jié)點(diǎn)被選擇成為下一跳節(jié)點(diǎn)的概率為依據(jù)，按比例分配數(shù)列{mk}中的數(shù)給各個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)；然后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)從{mk}中隨機(jī)選出一個(gè)數(shù),通過(guò)判斷該數(shù)被分配給了哪個(gè)節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)地選擇該節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)傳輸?shù)南乱惶?jié)點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明屬于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于隨機(jī)行走的能量高效型無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制。該機(jī)制主要用于在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中使數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)以更大概率選擇能量較充沛且傳輸開銷較低的節(jié)點(diǎn)成為下一跳節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到節(jié)約、均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗，提高網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性的目的。具體方法是當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，并不建立固定的路由，而是通過(guò)隨機(jī)行走的方式，以一定概率選擇某個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)南乱惶?jié)點(diǎn)，該概率以鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量多少及發(fā)送數(shù)據(jù)給該鄰居所需發(fā)射功率的大小所決定。
文檔編號(hào)H04W40/10GK103002536SQ20111027188
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月14日
發(fā)明者郝潔, 焦臻楨, 姚鄭 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院研究生院