CN103458441B - 无线网络中基于能效的路由优化方法 - Google Patents

Abstract

一种无线网络中基于能效的路由优化方法，通过在不同的传输速率和传输功率下，基于能量效率，根据每一个环节损失概率进行优先级决定以确定最佳传输速率和传输功率的链路。本发明不仅结合了速率传输，也考虑了发射功率。当采用本发明路由选择度量，每个无线传感器节点决定最佳的接收节点（或接收节点）的最佳的传输速率和最佳的发送功率。

Description

无线网络中基于能效的路由优化方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线互联网技术领域的方法，具体是一种用于多跳无线网络的多路径路由选择衡量方法。

背景技术

在过去的十年中，无线传感器网络中的速度控制问题已得到了深入的研究，研究人员主要集中在整个无线传感器网络的吞吐量最大化，希望在无线传感器网络中的发送节点的速度工作在最大速率，并使整个网络达到最大吞吐量。发送节点总是要求发送高速率数据和高成功概率的传输，因此做到速率和质量之间的权衡，以达到最佳的效果和结果。

考虑每个无线传感器节点的能量缺乏，寻找高效和省电的方法来传输数据的问题是非常重要的。传输速率和传输功率是在学习无线传感器网络中两个最重要的因素。研究人员在无线传感器网络中寻找不同的方式来研究的问题。他们针对在无线传感器网络中当前存在的问题提出一些建议解决方案，，以及提出新的路由协议，尝试提出新的路由度量和其他研究无线传感网络方法来提高吞吐量或降低能耗。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种无线网络中基于能效的路由优化方法，不仅结合了速率传输，也考虑了发射功率。当采用本发明路由选择度量，每个无线传感器节点决定最佳的接收节点(或接收节点)的最佳的传输速率和最佳的发送功率。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明在不同的传输速率和传输功率下，基于能量效率，根据每一个环节损失概率进行优先级决定(PriorityDecision)以确定最佳传输速率和传输功率的链路。

所述的能量效率，即预期传输能源效率(ETEE)，具体是指：其中：THR代表网络的吞吐量，p表示的发送功率。

所述的最佳传输速率和传输功率的链路通过以下方式确定：

步骤1)每一跳的发送节点，根据所有可能接收到其发出数据包的接收节点和接收节点与发送节点之间的距离进行优先级的设置，对所有接收节点进行优先级排序并向所有接收节点发布优先级排序表；

步骤2)发送节点向所有接收节点确认转发集以及接收节点的下一轮转发时间，然后发送节点向网络内所有节点发送缓存的数据包：

当收到RTS数据包的节点不在接收节点集合中时，该节点忽略所接收到的数据包；当节点收到数据包，并且在转发集里，在知道发送所需等待时间T1之内，应重新计算发送集，将RTS数据包和业务数据包发送到下一个接收节点。

步骤3)因为每个节点都设置了不同的优先级，在上述T1等待时间中，当节点接收到RTS数据包中指示具有更高优先级的节点已成功将数据包发送到下一个接收节点，那么这个节点将取消发送任务；只有当较高优先级的节点数据包发送失败的情况下，该节点才有机会发送数据包。

在步骤1)设置优先级时，需要将节点添加到集合N，需要检查所有的节点集合V，对于集合V中每一个节点，需要检查每次传输速率和发射功率是否支持，这些存储在集合R_support和集合P_support。

在步骤2)发送节点向下一个节点发送数据包时，对于每一个节点的速率r和功率p，应从节点i组进行计算测量值，找到所有的传输速率和所有的发送功率电平中最小的一个；当测量值最小的节点i被发现，将比较和查找的集合V中的所有节点测量值中最小的一个，这个最小的测量值将被添加到的集合Q和相应的节点被添加到集合N中。相应的传输速率被加入到集合R和对应的发送功率被加入到集合P中。重复该过程，并重复执行，直到没有节点在集合V中。

技术效果

本发明与现有技术相比，其显著优点有：大多数路由度量只需要考虑如何最大限度地发挥了网络的吞吐量，其中大部分是关于传输速率，提出了一种新的无线传感器网络路由度量ETEE，把传输速率和发送功率一起组合作为测量的能量效率。在设置的25个无线传感器节点的仿真网络中，发现能源效率的ETEE(ExpectedTransmissionEnergyEfficiency，预期传输能量效率)高出48％左右比EATT(ExpectedAnypathTransmissionTime预期的任何路径传输时间)之一，虽然吞吐量EATT高出约25％比ETEE之一。

附图说明

图1为实施例1中传统的路由示意图。

图2为实施例2中机会主义路由示意图。

图3为实施例3中EATT和ETEE的能源效率图。

图4为实施例3中EATT和ETEE的吞吐量图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下实施方式包括：基于传统路由的ETEE、基于机会路由的ETEE、基于25个节点的EATT和ETEE仿真结果。

实施例1

基于传统路由的预期传输能量效率

在传统路由中传输数据包时，路径、传输速率、发送功率是预先计算和决定好的。这些仅仅是一个接收者需要来决定每一跳。

当一个数据包被发送，从源节点到目的地节点在节点1,节点2,节点3,…,节点n，计算出吞吐量为： $THR=\frac{L}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{t}_i}=\frac{L}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\frac{L}{r_i*(1-{\mathrm{probloss}}_i^{r_{i,}{p}_i})}}=\frac{1}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\frac{1}{r_i*(1-{\mathrm{probloss}}_i^{r_{i,}{p}_i})}},$ 其中：THR代表整个传输的吞吐量，L表示一个数据包的长度，t_i多链路i的传输时间，r_i表示链路i的传输率，分别代表当传输率为r_i和功率为p_i时节点i损失概率。

无线传感网络的吞吐量和每一跳的丢失概率和每一跳的丢失概率的相关，同时也和每一跳的传输速率和传输功率的相关。

根据能量效率(EE)为 $EE=\frac{THR}{p}=\frac{L}{E}=\frac{L}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{p}_i*t_i}=\frac{1}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\frac{p_i}{r_i*(1-{\mathrm{probloss}}_i^{r_i,p_i})}},$ 其中：EE表示能量效率，p表示整体的发送功率，E代表发送一个数据包的整体能源成本，p_i表示当传输超过节点i时使用的发射功率。

将提供路由实例来区别以吞吐量作为测量值和使用能量效率作为测量值。

表1为根据不同的传输功率和不同的传输速率下显示的如图1所示传统路由的损失概率的信息：

当ETT使用路由度量，2Mbps和100瓦特的将被选择作为最佳的传输速率和最佳的发送功率。然而，当ETEE(传统的路由)使用路由度量，2Mbps和80瓦特将被选择为最佳的传输速率和最佳的发送功率。

实施例2

基于机会路由的预期传输能量效率

本实施例中将改进的使用机会路由的度量。传统的路由由一个接受者预先来决定的每一跳，其他已经收到数据包节点不管如何接近目标将忽略接收到这数据包。

举一个例子，展示机会路由是如何工作的。

表2为如图2所示的机会主义路由的损失概率的信息

链路名	链路损耗概率
		链路A,B(介于节点A以及节点B)	20％
链路A,C(介于节点A以及节点C)	30％
		链路B,C(介于节点B以及节点C)	15％
链路B,E(介于节点B以及节点E)	40％
		链路C,D(介于节点C以及节点D)	45％
链路D,E(介于节点D以及节点E)	30％
		链路B,D(介于节点B以及节点D)	60％
链路C,E(介于节点C以及节点E)	70％3 -->
		链路E,F(介于节点E以及节点F)	15％
链路D,F(介于节点D以及节点F)	10％

选择一个节点作为目标节点，所有节点的排序条件的优先级顺序中，并命名为节点1，节点2，...，节点n；假设节点n是源节点，则吞吐量的计算方法为：

$THR=\frac{L}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{t}_i}=\frac{L}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n(\frac{L}{r_i*(1-{\Π}_{j\∈F_i}{\mathrm{probloss}}_j^{r_{i,}{p}_i})}+T_{wait})}\≈\frac{1}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\frac{1}{r_i*(1-{\Π}_{j\∈F_i}{\mathrm{probloss}}_j^{r_{i,}{p}_i})}},$ 其中：F_i代表节点i的转发组，T_wait代表等待更高优先级转发的数据包的节点的时间，相比转发数据包的时间，这个时间太短，忽略不计。

当机会路由被使用时，从节点i的转发设置所有节点的转发集产生的丢失概率被用来计算，能量效率(EE)被计算为： $EE=\frac{THR}{p}=\frac{L}{E}=\frac{L}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{p}_i*t_i}=\frac{1}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\frac{p_i}{r_i*(1-{\Π}_{j\∈F_i}{\mathrm{probloss}}_j^{r_i,p_i})}},$ 可见在计算的吞吐量和能量效率时，机会主义路由和传统路由之间的差异。这个差异是由每一跳的数目的接收节点产生。当使用传统路由时，选择只有一个节点作为接收节点的每一跳。当机会路由被使用时，每一跳过程中，有一个作为潜在接收者选择的节点集。不仅仅是特定的节点，每一跳的发送节点只需要成功发送数据分组到转发集。转发集的丢失概率比选择一个特定的节点低得多，从而导致更高的每一跳的成功概率和对整个网络的更高的吞吐量。

实施例3

基于25个节点的预期的任何路径传输时间和预期传输能量效率仿真结果

在OPNET仿真软件中，设置了25个节点相同的节点模型，相同的结构和固定的位置。25个节点的空间为100千米*100千米。

在图3中，能量的效率EATTETEE表明。能源效率EATT显示在蓝色，显示红色和ETEE之一。图3ETEE的能源效率总是高于一个，表示使用ETEE路由选择度量，无线传感器网络的能源效率的ETEE始终是高于能量效率使用EATT时的路由度量。

然而，因为目的是最大限度地提高了无线传感器网络的能源效率，以使功耗更有价值的和有意义的，ETEE路由度量将减少发射功率电平，在需要的时候，这必将增加丢失概率相同的传输速率和相同的传输距离。在传输相同的速率，丢失的概率增加时，通过对无线传感器网络的传输速率肯定减小了，导致能量效率增加。

此结果在图4展示，在图4中展示了EATT和ETEE的速率。EATT用蓝色显示和ETEE用红色显示。从图4中很容易地发现，EATT速率总是高于ETEE。这个结果是非常合理的，因为EATT是机会路由和ETT(ExpectedTransmissionTime，预期传输时间)的组合，这使得EATT在无线传感器网络中实现了吞吐量最大化。

但更注重无线传感器网络中功耗和吞吐量之间的平衡。功耗能直接决定的无线传感器节点的生存。由于每个无线传感器节点的能量是非常有限的，难以充电，不应该只尽量保持无线传感器网络具有高吞吐量，但同时使功耗更有价值和有意义的。从仿真中，发现，能源效率的ETEE比EATT高出48％左右，虽然吞吐量EATT比ETEE高出约25％。

Claims (1)

1.一种无线网络中基于能效的路由优化方法，其特征在于，在不同的传输速率和传输功率下，基于能量效率，根据每一个环节损失概率进行优先级决定以确定最佳传输速率和传输功率的链路；

所述的能量效率，即预期传输能源效率，具体是指：其中：THR代表网络的吞吐量，p表示的发送功率；

当基于传统路由时， $THR\frac{L}{{\Σ}_{i=1}^n{t}_i}=\frac{L}{{\Σ}_{i=1}^n\frac{L}{r_i*(1-{\mathrm{probloss}}_i^{r_i,p_i})}}=\frac{1}{{\Σ}_{i=1}^n\frac{1}{r_i*(1-{\mathrm{probloss}}_i^{r_i,p_i})}},$ 其中：THR代表整个传输的吞吐量，L表示一个数据包的长度，t_i多链路i的传输时间，r_i表示链路i的传输率，分别代表当传输率为r_i和功率为p_i时节点i损失概率；

当基于机会路由时， $THR\frac{L}{{\Σ}_{i=1}^n{t}_i}=\frac{L}{{\Σ}_{i=1}^n(\frac{L}{r_i*(1-{\Π}_{j\∈F_i}{\mathrm{probloss}}_i^{r_i,p_i})}+T_{wait})}=\frac{1}{{\Σ}_{i=1}^n\frac{1}{r_i*(1-{\Π}_{j\∈F_i}{\mathrm{probloss}}_i^{r_i,p_i})}},$ 其中：F_i代表节点i的转发组，T_wait代表等待更高优先级转发的数据包的节点的时间，相比转发数据包的时间，这个时间太短，忽略不计，L表示一个数据包的长度，t_i多链路i的传输时间，r_i表示链路i的传输率，分别代表当传输率为r_i和功率为p_i时节点j损失概率；

所述的最佳传输速率和传输功率的链路通过以下方式确定：

步骤1)每一跳的发送节点，根据所有可能接收到其发出数据包的接收节点和接收节点与发送节点之间的距离进行优先级的设置，对所有接收节点进行优先级排序并向所有接收节点发布优先级排序表；

在设置优先级时，需要将节点添加到集合N，需要检查所有的节点集合V，对于集合V中每一个节点，需要检查每次传输速率和发射功率是否支持，这些存储在集合R_support和集合P_support；

步骤2)发送节点向所有接收节点确认转发集以及接收节点的下一轮转发时间，然后发送节点向网络内所有节点发送缓存的数据包：

当收到RTS数据包的节点不在接收节点集合中时，该节点忽略所接收到的数据包；当节点收到数据包，并且在转发集里，在知道发送所需等待时间T1之内，应重新计算发送集，将RTS数据包和业务数据包发送到下一个接收节点；

在发送节点向下一个节点发送数据包时，对于每一个节点的速率r和功率p，应从节点i组进行计算测量值，找到所有的传输速率和所有的发送功率电平中最小的一个；当测量值最小的节点i被发现，将比较和查找的集合V中的所有节点测量值中最小的一个，这个最小的测量值将被添加到集合Q，相应的节点被添加到集合N中，相应的传输速率被加入到集合R和对应的发送功率被加入到集合P中，重复该过程，并重复执行，直到没有节点在集合V中；

所述的测量值为吞吐量或能量效率；

步骤3)因为每个节点都设置了不同的优先级，在上述T1等待时间中，当节点接收到RTS数据包中指示具有更高优先级的节点已成功将数据包发送到下一个接收节点，那么这个节点将取消发送任务；只有当较高优先级的节点数据包发送失败的情况下，该节点才有机会发送数据包。