CN103607748A - 一种基于节点生存期的最大生存期路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于节点生存期的最大生存期路由方法，包括如下步骤：将整个网络利用赋权图G(V，E)表示，其中，节点对(s，d)∈V分别为待通信的源节点和目的节点，π(v)为节点对(s，d)的路由中间节点v的父节点，以节点u的生存期作为中间结点u、v边e(u，v)的权值；选取目标节点集D，选取节点集V-D中节点加入节点集D，直到节点d被选取，其中，每次选取加入到目标节点集D的节点都应满足，其生存期应满足在所有能连接到D的节点中为最大，本发明通过直接参考节点的生存期来形成最大生存期路由，使节点间数据传送量进一步提升，延长了网络生命期，并引入能量控制技术，从而在没有明显增加资源负荷的基础上提高了能量效率。

Description

一种基于节点生存期的最大生存期路由方法

技术领域

本发明涉及无线自组网络的路由控制协议，特别是涉及一种基于节点生存期的最大生存期路由方法。

背景技术

目前对Ad hoc网络的研究主要集中在基本路由协议上，MANET研究组提出的许多协议草案，比如单播路由协议DSR、AODV、ZRP和多播路由协议AMRIS、AMRoute等，而在无线多播中大部分路由协议是基于树状的，但多播树的结构非常脆弱，并且当连接改变时它必须进行调整，进一步来说，多播树总是需要一个全局的路由子结构如链路状态或距离向量。路由向量或链路状态的频繁改变产生拓扑结构的频繁变化，最终产生大量开销和信道负载。

由于无线网的广播特性，使得自组网中的多播有着独特的优势，打破了有线网络中多播建立在单播基础之上的定律，可以独立地更有效地解决多播路由问题。常见的多播协议有MAODV，AMRIS，AMRoute、ODMRP、CAMP等。最大化节省能量，提高能量效率一直以来就是无线自主网络（Ad hoc）致力解决的关键问题。基于Ad hoc网络供电电池的特性，目前在与Ad hoc有关的研究领域，也产生了一些与提高路由生存期为目标的路由协议，它们主要是通过极小化节点用于路径搜索的时间来降低能量消耗，而这也是节点能量使用效率低下的主要原因所在。基于能量效率的典型路由算法有建立在最小电池能量总和基础上的MBCR和MMBCR算法；基于预测生命期的LPR算法；以及考虑一个现实应用中电子模型影响，然后设计出路由协议算法等。这些算法都以提高电池能量效率、延长网络生存期为目标。

对于基于能量效率的算法，MBCR和MMBCR算法执行时，总是在所有可能的路由选择中，尝试避免那些拥有最少电池能量的节点，从而可能会导致每个节点电池能量的公正使用问题。而对于LPR，每个节点都会根据最近的若干次使用对剩余能量的使用次数进行评估和预测，结果显示这种方式优于那种只依据剩余能量进行路由决策的算法。此外，还有凭借剩余电池能量作为评估依据来动态选择最佳路由；这种路由每一步都通过最佳路由抉择来提高这个算法支撑的数据流量。

众所周知，无线网络中，数据传输是能量耗费最大的工作。这时算法思想就是希望通过减少传送能量来延长网络生存时间。然而，上述路由协议一般都以最大能量发送传送数据，导致数据发送能量成本非常高。若改为随机的小能量传送数据，又可能会出现数据中途丢失而导致要重传的情况，从而消耗更多的能量。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种基于节点生存期的最大生存期路由方法，其通过直接参考节点的生存期来形成最大生存期路由，使节点间的数据传送量进一步提升，延长了网络生命期；在选取路由下一跳节点的过程中，考虑节点剩余能量及可能的生命期，引入能量控制技术，从而在没有明显增加资源负荷的基础上极大的提高了能量效率，延长整个网络的生命周期。

为达上述及其它目的，本发明提出一种基于节点生存期的最大生存期路由方法，包括如下步骤：

步骤一，将整个网络利用赋权图G(V,E)表示，其中，节点对(s,d)∈V分别为待通信的源节点和目的节点，π(v)为节点对(s,d)的路由中间节点v的父节点，以节点u的生存期作为中间结点u、v边e(u,v)的权值；

步骤二，选取目标节点集D，选取节点集V-D中节点加入节点集D，直到节点d被选取，其中，每次选取加入到目标节点集D的节点都应满足，其生存期应满足在所有能连接到D的节点中为最大。

进一步地，在步骤二中，目标节点集D初始只包含源节点s。

进一步地，节点u的生存期采用如下表示：

T(u)=Ru/p(u,v)

其中，T(u)为节点u的生存期，Ru为节点的剩余能量；而p(u,v)为节点（u,v）间通信将耗费的单位能量。

进一步地，在步骤二后，还包括利用动态能量分配算法为选取的路由计算最佳的传送能耗的步骤。

进一步地，计算最佳传送能耗的步骤包括如下步骤：

若在节点对(u,v)传送一个分组，计算节点u需重传该分组的次数的期望值E(x)；

根据节点u需重传该分组的次数的期望值E(x)获得重传总能耗，优化传送分组能耗使其最小以获得链路(u,v)的最佳通信能量p(u,v)。

进一步地，节点u需重传该分组的次数的期望值E(x)为：

$E\left(x\right)=\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}k\·\mathrm{Pr}\left(k\right)=\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}k\·{\left({\mathrm{\ϵ}}_{u,v}\left(p\right)\right)}^{k-1}\·(1-{\mathrm{\ϵ}}_{u,v}\left(p\right))=\frac{1}{1-{\mathrm{\ϵ}}_{u,v}\left(p\right)}$

其中，ε_u,v(p)为分组丢失率，k为分组重传次数，Pr(k)为k次完成分组重传的概率。

进一步地，所述重传总能耗为：p(u,v)/(1-ε_u,v(p))，其中p(u,v)为链路(u,v)的最佳通信能量。

进一步地，所述最佳通信能量p(u,v)位于P_threshold×PL与P_max之间，其中P_max为节点u广播控制分组的最大能量，P_threshold为节点u的信号接收阈值，PL为链路(u,v)上的路径损耗能量。

进一步地，所述链路(u,v)上的路径损耗能量PL=P_max/P_rev，其中，P_rev为节点u收到来自节点v的信号强度。

进一步地，所述网络为Ad hoc网络。

与现有技术相比，本发明一种基于节点生存期的最大生存期路由方法通过直接参考节点的生存期来形成最大生存期路由，使节点间的数据传送量进一步提升，延长了网络生命期；同时在选取路由下一跳节点的过程中，考虑节点剩余能量及可能的生命期，引入能量控制技术，从而在没有明显增加资源负荷的基础上极大的提高了能量效率，延长整个网络的生命周期。

附图说明

图1为本发明一种基于节点生存期的最大生存期路由方法的步骤流程图；

图2为本发明较佳实施例中为选取的路由计算最佳传送能耗的步骤流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

在介绍本发明之前，先对本发明中所使用的名词及符号作一规定及定义。

一、相关规定与假设

a.网络中的任何节点，可以不同的能量来传送数据，最大值用Pmax表示。

b.p(u,v)表示节点u和节点v通信的能量耗费，其大小能动态改变。

c.整个Ad hoc网络用图G(V,E)表示。其中，V表示网络中的节点集，E表示边集，可网络中可直连节点间的通信链路。

d.节点u的初始满能量为Fu；某时刻的剩余能量为Ru。

为了简化问题复杂性，假设：节点在进行通信时，数据发送承担了所有的能量耗费，而数据接收过程的能耗忽略不计。

二、生存期定义

现有多数基于极大生存期的路由协议都以节点剩余能量作为自身的成本度量。而本发明把自身成本直接建立于节点的生存期。假设节点u与v通信，则节点u的生存期可以如下表示：

T(u)=Ru/p(u,v)      (1)

这里，Ru为节点的剩余能量；而p(u,v)为节点（u,v）间通信将耗费的单位能量。

无线网络中，一旦某节点因能量耗尽而失效，则与此节点相关的路由都将失效。从而，一条路由的生存期实际决定于此路由中节点能量最少的节点。假定存在某条源s到目的d的路由L=(s,v0,v1,…vk,d)，则路由L的生存期表示如下：

$T\left(L\right)=\underset{v_i\∈L}{\min }\left\{T\left(v_i\right)\right\}---\left(2\right)$

极大化网络生存期的目的是为了尽量多的传送数据分组。当网络生存期越长，则其通信量就越大。因此，网络生存期实际上可由在有限能量的前提下，其传送的最大数据分组数来表示。

图1为本发明一种基于节点生存期的最大生存期路由方法的步骤流程图。如图1所示，本发明一种基于节点生存期的最大生存期路由方法，应用于Ad hoc网络，包括如下步骤：

步骤101，将整个Ad hoc网络利用赋权图G(V,E)表示，其中，节点对(s,d)(∈V)分别为待通信的源节点和目的节点，π(v)为节点对(s,d)的路由中间节点v的父节点，以节点u的生存期作为中间结点u、v边e(u,v)的权值。

步骤102，选取目标节点集D，目标节点集D初始只包含源节点s，选取节点集V-D中节点加入节点集D，直到节点d被选取。每次选取加入到D的节点都应满足，其权值(即生存期)应满足在所有能连接到D的节点中，其是最大。

在本发明较佳实施例中，本发明之基于节点生存期的最大生存期路由方法用伪码语言描述如下：

定理：设L是图G中节点对(s,d)间的一条通过本发明得出的路由，则存在于图G中该节点对的任何其它可能路由L′，有T(L)≥T(L')成立。

证明：用反证法，假设图G中另存一条节点对(s,d)间的路由L′，使得T(L)＜T(L')成立。不妨设T(L)＝w(u,v),则有：

$T\left(L\right)=\left\{\underset{v_i\∈L}{\min }T\left(v_i\right)\right\}=w(u,v)=R_u/p(u,v)---\left(3\right)$

成立。则节点u必然是路由L中的最小生存期节点。

设存在路由L=(s,…,u,v,…,d)和L′=(s,v₀,v₁,…v_n,d)。其中v_i是路由L′中的节点,并且，从节点v_i开始，路由L′不同于路由L，从而有L=(s,v₀,v₁,…v_i-1,u,v,…,d)成立。据生存期定义，有T(L')≤w(v_i-1,v_i)成立。从而，根据前期假设T(L)＜T(L')，能得到：w(v_i-1,v_i)＞w(u,v)。从而，通过本发明，节点u加入节点集D后，存在根据本发明，继节点u之后，加入节点集D的应该是节点v_i。此外，因为路径（v_i+1,v_i+2,…,v_n,d）的每个权值均大于w(u,v)，节点v_i+1,v_i+2,…,v_n均应在节点v之前加入节点集D中，从而，通过本发明得到的路由应该是L′而不是L，与假设矛盾，结论得证。

现存多数路由协议，传输数据时，节点总是尽最大能量传输，从而导致能耗较大。而若节点随机的改以低能耗传输数据，又可能会导致需大能耗传送的数据中途丢失。因而，针对不同数据传送能耗需求，以合适的能量传送对每条通信链路的生存期都非常重要。本发明在路由发现阶段，就将同时为最终的路由的每条链路计算最佳的传送能耗。因此，较佳的，本发明在步骤102后，还包括利用动态能量分配算法为选取的路由计算最佳的传送能耗的步骤。

图2为本发明较佳实施例中为选取的路由计算最佳传送能耗的步骤流程图。具体地说，为选取最大生存期路由，根据生存期定义T(u)=Ru/p(u,v)，剩余能量Ru是可测量并广播得到的，则需要利用动态能量分配算法(DPA)以期获取最佳（u,v）间通信将耗费的单位能量p(u,v)，如图2所示，其步骤如下：

步骤201，若在节点对(u,v)传送一个分组，计算节点u需重传该分组的次数的期望值E(x)。

若在节点对(u,v)传送一个分组的能耗为p(u,v)。不妨设，其分组丢失率为ε_u,v(p)。则节点u在成功把该分组传送给节点v所需重传该分组的次数应服从参数为ε_u,v(p)的几何分布。则有：

Pr(k)＝(1-ε_u,v(p))(ε_u,v(p))^k-1    (4)

k:分组重传次数

则节点u需重传某个分组的次数x的期望E(x)表示如下：

$E\left(x\right)=\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}k\·\mathrm{Pr}\left(k\right)=\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}k\·(1-{\mathrm{\ϵ}}_{u,v}\left(p\right))\·{\left({\mathrm{\ϵ}}_{u,v}\left(p\right)\right)}^{k-1}=\frac{1}{1-{\mathrm{\ϵ}}_{u,v}\left(p\right)}---\left(5\right)$

步骤202，根据节点u需重传该分组的次数的期望值E(x)获得重传总能耗，优化传送分组能耗使其最小以获得链路(u,v)的最佳通信能量p(u,v)。

根据期望值E（x），重传总能耗为：p(u,v)/(1-ε_u,v(p))，优化传送分组能耗使该值极小。

具体地，选取某个节点以最大能量P_max广播“控制分组”，现假设节点u收到来自节点v的信号强度为P_rev，信噪比为SINR_rev的控制分组。节点u的信号接收阈值为P_threshold。设链路(u,v)上的路径损耗能量为PL。则最佳通信能量p(u,v)应该是位于P_threshold×PL与P_max之间。路径能耗可以通过P_rev与P_max计算得到。具体过程如下：

现有多数基于极大生存期的路由协议都以节点剩余能量作为自身的成本度量，而本发明把自身成本直接建立于节点的生存期。无线网中，一旦某节点因能量耗尽而失效，则与此节点相关的路由都将失效。从而，一条路由的生存期实际决定于此路由中节点能量最少的节点。依据此原理，本发明在选择路由节点时，会综合考虑节点当前的剩余能量及预测在此剩余能量的基础上的节点生存期，然后选出能够使路由生存期极大化的节点作为下一跳节点。从而，路由生存期得到了延展，网络生存期也能够有效延长。

进行数据传送时，多数现存路由协议都是以最大现有能量发送传送数据，导致数据发送能量成本非常高，而效率低下的情况。同时，若改为随机的小能量传送数据，又可能会出现发送能量不足，数据中途丢失而导致要重传的情况，从而消耗更多的能量。因此，最好的方式，就是根据数据实际的传送距离来动态提供所需的最小能量，从而达到有效降低每次数据传送的能耗的目的。本发明在发送数据前通过能量分配算法给节点动态分配数据发送能量，从而提高了能量使用效率，延长了节点生存时间。

综上所述，本发明一种基于节点生存期的最大生存期路由方法通过直接参考节点的生存期来形成最大生存期路由，使节点间的数据传送量进一步提升，延长了网络生命期；同时在选取路由下一跳节点的过程中，考虑节点剩余能量及可能的生命期，引入能量控制技术，从而在没有明显增加资源负荷的基础上极大的提高了能量效率，延长整个网络的生命周期。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)极大化路由寿命：从路由初始状态到由于节点能耗过大导致路由出现断裂的这段时间。本发明能够保证足够长的路由寿命。

可通过路由过程中综合考虑路由下一跳节点的剩余能量及此能量基础上的节点生存期老极大化路由自身的生存期。故而提高数据传送量，使得网内分割现象推迟，从而整个网络的寿命得以延长。实验也能证明：采用本发明时，网络的寿命比采用MBCR或LPR算法更长。

(2)能耗：动态调整传输始数据包所需的能量。可通过能量控制技术，传输数据包的节点可以根据接收节点的距离来调整传送数据所需的能量，从而达到有效降低能量消耗的目的。

多数现存路由协议都是以最大能量发送传送数据，导致数据发送能量成本非常高。同时，若改为随机的小能量传送数据，又可能会出现数据中途丢失而导致要重传的情况，从而消耗更多的能量。因此，最好的方式，就是根据数据实际的传送距离来动态提供所需的最小能量，从而达到有效降低每次数据传送的能耗的目的。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种基于节点生存期的最大生存期路由方法，包括如下步骤：

步骤一，将整个网络利用赋权图G(V,E)表示，其中，节点对(s,d)∈V分别为待通信的源节点和目的节点，π(v)为节点对(s,d)的路由中间节点v的父节点，以节点u的生存期作为中间结点u、v边e(u,v)的权值；

步骤二，选取目标节点集D，选取节点集V-D中节点加入节点集D，直到节点d被选取，其中，每次选取加入到目标节点集D的节点都应满足，其生存期应满足在所有能连接到D的节点中为最大。

2.如权利要求1所述的一种基于节点生存期的最大生存期路由方法，其特征在于：在步骤二中，目标节点集D初始只包含源节点s。

3.如权利要求2所述的一种基于节点生存期的最大生存期路由方法，其特征在于，节点u的生存期采用如下表示：

T(u)=Ru/p(u,v)

其中，T(u)为节点u的生存期，Ru为节点的剩余能量；而p(u,v)为节点（u,v）间通信将耗费的单位能量。

4.如权利要求2所述的一种基于节点生存期的最大生存期路由方法，其特征在于：在步骤二后，还包括利用动态能量分配算法为选取的路由计算最佳的传送能耗的步骤。

5.如权利要求4所述的一种基于节点生存期的最大生存期路由方法，其特征在于，计算最佳传送能耗的步骤包括如下步骤：

若在节点对(u,v)传送一个分组，计算节点u需重传该分组的次数的期望值E(x)；

根据节点u需重传该分组的次数的期望值E(x)获得重传总能耗，优化传送分组能耗使其最小以获得链路(u,v)的最佳通信能量p(u,v)。

6.如权利要求5所述的一种基于节点生存期的最大生存期路由方法，其特征在于，节点u需重传该分组的次数的期望值E(x)为：

$E\left(x\right)=\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}k\·\mathrm{Pr}\left(k\right)=\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}k\·{\left({\mathrm{\ϵ}}_{u,v}\left(p\right)\right)}^{k-1}\·(1-{\mathrm{\ϵ}}_{u,v}\left(p\right))=\frac{1}{1-{\mathrm{\ϵ}}_{u,v}\left(p\right)}$

其中，ε_u,v(p)为分组丢失率，k为分组重传次数，Pr(k)为k次完成分组重传的概率。

7.如权利要求6所述的一种基于节点生存期的最大生存期路由方法，其特征在于，所述重传总能耗为：p(u,v)/(1-ε_u,v(p))，其中p(u,v)为链路(u,v)的最佳通信能量。

8.如权利要求7所述的一种基于节点生存期的最大生存期路由方法，其特征在于：所述最佳通信能量p(u,v)位于P_threshold×PL与P_max之间，其中P_max为节点u广播控制分组的最大能量，P_threshold为节点u的信号接收阈值，PL为链路(u,v)上的路径损耗能量。

9.如权利要求8所述的一种基于节点生存期的最大生存期路由方法，其特征在于：所述链路(u,v)上的路径损耗能量PL=P_max/P_rev，其中，P_rev为节点u收到来自节点v的信号强度。

10.如权利要求1所述的一种基于节点生存期的最大生存期路由方法，其特征在于：所述网络为Ad hoc网络。

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