CN110213805B - 无线自组网络路由决策处理方法及*** - Google Patents

无线自组网络路由决策处理方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种无线自组网络路由决策处理方法及***，首先进行上电操作，保证节点之间是电连接，同时，根据节点的当前剩余能量水平，即当前电池容量剩余量，与预设阈值进行判断，预设阈值与节点的电池容量的初始量的比值为1:5，若当前剩余能量水平低于预设阈值，则不接收来自源节点发送的RREQ请求包；若当前剩余能量水平高于预设阈值，则依据当前剩余能量水平启动延时计算操作，接收来自源节点发送的RREQ请求包，并转发来自源节点发送的RREQ请求包。如此，使得能量较高的节点有较高的机会参与路由，保护了剩余能量较低的能量节点，同时使各个节点达到能量均衡，从而延长了节点及网络的使用寿命。

Description

无线自组网络路由决策处理方法及***
技术领域
本发明涉及无线自组织网络领域，特别是涉及一种无线自组网络路由决策处理方法及***。
背景技术
AODV协议是一种按需路由协议。当一个节点需要给网络中的其他节点传送信息时，如果没有到达目标节点的路由，则必须先以多播的形式发出RREQ(路由请求)报文。RREQ报文中记录着发起节点和目标节点的网络层地址，邻近节点收到RREQ，首先判断目标节点是否为自己。如果是，则向发起节点发送RREP(路由回应)；如果不是，则首先在路由表中查找是否有到达目标节点的路由，如果有，则向源节点单播RREP，否则继续转发RREQ进行查找。无线自组织网络是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。通常节点具有有限的能量供给。而AODV协议是无线自组织Ad Hoc网络中应用最广泛的一种按需路由协议。
然而，在目前的无线自组织网络中，存在某些节点因过度使用导致能量不均衡；同时，未对无线自组织网络中低能量的节点进行保护，进而导致节点过早将能量消耗殆尽，成为废弃节点，进而导致路由快速断裂；。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种能够保护低能量节点、能够延长节点的使用寿命、以及能够使各个节点达到能量均衡的无线自组网络路由决策处理方法及***。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种无线自组网络路由决策处理方法，包括：
S110、进行上电操作，以使与源节点及目的节点之间电连接；
S120、接收来自所述源节点发送的RREQ请求包；
S130、对当前剩余能量水平与预设阈值进行判断，若所述当前剩余能量水平低于所述预设阈值，则不接收来自所述源节点发送的所述RREQ请求包；若所述当前剩余能量水平高于所述预设阈值，则依据所述当前剩余能量水平启动延时计算操作，接收来自所述源节点发送的所述RREQ请求包，并转发来自所述源节点发送的所述RREQ请求包；
S140、发送所述RREQ请求包至所述目的节点；
S150、接收来自所述目的节点的RREP响应包，并转发所述RREP响应包至所述源节点。
在其中一个实施例中，在所述步骤S120之后，还具体包括如下步骤：计算所述源节点及所述目的节点发送所述RREQ请求包及所述RREP响应包所消耗的能量，以计算出所述源节点及所述目的节点的当前能量水平。
在其中一个实施例中，所述当前剩余能量水平为所述节点的当前能量水平与所述节点的初始能量的比值，所述预设阈值与所述节点的初始能量的比值为 1:5。
在其中一个实施例中，在所述步骤S150之后，还具体包括如下步骤：
接收来自所述源节点最优发射功率值；
计算与所述目的节点的之间最优发射功率值，并将与所述目的节点的之间最优发射功率值发送至所述目的节点。
在其中一个实施例中，在所述步骤S150步骤之后，还具体包括通过与所述源节点之间的最优发射功率值接收数据信息包；
通过与所述目的节点的最优发射功率值发送所述数据信息包。
一种无线自组网络路由决策处理***，包括：
上电模块，所述上电模块用于进行上电操作，以使与源节点及目的节点电连接；
接收模块，所述接收模块用于接收来自所述源节点发送的RREQ请求包，所述接收模块还用于接收来自所述目的节点的RREP响应包；
比对模块，所述比对模块用于对当前剩余能量水平与预设阈值进行判断，若所述当前剩余能量水平低于所述预设阈值，则不接收来自所述源节点发送的所述RREQ请求包，若所述当前剩余能量水平高于所述预设阈值，则依据所述当前剩余能量水平启动延时计算操作，接收来自所述源节点发送的所述RREQ 请求包，并转发来自所述源节点发送的所述RREQ请求包；
计算模块，所述计算模块用于执行依据所述当前剩余能量水平延时计算操作；
输出模块，所述输出模块用于发送所述RREQ请求包至所述目的节点，所述输出模块还用于转发所述RREP响应包至所述源节点。
在其中一个实施例中，所述计算模块还用于计算所述源节点及所述目的节点发送所述RREQ请求包及所述RREP响应包所消耗的能量，以计算出所述源节点及所述目的节点的当前能量水平。
在其中一个实施例中，所述计算模块还用于计算与所述目的节点的之间最优发射功率值。
在其中一个实施例中，所述输出模块还用于通过与所述目的节点的最优发射功率值发送所述数据信息包。
在其中一个实施例中，所述接收模块还用于通过与所述源节点之间的最优发射功率值接收数据信息包；
所述接收模块还用于接收来自所述源节点最优发射功率值。
本发明相比于现有技术的优点及有益效果如下：
本发明为一种无线自组网络路由决策处理方法及***，首先进行上电操作，保证节点之间是电连接，同时，根据节点的当前剩余能量水平，即当前电池容量剩余量，与预设阈值进行判断，预设阈值与节点的电池容量的初始量的比值为1:5，若当前剩余能量水平低于预设阈值，则不接收来自源节点发送的RREQ 请求包；若当前剩余能量水平高于预设阈值，则依据当前剩余能量水平启动延时计算操作，接收来自源节点发送的RREQ请求包，并转发来自源节点发送的 RREQ请求包。如此，使得能量较高的节点有较高的机会参与路由，保护了剩余能量较低的能量节点，同时使各个节点达到能量均衡，从而延长了节点及网络的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明一实施方式的无线自组网络路由决策处理方法步骤流程图；
图2为本发明一实施方式的计算耗能模型图；
图3为本发明一实施方式的多路衰减模型图；
图4为本发明一实施方式的节点模拟参数图；
图5为本发明一实施方式的仿真场景拓扑图；
图6为本发明一实施方式的仿真结果图；
图7为本发明一实施方式的剩余能量对比图；
图8为本发明一实施方式的无线自组网络路由决策处理***功能模块图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，一种无线自组网络路由决策处理方法，包括：
S110、进行上电操作，以使与源节点及目的节点之间电连接；
S120、接收来自源节点发送的RREQ请求包；
S130、对当前剩余能量水平与预设阈值进行判断，若当前剩余能量水平低于预设阈值，则不接收来自源节点发送的RREQ请求包；若当前剩余能量水平高于预设阈值，则依据当前剩余能量水平启动延时计算操作，接收来自源节点发送的RREQ请求包，并转发来自源节点发送的RREQ请求包；
S140、发送RREQ请求包至目的节点；
S150、接收来自目的节点的RREP响应包，并转发RREP响应包至源节点。
需要说明的是，无线传感器包括多个节点，每个节点由电池进行供能，故当前剩余能量水平指电池剩余容量，初始能量值指电池的初始容量，同时，每个节点可以是源节点、中间节点或是目的节点，根据该节点的具体需求而决定。 RREQ请求包用于广播以建立路由，目的节点收到RREQ请求包后，通过广播 RREP响应包，并按照原路返回以建立起通信节点间的路由。
需要进一步说明的是，首先对各个节点进行上电操作，以使各个节点之间电连接；接着，中间节点接收来自源节点发送的RREQ请求包，同时，对当前中间节点的电池容量剩余量与预设阈值进行判断，若当前中间节点的电池容量剩余量低于预设阈值，则该中间节点丢弃RREQ请求包，不对RREQ请求包进行转发；若当前中间节点的电池容量剩余量高于预设阈值，则对RREQ请求包进行转发，并依据当前中间节点的电池容量剩余量启动延时计算操作，其中，把当前中间节点的电池容量剩余量用e表示，延时计算操作公式为：0.01*(1-e)s，如此，通过延时计算操作，增加了其他高能量节点参与路由的机会。当目的节点成功接收RREQ请求包时，会生成RREP响应包，该RREP响应包会按照原路径返回源节点。待选取完最优路径后，源节点通过该最优路径进行数据信息包传输。
如此，上述一种无线自组网络路由决策处理方法，首先进行上电操作，保证节点之间是电连接，同时，根据节点的当前剩余能量水平，即当前电池容量剩余量，与预设阈值进行判断，预设阈值与节点的电池容量的初始量的比值为 1:5，若当前剩余能量水平低于预设阈值，则不接收来自源节点发送的RREQ请求包；若当前剩余能量水平高于预设阈值，则依据当前剩余能量水平启动延时计算操作，接收来自源节点发送的RREQ请求包，并转发来自源节点发送的 RREQ请求包。如此，使得能量较高的节点有较高的机会参与路由，保护了剩余能量较低的能量节点，同时使各个节点达到能量均衡，从而延长了节点及网络的使用寿命。
进一步地，在一实施方式中，在步骤S120之后，还具体包括如下步骤：计算源节点及目的节点发送RREQ请求包及RREP响应包所消耗的能量，以计算出源节点及目的节点的当前能量水平。
需要说明的是，请参阅图2，在计算能耗时，采用的是First Order Radio模型，如图2所示。
图2中节点接收K比特数据时所消耗能量的计算公式1为： E_recv(k)＝Eelec*k
两个相邻节点间接传送K比特数据所消耗的能量的计算公式2为： E_Trans(k,d,γ)＝Eelec*k+Eamp*k*dγ
其中Eelec为电路上发送或接收1个比特数据所消耗的能量；Eamp为扩大器上发送1个比特数据所消耗的能量；d为发送节点与接收节点的距离；γ是路径损耗系数。根据公式1、2，两个距离为d的节点之间传输k比特数据所消耗的总能量的公式3为：k*(2*Eelec+Eamp*dγ)，下式为公式3的推到过程。
Etotal(k,d,γ)＝E_recv(k)+E_Trans(k,d,γ)
＝Eelec*k+Eamp*k*dγ+Eelec*k
＝k*(2*Eelec+Eamp*dγ)
进一步地，在一实施方式中，当前剩余能量水平为节点的当前能量水平与节点的初始能量的比值，预设阈值与节点的初始能量的比值为1:5。
需要说明的是，预设阈值为电池容量初始量的20％。
进一步地，在一实施方式中，在步骤S150之后，还具体包括如下步骤：接收来自所述源节点最优发射功率值；计算与所述目的节点的之间最优发射功率值，并将与所述目的节点的之间最优发射功率值发送至所述目的节点。
需要说明的是，在实际的无线信道中，信号的接收功率衰减为传输距离的幂函数关系，并且与传播模型相关，目前通常选择双地面反射模型，如公式4：
Figure RE-GDA0002110254320000071
公式5：
Figure RE-GDA0002110254320000072
公式4中Pt为发送端发出无线信号时的功率值，即信号发射功率，Pr为接收端收到来自发送端的无线信号的功率值，即信号接收功率。Gt、Gr分别是发射天线和接收天线增益，对于两个固定的节点来说这两个值都是常量。L是与传播无关的***损耗因子，Lamda为无线电波的波长。ht、hr分别是发送节点的发射天线高度和接收节点的接收天线的高度。d为发送端与接收端之间的距离。进一步地，为方便说明算法和模型的最优发射功率，假设节点的最大传输距离为 R1，当收发节点间的距离小于某一门阀值r1时，采用自由空间模型(k*d^2)，大于等于门阀值r1时，采用多路衰减模式(k*d^4)，如图3所示。
再进一步地，传播消耗的能量与距离的4次幂成比例，依据公式4推导出公式6：
Figure RE-GDA0002110254320000073
同时，为使接收端能够顺利接收，要求接收端的接收功率大于接收灵敏度PRXThresh，将公式6的d(i,j) 4代入下式得到公式7：
Figure RE-GDA0002110254320000081
如此，节点i和节点j进行通信所需要的最优发射功率即可由节点i处的发射功率与节点j的接收功率表得到，这是一种网络层与物理层结合的跨层设计思路，可有效避免了距离测量问题，也无需地理位置辅助信。通过计算出最优发射功率，能够进一步降低电池容量的消耗。
进一步地，在一实施方式中，在步骤S150步骤之后，还具体包括通过与源节点之间的最优发射功率接收数据信息包；通过与目的节点的最优发射功率发送数据信息包。
需要说明的是，当选择了最优数据传输路径时，源节点通过最优数据传输路径将数据信息包传输至目的节点。
在进一步地，本发明是在AODV协议的基础下，作出改进，并通过NS2网络仿真软件对改进后的协议与传统的AODV协议做性能比较。例如，本发明构建的仿真场景，节点的个数为25个，仿真拓扑为400m*400m，仿真时间为800s，采用CBR流，CBR流为一种固定采样率的压缩方式，请求包大小为512字节，每秒发送1、2、5、10、12.5及25个。如图3#1的持续时间为0～100s，#2的持续时间为100～200s、…、#8的持续时间为700～800s，其它节点的模拟参数请参照图4。
如此，请参阅图5，通过改变CBR流的发送频率，对图5进行了多次仿真和比较，结果如图6所示，图7为剩余能量对比图。从图6的结果可以看出， improved-AODV为经过改进后的协议，由于improved-AODV采用中间节点的剩余能量水平对RREQ请求包进行了控制性转发，其端对端平均延时(图6(a))、平均跳数(图6(b))相对于传统的AODV较高，随着CBR发送的频率增加，从图6中的图(c)中可以体现，其归一化路由开销减小，且吞吐量有所提高。从图7可以看出，仿真结束后，节点的剩余能量较传统的AODV协议有较大的提升，进而延长了网络的生命周期，从而达到节能的目的，在保证较低延时和较高吞吐量的同时，较大幅度的减少了节点的能量消耗水平。
请参照图8，一种无线自组网络路由决策处理***10，包括：上电模块100、接收模块200、比对模块300、计算模块400及输出模块500。
上电模块100用于进行上电操作，以使与源节点及目的节点电连接；
接收模块200用于接收来自源节点发送的RREQ请求包，接收模块还用于接收来自目的节点的RREP响应包；
比对模块300用于对当前剩余能量水平与预设阈值进行判断，若当前剩余能量水平低于预设阈值，则不接收来自源节点发送的RREQ请求包，若当前剩余能量水平高于预设阈值，则依据当前剩余能量水平启动延时计算操作，接收来自源节点发送的RREQ请求包，并转发来自源节点发送的RREQ请求包；
计算模块400用于执行依据当前剩余能量水平延时计算操作；
输出模块500用于发送RREQ请求包至目的节点，输出模块还用于转发 RREP响应包至源节点。
如此，上述一种无线自组网络路由决策处理***，首先上电模块100进行上电操作，保证节点之间是电连接，同时，比对模块300通过根据节点的当前剩余能量水平，即当前电池容量剩余量，与预设阈值进行判断，预设阈值与节点的电池容量的初始量的比值为1:5，若当前剩余能量水平低于预设阈值，则不接收来自源节点发送的RREQ请求包；若当前剩余能量水平高于预设阈值，则依据当前剩余能量水平启动延时计算操作，接收来自源节点发送的RREQ请求包，并转发来自源节点发送的RREQ请求包。如此，使得能量较高的节点有较高的机会参与路由，保护了剩余能量较低的能量节点，同时使各个节点达到能量均衡，从而延长了节点及网络的使用寿命。
进一步地，在一实施方式中，计算模块400还用于计算源节点及目的节点发送RREQ请求包及RREP响应包所消耗的能量，以计算出源节点及目的节点的当前能量水平。
进一步地，在一实施方式中，计算模块400还用于计算与所述目的节点的之间最优发射功率值。
进一步地，在一实施方式中，输出模块500还用于通过与目的节点的最优发射功率值发送数据信息包。
进一步地，在一实施方式中，接收模块200还用于通过与源节点之间的最优发射功率值接收数据信息包；以及接收来自所述源节点最优发射功率值。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
上述无线自组网络路由决策处理方法及***，首先进行上电操作，保证节点之间是电连接，同时，根据节点的当前剩余能量水平，即当前电池容量剩余量，与预设阈值进行判断，预设阈值与节点的电池容量的初始量的比值为1:5，若当前剩余能量水平低于预设阈值，则不接收来自源节点发送的RREQ请求包；若当前剩余能量水平高于预设阈值，则依据当前剩余能量水平启动延时计算操作，接收来自源节点发送的RREQ请求包，并转发来自源节点发送的RREQ请求包。如此，使得能量较高的节点有较高的机会参与路由，保护了剩余能量较低的能量节点，同时是各个节点达到能量均衡，从而延长了节点及网络的使用寿命。
以上所述实施方式仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种无线自组网络路由决策处理方法，其特征在于，包括：
S110、进行上电操作，以使与源节点及目的节点之间电连接；
S120、接收来自所述源节点发送的RREQ请求包；
S130、对当前剩余能量水平与预设阈值进行判断，若所述当前剩余能量水平低于所述预设阈值，则不接收来自所述源节点发送的所述RREQ请求包；若所述当前剩余能量水平高于所述预设阈值，则依据所述当前剩余能量水平启动延时计算操作，接收来自所述源节点发送的所述RREQ请求包，并转发来自所述源节点发送的所述RREQ请求包；
S140、发送所述RREQ请求包至所述目的节点；
S150、接收来自所述目的节点的RREP响应包，并转发所述RREP响应包至所述源节点，接收来自所述源节点最优发射功率值，计算与所述目的节点的之间最优发射功率值，并将与所述目的节点的之间最优发射功率值发送至所述目的节点；通过与所述源节点之间的最优发射功率值接收数据信息包；通过与所述目的节点的最优发射功率值发送所述数据信息包。
2.根据权利要求1所述的无线自组网络路由决策处理方法，其特征在于，在所述步骤S120之后，还具体包括如下步骤：计算所述源节点及所述目的节点发送所述RREQ请求包及所述RREP响应包所消耗的能量，以计算出所述源节点及所述目的节点的当前能量水平。
3.根据权利要求1所述的无线自组网络路由决策处理方法，其特征在于，所述当前剩余能量水平为所述节点的当前能量水平与所述节点的初始能量的比值，所述预设阈值与所述节点的初始能量的比值为1:5。
4.一种无线自组网络路由决策处理***，其特征在于，包括：
上电模块，所述上电模块用于进行上电操作，以使与源节点及目的节点电连接；
接收模块，所述接收模块用于接收来自所述源节点发送的RREQ请求包，所述接收模块还用于接收来自所述目的节点的RREP响应包所述接收模块还用于通过与所述源节点之间的最优发射功率值接收数据信息包，所述接收模块还用于接收来自所述源节点最优发射功率值；
比对模块，所述比对模块用于对当前剩余能量水平与预设阈值进行判断，若所述当前剩余能量水平低于所述预设阈值，则不接收来自所述源节点发送的所述RREQ请求包，若所述当前剩余能量水平高于所述预设阈值，则依据所述当前剩余能量水平启动延时计算操作，接收来自所述源节点发送的所述RREQ请求包，并转发来自所述源节点发送的所述RREQ请求包；
计算模块，所述计算模块用于执行依据所述当前剩余能量水平延时计算操作，所述计算模块还用于计算与所述目的节点的之间最优发射功率值；
输出模块，所述输出模块用于发送所述RREQ请求包至所述目的节点，所述输出模块还用于转发所述RREP响应包至所述源节点；所述输出模块还用于通过与所述目的节点的最优发射功率值发送所述数据信息包。
5.根据权利要求4所述的无线自组网络路由决策处理***，其特征在于，所述计算模块还用于计算所述源节点及所述目的节点发送所述RREQ请求包及所述RREP响应包所消耗的能量，以计算出所述源节点及所述目的节点的当前能量水平。
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