專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，尤其涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由方法及系統(tǒng)。背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用影響到日常生活中的方方面面。在許多應(yīng)用中，無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感節(jié)點是移動的。例如，野外監(jiān)控、環(huán)境勘探、或者把傳感器裝備到動物 身上進(jìn)行跟蹤監(jiān)測。在移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于信道衰減、屏蔽、干擾、節(jié)點失效或移動等因素使 得連接斷裂頻繁發(fā)生。一旦連接斷裂，必須立刻進(jìn)行重新路由或者替換路由。否則，就會出 現(xiàn)分組丟失和很大的延遲。因此路徑的魯棒性成為移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計的關(guān)鍵， 一方面要保證路徑上的連接不易斷裂，更重要的是在連接斷裂時，可以以較小的代價繞過 斷裂連接，高效恢復(fù)路徑，使分組繼續(xù)按著路由路徑轉(zhuǎn)發(fā)。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的另一特點就是傳感器計算、存儲、通信能力受限，特別是能量 有限，因此路由的方法不能過于復(fù)雜而導(dǎo)致開銷過大，節(jié)約能耗提高傳感器節(jié)點壽命是一 個不得不考慮的問題。雖然有許多不同的針對移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議被提出，然 而對路徑的魯棒性考慮的并不充分，大多并不考慮傳感器節(jié)點頻繁移動的情況，對于路徑 的恢復(fù)也使用傳統(tǒng)的重新路由，尋找另一條到達(dá)目標(biāo)節(jié)點的路徑，這勢必會帶來巨大的開 銷和較低的路由性能。它們都不適合于高動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌绕洳贿m合能量與計算能力都 受限的移動傳感器節(jié)點。因此，快速路徑恢復(fù)、高效使用能量以及高魯棒性便成為在移動無 線傳感網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計路由協(xié)議的主要目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容提供一種減少能量消耗、快速適應(yīng)拓?fù)渥兓臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由方法及系 統(tǒng)。技術(shù)方案如下—種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由方法，包括以下步驟S1.從指定節(jié)點接收廣播消息， 該廣播消息包括由兩個以上指定節(jié)點構(gòu)成的指定路徑；S2.若本節(jié)點的鄰居節(jié)點中包含 至少兩個所述指定節(jié)點，則本節(jié)點作為保護節(jié)點與所述指定路徑組成魯棒路徑；S3.本保 護節(jié)點協(xié)同所述指定節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)分組。一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由系統(tǒng)，包括分組接收模塊，從指定節(jié)點接收廣播消 息，該廣播消息包括由兩個以上指定節(jié)點構(gòu)成的指定路徑；保護節(jié)點決策模塊，本節(jié)點的鄰 居節(jié)點中包含至少兩個所述指定節(jié)點，則本節(jié)點作為保護節(jié)點與所述指定路徑組成魯棒路 徑；協(xié)同模塊，本保護節(jié)點協(xié)同所述指定節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)分組。上述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由方法和系統(tǒng)，保護節(jié)點是根據(jù)從指定節(jié)點獲得的指定 路徑分組確定的，當(dāng)指定路徑上的一個指定節(jié)點移動，該指定節(jié)點的保護節(jié)點集將隨之變 化，能夠以較小的開銷實時更新，快速建立一條新魯棒路徑適應(yīng)拓?fù)渥兓?；此外，由于避?br> 4了從不穩(wěn)定或失效的連接上重新傳遞，節(jié)省了能源消耗。
圖1是一種實施方式中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由方法的流程圖；圖2是魯棒路徑組成的示意圖；圖3是保護節(jié)點協(xié)同所述指定節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)分組的示意圖；圖4是等效回退時間示意圖；圖5是補救回退時間示意圖；圖6是等效節(jié)點分布區(qū)域示意圖；圖7是補救節(jié)點分布區(qū)域示意圖；圖8是一種實施方式中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖9是節(jié)點移動對路由性能影響仿真的分組成功投遞率圖；圖10是節(jié)點移動對路由性能影響仿真的端到端時延圖；圖11是節(jié)點移動對路由性能影響仿真的能量消耗圖；圖12是在節(jié)點最大速率為lOm/s情況下，連接錯誤率對路由性能影響仿真的分組 成功投遞率圖；圖13是在節(jié)點最大速率為lOm/s情況下，連接錯誤率對路由性能影響仿真的端到 端時延圖；圖14是在節(jié)點最大速率為lOm/s情況下，連接錯誤率對路由性能影響仿真的能量 消耗圖。
具體實施方式以下結(jié)合具體實施方式
和附圖做出詳細(xì)描述。一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由方法，如圖1所示，包括以下步驟100.從指定節(jié)點接收廣播消息，該廣播消息包括由兩個以上指定節(jié)點構(gòu)成的指 定路徑(intended path)；廣播消息可以是控制信息或數(shù)據(jù)分組；指定路徑信息可以是局 部的指定路徑消息，也可以整體的指定路徑消息。本步驟包括110.在起始節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點建立指定路徑，指定路徑上的每個節(jié)點稱為指定節(jié)占.
^ \\\ 120.作為優(yōu)選，本實施方式中，每個指定節(jié)點廣播局部的指定路徑消息，局部的指 定路徑消息包括起始節(jié)點、目標(biāo)節(jié)點、當(dāng)前節(jié)點ID以及它的上位節(jié)點和下位節(jié)點。起始節(jié) 點和目標(biāo)節(jié)點用來識別一條指定路徑。130.本節(jié)點接收所述局部的指定路徑消息。200.若所述指定路徑中有至少兩個指定節(jié)點是本節(jié)點的鄰居節(jié)點，則本節(jié)點作為 保護節(jié)點與所述指定路徑組成魯棒路徑；圖2顯示了一條節(jié)點s和節(jié)點d作為起始節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點的魯棒路徑，其中指定 路徑是節(jié)點s—>節(jié)點1一〉節(jié)點2—〉節(jié)點d，其上的每個節(jié)點都是指定節(jié)點，節(jié)點3、節(jié)點 4、節(jié)點5都鄰近指定路徑，并作為保護節(jié)點與指定路徑一同組成魯棒路徑。魯棒路徑上所有節(jié)點都有指定路徑的局部信息，這些節(jié)點間的協(xié)作可以加快對路徑失效的反應(yīng)，因為他 們可以使用既有信息進(jìn)行恢復(fù)。以節(jié)點1和節(jié)點2為例說明魯棒路徑的組成過程。節(jié)點1廣播其所在指定路徑的局部指定路徑消息起始節(jié)點為s，目標(biāo)節(jié)點為d，節(jié) 點ID為1，上位節(jié)點s，下位節(jié)點2。節(jié)點1傳輸范圍內(nèi)的節(jié)點3、節(jié)點4、節(jié)點5接收到該消 肩、o同時，節(jié)點2廣播消息起始節(jié)點為s，目標(biāo)節(jié)點為d，節(jié)點ID為2，上位節(jié)點1，下 位節(jié)點d。位于節(jié)點2的傳輸范圍內(nèi)的節(jié)點3、節(jié)點4和節(jié)點5也接收到該廣播消息。假設(shè)所有節(jié)點都有相同的傳輸范圍，由于無線介質(zhì)的傳播特性，發(fā)送節(jié)點的相鄰 節(jié)點都可以接收到分組，這叫做無線廣播優(yōu)(Wireless BroadcastAdvantage)，節(jié)點3、節(jié)點 4、節(jié)點5比較監(jiān)聽到節(jié)點1和節(jié)點2發(fā)出的廣播消息，發(fā)現(xiàn)節(jié)點1、節(jié)點2同為一條指定路 徑上的節(jié)點，節(jié)點1是節(jié)點2的上位節(jié)點，因此，節(jié)點3、節(jié)點4、節(jié)點5作為指定路徑的保護 節(jié)點，節(jié)點3、節(jié)點4、節(jié)點5同節(jié)點1、節(jié)點2之間的連接組成魯棒連接，它們在此路徑上的 下一跳為節(jié)點2。如果一個節(jié)點屬于幾條魯棒路徑，它對每條路徑保存一個記錄。300.本保護節(jié)點協(xié)同所述指定節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)分組。保護節(jié)點有等效節(jié)點(equivalent node)和補救節(jié)點兩種方式第一種方式是等效節(jié)點若間隔至少兩跳的兩個指定節(jié)點之間的路徑斷裂，且該 兩個指定節(jié)點都是本保護節(jié)點的鄰居節(jié)點，則本保護節(jié)點作為等效節(jié)點代替所述斷裂的路 徑完成所述兩個指定節(jié)點間分組的傳遞。以下結(jié)合實施例進(jìn)行詳細(xì)描述。首先在起始節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點之間已近建立一條指 定路徑，如圖2所示，節(jié)點1、節(jié)點2和節(jié)點d是該指定路徑中的指定節(jié)點，節(jié)點1要發(fā)送一 個分組到節(jié)點d，通過的指定路徑是節(jié)點1一〉節(jié)點2—〉節(jié)點d。較之圖2，圖3中的節(jié)點 4移動出了節(jié)點1的傳輸范圍，所以當(dāng)節(jié)點1發(fā)送分組到節(jié)點2時，只有節(jié)點3和節(jié)點5接 收到分組。節(jié)點1和節(jié)點2都是指定節(jié)點、同時又都是節(jié)點5的鄰居節(jié)點，所以節(jié)點5是等效 節(jié)點，當(dāng)間隔兩跳的指定節(jié)點1和指定節(jié)點d之間的路徑斷裂，即指定節(jié)點2失效不能正確 接收分組，在重新路由或是丟棄分組之前，不必再通過不可靠甚至是已斷裂的連接節(jié)點1一 >節(jié)點2來重傳分組，而是用節(jié)點5作為等效節(jié)點替代節(jié)點2傳輸分組給節(jié)點d。通過等效 節(jié)點可以最快地回到指定路徑上。當(dāng)兩個指定節(jié)點的間隔超過兩跳，首選最靠近目標(biāo)節(jié)點的保護節(jié)點作為等效節(jié) 點，靠近目標(biāo)節(jié)點的量度可以通過廣播消息中的指定路徑來確定。第二種方式是補救節(jié)點所述魯棒路徑中的一個指定節(jié)點或者保護節(jié)點未能收到 上位指定節(jié)點的分組，且該上位指定節(jié)點與所述指定節(jié)點或者保護節(jié)點都是本保護節(jié)點的 鄰居節(jié)點，則本保護節(jié)點作為補救節(jié)點將接收到的所述分組發(fā)送至所述指定節(jié)點或者保護 節(jié)點。該方式又可拆分為以下兩種實施例A.結(jié)合圖3，所述魯棒路徑中的一個指定節(jié)點(節(jié)點2)未能收到上位指定節(jié)點 (節(jié)點1)的分組，且該上位指定節(jié)點(節(jié)點1)與所述指定節(jié)點(節(jié)點2)都是本保護節(jié)點 (節(jié)點3)的鄰居節(jié)點，則本保護節(jié)點(節(jié)點3)作為補救節(jié)點將接收到的所述分組發(fā)送至所 述指定節(jié)點(節(jié)點2)。B.結(jié)合圖3，所述魯棒路徑中的一個保護節(jié)點(節(jié)點5)未能收到上位指定節(jié)點
6(節(jié)點1)的分組，且該上位指定節(jié)點(節(jié)點1)與所述保護節(jié)點(節(jié)點5)都是本保護節(jié)點 (節(jié)點3)的鄰居節(jié)點，則本保護節(jié)點(節(jié)點3)作為補救節(jié)點將接收到的所述分組發(fā)送至所 述保護節(jié)點(節(jié)點5)。從該實施例可以看出，作為優(yōu)化，等效節(jié)點優(yōu)先于補救節(jié)點。補救節(jié)點就是，當(dāng)一個指定節(jié)點沒有接收到來自其上位指定節(jié)點發(fā)送的分組，成 功接收了分組保護節(jié)點將不需要等待路由指令(重新路由)而發(fā)送該分組給下位節(jié)點；如 果下位節(jié)點(路徑上兩條以外的節(jié)點)可達(dá)，則把分組發(fā)送給它；否則，發(fā)送給另一個保護 節(jié)點。所有保護連接和期望連接同時失效的概率是要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于期望連接失效的概率的。 因此，保護節(jié)點可以提高路徑可靠性，減少端到端時延。雖然保護節(jié)點的代價是要消耗能源 進(jìn)行監(jiān)聽，由于可以避免從不穩(wěn)定或是失效的連接上重傳分組，這些節(jié)省的能源節(jié)約又抵 消了監(jiān)聽帶來的能源消耗，所以，保護節(jié)點之間相互協(xié)同增加路徑魯棒性，同時還能減少能
量消耗。保護節(jié)點需要指定路徑的局部信息，這帶來了魯棒路徑的另外一個優(yōu)點，S卩，快速 適應(yīng)拓?fù)渥兓?。?dāng)指定路徑上的一個指定節(jié)點移動，該指定節(jié)點的保護節(jié)點集將隨之變化。 因此，在移動無線網(wǎng)絡(luò)中，有效的保護節(jié)點集也是動態(tài)的。較之傳統(tǒng)路由，本無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)的路由方法可以以較小的開銷實時更新自動建立一條新魯棒路徑?；诒Ｗo節(jié)點可以分為兩種等效節(jié)點和補救節(jié)點兩種不同的策略和行為，在優(yōu)選 的實施方式中，規(guī)定等效節(jié)點的優(yōu)先于補救節(jié)點，即圖3中的節(jié)點2未能把節(jié)點1發(fā)送的分 組轉(zhuǎn)發(fā)出時，首選等效節(jié)點(節(jié)點5)轉(zhuǎn)發(fā)出去；若等效節(jié)點沒能轉(zhuǎn)發(fā)出去，則通過補救節(jié)點 (節(jié)點3)發(fā)送。以下結(jié)合媒體訪問控制(Media Access Control, MAC)層協(xié)議具體說明轉(zhuǎn)發(fā)過 程。MAC層協(xié)議使用IEEE 802. 11MAC層協(xié)議的修改版本，請求發(fā)送/允許發(fā)送(Request To Send/Clear To Send，RTS/CTS)協(xié)議也與IEEE 802. 11的相同，見圖4，當(dāng)完成數(shù)據(jù)傳輸 (DATA)后，發(fā)送節(jié)點(sender)等待一個確認(rèn)字符(ACK)。如果下位指定節(jié)點(receiver) 成功接收了該分組，它在一個優(yōu)先級幀間隔(Short interframe spacing, SIFS)后回復(fù)一 個ACK消息；否則信道在這個SIFS時間間隔中沒有消息，保護節(jié)點發(fā)現(xiàn)指定路徑失效，它發(fā) 送一個ACK給發(fā)送節(jié)點，然后作為等效節(jié)點繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)分組(這一點是不同于IEEE802. 11MAC 層協(xié)議的)。但是，因為載波偵聽距離通常大于傳輸距離的兩倍，比如，在NS2中，載波偵聽距 離默認(rèn)是傳輸距離的2. 2倍，ACK可以被其他保護節(jié)點探測或監(jiān)聽到，因此有可能多個保護 節(jié)點都是等效節(jié)點。為了解決這個問題減少潛在的沖突，引入了等效回退時間(back off time)，表示做Tb。^，見圖4，每個保護節(jié)點等待一個等效回退時間后回復(fù)發(fā)送節(jié)點，很明顯， 等效回退時間最短的保護節(jié)點首先回復(fù)ACK。一旦正在計數(shù)回退時間的保護節(jié)點監(jiān)聽到 ACK即停止競爭回復(fù)，這樣，選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的過程就結(jié)束了。隊來表示等效節(jié)點集，等效回 退時間 Tb。e,m 由下列公式表示Yb。e,m = SIFS+TeVmPm，for node m G Ne
D其中，& = —TT-，Te是等效節(jié)點的回退窗口。
上 對于節(jié)點m與失效指定節(jié)點的下位節(jié)點之間的連接，Dm是該連接分組傳遞的時延， Effl是該連接的傳遞錯誤率。
為了更好適應(yīng)節(jié)點移動的動態(tài)環(huán)境，Vm表示對下位指定節(jié)點的相對運動，它的取 值是一種綜合的考慮。即是一個規(guī)格化的相對移動速度的平均值，取值01，1]。如 果取零值，多個靜止節(jié)點會等待相同的回退時間SIFS，這會導(dǎo)致沖突。因此Vm被規(guī)格化在 W.01，l]。Vm用于預(yù)測節(jié)點的穩(wěn)定性。一個快速移動的節(jié)點會導(dǎo)致連接不穩(wěn)定。一個節(jié)點 的值為零或是很小表明該連接在進(jìn)行傳輸時斷裂的可能性小。可靠性Em表示連接的衰減和屏蔽情況。連接時延指通過該連接轉(zhuǎn)發(fā)一個分組的 時延，是一個經(jīng)驗均值。它也表示該區(qū)域的通信負(fù)載狀況。負(fù)載較重說明該連接上正在進(jìn) 行多個任務(wù)，因此出現(xiàn)較長的連接時延?？紤]上述兩個因素，選擇擁有任務(wù)較少可靠性較高 的連接的節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。等效回退時間不會超過SIFS+T6。如果經(jīng)過I；沒有監(jiān)聽到ACK消息，表示沒有等效節(jié)點可以使用，此時，優(yōu)先級低于 等效節(jié)點的補救節(jié)點開始競爭。補救節(jié)點是指定節(jié)點和其下位指定的共有鄰居，或是指定 節(jié)點和等效節(jié)點的共同鄰居。如果一個指定節(jié)點未能正確接收到分組，分組可以繞開該指 定節(jié)點而通過補救節(jié)點。分組到達(dá)補救節(jié)點，再通過下一跳的指定節(jié)點或是等效節(jié)點重新 回到指定路徑上的下位節(jié)點。對于轉(zhuǎn)發(fā)分組，補救節(jié)點的優(yōu)先權(quán)小于等效節(jié)點。見圖5，如果在第一階段沒有等效節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)分組，則開始第二階段補救節(jié)點的競 爭。第一階段，只有等效節(jié)點參與。在開始第二階段之前，所有補救節(jié)點已經(jīng)經(jīng)過一個等效 回退時間??；。凡表示補救節(jié)點集，Tb 表示補救回退時間，與計算等效節(jié)點時延方式相似， 補救回退時間服從下式Tb。r,m = SIFS+Te+TrVmPm for node m G NrI；是補救節(jié)點的回退窗口。設(shè)任何一個保護節(jié)點監(jiān)聽到發(fā)自另一個保護節(jié)點 的ACK表示一次成功的協(xié)同。因此該節(jié)點丟棄接收到的分組。對于補救回退時間最大是 SIFS+Te+Tr0該值被限定在DATA和ACK之間的時間間隔內(nèi)。因此，占據(jù)信道傳輸一個分組 的最大時間可以由圖5得出。每個保護節(jié)點的回退時間是不可預(yù)測的，但是最大回退時間和競爭間隔是可以得 到的。一個保護節(jié)點在發(fā)出ACK之前監(jiān)聽到來自其他節(jié)點的RTS，則DATA/ACK握手將會中 斷。為了避免此種情況，需要修改網(wǎng)絡(luò)分配向量(networkallocation vector，NAV)。每個 節(jié)點設(shè)置各自的NAV為IEEE802. 11中的NAV(表示為NAV802. 11)與最大回退時間Tmax之 和NAV = NAV802. n+Te+Tr = NAV802. n+Tfflax若保護節(jié)點存在，且ACK已在NAV歸零之前被發(fā)出，NAV保證當(dāng)前的握手過程不會 被中斷。使用新的NAV值的缺點是如果NAV歸零之前，一個ACK發(fā)給了發(fā)送節(jié)點，保護節(jié) 點在NAV歸零過程中都是保持空閑狀態(tài)的，T_大約是幾百毫秒，這要比重傳的時間小的多 (大約是傳輸1K數(shù)據(jù)分組的時間是毫秒級的)。魯棒性協(xié)同路由協(xié)議相對傳統(tǒng)的重傳方 式，仍然有較小的時延。T_的值由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度決定。如果密度大，潛在的會有更多的節(jié) 點可以擔(dān)當(dāng)協(xié)同路由的任務(wù)。因此，Tmax應(yīng)該被設(shè)置的足夠大來減少保護節(jié)點之間出現(xiàn)ACK 沖突的概率。以下結(jié)合具體數(shù)據(jù)說明魯棒性協(xié)同路由的能量使用效率。首先需要找到保護節(jié)點的平均數(shù)把保護節(jié)點分成兩個集合進(jìn)行計算，假設(shè)節(jié)點以密度D均勻分布。從起始節(jié)點到
8目標(biāo)節(jié)點的路徑為 ，叫，...，nh，nQ = s，nh = d，用屯，」表示節(jié)點i和j之間的距離。每個 節(jié)點的傳輸距離是R，一次傳輸?shù)哪芰肯氖荅t。 圖6中的陰影區(qū)域是等效節(jié)點可能出現(xiàn)的區(qū)域，R < dH, i+1彡dH, i+di, i+1節(jié)點i 所在的陰影區(qū)域的面積用Se(i)表示 等效節(jié)點的平均數(shù)隊(i)
圖7中的陰影區(qū)域表示補救節(jié)點所在的區(qū)域。與公式(3)相似，節(jié)點i-1和i重
疊的傳輸區(qū)域是
圖7中用點狀區(qū)表示有等效節(jié)點覆蓋而沒有補救節(jié)點覆蓋的區(qū)域，該區(qū)域很小， 可以忽略。因此在節(jié)點i-1和節(jié)點i之間，節(jié)點i的補救節(jié)點區(qū)域Sji)可以近似表示為 在節(jié)點i-1和節(jié)點i之間補救節(jié)點平均個數(shù)的下限表示為Nji) 這里做一個合理簡化，假設(shè)在魯棒路徑上所有節(jié)點之間的連接錯誤率均為p，因此 一次傳輸?shù)某晒β适莍l, =\-pN^。用艮表示接收時的能量消耗。隊+1個節(jié)點中有k個節(jié)點接受到分組的概率滿足 二項式分布。因此總的能量消耗Ek和k各節(jié)點成功接收的概率Pk表示為 因此，在沒有重傳的情況下，從節(jié)點i-1 一次成功傳輸?shù)哪芰肯氖?
理想狀態(tài)假設(shè)重傳可以是無限次。因此從節(jié)點i-i到等效節(jié)點或節(jié)點i
的傳輸?shù)哪芰肯氖?把(V 和 Psuc/ 代入 Ce 現(xiàn)在計算在沒有協(xié)同節(jié)點的情況下路由，此時從節(jié)點i_l到i 一次成功傳輸消耗 的能量Cn。 =Er+fjpl-\l-p)lEl 實驗顯示節(jié)點在空閑、接受、發(fā)送時的能量消耗比例是1 1.05 1.4，因此一個 節(jié)點在再載波偵聽(空閑)和接收時的能量消耗大致相同。因此(10)可以重寫為 因為p < 1因此Ce ≤Cnc由于假設(shè)所有連接的錯誤率是相同，并沒有強調(diào)協(xié)同的多樣化，然而協(xié)同路由在 能源利用率方面仍然要優(yōu)于非協(xié)同路由。因此協(xié)同路由更加適用于不可靠的移動無線路由 器網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)沒有等效節(jié)點只有補救節(jié)點時，在魯棒性協(xié)同路由中，從節(jié)點i_l到i的重傳次 數(shù)收到非協(xié)同路由的重傳次數(shù)限制。如同以上所述，假設(shè)所有連接的錯誤率相同，這點并沒 有強調(diào)在多種情況下的效率。當(dāng)不同的連接有不同的連接錯誤率，這更符合實際情況，魯棒 性協(xié)同路由傾向使用最可靠的連接，結(jié)果是更少的重傳次數(shù)，這樣仍然會獲得相對較好的 性能。當(dāng)指定節(jié)點i離開，連接失效，因此連接錯誤率是1。在這種情況下，非協(xié)同路由會 不停重發(fā)，直到達(dá)到最大重發(fā)數(shù)報告連接失效。假設(shè)到達(dá)或是來自于指定節(jié)點i的連接具 有更高的錯誤率，表示為Pi，而其余的連接具有相同的錯誤率P。在協(xié)同路由中，一個分組 從一個補救節(jié)點發(fā)送到下一跳的補救節(jié)點，然后重新回到指定路徑上的期望下位節(jié)點。因 為絕大多數(shù)分屬于兩個后繼的補救節(jié)點集的節(jié)點對之間的距離都大于一跳，假設(shè)補救節(jié)點 只能到達(dá)一個下一跳的補救節(jié)點。在系統(tǒng)路由中，一次傳輸成功的概率是psu-p+pmp)而非協(xié)同路由的為PZ=1-P,顯然，《a>C相似于計算等效節(jié)點，能量消耗CJ表示為
當(dāng)一個補救節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)分組時，該分組不得不經(jīng)過兩跳來繞過是小的指定節(jié)點。相 似于(8)，協(xié)同路由中通過補救節(jié)點的能量消耗可以近似表示為 與
比較 當(dāng) p — 1 因此，使用補救節(jié)點，當(dāng)連接錯誤率很高時，魯棒性協(xié)同路由仍能有效節(jié)約能量。如圖8所示，本實施方式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由系統(tǒng)，包括分組接收模塊、保 護節(jié)點決策模塊、協(xié)同模塊；協(xié)同模塊又包括等效判斷單元、等效執(zhí)行單元，補救判斷單 元、補救執(zhí)行單元。分組接收模塊，從指定節(jié)點接收廣播消息，該廣播消息包括由兩個以上指定節(jié)點 構(gòu)成的指定路徑；保護節(jié)點決策模塊，本節(jié)點的鄰居節(jié)點中包含至少兩個所述指定節(jié)點，則本節(jié)點 作為保護節(jié)點與所述指定路徑組成魯棒路徑；協(xié)同模塊，本保護節(jié)點協(xié)同所述指定節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)分組。其中的等效判斷單元，當(dāng)間隔至少兩跳的兩個指定節(jié)點之間的路徑斷裂，且該兩個指定 節(jié)點都是本保護節(jié)點的鄰居節(jié)點，則本保護節(jié)點作為等效節(jié)點；該所述等效判斷單元又包 括第一計時器，第一確認(rèn)監(jiān)聽單元，等效確認(rèn)單元。第一計時器，用于在監(jiān)聽到所述分組后等待一個等效回退時間；第一確認(rèn)監(jiān)聽單元，用于監(jiān)聽來自其他節(jié)點的確認(rèn)消息；等效確認(rèn)單元，在所述等效回退時間內(nèi)未監(jiān)聽到來自其他節(jié)點的確認(rèn)消息，則本 保護節(jié)點作為等效節(jié)點。等效執(zhí)行單元，本保護節(jié)點代替所述斷裂的路徑完成所述兩個指定節(jié)點間分組的 傳遞。補救判斷單元，當(dāng)所述魯棒路徑中的一個指定節(jié)點或者保護節(jié)點未能收到上位指 定節(jié)點的分組，且該上位指定節(jié)點與所述指定節(jié)點或者保護節(jié)點都是本保護節(jié)點的鄰居 節(jié)點，則本保護節(jié)點作為補救節(jié)點；該補救判斷單元又包括第二計時器，第二確認(rèn)監(jiān)聽單 元，補救確認(rèn)單元。第二計時器，用于等待一個補救回退時間；第二確認(rèn)監(jiān)聽單元，用于監(jiān)聽來自其他節(jié)點的確認(rèn)消息；
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補救確認(rèn)單元，在所述等效回退時間內(nèi)未監(jiān)聽到來自其他節(jié)點的確認(rèn)消息，則本 保護節(jié)點作為補救節(jié)點。補救執(zhí)行單元，將本保護節(jié)點接收到的所述分組發(fā)送至所述指定節(jié)點或者保護節(jié)
點o下面給出無限傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由系統(tǒng)的魯棒路徑(Robust Routing)、目的序列距 離矢量路由協(xié)議(Destination Sequenced Distance Vector, DSDV)與對等網(wǎng)絡(luò)按需多路 距離矢量路由協(xié)議(Ad hoc On-demand Multipath Distance Vector, A0MDV)在 NS-2 (The Network Simulator)網(wǎng)絡(luò)仿真器中的仿真結(jié)果。A0MDV在路徑建立階段建立了多條可選 擇的路徑。為了方便比較，在A0MDV中為每一條起始-目的節(jié)點對建立三條路徑。在戶 外環(huán)境中，使用雙徑傳播(tow-raygroimd)模型作為物理傳播模型來研究三個路由協(xié)議 的性能。15個節(jié)點隨機分布到600m*600m的環(huán)境中。隨機產(chǎn)生兩條數(shù)據(jù)流。起始節(jié)點 以每秒20個分組的速率進(jìn)行發(fā)送，每個分組大小是1000字節(jié)。隨機路徑移動(Random waypointmobility)模型進(jìn)行隨機的移動。節(jié)點移動的最小速度為1米每秒，最大的移動速 度(Maximum Mobility)為5米每秒到20米每秒。仿真持續(xù)600秒，計算平均分組投遞率 (Average packet delivery ratio)、平均端至lj端時延(Averageend-to-end delay)與平均 每比特的能量消耗(Average energy consumption per bit)。每一比特的能量消耗即為數(shù) 據(jù)流從起始點傳輸?shù)侥康墓?jié)點的能量損耗。圖9、圖10、圖11顯示了節(jié)點移動程度與分組投遞率之間的關(guān)系，可以看出的本魯 棒性路由(Robust Routing)比DSDV和A0MDV投遞率分別高出了 167%與23%。這些性能 的提高歸功于它對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變的及時響應(yīng)。當(dāng)魯棒路徑中的節(jié)點具有指定路徑的信息， 通過協(xié)同，當(dāng)連接斷開的時候可以很快的做出反應(yīng)。魯棒性路由在端到端時延方面要優(yōu)與A0MDV，但是與DSDV比，如圖10所示優(yōu)勢不 明顯。魯棒性的路由協(xié)議通過協(xié)同在建立起的魯棒路徑中選擇一個條可用的路徑，因為在 傳遞過程中，節(jié)點的選擇會占用一點時間，分組的延時會長于DSDV，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于A0MDV。從圖11可以看到，在魯棒性路由協(xié)議中，每比特消耗的能量隨節(jié)點移動性增加而 增加。在A0MDV中，能量消耗與節(jié)點移動的關(guān)系并不明顯，因為節(jié)點移動時，路徑發(fā)現(xiàn)帶來 的控制開銷并沒有多少改變。而在DSDV中因為節(jié)點移動是能量消耗劇烈增加，因為頻繁的 拓?fù)渥兓瘜?dǎo)致巨大的開銷。雖然魯棒性路由也隨節(jié)點移動性增加而消耗更多的能量，但是 要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于DSDV。它通過適度的信息交互選擇一個最好的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點而不是建立一條全新的 端到端路徑。而在節(jié)點相對移動緩慢的情況下，魯棒路由消耗的能量也小于A0MDV，隨著節(jié) 點移動性的增加才慢慢接近。原因是在快速移動的情況下，分組不得不頻繁地使用協(xié)同方 式發(fā)送。同時，指定路徑上新成為的指定節(jié)點頻繁地發(fā)送消息來更新路徑信息，這些都會增 加能量消耗。連接錯誤率也是影響路由協(xié)議性能的一個重要因素，因此在不同連接錯誤率的情 況下檢驗這些路由方法的性能。節(jié)點以10m/S的速度移動，連接錯誤率從0增加到0. 3，如 預(yù)料的那樣，分組成功投遞率隨之下降。然而魯棒路由方法相對來說是不受連接錯誤影響 的。從圖12可以看到，魯棒路由的分組成功投遞率只是輕微降低，而DSDV和A0MDV大幅下 降。圖13顯示DSDV有最好的端到端時延性能，魯棒路由次之，A0MDV最差。如預(yù)料，魯棒 路由中端到端時延隨連接錯誤率增大而增加，原因是選擇合適路徑帶來的時延和更多的重傳。魯棒路由在轉(zhuǎn)發(fā)分組時，時延要大于DSDV，因為更大的回退時延和協(xié)同機制。魯棒路 由無需依靠MAC層的重傳和尋找新路徑，它在魯棒路徑上選擇最可靠的路勁轉(zhuǎn)發(fā)分組從圖 14可以看到魯棒性協(xié)同路由的能量利用效率最高。其根本原因是該方法只在有限區(qū)域內(nèi)進(jìn) 行路徑恢復(fù)，而A0MDV和DSDV要在全網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行路徑恢復(fù)?？鐚釉O(shè)計使魯棒性協(xié)同路由獲 得了很好的性能。這也充分地說明了該協(xié)議可以有效應(yīng)用于能量受限的移動無線傳感器網(wǎng) 以上僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而 理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫 離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由方法，其特征是，包括以下步驟S1.從指定節(jié)點接收廣播消息，該廣播消息包括由兩個以上指定節(jié)點構(gòu)成的指定路徑；S2.若本節(jié)點的鄰居節(jié)點中包含至少兩個所述指定節(jié)點，則本節(jié)點作為保護節(jié)點與所述指定路徑組成魯棒路徑；S3.本保護節(jié)點協(xié)同所述指定節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)分組。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由方法，其特征在于，所述步驟S3包括若間隔至少兩跳的兩個指定節(jié)點之間的路徑斷裂，且該兩個指定節(jié)點都是本保護節(jié)點 的鄰居節(jié)點，則本保護節(jié)點作為等效節(jié)點代替所述斷裂的路徑完成所述兩個指定節(jié)點間分 組的傳遞。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由方法，其特征在于，還包括本保護節(jié) 點在等待一個等效回退時間后回復(fù)確認(rèn)消息，并在該等效回退時間內(nèi)沒有監(jiān)聽到來自其他 節(jié)點的確認(rèn)消息，則本保護節(jié)點才作為所述等效節(jié)點。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由方法，其特征在于，所述步驟 S3包括所述魯棒路徑中的一個指定節(jié)點或者保護節(jié)點未能收到上位指定節(jié)點的分組，且該上 位指定節(jié)點與所述指定節(jié)點或者保護節(jié)點都是本保護節(jié)點的鄰居節(jié)點，則本保護節(jié)點作為 補救節(jié)點將接收到的所述分組發(fā)送至所述指定節(jié)點或者保護節(jié)點。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由方法，其特征在于，還包括本保護節(jié) 點在等待一個補救回退時間后回復(fù)確認(rèn)消息，并在該補救回退時間內(nèi)沒有監(jiān)聽到來自其他 節(jié)點的確認(rèn)消息，則本保護節(jié)點才作為所述補救節(jié)點。
6.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由系統(tǒng)，其特征是，包括分組接收模塊，從指定節(jié)點接收廣播消息，該廣播消息包括由兩個以上指定節(jié)點構(gòu)成 的指定路徑；保護節(jié)點決策模塊，本節(jié)點的鄰居節(jié)點中包含至少兩個所述指定節(jié)點，則本節(jié)點作為 保護節(jié)點與所述指定路徑組成魯棒路徑；協(xié)同模塊，本保護節(jié)點協(xié)同所述指定節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)分組。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由系統(tǒng)，其特征在于，所述協(xié)同模塊包括等效判斷單元，當(dāng)間隔至少兩跳的兩個指定節(jié)點之間的路徑斷裂，且該兩個指定節(jié)點 都是本保護節(jié)點的鄰居節(jié)點，則本保護節(jié)點作為等效節(jié)點；等效執(zhí)行單元，本保護節(jié)點代替所述斷裂的路徑完成所述兩個指定節(jié)點間分組的傳遞。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由系統(tǒng)，其特征在于，所述等效判斷單 元包括第一計時器，用于在監(jiān)聽到所述分組后等待一個等效回退時間； 第一確認(rèn)監(jiān)聽單元，用于監(jiān)聽來自其他節(jié)點的確認(rèn)消息；等效確認(rèn)單元，在所述等效回退時間內(nèi)未監(jiān)聽到來自其他節(jié)點的確認(rèn)消息，則本保護節(jié)點作為等效節(jié)點。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8任一所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由系統(tǒng)，其特征在于，所述協(xié)同 模塊包括補救判斷單元，當(dāng)所述魯棒路徑中的一個指定節(jié)點或者保護節(jié)點未能收到上位指定節(jié) 點的分組，且該上位指定節(jié)點與所述指定節(jié)點或者保護節(jié)點都是本保護節(jié)點的鄰居節(jié)點， 則本保護節(jié)點作為補救節(jié)點；補救執(zhí)行單元，將本保護節(jié)點接收到的所述分組發(fā)送至所述指定節(jié)點或者保護節(jié)點。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由系統(tǒng)，其特征在于，所述補救判斷單 元包括第二計時器，用于等待一個補救回退時間； 第二確認(rèn)監(jiān)聽單元，用于監(jiān)聽來自其他節(jié)點的確認(rèn)消息；補救確認(rèn)單元，在所述等效回退時間內(nèi)未監(jiān)聽到來自其他節(jié)點的確認(rèn)消息，則本保護 節(jié)點作為補救節(jié)點。
全文摘要
公布了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由方法和系統(tǒng)，其方法包括S1.從指定節(jié)點接收廣播消息，該廣播消息包括由兩個以上指定節(jié)點構(gòu)成的指定路徑；S2.若本節(jié)點的鄰居節(jié)點中包含至少兩個所述指定節(jié)點，則本節(jié)點作為保護節(jié)點與所述指定路徑組成魯棒路徑；S3.本保護節(jié)點協(xié)同所述指定節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)分組。上述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由方法，保護節(jié)點是根據(jù)從指定節(jié)點獲得的指定路徑確定的，當(dāng)指定路徑上的一個指定節(jié)點失效或移動，該節(jié)點的保護節(jié)點將代替它轉(zhuǎn)發(fā)分組，因此上述方法以較小的開銷快速建立一條魯棒路徑，有效減少路徑斷裂和適應(yīng)拓?fù)渥兓?；此外，由于避免了從不穩(wěn)定或失效的連接上重傳分組，節(jié)省了能源消耗。
文檔編號H04W40/24GK101860981SQ201010110319
公開日2010年10月13日 申請日期2010年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日
發(fā)明者張偉, 韓韌, 黃曉霞 申請人:深圳先進(jìn)技術(shù)研究院