一種多跳無線傳感網(wǎng)絡(luò)機會路由方法及其系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多跳無線傳感網(wǎng)絡(luò)機會路由方法及其系統(tǒng)，方法包括：各節(jié)點全網(wǎng)廣播路由參數(shù)表；源節(jié)點為初始發(fā)送節(jié)點，計算鏈路質(zhì)量指數(shù)；選取鏈路質(zhì)量指數(shù)大于閾值α的臨近節(jié)點添加到節(jié)點集合Px，計算路徑質(zhì)量指數(shù)；根據(jù)路徑質(zhì)量指數(shù)選取節(jié)點添加到節(jié)點集合Qx，再從中選取k個節(jié)點組成節(jié)點子集F，計算子集質(zhì)量指數(shù)；選取子集質(zhì)量指數(shù)最小的子集F為第一跳候選轉(zhuǎn)發(fā)子集F1，將第一跳候選轉(zhuǎn)發(fā)子集F1的一個節(jié)點代替發(fā)送節(jié)點，獲得逐跳候選轉(zhuǎn)發(fā)子集；源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包經(jīng)選取的候選轉(zhuǎn)發(fā)子集進行轉(zhuǎn)發(fā)直到目的節(jié)點。本發(fā)明考慮到多條鏈路間的相關(guān)性對機會路由的影響，并結(jié)合子集質(zhì)量指數(shù)衡量多跳WSN網(wǎng)絡(luò)中所選節(jié)點子集的優(yōu)劣，提供魯棒的通信能力。
【專利說明】一種多跳無線傳感網(wǎng)絡(luò)機會路由方法及其系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多跳無線傳感網(wǎng)絡(luò)機會路由方法及其系統(tǒng)，屬于WSN路由（選擇） 機制的【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，越來越多的領(lǐng)域與行業(yè)需要水情信息的支持，如閘門、泵站自動化系統(tǒng)，氣 象、環(huán)境、山洪災(zāi)害、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，需要采集的信息如溫度、水位、雨量、風(fēng)速風(fēng)向等。
[0003] 水情RTU(遠(yuǎn)程測控終端），是RTU技術(shù)在水利行業(yè)的一種應(yīng)用。一個RTU可以有 幾個、幾十個或上百個I/O點組成，可以放置在測量點附近的現(xiàn)場。RTU至少具備以下兩種 功能：數(shù)據(jù)采集及處理、數(shù)據(jù)傳輸（網(wǎng)絡(luò)通信）。水情RTU除了采集水情信息外，還需要將 采集的數(shù)據(jù)通過單跳或多跳傳送到遠(yuǎn)程控制中心站。
[0004] 與傳統(tǒng)無線路由協(xié)議如DSR、A0DV源節(jié)點到目的節(jié)點的信息包傳輸依靠一條固定 路徑不同，機會路由基于機會競爭機制選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。當(dāng)信息包到達(dá)一組候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點時， 根據(jù)這些候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點到目的節(jié)點的衡量尺度來確定其優(yōu)先級，優(yōu)先級最高的可用節(jié)點選 為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點并進行信息包轉(zhuǎn)發(fā)，如此重復(fù)直到信息包到達(dá)目的節(jié)點。機會路由中，發(fā)送節(jié)點 同時將信息包發(fā)送到候選轉(zhuǎn)發(fā)子集各成員節(jié)點的過程，在未增加發(fā)送者開銷的前提下大大 增加了信息包傳輸可靠性。因而，機會路由已成為提升無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能提供了一種新 途徑。
[0005] 機會路由早期設(shè)計中假設(shè)鏈路之間不相關(guān)，以該假設(shè)為前提的經(jīng)典機會路由協(xié)議 有極限機會路由協(xié)議（^Extremely Opportunistic Routing, ExOR)以及將網(wǎng)絡(luò)編碼與機會 路由相結(jié)合的 MORE 協(xié)議（MAC-independent Opportunistic Routing and Encoding)。但 是，已有文獻證明收到同一節(jié)點發(fā)送的信息包的各接收節(jié)點間存在鏈路相關(guān)性，已有文獻 提出 CPRP(Conditional Packet Reception Probability)、歸一化相關(guān)系數(shù) κ、漢明距離 等來衡量鏈路相關(guān)性。CPRP為低包接收率節(jié)點接收到信息包的條件下高包接收率節(jié)點也接 收到信息包的概率；κ為兩節(jié)點間包接收情況（成功接收為1，未成功接收為0)的歸一化 皮爾森相關(guān)系數(shù)；漢明距離為一定次數(shù)的信息包傳輸過程中兩接收節(jié)點間接收情況不同的 次數(shù)。上述鏈路相關(guān)性衡量尺度只能衡量兩鏈路間的相關(guān)性，當(dāng)候選轉(zhuǎn)發(fā)子集成員數(shù)大于 2時，將無法將各鏈路間的相關(guān)性考慮到路由選擇過程中。
[0006] 對于候選轉(zhuǎn)發(fā)子集成員節(jié)點的選擇，Douglas提出期望傳輸次數(shù)ΕΤΧ來衡量所選 節(jié)點的優(yōu)劣，但其未考慮鏈路相關(guān)性。A. Basalamah通過改進EAX指標(biāo)，提出考慮鏈路相關(guān) 性的cEAX衡量信息包從源節(jié)點到目的節(jié)點期望傳輸次數(shù)，然而cEAX的計算在多跳無線傳 感網(wǎng)絡(luò)中將無法實施（跳數(shù)只能為2,候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)只能為2)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多跳無線傳感網(wǎng) 絡(luò)機會路由方法及其系統(tǒng)，針對WSN的廣播特性、有損特性，并且在候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的選擇過 程中考慮鏈路相關(guān)特性，提出的信息包接收聯(lián)合概率可用來來衡量多條鏈路間的相關(guān)性大 小，提出子集質(zhì)量指數(shù)SQI (Subset Quality Index),可以衡量多跳WSN網(wǎng)絡(luò)中所選節(jié)點子 集的優(yōu)劣，選擇子集質(zhì)量指數(shù)最小的節(jié)點子集作為候選轉(zhuǎn)發(fā)子集，由此形成了一種新的機 會路由機制，并且運用于水情RTU組成的無線網(wǎng)絡(luò)。
[0008] 本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題：
[0009] 一種多跳無線傳感網(wǎng)絡(luò)機會路由方法，包括以下步驟：
[0010] 步驟（1)、每個節(jié)點根據(jù)發(fā)送和接收的hello消息獲得路由參數(shù)表后，廣播到全網(wǎng) 所有節(jié)點；其中，所述路由參數(shù)表包括發(fā)送hello消息節(jié)點ID、接收到hello消息節(jié)點ID、 包接收率；
[0011] 步驟（2)、在源節(jié)點s到目的節(jié)點d之間選取若干個級聯(lián)的候選轉(zhuǎn)發(fā)子集，具體 為：
[0012] 步驟（2-1)、從所有節(jié)點中確定一個作為源節(jié)點s，令源節(jié)點s為初始發(fā)送節(jié)點X， 遍歷源節(jié)點S上的路由參數(shù)表得到發(fā)送節(jié)點X與臨近節(jié)點η之間的正向鏈路信息包接收率 Ρχη和反向鏈路信息包接收率Ρηχ，以得到發(fā)送節(jié)點X到臨近節(jié)點η所組成鏈路的鏈路質(zhì)量指 數(shù) e (X，η);
[0013] 步驟（2-2)、選取所述鏈路質(zhì)量指數(shù)e(x，η)大于閾值α的臨近節(jié)點組成節(jié)點集合 ρχ，計算節(jié)點集合ρχ中任意節(jié)點到目的節(jié)點d的路徑質(zhì)量指數(shù)E (m, d);
[0014] 步驟（2-3)、從節(jié)點集合Px中根據(jù)路徑質(zhì)量指數(shù)E (m，d)選取M+k個節(jié)點組成節(jié)點 集合Qx，再從節(jié)點集合Qx中選取k個成員節(jié)點組成若干個節(jié)點子集F ;獲得發(fā)送節(jié)點X到若 干節(jié)點子集F中各節(jié)點所組成鏈路的信息包接收聯(lián)合概率pr(x，F(xiàn));由公式計算得到每個 節(jié)點子集F到目的節(jié)點d的子集質(zhì)量指數(shù)SQI (X，F(xiàn)，d)，公式為：
[0015]

【權(quán)利要求】
1. 一種多跳無線傳感網(wǎng)絡(luò)機會路由方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟（1)、每個節(jié)點根據(jù)發(fā)送和接收的hello消息獲得路由參數(shù)表后，廣播到全網(wǎng)所有 節(jié)點；其中，所述路由參數(shù)表包括發(fā)送hello消息節(jié)點ID、接收hello消息節(jié)點ID、包接收 率； 步驟（2)、在源節(jié)點s到目的節(jié)點d之間選取若干個級聯(lián)的候選轉(zhuǎn)發(fā)子集，具體為： 步驟（2-1)、從所有節(jié)點中確定一個源節(jié)點s,令源節(jié)點s為初始發(fā)送節(jié)點X,遍歷源 節(jié)點s上的路由參數(shù)表得到發(fā)送節(jié)點X與臨近節(jié)點η之間的正向鏈路信息包接收率pxn和 反向鏈路信息包接收率P nx，以得到發(fā)送節(jié)點X到臨近節(jié)點η所組成鏈路的鏈路質(zhì)量指數(shù) e (χ, η)； 步驟（2-2)、選取所述鏈路質(zhì)量指數(shù)e(x，η)大于閾值α的臨近節(jié)點組成節(jié)點集合Ρχ， 計算節(jié)點集合Ρχ中任意節(jié)點到目的節(jié)點d的路徑質(zhì)量指數(shù)E (m, d); 步驟（2-3)、從節(jié)點集合Px中根據(jù)路徑質(zhì)量指數(shù)E (m，d)選取M+k個節(jié)點組成節(jié)點集合 Qx，再從節(jié)點集合Qx中選取k個成員節(jié)點組成若干個節(jié)點子集F ;獲得發(fā)送節(jié)點χ到若干節(jié) 點子集F中各節(jié)點所組成鏈路的信息包接收聯(lián)合概率pr(x, F);由公式計算得到每個節(jié)點 子集F到目的節(jié)點d的子集質(zhì)量指數(shù)SQI (X，F(xiàn)，d)，公式為：
其中，i為常數(shù)，i = 1，2,3. ..k;ni為節(jié)點子集F中任一節(jié)點；pxi為發(fā)送節(jié)點χ到節(jié)點 子集F中節(jié)點的正向鏈路信息包接收率；pix為節(jié)點子集F中節(jié)點到發(fā)送節(jié)點χ的反向鏈路 信息包接收率;Μ為機會路由方法的精度參數(shù)；E (叫，d)為節(jié)點子集F中任一節(jié)點到目的節(jié) 點的路徑質(zhì)量指數(shù)； 步驟（2-4)、選取子集質(zhì)量指數(shù)最小的節(jié)點子集F為第一跳候選轉(zhuǎn)發(fā)子集匕； 步驟（2-5)、從第一跳候選轉(zhuǎn)發(fā)子集匕中選取一個節(jié)點作為發(fā)送節(jié)點，重復(fù)所述步驟 (2-1)至（2-4)，依次獲得第二候選轉(zhuǎn)發(fā)子集F2至第num跳候選轉(zhuǎn)發(fā)子集？_，直到第num跳 候選轉(zhuǎn)發(fā)子集F_中包含目的節(jié)點d為止； 步驟（3)、源節(jié)點s發(fā)送的數(shù)據(jù)包經(jīng)步驟（2)所選取的候選轉(zhuǎn)發(fā)子集依次轉(zhuǎn)發(fā)直到目的 節(jié)點d。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述多跳無線傳感網(wǎng)絡(luò)機會路由方法，其特征在于：所述步驟（2-5) 中在獲得第二跳候選轉(zhuǎn)發(fā)子集F2至第num跳候選轉(zhuǎn)發(fā)子集F num時，排除已被選取到之前的 所有候選轉(zhuǎn)發(fā)子集中的節(jié)點以及作為源節(jié)點的節(jié)點。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述多跳無線傳感網(wǎng)絡(luò)機會路由方法，其特征在于：所述步驟 (2-5)中從每一跳候選轉(zhuǎn)發(fā)子集中選取優(yōu)先級最高的節(jié)點作為發(fā)送節(jié)點。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述多跳無線傳感網(wǎng)絡(luò)機會路由方法，其特征在于：所述步驟 (2-3)中利用Di jkstra最短路徑算法得到路徑質(zhì)量指數(shù)E (m，d)。
5. -種基于權(quán)利要求1至4任一項所述多跳無線傳感網(wǎng)絡(luò)機會路由方法的水情遠(yuǎn)程測 控系統(tǒng)，包括：若干個水情RTU節(jié)點、水情匯聚終端節(jié)點、遠(yuǎn)程控制中心站，其中所述若干個 水情RTU節(jié)點和水情匯聚終端節(jié)點之間建立無線傳感網(wǎng)絡(luò)，且水情RTU節(jié)點采集的水情數(shù) 據(jù)發(fā)送至水情匯聚終端節(jié)點，所述水情匯聚終端節(jié)點向遠(yuǎn)程控制中心站上傳水情數(shù)據(jù)并接 收控制；其特征在于：所述若干個水情RTU節(jié)點中選取一個源節(jié)點，并將水情匯聚終端節(jié)點 作為目的節(jié)點；所述源節(jié)點到目的節(jié)點之間通過機會路由方法選取級聯(lián)的候選轉(zhuǎn)發(fā)子集； 作為源節(jié)點將采集的水情數(shù)據(jù)通過級聯(lián)的候選轉(zhuǎn)發(fā)子集進行轉(zhuǎn)發(fā)，直到發(fā)送至目的節(jié)點。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述水情遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)，其特征在于：所述每個水情RTU節(jié)點還包 括太陽能電池模塊，所述太陽能電池模塊由太陽能充電電路與鋰電池構(gòu)成。
【文檔編號】H04W40/24GK104093186SQ201410294734
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】徐淑芳, 王慧斌, 劉陽, 黃鳳辰, 李臣明, 沈潔, 李旭杰, 李建霓 申請人:河海大學(xué)