本發(fā)明屬于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于ipv6的低功耗無線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)樹狀路由方法。

背景技術(shù)：

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展至今，已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚慕涣魇侄?，從?dāng)年簡單易用的傳呼機(jī)，到如今功能日益強(qiáng)大的手機(jī)，都是無線通信技術(shù)的代表產(chǎn)品。隨著人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器之間的通信需求的增大，為滿足新興應(yīng)用在成本、功耗、靈活性方面的要求，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也就應(yīng)運(yùn)而生了。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetwork，wsn)是一種由大量低功耗小型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，由無線通信方式組成的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其物理層以及數(shù)據(jù)鏈路層使用ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，我們把這樣的網(wǎng)絡(luò)稱為低功耗的無線個(gè)域網(wǎng)(lowpowerwirelesspersonalareanetwork，lowpan)。

ipv6提供了海量的ip地址，使得每一個(gè)設(shè)備都可以分配到唯一的地址，這滿足了lowpan網(wǎng)絡(luò)設(shè)備大規(guī)模，高密度的部署需求，使得端到端通信變得容易實(shí)現(xiàn)。而lowpan網(wǎng)絡(luò)的ip化，也將克服與互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通等難題。因此，將lowpan技術(shù)與ipv6協(xié)議相結(jié)合，是無線低功耗個(gè)域網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然選擇。

但是6lowpan網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，規(guī)模較小，節(jié)點(diǎn)資源有限且長期處于睡眠模式，故其節(jié)點(diǎn)面臨著生存周期的問題。這些節(jié)點(diǎn)通常都使用兩節(jié)干電池進(jìn)行供電，電池能量十分有限，同時(shí)，許多節(jié)點(diǎn)的部署環(huán)境惡劣或者人類到達(dá)困難，所以經(jīng)常進(jìn)行人為地更換電池延長節(jié)點(diǎn)壽命并不是一個(gè)可行的方案。路由方法是6lowpan網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也是其正確高效運(yùn)行的保障，故如何設(shè)計(jì)出高效節(jié)能的路由方法使節(jié)點(diǎn)能量能夠支撐更長的網(wǎng)絡(luò)生存周期便成為6lowpan技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要研究方向。

現(xiàn)有基于ipv6的低功耗無線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)樹狀路由方法還存在以下三個(gè)問題：

1.在選擇父節(jié)點(diǎn)的過程中，如附圖1所示，候選父節(jié)點(diǎn)將自身的剩余能量、當(dāng)前子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、節(jié)點(diǎn)地址等信息打包存放在“入網(wǎng)確認(rèn)”消息中發(fā)送給入網(wǎng)請求節(jié)點(diǎn)，由入網(wǎng)請求節(jié)點(diǎn)根據(jù)權(quán)重公式依次計(jì)算各個(gè)候選父節(jié)點(diǎn)的權(quán)重值，并根據(jù)選擇標(biāo)準(zhǔn)選取父節(jié)點(diǎn)。該過程產(chǎn)生了控制消息冗余，也增加了選取父節(jié)點(diǎn)的時(shí)間。與此同時(shí)若存在多個(gè)候選父節(jié)點(diǎn)的剩余能量、當(dāng)前子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和深度值一樣的話，還是無法選出父節(jié)點(diǎn)。

2.在選擇父節(jié)點(diǎn)的過程中考慮到了平均剩余能量這一度量，如果平均剩余能量小于閾值lpe(leastprocessenergy)，則表明該節(jié)點(diǎn)不適合作為父節(jié)點(diǎn)，但其在計(jì)算平均剩余能量時(shí)只考慮了當(dāng)前子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，即只考慮了下行傳輸，而在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸過程中將涉及到雙向傳輸，這樣將使平均剩余能量計(jì)算不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致父節(jié)點(diǎn)選取不合理。

3.在路徑修復(fù)過程中，并未解決下行路徑修復(fù)問題以及在上行傳輸過程中失效節(jié)點(diǎn)的其他子孫節(jié)點(diǎn)修復(fù)等問題。因?yàn)樵跀?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中一個(gè)節(jié)點(diǎn)只能與其父節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，故在下行路徑傳輸過程中當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)與其子節(jié)點(diǎn)無法通信時(shí)，如果失效節(jié)點(diǎn)的子孫節(jié)點(diǎn)不修復(fù)，將會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)間的通信。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題,本發(fā)明提出了一種基于ipv6的低功耗無線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)樹狀路由方法,采用基于負(fù)載均衡的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)選取機(jī)制和自適應(yīng)路徑預(yù)判修復(fù)機(jī)制,解決上述父節(jié)點(diǎn)的選取不合理、控制消息中存在冗余開銷以及路徑修復(fù)的問題。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種基于ipv6的低功耗無線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)樹狀路由方法，其特征在于，包括節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)(nodenetworking，nn)、數(shù)據(jù)傳輸(datatransmission，dt)和路徑修復(fù)(pathrecovery，pr)三個(gè)階段，各個(gè)階段的操作如下：

p1：節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)階段包括:

首先檢測待加入設(shè)備的通訊范圍內(nèi)是否已有無線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)，若沒有，則為自己分配短地址0并成為新6lowpan網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)；否則將通過父節(jié)點(diǎn)選取機(jī)制選取父節(jié)點(diǎn)，并與父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行mac層關(guān)聯(lián)，若關(guān)聯(lián)成功則從父節(jié)點(diǎn)收到—個(gè)16位短地址，父節(jié)點(diǎn)通過地址分配公式fc＝mc*ap+n(0＜n＜＝mc)來計(jì)算子節(jié)點(diǎn)地址，其中mc為父節(jié)點(diǎn)最大子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，ap是父節(jié)點(diǎn)的地址，新加入子節(jié)點(diǎn)是父節(jié)點(diǎn)的第n個(gè)子節(jié)點(diǎn)，計(jì)算得出的fc即為待配置子節(jié)點(diǎn)的地址。

p2：數(shù)據(jù)傳輸階段包括:

在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)都知道自己的網(wǎng)絡(luò)深度，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到ipv6數(shù)據(jù)包時(shí)首先確定自己是目的節(jié)點(diǎn)的祖先節(jié)點(diǎn)還是后代節(jié)點(diǎn)。假設(shè)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)a的地址為c，深度為d，目的節(jié)點(diǎn)地址為d，節(jié)點(diǎn)a的父節(jié)點(diǎn)b的地址pc可由公式算出。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，節(jié)點(diǎn)a先根據(jù)公式確定自己與目的節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，然后根據(jù)下列3種情況來確定下一跳節(jié)點(diǎn)的地址，其中aa(m,n)表示節(jié)點(diǎn)n的深度為m的祖先節(jié)點(diǎn)：

1)若a為b的祖先節(jié)點(diǎn)，則下一跳地址為aa(d+1,b)；

2)若a為b的后代節(jié)點(diǎn)，則下一跳地址為aa(d-1,a)；

3)其他情況，下一跳地址為aa(d-1,a)。

p3：路徑修復(fù)階段包括:

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)下一跳節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，將通過路徑修復(fù)機(jī)制使失效節(jié)點(diǎn)的子孫節(jié)點(diǎn)重新選取繼父節(jié)點(diǎn)，從而重新加入網(wǎng)絡(luò)并繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

具體的，在節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)階段的父節(jié)點(diǎn)選取過程中，采用基于負(fù)載均衡的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)選取機(jī)制，由候選父節(jié)點(diǎn)計(jì)算自身的權(quán)重值，并將權(quán)重值發(fā)送給請求節(jié)點(diǎn)，由請求節(jié)點(diǎn)選取權(quán)重值最大的為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)若滿足要求的候選父節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為兩個(gè)或兩個(gè)以上，則比較其到達(dá)的先后順序，選取順序值較小的節(jié)點(diǎn)作為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)。

具體的，在節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)階段的父節(jié)點(diǎn)選取過程的操作中，考慮到潛在子節(jié)點(diǎn)(即請求節(jié)點(diǎn))的加入以及雙向傳輸?shù)目赡苄?，在?jì)算平均剩余能量時(shí)應(yīng)當(dāng)用剩余能量pi/(當(dāng)前子節(jié)點(diǎn)數(shù)+父節(jié)點(diǎn)數(shù)(繼父節(jié)點(diǎn))+潛在子節(jié)點(diǎn)數(shù)),即pi/(mi+1+1)。

具體的，在路徑修復(fù)階段的操作過程中，采用自適應(yīng)路徑預(yù)判修復(fù)機(jī)制，通過首先判斷失效節(jié)點(diǎn)與其上一跳節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，從而確定是上行路徑修復(fù)還是下行路徑修復(fù)。若失效節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn)，則表明是上行路徑修復(fù)；若失效節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，則表明是下行路徑修復(fù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：采用基于負(fù)載均衡的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)選取機(jī)制和自適應(yīng)路徑預(yù)判修復(fù)機(jī)制，在父節(jié)點(diǎn)選取過程中通過減少控制消息的冗余以及增加選擇的參數(shù)，執(zhí)行自適應(yīng)修復(fù)，從而保持網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載平衡，解決下行傳輸以及上行傳輸過程中失效節(jié)點(diǎn)的子孫節(jié)點(diǎn)修復(fù)問題。本發(fā)明解決了父節(jié)點(diǎn)的選取不合理、控制消息中存在冗余開銷以及路徑修復(fù)的問題；可以提高節(jié)點(diǎn)存活率，提高網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間并減少了平均端到端時(shí)延，可以更好地提升數(shù)據(jù)傳輸成功率等性能。自適應(yīng)路徑預(yù)判修復(fù)機(jī)制操作流程圖如附圖2所示。

附圖說明

附圖1為父節(jié)點(diǎn)選取示意圖。

附圖2為自適應(yīng)路徑預(yù)判修復(fù)機(jī)制操作流程圖。

附圖3為請求消息格式示意圖。

附圖4為確認(rèn)消息格式示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)例對本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)介紹。

本發(fā)明提出基于ipv6的低功耗無線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)樹狀路由方法包括三個(gè)主要階段：節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)階段、數(shù)據(jù)傳輸階段、路徑修復(fù)階段。具體實(shí)施方式如下：

1.節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)階段

步驟1：當(dāng)—個(gè)新節(jié)點(diǎn)想要加入6lowpan網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先通過掃描程序檢測其通訊范圍內(nèi)是否已有一個(gè)6lowpan網(wǎng)絡(luò)：若沒有，則為自己分配短地址0并成為新6lowpan網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)；若恰好檢測到1個(gè)節(jié)點(diǎn)，將j(join)、r(recovery)、m(multi)置為1、0、0，并向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送“入網(wǎng)請求”進(jìn)行關(guān)聯(lián)；若檢測到多個(gè)有效節(jié)點(diǎn)，將j、r、m位分別置為1、0、1，并向所有節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送“入網(wǎng)請求”進(jìn)行關(guān)聯(lián)，請求消息格式如附圖3所示。然后執(zhí)行步驟2；

步驟2：當(dāng)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)i收到“入網(wǎng)請求”消息后，主要操作如下：

a)首先判斷自己的子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，如果子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)等于mc(mc為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的最大子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù))，則表明節(jié)點(diǎn)i的子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)已達(dá)到上線，將不再接受其他節(jié)點(diǎn)作為自己的子節(jié)點(diǎn)，故不再處理該請求消息，否則執(zhí)行b；

b)若子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)小于mc，則表明節(jié)點(diǎn)i的子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)未達(dá)到上線，故繼續(xù)判斷m標(biāo)志位，若m標(biāo)志位為0，則表明沒有其他的候選父節(jié)點(diǎn)，故根據(jù)地址分配公式fc＝mc*ap+n(0＜n＜＝mc)計(jì)算出該請求節(jié)點(diǎn)的16位短地址，并與其關(guān)聯(lián)成功；若m的標(biāo)志位為1，則表明有多個(gè)候選父節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)i將檢測自己的剩余能量pi、子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)mi以及深度值di，若pi/(mi+2)小于閾值lpe，將不再處理該請求消息，否則執(zhí)行c；

c)根據(jù)公式計(jì)算出節(jié)點(diǎn)i的權(quán)重值wi，并將j、r、a(acknowledge)置為1、0、1，向請求節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶有其權(quán)重值的“入網(wǎng)確認(rèn)”消息，請求消息格式如附圖4所示。然后執(zhí)行步驟3；

步驟3：假設(shè)入網(wǎng)請求節(jié)點(diǎn)收到了n個(gè)侯選父節(jié)點(diǎn)發(fā)來的“入網(wǎng)確認(rèn)”消息，記錄收到各個(gè)侯選父節(jié)點(diǎn)i的先后順序，標(biāo)記為oi，并提取其權(quán)重wi，選取權(quán)重值最大的節(jié)點(diǎn)作其最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)nmax，選擇公式為若滿足公式的侯選父節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為兩個(gè)或兩個(gè)以上，則比較其到達(dá)的先后順序，選取順序值較小的節(jié)點(diǎn)作其最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)nmax，這樣可以確保在滿足負(fù)載均衡的情況下選取的父節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)延較小。

2.數(shù)據(jù)傳輸階段

在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，所有節(jié)點(diǎn)都知道自己的網(wǎng)絡(luò)深度，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到ipv6數(shù)據(jù)包時(shí)首先確定自己是目的節(jié)點(diǎn)的祖先節(jié)點(diǎn)還是后代節(jié)點(diǎn)。假設(shè)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)a的地址為c，深度為d，目的節(jié)點(diǎn)地址為d，節(jié)點(diǎn)a的父節(jié)點(diǎn)b的地址pc可由公式算出。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)節(jié)點(diǎn)a先根據(jù)公式確定自己與目的節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，然后根據(jù)下列3種情況來確定下一跳節(jié)點(diǎn)的地址，其中aa(m,n)表示節(jié)點(diǎn)n的深度為m的祖先節(jié)點(diǎn)：

1)若a為b的祖先節(jié)點(diǎn)，則下一跳地址為aa(d+1,b)；

2)若a為b的后代節(jié)點(diǎn)，則下一跳地址為aa(d-1,a)；

3)其他情況，下一跳地址為aa(d-1,a)。

3.路徑修復(fù)階段

步驟1：在數(shù)據(jù)傳輸過程中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)j發(fā)現(xiàn)下一跳節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，將首先判斷失效節(jié)點(diǎn)與自己的關(guān)系，從而確定是上行路徑修復(fù)還是下行路徑修復(fù)。若失效節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn)，則表明是上行路徑修復(fù)，節(jié)點(diǎn)j需要修復(fù)，故將j、r、m位分別標(biāo)識為0、1、1；若失效節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，則表明是下行路徑修復(fù)，節(jié)點(diǎn)j并不需要修復(fù)，故將j、r、m位標(biāo)識為1、1、1。并向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播帶有失效節(jié)點(diǎn)地址的“修復(fù)請求”消息，然后執(zhí)行步驟2；

步驟2：當(dāng)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)i收到“修復(fù)請求”消息后，主要操作如下：

a)首先判斷失效節(jié)點(diǎn)與自己的關(guān)系，若失效節(jié)點(diǎn)為自己的父節(jié)點(diǎn)，則執(zhí)行b；若失效節(jié)點(diǎn)是自己的子節(jié)點(diǎn)，則執(zhí)行c；若失效節(jié)點(diǎn)既不是自己的父節(jié)點(diǎn)也不是自己的子節(jié)點(diǎn)，則執(zhí)行d；

b)失效節(jié)點(diǎn)為該節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，故斷開與失效節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)，并將自己設(shè)置成修復(fù)請求節(jié)點(diǎn)，向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播帶有失效節(jié)點(diǎn)地址的“修復(fù)請求”消息：j、r、m置為0、1、1，然后執(zhí)行步驟2；

c)斷開與失效節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)，并判斷當(dāng)前子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，如果子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)等于mc，則表明子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)已達(dá)到上線，將不再處理該請求消息，否則執(zhí)行e；

d)檢查j、r標(biāo)志位，若j為1且r為1，則表明節(jié)點(diǎn)j不需要修復(fù)，即無需選取繼父節(jié)點(diǎn)，故將該請求消息丟棄不處理；若j為0且r為1，則表明節(jié)點(diǎn)j需要修復(fù)，故節(jié)點(diǎn)i將繼續(xù)判斷當(dāng)前子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，如果子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)等于mc，則表明子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)已達(dá)到上線，將不再處理該請求消息，否則執(zhí)行e；

e)若子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)小于mc，則表明節(jié)點(diǎn)i的子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)未達(dá)到上線，故節(jié)點(diǎn)i將繼續(xù)檢測自己的剩余能量pi、子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)mi以及深度值di，若pi/(mi+2)小于閾值lpe，將不在處理該請求消息；否則，將根據(jù)公式計(jì)算出節(jié)點(diǎn)i的權(quán)重wi，并將j、r、a置為1、0、1，向請求節(jié)點(diǎn)j發(fā)送帶有其權(quán)重值的“修復(fù)確認(rèn)”消息，然后執(zhí)行步驟3；

步驟3：假設(shè)修復(fù)節(jié)點(diǎn)收到n個(gè)候選繼父節(jié)點(diǎn)發(fā)來的“修復(fù)確認(rèn)”消息，記錄收到各個(gè)侯選繼父節(jié)點(diǎn)i的先后順序，標(biāo)記為oi，并提取其權(quán)重wi，根據(jù)公式選擇權(quán)重值最大的節(jié)點(diǎn)作其繼父節(jié)點(diǎn)。若滿足公式的侯選繼父節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為兩個(gè)或兩個(gè)以上，則比較其到達(dá)的先后順序，選取順序值較小的節(jié)點(diǎn)作其繼父節(jié)點(diǎn)，這樣可以確保選取的繼父節(jié)點(diǎn)在滿足負(fù)載均衡的情況下傳輸時(shí)延較小。修復(fù)成功的節(jié)點(diǎn)將逐層更新自己子孫節(jié)點(diǎn)的16位短地址，假設(shè)父節(jié)點(diǎn)原地址是apold，新地址是apnew，最大子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為mc，則對應(yīng)子孫節(jié)點(diǎn)的新地址acnew與子節(jié)點(diǎn)原有地址acold之間的更新公式為acnew＝(apnew-apold)*mc+acold。

本發(fā)明不局限于上述實(shí)施方式，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。