一種基于準最優(yōu)化原則的無線傳感器網(wǎng)絡路由方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種準最優(yōu)化原理的無線傳感器網(wǎng)絡路由方法，該方法由路由請求包形成、路由請求信息更新、路由請求包處理、路由選擇、路由形成和路由維護幾個部分組成。路由源節(jié)點發(fā)送路由請求包，包中攜帶有初始值為指定的端到端成功傳輸率QS的路由判據(jù)字段，和初始值為0的路由代價字段。無線傳感器節(jié)點根據(jù)收到的路由請求包，對鏈路質量和鏈路能量消耗進行估測，并根據(jù)準最優(yōu)化原理更新、轉發(fā)路由請求包。匯聚節(jié)點收到路由請求包后，根據(jù)路由代價進行路由選擇，產(chǎn)生主路由和備用路由。其優(yōu)點：避免路由請求消息的洪泛，并能實現(xiàn)路由的可靠性、低能耗、健壯性、有效性和可擴展性。
【專利說明】-種基于準最優(yōu)化原則的無線傳感器網(wǎng)絡路由方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)【技術領域】，具體涉及一種采用準最優(yōu)化原則進行 無線傳感器網(wǎng)絡路由的方法。

【背景技術】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡是一種新型的網(wǎng)絡技術。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、 現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié) 作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并 以自組多跳的網(wǎng)絡方式傳送到用戶終端從而實現(xiàn)物理世界、計算世界以及人類社會三元世 界的連通。無線傳感器網(wǎng)絡具有十分廣闊的應用前景，在軍事、工農(nóng)業(yè)、智能家居、醫(yī)療、環(huán) 境監(jiān)測、搶險救災、反恐等許多重要領域都有潛在的實用價值，已經(jīng)引起了許多國家學術界 和工業(yè)界的高度重視，被認為是對二十一世紀產(chǎn)生巨大影響力的技術之一。
[0003] 無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議對無線傳感器網(wǎng)絡的應用環(huán)境、傳輸質量、網(wǎng)絡生存 期等性能指標有重要的影響。由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點運算能力受限、帶寬受限、能量受 限，因此如何在網(wǎng)絡資源受限的條件下設計一種節(jié)能、高可靠性，同時具有容錯性、可擴展 性、自組織性的路由協(xié)議，已成為無線傳感器網(wǎng)絡通信的一個亟待解決的問題。路由協(xié)議需 要適應不同的應用場景、不同的數(shù)據(jù)報告機制、不同的傳輸介質（MAC)和數(shù)據(jù)融合機制等， 還要在資源受限的條件下對能量效率和傳輸質量盡可能優(yōu)化的進行折中。目前，國內(nèi)外的 研究者已提出了很多適用于不同場景，各有特點的路由協(xié)議。然而，由于應用場景和性能要 求的不同，以及無線傳感器網(wǎng)絡自身特點的限制，目前尚沒有一種公認的路由協(xié)議可以在 實踐中得到廣泛的應用。例如著名的ZigBee協(xié)議，雖然已經(jīng)實現(xiàn)了標準化，但也只是較好 地適用于智能家居等應用環(huán)境，而對于存在較強干擾、對傳輸可靠性或安全性要求較高的 一些典型的無線傳感器網(wǎng)絡的應用場合，如工業(yè)監(jiān)控、災害救助、野外監(jiān)測、商業(yè)應用等，則 并不是非常適合。另一方面，目前對無線傳感器可靠性傳輸?shù)难芯恳仓饕皇羌性诼酚?協(xié)議上，而是集中在功率控制、速率控制、信道編碼、ARQ、傳輸層編碼和跨層設計等領域。大 多數(shù)可靠性路由協(xié)議只提出一些避免丟包的機制如組播、多路徑等，缺乏嚴格的數(shù)學分析 和明確的性能指標評價，而且與無線傳感器網(wǎng)絡最基本的設計原則-節(jié)能進行綜合考慮的 路由協(xié)議不多。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術問題是結合跨層設計中所用的一些數(shù)學模型和性能評估方 法，根據(jù)路由設計中的最優(yōu)化原理，推廣得到一種準最優(yōu)化原理，并基于該準最優(yōu)化原理， 通過路由與功率控制聯(lián)合調(diào)度，提出一種以提高可靠性和降低能耗為雙重優(yōu)化目標的路由 協(xié)議。
[0005] 準最優(yōu)化原理是從路由協(xié)議的最優(yōu)化原理推廣得到的。最優(yōu)化原理（見圖5)是 指：如果節(jié)點C在節(jié)點A到節(jié)點E的最優(yōu)路由（ABCDE)上，則節(jié)點C到節(jié)點E的這一段路由 (CDE)也是C到E的最優(yōu)路由。即：最優(yōu)路由的子路由也是最優(yōu)路由。絕大多數(shù)實用的路 由算法（如距離矢量路由、鏈路狀態(tài)路由）都采用了啟發(fā)式算法，而最優(yōu)化原理則是啟發(fā)式 算法的基礎。最優(yōu)化原理的條件是路由代價滿足可加性條件，例如：跳數(shù)、距離、時延、能耗 以及成功傳輸率（取對數(shù)）等。但如果路由代價的取值是比較復雜的數(shù)學表達式，或者有 多于一個需要優(yōu)化的量（例如能耗和可靠性），使得路由代價不滿足可加性，則最優(yōu)化原理 就不能應用。本發(fā)明針對這種情況，提出了一種準最優(yōu)化原理作為最優(yōu)化原理的推廣，可以 適用于上述情況。
[0006] 準最優(yōu)化路由（見圖6)是指：如果某一條從節(jié)點A到節(jié)點D的路由（ABCD)，其路 由代價和路由判據(jù)均不同時大于其余任一條從A到D的路由（AGHJD)，則稱此路由為準最優(yōu) 路由。路由判據(jù)是這樣一個選定的量：任一條路由的路由代價可以表示成為它某個子路由 的路由代價與路由判據(jù)的聯(lián)合函數(shù)表達式，而且這個函數(shù)對路由代價和路由判據(jù)都是增函 數(shù)。顯然，最優(yōu)路由是準最優(yōu)路由的子集。從源節(jié)點到目的節(jié)點只有一條最優(yōu)路由，卻可以 有若干條準最優(yōu)路由。
[0007] 有了以上的定義，我們可以得出路由選擇的準最優(yōu)原理（見圖6):如果節(jié)點D在 節(jié)點A到節(jié)點F的最優(yōu)路由上（ABCDEF)，則節(jié)點A到節(jié)點D的這一段路由（ABCD)也是準最 優(yōu)路由。即，最優(yōu)路由的子路由必是準最優(yōu)路由。注意準最優(yōu)路由原理的適用條件不需要路 由代價滿足可加性，只需要找到一個路由判據(jù)滿足上面所說的條件。應用準最優(yōu)路由，可以 使用路徑消除的方法優(yōu)選最優(yōu)路由。若中間節(jié)點D發(fā)現(xiàn)源節(jié)點A到它的某一條路由（AGHJD) 不是準最優(yōu)路由，那么它也必定不是到目的節(jié)點的最優(yōu)路由（ABCDEF)的一部分，因而從這 條子路由延伸的所有路由均可被排除。這樣就可以有效的減少路由發(fā)現(xiàn)過程中路由請求包 的洪泛開銷，使路由發(fā)現(xiàn)過程的通信、計算、能量開銷可以降低到可接受的程度。以此為基 礎，就可以形成一種具有可實現(xiàn)性的路由算法。
[0008] 對于無線傳感器網(wǎng)絡來說，它的端到端成功傳輸率（取決于路由、節(jié)點功率分配 等因素）與網(wǎng)絡生存期（取決于能量消耗、電池初始能量、路由策略等因素）都有可遵循的 數(shù)學公式，在保證一定的端到端成功傳輸率的前提下最大化網(wǎng)絡生存期的問題，可以使用 拉格朗日求極值的方法對這些公式進行數(shù)學推導，從而得到路由選擇的策略。本發(fā)明根據(jù) 一定的數(shù)學推導，確定路由代價和路由判據(jù)；同時應用準最優(yōu)化路由原理，提出一套路由算 法。這就是本發(fā)明的內(nèi)容。
[0009] 本發(fā)明提出的路由與功率聯(lián)合調(diào)度算法由路由請求包形成、路由請求信息更新、 路由請求信息處理、路由選擇與形成、備用路由的形成、路由維護和功率控制幾個部分組 成。各部分說明如下。
[0010] 一、路由請求包形成：源節(jié)點在有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送時，啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，向鄰居 節(jié)點廣播路由請求包（見圖2)，包括以下字段：
[0011] 1、源節(jié)點號（201);
[0012] 2、序列號（202)，用來區(qū)分不同時期發(fā)出的路由請求包；
[0013] 3、路由判據(jù)Q(204,初始值為設定的端到端的數(shù)據(jù)包成功傳輸率Qs)，用來標志節(jié) 點傳輸需達到的平均端到端的成功傳輸率），是用來進行路由選擇的輔助性判據(jù)；
[0014] 4、路由代價C(203,初始值為0)，是用來進行路由選擇的主要判據(jù)。路由代價的計 算如下：

【權利要求】
1. 一種基于準最優(yōu)化原理的無線傳感器網(wǎng)絡高可靠性路由方法，其特征在于網(wǎng)絡中有 一個匯聚節(jié)點（301)和眾多無線傳感器節(jié)點（302)，節(jié)點根據(jù)路由代價（203)和路由判據(jù) (204)兩個值進行路由，整個路由方法由路由請求包形成、路由請求信息更新、路由請求包 處理、路由選擇、路由形成、路由維護幾個部分組成。
2. 根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器路由方法，其特征在于路由請求包由源節(jié)點號 (201)、序列號（202)、路由代價（203)路由判據(jù)（204)、中間節(jié)點順序表（205)、當前節(jié)點的 發(fā)射功率（206)與當前節(jié)點剩余能量（207)幾部分組成。其中，序列號（202)用來區(qū)分不 同時期發(fā)出的路由請求包，路由判據(jù)（204)是與端到端成功傳輸率有關的量，是用來進行 路由選擇的輔助性判據(jù)；路由代價（203)是與能量消耗有關的量，是用來進行路由選擇的 主要判據(jù)；中間節(jié)點順序表（205)用來記錄路徑的所有中間節(jié)點號；當前節(jié)點的發(fā)射功率 (206)與剩余能量（207)用來計算路由代價（203)，將路徑的節(jié)點能量消耗與剩余能量統(tǒng)一 起來考慮，有利于延長傳感器網(wǎng)絡的生存期。
3. 根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器路由方法，其特征在于路由請求信息更新由更新 路由請求包中路由判據(jù)（204)和路由代價（203)以及寄存器維護兩部分組成；中間節(jié)點需 維護的寄存器包括以下三種：鏈路質量估測器，用來計算鏈路成功傳輸率；鏈路代價估測 器，用來計算鏈路代價；歷史路由請求信息表，用來記錄中間節(jié)點收到的所有有效路由請求 包的信息。
4. 根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器路由方法，其特征在于中間節(jié)點根據(jù)準最優(yōu)化原 理（圖6)對路由請求包（圖2)進行丟棄或轉發(fā)：如果路由判據(jù)（204)和路由代價（203) 均大于歷史路由請求信息表中某一項路由請求信息的這兩個值，則丟棄該路由請求包；否 則對路由請求包進行更新后繼續(xù)轉發(fā)該包（圖7)。
5. 根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器路由方法，其特征在于匯聚節(jié)點收到路由請 求包后，選擇路由代價最小的路由作為主路由（701)，路由代價次小的路由作為備用路由 (702)，并根據(jù)源路由的方法反向發(fā)送路由響應包形成路由。
【文檔編號】H04W40/10GK104053205SQ201310078713
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年3月13日 優(yōu)先權日:2013年3月13日
【發(fā)明者】易衛(wèi)東, 陳永銳 申請人:中國科學院大學