一种无线传感器和执行器网络的可靠高效路由方法技术

本发明专利技术属于无线传感器与执行器网络技术领域，公开了一种无线传感器和执行器网络的可靠高效路由方法，包括：Kautz网络拓扑；选取网络构架；邻居Kautz节点周期性的发送HELLO数据包检测邻居Kautz节点的状况；对于网络构架，在网络分成多个Kautz单元之后，对于跨单元的数据传输，执行器使用贪婪路由的方法将数据包发送给ID接近目标单元ID单元，由前面单元ID的分配可知，ID靠近的单元位置较近。本发明专利技术利用节点IDs，能够快速选择最短路径；保证在链路故障情况下网络维持可接受水平的路由路径可用性；通过对比REFER算法；实验结果表明，本发明专利技术在实时性、容错性和可靠性性能上优于REFER。

A reliable and efficient routing method for wireless sensor and Actuator Networks

The invention belongs to the field of wireless sensor and actuator network technology field, discloses a reliable and efficient routing method, a wireless sensor and actuator network including Kautz network topology selection; network architecture; neighbor node Kautz periodically sends HELLO packets to detect neighbor nodes for Kautz; network architecture, then divided into a plurality of Kautz unit in the network for data transmission across the unit, execution method for use of greedy routing the packets to the ID close to the target unit ID unit, by the front distribution unit of ID, the single element position near ID close. The invention uses the node IDs to choose the shortest path; ensure acceptable route availability level to maintain the network in case of link failure; compared with the REFER algorithm; the experimental results show that the invention in real-time, reliability and fault tolerance performance is better than REFER.

【技术实现步骤摘要】
一种无线传感器和执行器网络的可靠高效路由方法
本专利技术属于无线传感器与执行器网络
，尤其涉及一种无线传感器和执行器网络的可靠高效路由方法。
技术介绍
当前计算机、通信和感知技术的发展致使无线传感器与执行器网络(WSANs)出现。无线传感器与执行器网络是无线传感器网络的一种，无线传感器与执行器网络由大量的异构传感节点和能够对感知到的物理信息作出响应的执行器构成。在工业进程中广泛应用，由普通低能量、性能资源的传感器节点和性能、容量远超普通节点的执行器构成。在(WSAN)中，传感节点协调并建立检测区域的通信网络，传感节点感知数据，并周期性或自发性地将数据传输给临近的执行器节点，执行器对此作出响应，可以用于工业自动化、实时目标追踪等应用。由于传感节点的低花费、灵活性和可拓展性，迅速取代了有线的工业设施。然而，工业环境恶劣，噪声的干扰给WSAN可靠、实时传输带来巨大的挑战。多跳通信增大了通信延时，信道状况的动态改变又给路由选取带来巨大的麻烦。因此，WSAN需要实施高效的通信设计。由于传感节点通常稠密部署在感知区域来保证覆盖范围和连通性。为满足WSAN的需求，研究者基于图设计了一种实时、高效的先验式路由，不需要维持路由表，只利用节点，中继节点能够高效、快速的选择最短路径，同时保证容错性。但这些基于Kautz图的路由存在一些问题，要么只利用了Kautz图拓扑的优越性，同样需要路由发现和维持，要么限定的路由路径，虽然能够保证一定程度的实时、高效的特性，但存在一大部分节点传输过程中并没有使用拓扑中的最短路径。同时，由于一般用于工业环境中，路由设计中应考虑链路故障。由于能量限制、缺乏实时性能以及工业无线环境的动态性，当前的无线传感器与执行器网络(WSAN)技术面临重大的挑战。无线传感网中一般使用反应式路由，然而反应式路由启动延时较大，并不能保证实时性。综上所述，现有技术存在的问题是：目前的无线传感网使用反应式路由，启动延时较大，不能保证实时性，对于时延敏感应用影响尤为巨大；一方面，随着有线网络技术的日趋成熟，用户对无线网络环境下的多媒体信息服务有了更多的需求，不能保证实时性使得无法保证严格的QoS需求；另一方面，对于工业自动化进程应用，信息传输的实时性不能保证，带来的后果是自动化进程中断甚至更严重的损失。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种无线传感器和执行器网络的可靠高效路由方法。本专利技术是这样实现的，一种无线传感器和执行器网络的可靠高效路由方法，所述无线传感器和执行器网络的可靠高效路由方法包括以下步骤：步骤一，Kautz网络拓扑，对于给定的度数和直径一个拓扑至多可容纳的节点数受Moore界约束；对于给定的节点度数和节点总数的任意网络拓扑；作为图嵌入的挑选节点能够构成Hamiltoniam环；步骤二，选取网络构架，传感节点密集地部署于应用区域，执行器节点挑选传感节点构建成Kautz图的模型，资源丰富的执行器节点作为Kautz图的顶点；网络由多个Kautz图单元构成，组成DHT结构；在所有Kautz单元构建完成之后，需要给每个Kautz单元中的传感节点赋予ID，Kautz图的构建；步骤三，邻居Kautz节点周期性的发送HELLO数据包检测邻居Kautz节点的状况，发现找不到邻居节点的情况，通知邻居传感节点唤醒并选取链路质量最高的节点作为新的Kautz节点；步骤四，对于网络构架，在网络分成多个Kautz单元之后，对于跨单元的数据传输，执行器使用贪婪路由的方法将数据包发送给ID接近目标单元ID单元，由前面单元ID的分配可知，ID靠近的单元位置较近。进一步，所述步骤一中：定义Kautz有向图K(d,n)是节点度为d，直径为n的有向图，节点使用编号(u1,...,un)表示，其中ui∈(0,1,...,d)，ui≠ui+1，K(d,n)的边集E以顶点u1,...,un为起点，连向u2,...,unα的d条有向边，α∈{0,1,...,d}。进一步，所述步骤一中：对于给定的度数d和直径n一个拓扑至多可容纳的节点数受Moore界1+d+d2+...+dn约束，Moore界通常情况下都是不可达的；对于给定的节点度数和节点总数N的任意网络拓扑，根据Moore节可知，其网络直径的下界是logd(N*(d-1)+1)+1，Kautz图的网络直径达到了下界，高兹图具有最优的网络直径；WSAN节点均匀地分布在长度为d的方形区域内，作为图嵌入的挑选节点能够构成Hamiltoniam环，挑选节点的传输范围r应该满足r≥0.8*b。进一步，所述步骤二中：每个WSAN单元包含一个单元ID，每个传感节点在每个单元包含一个节点ID，WSAN中每个节点可以用(CID,KID)表示，其中KID＝{u1,...ui,...un|ui∈(0,1,...,d),ui≠ui+1}是Kautz图中的KautzID；在Kautz单元构造时，首先选取一个执行器节点作为初始点，选取与该执行器节点最近的执行器并与之相连，任取该边的一边，通过邻居节点交换信息，从公共邻居节点中选取到该边两端点距离最短的执行器构成三角形区域，该三角区域ID赋为1；以同样的方式继续构造Kautz单元，直至覆盖整个网络，并为每个单元赋予ID；Kautz图的构建将WSAN表示为有向图G(d,n)，使用顺序顶点着色算法，每个节点分配一个不被邻居节点使用的最小的颜色号码，对于任意的节点对U＝u1u2...un和V＝v1v2...vn，l＝L(U,V)表示U的最长后缀与V的前缀的匹配。对于Kautz图的构造，Kautz图共包含N＝(d+1)dn-1个节点，执行器间互联，将剩余节点即图中红色的节点按照上述规则选取满足Kautz图条件的最高信道质量的前驱和后继，保证节点度为2，直径为3，Kautz图建立完毕。进一步，所述步骤三中：Kautz节点候选满足：能与一个Kautz节点通信；有至少一个Kautz邻居节点能量低于某一水平或链路质量下降到某一阈值；与Kautz节点的其它邻居Kautz节点连通。进一步，所述步骤四中：当节点U＝u1u2...un转发数据给节点V＝v1v2...vn时，其后继、路径长度和对应的d条节点不相交U-V路径为：其中αi≠(v1,vl+1,un-l)。进一步，所述步骤四包括：(1)基于ID传输的修正，当任意节点对发送数据时，节点通过目标节点ID，源节点找到到目的节点的最短路；同时任意节点对之间包含d条节点不相交路径，当传输过程中任意节点发生故障，故障节点的上一个节点不需要通知源节点，能自发地选择次最短路径进行数据传输；(2)容错传输修正，在网络节点数据传输过程中发生节点故障时，任意节点间存在d条节点不相交路径，传输过程不会中断，沿着次最优路径进行传输。(3)基于可用性历史的可靠多路径路由采用可用性历史表示链路可用性，可用性历史表示链路可用性随时间变化的记录，将时间分为l个时间片，节点i和j之间链路第r个时间片所对应的可用性为链路(i,j)某个时期的可用性可以表示为其中：表示链路(i,j)在时间片s的数据包传输比率。将PDR映射成为数值0和1，其中0表示对应时刻链路不可用，1表示对应时刻链路可用，通过阈值γ0来限定链路的PDR来确定链路的可用性，γ0＝0.6。进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线传感器和执行器网络的可靠高效路由方法，其特征在于，所述无线传感器和执行器网络的可靠高效路由方法包括以下步骤：步骤一，Kautz网络拓扑，对于给定的度数和直径一个拓扑至多可容纳的节点数受Moore界约束；对于给定的节点度数和节点总数的任意网络拓扑；作为图嵌入的挑选节点能够构成Hamiltoniam环；步骤二，选取网络构架，传感节点密集地部署于应用区域，执行器节点挑选传感节点构建成Kautz图的模型，资源丰富的执行器节点作为Kautz图的顶点；网络由多个Kautz图单元构成，组成DHT结构；在所有Kautz单元构建完成之后，需要给每个Kautz单元中的传感节点赋予ID，Kautz图的构建；步骤三，邻居Kautz节点周期性的发送HELLO数据包检测邻居Kautz节点的状况，发现找不到邻居节点的情况，通知邻居传感节点唤醒并选取链路质量最高的节点作为新的Kautz节点；步骤四，对于网络构架，在网络分成多个Kautz单元之后，对于跨单元的数据传输，执行器使用贪婪路由的方法将数据包发送给ID接近目标单元ID单元，由前面单元ID的分配可知，ID靠近的单元位置较近。

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器和执行器网络的可靠高效路由方法，其特征在于，所述无线传感器和执行器网络的可靠高效路由方法包括以下步骤：步骤一，Kautz网络拓扑，对于给定的度数和直径一个拓扑至多可容纳的节点数受Moore界约束；对于给定的节点度数和节点总数的任意网络拓扑；作为图嵌入的挑选节点能够构成Hamiltoniam环；步骤二，选取网络构架，传感节点密集地部署于应用区域，执行器节点挑选传感节点构建成Kautz图的模型，资源丰富的执行器节点作为Kautz图的顶点；网络由多个Kautz图单元构成，组成DHT结构；在所有Kautz单元构建完成之后，需要给每个Kautz单元中的传感节点赋予ID，Kautz图的构建；步骤三，邻居Kautz节点周期性的发送HELLO数据包检测邻居Kautz节点的状况，发现找不到邻居节点的情况，通知邻居传感节点唤醒并选取链路质量最高的节点作为新的Kautz节点；步骤四，对于网络构架，在网络分成多个Kautz单元之后，对于跨单元的数据传输，执行器使用贪婪路由的方法将数据包发送给ID接近目标单元ID单元，由前面单元ID的分配可知，ID靠近的单元位置较近。2.如权利要求1所述的无线传感器和执行器网络的可靠高效路由方法，其特征在于，所述步骤一中：定义Kautz有向图K(d,n)是节点度为d，直径为n的有向图，节点使用编号(u1,...,un)表示，其中ui∈(0,1,...,d)，ui≠ui+1，K(d,n)的边集E以顶点u1,...,un为起点，连向u2,...,unα的d条有向边，α∈{0,1,...,d}。3.如权利要求1所述的无线传感器和执行器网络的可靠高效路由方法，其特征在于，所述步骤一中：对于给定的度数d和直径n一个拓扑至多可容纳的节点数受Moore界1+d+d2+...+dn约束，Moore界通常情况下都是不可达的；对于给定的节点度数和节点总数N的任意网络拓扑，根据Moore节可知，其网络直径的下界是logd(N*(d-1)+1)+1，Kautz图的网络直径达到了下界，高兹图具有最优的网络直径；WSAN节点均匀地分布在长度为d的方形区域内，作为图嵌入的挑选节点能够构成Hamiltoniam环，挑选节点的传输范围r应该满足r≥0.8*b。4.如权利要求1所述的无线传感器和执行器网络的可靠高效路由方法，其特征在于，所述步骤二中：每个WSAN单元包含一个单元ID，每个传感节点在每个单元包含一个节点ID，WSAN中每个节点可以用(CID,KID)表示，其中KID＝{u1,...ui,...un|ui∈(0,1,...,d),ui≠ui+1}是Kautz图中的KautzID；在Kautz单元构造时，首先选取一个执行器节点作为初始点，选取与该执行器节点最近的执行器并与之相连，任取该边的一边，通过邻居节点交换信息，从公共邻居节点中选取到该边两端点距离最短的执行器构成三角形区域，该三角区域ID赋为1；以同样的方式继续构造Kautz单元，直至覆盖整个网络，并为每个单元赋予ID；Kautz图的构建将WSAN表示为有向图G(d,n)，使用顺序顶点着色算法，每个节点分配一个不被邻居节点使用的最小的颜色号码，对于任意的节点...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐小刚，王振宇，刘立芳，牛红曼，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61