一种适用于大型野外环境的无线传感网络的路由方法技术

本发明专利技术提出了一种适用于大型野外环境的无线传感网络的路由方法，具体包括，首先对无线传感网络中的节点进行初始化，得到每个节点的预期能耗值C和每个节点所有邻居节点的占空比之和；在数据传输过程中，将首先要发送数据的节点作为当前节点，确定当前节点的邻居节点集合；确定当前节点的转发候选集，并在转发候选集中确定一个转发节点，将该转发节点作为当前节点重复上述步骤，直到找到所有的转发节点，完成数据传输。本发明专利技术提供的路由方法，考虑到了退避机制，提高了通信成功率，最终达到降低转发过程能耗，提升网络生存周期的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于大型野外环境的无线传感网络的路由方法
本专利技术属于无线传感网
，具体涉及一种适用于大型野外环境的无线传感网络的路由方法。
技术介绍
现阶段，无线传感网络广泛应用于军事，环境，生物，健康，工业控制等领域。由诸多体积小，价格低廉的节点通过自组形成的网络具有在各类环境下进行感知，计算和传输数据的优良能力。无线传感网中组网所用的节点一般都由控制器，内存，通信模块，感知/计算模块以及能量模块组成。其中控制器负责控制节点的工作和休眠周期，使节点在工作一段时间后自动进入休眠状态来节省能耗。而内存用来存储节点收到的感知信息以及计算结果，通过通信模块进行数据传输。在不同的应用场景下，我们对网络的延迟，吞吐以及能耗等关键因素的要求也不尽相同，本专利技术讨论的应用背景是在大型的野外环境监测场景下进行有效的数据传输过程。在一些野外环境下，诸如深山，森林等场景，为了保护其中的动植物，研究其生存轨迹以及生活环境，或者在一些偏僻的地区有需要保护的古遗址，这时需要一个稳定的长时间的环境数据采集，因为环境的限制，不可能频繁地去更换节点的供电电池，于是在这些地方部署的大型监测无线传感网需要很低很平衡的能量消耗，从而提升整个网络的生存周期。设计合理的路由策略将会显著降低节点间的通信能耗。机会路由策略是近年来常用于无线传感网的路由协议，它以其转发数据时的灵活性给无线传感网带来了诸如低延迟，低能耗等优点。但是现有的机会路由协议并不能很好地适用于野外大型无线传感网络监测环境，例如文献[1]中设计的路由协议虽然提出了一种具有一定能量效率的方案，但是其对能量消耗的讨论的不够全面，而文献[2]中的方法则将转发过于集中至具有某些特性的节点从而造成网络能量的不均衡，还有文献中的方法都有着一定的优势，但却并不完全适用于本专利技术的应用背景。因此，人们需要一种能够在野外监测环境下可以长时间稳定监测数据且进行低功耗可靠传输的路由技术，并解决上述相关技术中的问题。
技术实现思路
针对上述现有文献中方法和协议应用于长期野外监测环境下存在的缺陷或不足，本专利技术的目的在于，提供一种适用于大型野外环境的无线传感网络的路由方法。为了实现上述任务，本专利技术采用如下技术解决方案予以实现：一种适用于大型野外环境的无线传感网络的路由方法，具体包括以下步骤：步骤1，对无线传感网络中的节点进行初始化，得到每个节点的预期能耗值和每个节点的邻居节点的占空比之和，并记录每个节点的睡眠时刻；具体包括：1.1，打开无线传感网络中的所有节点的通信模块，将基站作为当前发出节点；1.2，当前发出节点向其周围节点广播第一探测包，将收到第一探测包的每个节点作为当前接收节点；当前接收节点若在自身反应时间内未接收到第一探测包，则根据探测包生成规则生成自己的探测包，并将探测包广播出去；所述的第一探测包中包括当前发出节点的预期能耗值、当前发出节点的邻居节点的占空比、当前发出节点的睡眠时刻和当前发出节点的占空比；所述的探测包生成规则为：对于任意一个节点，根据公式(1)计算该节点的预期能耗值，根据公式(4)计算该节点的邻居节点的占空比之和；该节点将自己的预期能耗值、自己的邻居节点的占空比之和、睡眠时刻以及自己的占空比组成自己探测包；所述的自身的反应时间为：对于任意一个节点，其自身的反应时间T1＝2D*L，其中L表示该网络中节点的总周期长度，D表示该节点自身的占空比；C＝Ct+Cf(1)式(1)中，Ct值代表该节点广播探测包时，其邻居节点集合中至少一个节点接收到测包过程预计所消耗的能量；其中Cf表示该节点广播的探测包被其邻居节点转发的过程中预计消耗的能量；其中Ct通过公式(2)计算所得，式(2)中w表示该节点预设好的发送功率值，Sum表示该节点的邻居节点的个数；ei表示该节点和其邻居节点i的链路传输时失败的概率；其中Cf通过公式(3)计算所得，式(3)中，Ci表示该节点的邻居节点i的预期消耗能量；ei表示该节点和其邻居节点i之间的链路传输时失败的概率；ej表示该节点和其邻居节j之间的链路传输时失败的概率；e1表示该节点和其邻居节点集合中第一个邻居节点之间的链路传输时失败的概率；C1表示第一个收到该节点发出的探测包的邻居节点的预期消耗能量；Sum表示该节点的邻居节点的个数；其中该节点所有邻居节点的占空比之和通过公式(4)计算所得：式(4)中,Twake表示该节点的工作周期；表示该节点的邻居节点集中的任意两个节点h和k的工作周期的重叠部分的时间，Nei代表该节点的邻居节点集合；h,k∈Nei表示h、k是该节点的邻居节点集合中的任意两个邻居节点h和k；所述的工作周期为：对于任意一个节点h，其工作周期可表示为[Tsleep+L，Tsleep+L+Dh*L]，其中，Tsleep表示该节点h进入睡眠状态的时刻，Dh表示该节点h的占空比；L表示该网络中节点的总周期长度；1.3，将收到当前接收节点发出的探测包的节点作为当前发出节点，重复步骤1.2；直到无线传感网络中所有节点都收到探测包，记录每个节点的预期能耗值、每个节点的邻居节点的占空比之和、每个节点的占空比和每个节点的睡眠时刻；步骤2：在数据传输过程中，将首先要发送数据的节点作为当前节点，确定当前节点的邻居节点集合，重新计算当前节点的邻居节点的占空比之和；根据当前节点的邻居节点集合确定该节点的转发候选集，并在转发候选集中确定一个转发节点；具体包括：2.1，在每个工作周期内，将首先要发送数据的节点作为当前节点，当前节点广播探测包，收到探测包的每个节点将初始化得到的预期能耗值、该节点的邻居节点的占空比之和、该节点的占空比回复给当前节点；将收到探测包的所有节点作为当前节点的邻居节点，所有的邻居节点组成当前节点的邻居节点集合；2.2，生成一个空集合作为候选集，按照预期能耗值从小到大的顺序依次将每个邻居节点加入候选集；每加入一个邻居节点后，将当前节点作为当前接收节点，将得到的候选集作为当前接收节点的邻居节点集合，根据公式(1)重新计算当前节点的预期能耗值；当加入某个邻居节点后，计算的当前节点的预期能耗值大于上次计算的当前节点的预期能耗值时，结束加入过程且不将本次的邻居节点加入候选集，将此时得到的候选集作为转发候选集；2.3，计算转发候选集中所有邻居节点的预期能耗值之和，选取最后一个加入转发候选集中的邻居节点，将该邻居节点的预期能耗值作为基准能耗值；当前节点将基准能耗值和转发候选集中所有邻居节点的预期能耗值之和作为信息广播给其周围节点；收到该信息的每个节点将基准能耗值和自身能耗值比较，找到自身的能耗值小于或等于基准能耗值的节点作为候选节点；2.4，计算每个候选节点的退避时间，每个候选节点执行退避过程并向当前节点回复ACK，选取最先回复ACK的候选节点作为转发节点，当前节点将待发送数据发送给转发节点；所述的退避时间B通过公式(5)计算所得，对于任意一个候选节点，B＝Cost*Bmax(5)式(6)中Cost代表通信代价，通过公式(6)计算所得，Bmax代表该候选节点的MAC层预定义的最大的随机退避时间常量；式(6)中：表示该候选节点的预期能耗值与转发候选集中所有节点的预期能耗值之和的比；式(6)中，RoW表示该候选节点在进行下一次转发时要等待的时间代价，其中RoW＝1-RoF*；其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于大型野外环境的无线传感网络的路由方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1，对无线传感网络中的节点进行初始化，得到每个节点的预期能耗值和每个节点的邻居节点的占空比之和，并记录每个节点的睡眠时刻；具体包括：1.1，打开无线传感网络中的所有节点的通信模块，将基站作为当前发出节点；1.2，当前发出节点向其周围节点广播第一探测包，将收到第一探测包的每个节点作为当前接收节点；当前接收节点若在自身反应时间内未接收到第一探测包，则根据探测包生成规则生成自己的探测包，并将探测包广播出去；所述的第一探测包中包括当前发出节点的预期能耗值、当前发出节点的邻居节点的占空比、当前发出节点的睡眠时刻和当前发出节点的占空比；所述的探测包生成规则为：对于任意一个节点，根据公式(1)计算该节点的预期能耗值，根据公式(4)计算该节点的邻居节点的占空比之和；该节点将自己的预期能耗值、自己的邻居节点的占空比之和、睡眠时刻以及自己的占空比组成自己探测包；所述的自身的反应时间为：对于任意一个节点，其自身的反应时间T

【技术特征摘要】
1.一种适用于大型野外环境的无线传感网络的路由方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1，对无线传感网络中的节点进行初始化，得到每个节点的预期能耗值和每个节点的邻居节点的占空比之和，并记录每个节点的睡眠时刻；具体包括：1.1，打开无线传感网络中的所有节点的通信模块，将基站作为当前发出节点；1.2，当前发出节点向其周围节点广播第一探测包，将收到第一探测包的每个节点作为当前接收节点；当前接收节点若在自身反应时间内未接收到第一探测包，则根据探测包生成规则生成自己的探测包，并将探测包广播出去；所述的第一探测包中包括当前发出节点的预期能耗值、当前发出节点的邻居节点的占空比、当前发出节点的睡眠时刻和当前发出节点的占空比；所述的探测包生成规则为：对于任意一个节点，根据公式(1)计算该节点的预期能耗值，根据公式(4)计算该节点的邻居节点的占空比之和；该节点将自己的预期能耗值、自己的邻居节点的占空比之和、睡眠时刻以及自己的占空比组成自己探测包；所述的自身的反应时间为：对于任意一个节点，其自身的反应时间T1＝2D*L，其中L表示该网络中节点的总周期长度，D表示该节点自身的占空比；C＝Ct+Cf(1)式(1)中，Ct值代表该节点广播探测包时，其邻居节点集合中至少一个节点接收到测包过程预计所消耗的能量；其中Cf表示该节点广播的探测包被其邻居节点转发的过程中预计消耗的能量；其中Ct通过公式(2)计算所得，式(2)中w表示该节点预设好的发送功率值，Sum表示该节点的邻居节点的个数；ei表示该节点和其邻居节点i的链路传输时失败的概率；其中Cf通过公式(3)计算所得，式(3)中，Ci表示该节点的邻居节点i的预期消耗能量；ei表示该节点和其邻居节点i之间的链路传输时失败的概率；ej表示该节点和其邻居节j之间的链路传输时失败的概率；e1表示该节点和其邻居节点集合中第一个邻居节点之间的链路传输时失败的概率；C1表示第一个收到该节点发出的探测包的邻居节点的预期消耗能量；Sum表示该节点的邻居节点的个数；其中该节点所有邻居节点的占空比之和通过公式(4)计算所得：式(4)中,Twake表示该节点的工作周期；表示该节点的邻居节点集中的任意两个节点h和k的工作周期的重叠部分的时间，Nei代表该节点的邻居节点集合；h,k∈Nei表示h、k是该节点的邻居节点集合中的任意两个邻居节点h和k；所述的工作周期为：对于任意一个节点h，其工作周期可表示为[Tsleep+L，Tsleep+L+Dh*L]，其中，Tsleep表示该节点h进入睡眠状态的时刻，Dh表示该节点h的占空比；L表示该网络中节点的总周期长度；1.3，将收到当前接收节点发出的探测包的节点作为当前发出节点，重复步骤1.2；直到无线传感网络中所有节点都收到探测包，记录每个节点的预期能耗值、每个节点的邻居节点的占空比之和、每个节点的占空比...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓江，高宏超，徐丹，彭瑶，尹小燕，房鼎益，汤战勇，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61