一种基于多径转发策略的稳定性WSN路由方法

摘要

本发明请求保护一种基于多径转发策略的稳定性WSN路由算法，其核心有三点：1)利用请求分组RREQ和应答分组RREP组建骨干网，而非寻求一条最优路径；2)数据转发过程中，基于能耗均衡策略选择转发数据路径；3)自适应组建骨干网原则；4)结合多头绒泡黏菌在无集中控制情况下构建最佳觅食路径所体现的自组织、涌现、健壮和高效特征对该算法进行优化。算法分三个基本步骤：(1)利用RREQ分组和RREP分组组建骨干网；(2)基于能耗均衡原则通过骨干网发送数据；(3)路由维护，当算法确定的最优路径失效时，再次基于能耗均衡策略选择骨干网中次优路径。本发明提高了WSN路由算法的收敛速度，增强了WSN的系统稳定性，降低了WSN的系统能耗。

说明书

技术领域

本发明属于无线传感网路由协议领域，特别是一种基于多径转发策略的稳定性WSN路由算法。

背景技术

WSN的研究起源于20世纪70年代，是一种大规模、无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络。WSN中静止或移动的传感器节点以自组织和多跳的方式构成无线网络，协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息汇聚到一点进行处理。受节点工作环境复杂、配置较低、能量有限等限制，WSN要将分布在大面积区域的网络节点采集的信息汇聚到一点，必须使用多跳中继的方法来传输数据，这必然需要较好的路由协议来支撑。近年来，研究者对路由算法进行了深入的研究，涌现大量的路由算法。

本发明是在深入研究应用于Ad Hoc网络的DYMO(Dynamic MANET On-Demand routing)算法和多头绒泡菌觅食路径形成过程基础上提出来的。DYMO是IETF(Internet Engineering Task Force)工作组目前开发Ad Hoc网络路由协议的热点，是对经典的AODV路由协议的继承，是一种动态的按需路由协议。它所建立的是一种单径路由协议，该路径断了后需要重新寻找路由，因此其稳定性较弱、传输效率较低、节能性较差、收敛速度慢，并且未考虑能耗问题，易造成网络系统局部过早衰亡，不利于整个系统更加健全的工作。本发明探索一种能够综合解决DYMO协议面临的这些问题的方案，实质上也就是一个综合考虑WSN能耗均衡、传输效率、稳定性、收敛速度等多目标组合优化问题。科学研究发现，利用生物体进化所体现出的智能特性是解决此多目标组合优化问题的有效途径。

多头绒泡菌是一种凝胶性真菌，它能通过细胞膜伸出“触角”去探知新食物源并最终获取食物，这些触角最后能形成粗细明显的觅食路径网络。开始时，将 菌落均匀接种在琼脂培养基上，并在菌落周围放置食物源。由于培养基上少量的实物只可供其短暂生存，该菌落细胞在流体静压力作用下开始流动，并朝各个方向伸出“触角”去搜寻新食物源，当找到食物源后，这些“触角”便在菌落和食物源之间形成觅食路径管道，然后通过该路径管道运送食物。而研究发现，食物在细胞质中的浓度又对觅食路径管壁厚度形成正反馈，即食物浓度大管道壁会越来越厚，进而管道会越来越粗，从而保存下来，而浓度小的管道越来越细，最终趋向于消亡。不仅如此，当细菌和食物源之间有多条觅食路径时，在食物源所在地和细菌所在地的细胞质食物浓度差作用下，对于觅食路径管道短的，流量较大，路径易保存，而觅食路径管道长的，流量小，路径也会趋于消亡。因此，总结起来就是觅食路径的形成与食物浓度和觅食路径管道长度有关，浓度为正反馈，长度为负反馈。总体来看，其本质是在细胞质流量，路径长度因素影响下构建一个具有传输路径较短、传输效率高、稳定性强的最优觅食路径网络，也是一个多目标组合优化问题。

经分析可知，其通过“触角”寻找新的食物源过程与MYTO算法中通过发送RREQ高度相似，可以通过多次发送RREQ模拟食物流的流动，其反馈过程也类似于RREP分组的作用。因此，本发明通过仿照多头绒泡菌构建觅食路径的方式来解决MYTO路由算法所面临的稳定性较弱、传输效率较低、节能性较差、收敛速度慢等问题。目前，该方法已在多领域取得很好的验证效果。比较经典的实验如“东京地铁网”模拟实验。在“东京地铁网”模拟实验中，研究人员用一块琼脂仿制了形如东京地区的地图，并将食物源安置在该地图上的一些主要城市位置处，在该图的东京地理位置处接种多绒泡菌菌种，经过一段时间的培养后发现，它们能在获取食物过程中形成一个觅食路径网络，该觅食网络与东京地铁网具有极高的相似度。研究人员通过分析计算，得出其稳定性，传输能力，传输效率都趋于最优化。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种稳定性较强、节能性较好、收敛速度较快，并且取得了均衡能耗的效果，延长了网络寿命的基于多径转发策略的稳定性WSN路由方法，本发明的技术方案如下：一种基于多径转发策略的稳定性WSN路由方法，其包括以下步骤：

101、在无线传感网WSN中，判断汇聚节点Sink的位置，如果汇聚节点Sink为初始源节点Source的邻居节点，则直接将初始源节点Source的数据转发给汇聚节点Sink，否则跳转至步骤102；

102、判断初始源节点Source节点是否保存有到汇聚节点Sink的骨干网信息，如果有则初始源节点Source节点按照此骨干网将数据转发至汇聚节点Sink；如果没有则初始源节点Source节点发送RREQ路由请求包分组和RREP路由回复包给邻居节点进行分组构建骨干网，具体包括：

A、RREQ路由请求包分组步骤：初始源节点Source节点泛洪发送RREQ，邻居节点接收RREQ分组后将自身能值和编号写入RREQ分组后再次转发出去，后续节点接收到RREQ分组后，判断其是否为汇聚节点Sink，如果不是汇聚节点Sink，则其只接收第一个RREQ分组，并且将自身能值和编号写入RREQ分组后再次转发出去；如果是Sink节点，则跳转至步骤B；

B、汇聚节点Sink接收RREQ分组后，对RREQ分组进行依次判断，若该RREQ分组为Source节点发送的首个RREQ路由请求包分组时，则Sink节点接收前BL个RREQ分组,BL表示算法需要寻找的骨干网独立路径的条数，并且直接将RREQ中的路径信息保存到Sink节点，路径可信度记为1，然后Sink节点将发送RREP路由回复包分组告知初始Source节点发送后续RREQ分组；

103、如果判断该RREQ分组不是Source节点发送的首个RREQ分组时，则Sink节点接收前N*BL个RREQ，其中N为一个整数，表示骨干网路径的条数的倍数，然后将其携带的路径信息和Sink节点保存的路径信息相比较，再次出现的路径，其可信度加1，没有再次出现的路径，其可信度减1，然后按照可 信度大小排序后保存在Sink节点中，可信度相同的按照路径耗时长短排序；当Sink节点中保存的BL条路径信息的可信度小于0时，其将被本次RREQ携带的不同于Sink节点中保存的路径信息代替，并且按照到达Sink节点的顺序依次替代，RREQ携带的其余路径信息舍弃；

104、当完成步骤103后，进行骨干网建立过程，当Sink节点保存的路径信息中有BL条路径信息的可信度大于其余的N*BL-BL条路径信息可信度的5以上时候，骨干网形成，此时Sink节点将发送RREP信息告知Source节点停止发送RREQ信息，并将骨干网信息告知Source节点，保存于Source节点；

105、完成步骤104的骨干网构建步骤后，进行发送数据的步骤，具体步骤如下：

Source节点比较骨干网中各路径节点能量，并分别选出各路径中能量最小的的节点，从大到小排序后记着N₁、N₂……N_BL，其对应的能量记着En₁、En₂……En_BL，再计算En₁、En₂……En_BL的平均值AE；其中N₁节点所在的路径即为当前数据的转发路径；当前转发数据路径中能量最小的节点的能量低于上一次计算的AE的时候，重复步骤105，确定发送数据路径，直到全部数据转发结束；

106、完成步骤105的数据转发步骤后，进行路径维护，具体步骤如下：

当前转发数据的路径失效的时候，选择Source节点中排在当前转发数据节点路径后面的次优路径转发后续数据，直到整个骨干网BL条路径均失效时，重新组建骨干网。

进一步的，当步骤105中的BL＝3时，即选出路径A、B、C中各路径能量最低的节点分别为N₁、N₂、N₃，其能量分别为En₁、En₂、En₃，则 假设经过比较En₂>En₁>En₃，则选择路径B转发数据的路径。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提出了一种基于多径转发策略的稳定性WSN路由算法(A stabilized WSN routing algorithm based on multipath strategy，AWRM)，由于其考虑到了WSN系统节能、节点能耗不均匀、收敛速度等因素，采用了自适应原则、骨干网转发原则，所以该算法稳定性较强、节能性较好、收敛速度较快，并且取得了均衡能耗的效果，延长了网络寿命。本发明的均衡节点能耗与节能原则是：选择骨干网中路径最小能值节点最大的节点所在路径转发数据，当该路径中最小能值节点能量低于起始时刻各路径最小能值节点能值的平均值时，选择次优路径(即路径中最小能值节点能值处于骨干网各路径中最小能值节点的能值第二的位置)转发数据，并且骨干网形成以后，骨干网以外的节点进入休眠状态，达到节能目的。通过这个策略不仅实现了能耗均衡，增强了网络系统稳定性，而且进一步节约了整个WSN能量，延长了网络寿命。数据发送完成后保留该骨干网路径信息，当下一次该节点发送数据时，可以续用此骨干网，省去了再次寻找路径的时间，提高了算法收敛速度和数据传输效率，减少了能量消耗。具体为：1.算法确定的骨干网路径是在Source节点在转发一定量的数据前提下，较多次将数据成功转发至Sink节点，其稳定性比其它路径强。

2.骨干网转发数据过程中，避免了选择路径中节点能量最低的节点较其余路径更低的路径，避免了长时间使用同一条路径转发数据，进一步增强了算法的稳定性。

3.保存了Source节点到Sink节点路径信息，避免了再次寻路径，使得算法在骨干网形成之后的收敛速度较快，并且节省了再次寻路径而消耗的能量。

附图说明

图1是本发明所涉及骨干网构建过程展示图；

图2为构建的骨干网示意图；

图3为实施例1流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。

本发明在考虑了系统能耗均衡、系统稳健性、传输效率等问题前提下，构思了一种新的WSN路由算法，它构建了从Source节点到Sink节点的骨干网，开辟了一个内存区域用于记录通往某个节点的骨干网路径信息，有效利用多个RREQ数据本身流向来优化算法，从而使改进后的算法功能更加强大。

其具体实施方式如下：

实施例1(见附图1)：

实施例1可从整体上可将本发明分三个主体步骤：

1.利用RREQ分组和RREP分组构建骨干网，可分为以下五个分步骤：

(1)判断Sink节点位置，如果Sink节点为初始Source节点邻居节点，则直接将数据转发给Sink节点；

(2)判断Source节点是否保存有到Sink节点的骨干网信息，如果有则Source节点按照此骨干网将数据转发至Sink节点；如果没有则需要Source节点发送RREQ分组和RREP分组构建骨干网；

(3)Source节点泛洪发送RREQ，邻居节点接收RREQ分组后将自身能值和编号写入RREQ分组后再次转发出去，后续节点接收到RREQ分组后，判断其是否为Sink节点。如果不是Sink节点，则其只接收第一个RREQ分组，并且将自身能值和编号写入RREQ分组后再次转发出去；如果是Sink节点，则转入步骤4；

(4)Sink节点接收RREQ分组，本步骤又可以分为以下两个步骤：

1)如果判断该RREQ为Source节点发送的首个RREQ时，则Sink节点接收前BL(Betterlink)个RREQ分组，并且直接将RREQ中的路径信息保存到Sink节点，路径可信度记为1，然后Sink节点将发送RREP分组告知Source节 点发送后续RREQ分组；

2)如果判断该RREQ不是Source节点发送的首个RREQ时，则Sink节点接收前N*BL个RREQ，然后将其携带的路径信息和Sink节点保存的路径信息相比较，再次出现的路径，其可信度加1，没有再次出现的路径，其可信度减1，然后按照可信度大小排序后保存在Sink节点中，可信度相同的按照路径耗时长短排序；当Sink节点中保存的BL条路径信息的可信度小于0时，其将被本次RREQ携带的不同于Sink节点中保存的路径信息代替，并且按照到达Sink节点顺序依次替代，RREQ携带的其余路径信息舍弃；

(5)骨干网建立过程，当Sink节点保存的路径信息中有BL条路径信息的可信度明显大于其余的(N*BL-BL)条路径信息可信度的时候，骨干网形成，此时Sink节点将发送RREP信息告知Source节点停止发送RREQ信息，并将骨干网信息告知Source节点，保存于Source节点；

2.骨干网构建完成后，利用其发送数据方式如下：

(6)Source节点比较骨干网中各路径节点能量，并分别选出各路径中能量最小的的节点，从大到小排序后记着N₁、N₂……N_BL，其对应的能量记着En₁、En₂……En_BL，再计算En₁、En₂……En_BL的平均值记着AE(Average Energy)；N₁节点所在的路径即为当前数据的转发路径；当前转发数据路径中能量最小的节点的能量低于上一次计算的AE的时候，从新按照上述规则排序，确定发送数据路径，直到全部数据转发结束；

3.路径维护方式如下：

(7)当前转发数据的路径失效的时候，选择Source节点中排在当前转发数据节点路径后面的次优路径转发后续数据，直到整个骨干网BL条路径均失效时，从新组建骨干网；

实施例2：

本发明阐述了一种基于多径转发策略的稳定性WSN路由算法，包括以下步骤：

S1：若Sink节点位于Source节点的邻居节点，则Source节点直接将数据转发给Sink节点；

S2：反之，若Sink节点不位于Source节点的邻居节点，则沿着从Source节点到Sink节点的骨干网(如图2，双线箭头即为构建后的骨干网)转发数据； 

进一步，所述从初始Source节点到Sink节点的骨干网转发数据，该骨干网的获取过程是：

S21：查询Source节点是否记录有从Source节点到Sink节点的骨干网信息，如果有该记录信息则续用此骨干网转发数据；

S22：如果没有该记录信息时则需要Source节点发送RREQ分组和Sink节点发送RREP分组以构建骨干网；

进一步，S21所述续用此骨干网转发数据的方法如下：

S211：Source节点比较骨干网各路径节点能值，并分别选出能量最小的的节点，从大到小排序后记着N₁、N₂……N_BL(Better Link,BL)，其对应的能量记着En₁、En₂……En_BL，再计算En₁、En₂……En_BL的平均值记着AE(Average Energy)。N₁节点所在的路径即为当前数据的转发路径。当En₁小于AE时，再按照上述方法选出骨干网中路径转发数据；如图1中，从Sink节点到Source节点的骨干网有三条路径(路径A、B、C)，BL为3。分别找出路径A、B、C中各路径能量最低的节点，如图2中N₁、N₂、N₃，其能量分别为En₁、En₂、En₃，且假设经过比较En₂>En₁>En₃，则选择路径B转发数据的路径；当某一时刻发现此时的En₂<AE时，从新按照上述方法选出发送数据的路径；

进一步，S22所述构建骨干网的方法如下：

S221：Source节点泛洪式发送RREQ分组给邻居节点，其邻居节点接收 RREQ分组，并将节点编号和节点剩余能量计入RREQ分组中。对于中间节点(如图1中所示，处于Source节点的邻居节点和Sink节点之间的路径上的节点称为中间节点)，其接收到RREQ后，需要判断节点本身是不是Sink节点，如果不是Sink节点，则其接收第一个到达的RREQ分组，并将编号和节点剩余能量计入RREQ中，然后转发出去，后续到达的RREQ分组舍去；如果是Sink节点则其接收前N*BL个RREQ分组，并分析RREQ携带路径信息辅助构建骨干网；

如图1，假定节点3在收到节点1转发的RREQ分组后，又收到节点2转发的同一时刻Source节点发送的RREQ，那么节点3不接收节点2转发的RREQ分组；节点3接收了节点1转发的RREQ分组后，再将其泛洪发送，经过节点4到达节点7，由于节点7收到了节点2经过节点5和6转发的同一时刻Source节点发送的同意RREQ分组，则节点7只接收节点节点6转发的分组；由此也可知节点1不能形成经过3、4、7，最终到达Sink节点的路径，但可以形成经节点8最终到达Sink节点的路径；

S222：当Sink节点收到前N*BL个RREQ分组后，如果该分组为Source节点发送的第一个RREQ分组，则将其携带的路径信息保存在Sink节点中，各路径信息可信度置为1，然后Sink节点沿本次RREQ携带的最先到达Sink节点的路径信息发送RREP分组至Source节点，通知其发送下一个RREQ；如果该分组为Source节点发送的非第一个RREQ分组，则需要对Sink节点中保存的N*BL条路径信息的可信度进行更新；

S223：Sink节点接收前N*BL个非第一个Source节点发送的RREQ，然后将其携带的路径信息和Sink节点保存的路径信息相比较，再次出现的路径，其可信度加1，没有再次出现的路径，其可信度减1，然后按照可信度大小排序后保存在Sink节点中，可信度相同的按照路径耗时长短排序；当Sink节点中保存的BL条路径信息的可信度小于0时，其将被本次RREQ携带的不同于Sink节点中保存的路径信息代替，并且按照到达Sink节点顺序依次替代，RREQ携带 的其余路径信息舍弃；然后Sink节点沿本次RREQ携带的最先到达Sink节点的路径信息发送RREP分组至Source节点，通知其发送下一个RREQ，直到达到骨干网的判定标准；

如图1，假设Source发送一次RREQ后，Sink节点先后收到了如图所示的6条路径，其中2、3、4、5路径为Sink节点中已经保存的，其余两条路径1和7为本次RREQ携带的，并且Sink节点尚未保存的路径。此时，2、3、4、5路径的可信度加1，而1和7路径可信度减1；如果加1之后，路径3和4可信度相同，但是路径3比4先到Sink节点，则路径3排在路径4前面；如果减1之后，Sink节点中有两条路径可信度小于0，则其将被路径7和1取代(路径7比路径1先到达Sink节点)；本发明中骨干网路径数量BL由网络节点布置的疏密程度决定；本发明中Sink节点接收前N*BL个RREQ分组，其中的N值为整数，其大小根据WSN所处的物理环境和系统硬件配置决定。

进一步，S223步骤所述骨干网形成的判定标准为：

S2231：当Sink节点保存的路径信息中有BL条路径信息的可信度明显大于其余的(N*BL-BL)条路径信息可信度的时候，骨干网形成，此时Sink节点将发送RREP信息告知Source节点停止发送RREQ信息，并将骨干网信息告知Source节点，保存于Source节点，然后Source节点开始沿骨干网发送数据，如图2路径A、B、C的可信度大于路径1、2、3，此事选择路径A、B、C组成骨干网；

进一步，S2242所述骨干网形成后，Source节点开始沿骨干网发送数据方式为：

S22311：Source节点比较骨干网各路径节点能值，并分别选出能量最小的的节点，从大到小排序后记着N₁、N₂……N_BL(Better Link,BL)，其对应的能量记着En₁、En₂……En_BL，再计算En₁、En₂……En_BL的平均值记着AE(Average Energy)。N₁节点所在的路径即为当前数据的转发路径。当En₁小于AE时，再按照上述方法选出骨干网中路径转发数据；当本次所有数据转发完成 后，从当前Source节点到Sink节点的路径信息保存在当前Source节点，当再次需要从该Source节点发送数据到Sink节点时候，可以沿用该路径信息。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。