专利名称：一种无线自组织网络中基于接收者路由的数据转发方法
技术领域：
本发明涉及一种在无线自组织网络中数据转发方法，尤其涉及一种无线自组织网络中 基于接收者路由的数据转发方法，属于无线通信领域。
背景技术：
在无线自组织网络中，由于节点移动、节点失效或无线链路受环境的干扰，造成网络 拓扑结构动态变化，甚至有时两个节点之间在瞬间不存在一条端到端的数据传输路径。如 果采用静止的端到端路由机制，或发送者指定下一跳转发节点，路由维护开销大，数据传 输效率低，甚至数据传输难以实现的。
基于接收者的路由机制是一种较为新颖的数据传输协议，这类协议中发送节点并不指 定某个特定的邻居节点来转发数据，而是由接收到数据的邻居节点根据自身状态信息(如 到目标节点的距离、自身剩余能量等)竞争下一跳的转发权，竞争获胜的节点成为下一跳 节点来负责数据的转发。基于接收者的路由协议不需要建立和维护从源节点到目标节点的 全局路由，也不需要发送节点预先知道有哪些邻居节点，因此能够适用于无线自组织网络， 特别是移动的无线自组织网络。
在无线自组织网络中，节点往往采用电池供电，节点携带的能量是非常有限的。在路 由协议中，数据转发同时要充分考虑节点的剩余能量，让剩余能量多的节点承担更多的转 发任务，这样有利于整个网络能量的均衡消耗，延长整个网络的生存周期。
基于接收者的路由机制涉及到转发优先度、转发抑制和路由空洞逾越等方面的问题。 转发优先度是指接收到数据分组的节点根据自身状态计算自己做为下一跳转发节点的优 先级，优先级高的接收节点为转发数据分组的下一跳节点。转发优先度是基于接收者的路 由机制的核心技术之一，它要体现出节点转发的合适程度，并具有较好的可区分性，低的 计算复杂度和利于网络能量的均衡使用等。
目前提出了几个基于接收者的路由机制。在HolgerFubler等提出的基于竞争的传输协 议CBF (Contention-based Forwarding)中(参考H Fussier, J Widmer, M Kasemann, M Mauve,H Hartenstein， Contention-based forwarding for mobile ad-hoc networks, Ad Hoc Networks Journal (Elsevier), 2003， 1 (4): 351-369)，相对发送节点到目标节点近的单跳范围的区域称 为转发区域。当接收到一个数据分组时，转发区域中的节点根据自身到目标节点的距离来 设定一个定时器，当定时器到时并且没有侦听到其他节点发送该数据分组的相关信息时， 节点默认为自身获得转发权，向发送节点发出回应信息，并抑制其它节点在后续时刻作出 回应。CBF协议的转发优先度只考虑了节点到目标节点的距离；当网络节点密度较小时传 输延迟较大。
Michele Zorzi等提出了随机转发的路由协议GeRaF (Geographic Random Forwarding, 参考M Zorzi, R R Rao, Geographic Random Forwarding (GeRaF) for ad hoc and sensor networks: energy and latency performance. Trans, on Mobile Computing,2003,2(4): 349 - 365)。 该协议将发送节点的转发区域划分为多个带状子区域，每个子区域分配一个时隙，同一个 子区域内收到数据分组的节点在分配的时隙内平等的竞争转发权。它的竞争获胜的节点成 为下一跳转发节点。GeRaF协议中转发优先度也只考虑了节点到目标节点的距离，同时采 用的多轮竞争方式在转发时延和通信开销方面有所不足。
Brain M.Blum等人提出了隐含式地理传输协议IGF(Implicit Geographic Forwarding,参 考B M Blum， T He， S Son, J A Stankovic, IGF: A robust state-free communication protocol for sensor networks, in: Technical report CS-2003-11, CS Department, University of Virginia, 2003)。该协议将转发区域限定在一个60度张角的扇形区域内，并根据接收节点离目标节 点的距离和自身的剩余能量来设定响应发送节点的延迟的时间。IGF协议转发优先度考虑 到了能量因素，但转发区域的限制会将一些原本适合转发数据的节点排除在外，降低了下 一跳数据传输的成功机率；当网络节点密度较低时会导致较大的传输延迟。
己有路由机制在转发优先度计算方面没有综合考虑节点的信息，特别是没有考虑节点 的位置(节点分布)，不利于及时准确地选择适合的下一跳转发节点。
发明内容
本发明的主要目的是针对已有基于接收者路由的转发优先度计算的不足，提出一种无 线自组织网络中基于接收者路由的数据转发方法。本发明综合考虑节点自身的多种信息来 计算节点的转发优先度，优先度的计算结果与节点做为下一跳转发节点的适合度相对应， 离目标节点距离近、邻居节点多和剩余能量多的节点具有高的转发优先级；同时，优先度的计算更简单。这样，有利于及时选择合适的接收节点做为下一跳的转发节点。
本发明在计算接收节点的转发优先度时，综合考虑了以下三个因素接收节点离目标 节点的距离、接收节点的额外覆盖范围以及节点的剩余能量。接收节点到目标节点的距离 是转发优先度的重要影响因素，如图1所示，有效转发区域(Valid Forwarding Area)中的
接收节点z'离目标节点的距离最近，因此在同等情况下接收节点i最适合作为下一跳的转发节点。
接收节点的额外覆盖范围是指该节点的通信范围除去与发送节点通信范围的交叠区 域后剩余的部分。如图2所示，接收节点z'和y离目标节点的距离相等，但节点z'的额外覆
盖范围远大于节点7的额外覆盖范围。在网络平均节点密度一定的前提下，节点的额外覆 盖范围大意味着邻居节点数的期望值也大，因此在下一跳的数据转发过程中，节点4匕节
点7成功转发的概率大，所以其转发优先度应高于节点7'。由于节点额外覆盖范围的面积
计算较为复杂，为降低计算复杂度，本发明采用接收节点到发送节点的距离来近似表示节 点的额外覆盖范围。
无线自组织网络的节点往往是移动的，通过携带能量有限的电池供电，因此，有必要 在计算节点转发优先度时考虑能量因素，同等条件下让能量充足的节点优先转发数据。
本发明提出的节点转发优先度计算方法如下:
<i —《五,."
Pi;=
d — <i > 0
￡0及 (p"[o,i])
0 , d — 《0
、 ， (
式中"为接收节点z'的转发优先度，"为发送节点到目标节点的距离，《和G分别为接
收节点z'到目标节点和发送节点的距离，《和&分别为接收节点z'的剩余能量和初始能量， ^为节点的通信距离，假设所有节点的通信半径相同。
图3给出了所有节点剩余能量相等的情况下，发送节点通信范围内转发优先度分布情 况，发送节点的坐标为(50,50)，通信半径及"OO。综合上述分析，本发明提出的技术方案为
一种无线自组织网络中基于接收者路由的数据转发方法，其步骤为
1) 数据分组包含发送节点的位置信息字段和目标节点的位置信息字段，发送节点对于 要发送的数据分组，把本身的位置信息写入到发送节点的位置信息字段；数据源节 点把目标节点的位置信息写入目标节点的位置信息字段；
2) 接收到数据分组的接收节点根据发送节点的位置信息、目标节点的位置信息和自身 的位置信息，计算发送节点到目标节点的距离"，接收节点到目标节点的距离"'， 接收节点到目标节点的距离《，接收节点与发送节点之间的距离、
3) 接收节点根据距离J、《和^设定接收节点的转发优先度，进行数据分组的转发。
所述距离^《"'时，设定所述接收节点优先度为0，丢弃所接收的数据分组。
所述距离^>"'时，所述接收节点读取当前自身的剩余能量《，根据距离"、《、"'和 能量￡'设定所述接收节点的转发优先度。
所述接收节点记录接收节点记录在网络启动时自己的初始能量^ ，以及通信半径R，
根据Pi; -^^ S,《>0 (Pr^
)设定所述接收节点的转发优先度Pr;。
A A。 A
所述接收节点内设置一个定时器，根据转发优先度的值设置所述定时器的值，进行数 据分组的转发。
所述定时器按照定时器值减少方式工作。
所述定时器的工作方式为
1) 在定时器值减少并没有为零过程中，收到其它节点成为下一跳转发节点的信息，
则本接收节点放弃成为下一跳转发节点；
2) 在定时器值减少为零过程中，没有收到其它节点成为下一跳转发节点的信息，则
本接收节点在定时器数值为零时成为这个数据分组的下一跳转发节点，通告自己成为下一 跳转发节点，进行数据分组的转发。
所述数据分组的发送方式为广播方式，所述数据分组的MAC层地址为广播地址。本发明的积极效果
本发明在节点的转发优先度计算中，考虑了节点的剩余能量因素，同等情况下剩余能 量高的节点获得较高的转发优先度，有利于均衡网络中节点的能量消耗，对剩余能量不足 的节点进行有效的保护，从而达到延长网络生存时间的目的；另外，转发优先度计算中考 虑了节点的额外覆盖范围，节点的额外覆盖范围越大，也就意味着该节点邻居节点数的期 望值越大，因而在下一跳数据转发过程中的成功概率也越大，增强了数据转发的可靠性。
图l是有效转发区域示意图2是节点额外覆盖度示意图3是转发优先度的分布图4转发优先度的处理过程流程图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照转 发优先度的处理流程图4，对本发明进一步详细说明。
1) 为了计算转发优先度，所有节点记录自己的通信半径R，以及在网络启动时自己的
初始能量^;
2) 数据分组包含发送节点的位置信息字段和目标节点的位置信息字段。对于需要发送 (或转发)的数据分组，发送节点把自己的位置信息写入到数据分组中发送节点的位置信
息字段。如果发送节点是数据源节点，把目标节点的位置信息写入数据分组中目标节点的 位置信息字段；如果发送节点是转发数据分组的节点，数据分组中目标节点的位置信息字 段已经是目标节点的位置信息，无需修改。同时，通过广播方式发送数据分组，数据分组 的MAC层地址是广播地址；
3) 接收到数据分组的接收节点i，根据数据分组中发送节点的位置信息、目标节点的
位置信息和自身的位置信息，计算发送节点到目标节点的距离"，接收节点i到目标节点
的距离"'，以及接收节点i与发送节点之间的距离"'；
4) 接收节点i判断本身到目标节点的距离，如果接收节点i到目标节点的距离大于或
等于发送节点到目标节点的距离，S卩"《《时，接收节点丢掉这个数据分组，不作进-步的处理。否则，转入第五步；
5)接收节点i读取当前自身的剩余能量《，根据下式计算它的转发优先度Pj;.:
Pr =
d —《e ， ， ^ -j_《>o
A五。^ (Pi;e[o,i])
0 , d-《so
6)接收节点i根据转发优先度的计算结果，启动一个定时器进行数据转发，定时器的 初始值反比于优先度的数值。
每个转发优先度大于零的接收节点中均启动一个定时器，定时器按照减少方式工作
如果在定时器值减少并没有为零过程中，收到其它节点成为下一跳转发节点的信息(如其 它节点发送通告声明自己是这个数据分组的下一跳转发节点，或其它节点转发这个数据分
组等)，本接收节点放弃成为下一跳转发节点；如果在定时器值减少为零过程中，没有收 到其它节点成为下一跳转发节点的信息，本接收节点在定时器数值为零时成为这个数据分 组的下一跳转发节点。
权利要求
1. 一种无线自组织网络中基于接收者路由的数据转发方法，其步骤为1)发送节点发送的数据分组中携带本身的位置信息和目标节点的位置信息；2)接收到数据分组的接收节点根据发送节点的位置信息、目标节点的位置信息和自身的位置信息，计算发送节点到目标节点的距离d，接收节点到目标节点的距离di，接收节点与发送节点之间的距离ri；3)接收节点根据距离d、di和ri设定接收节点的转发优先度，进行数据分组的转发。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述数据分组包含发送节点的位置信息字段和 目标节点的位置信息字段。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于所述距离"《《时，设定所述接收节点优先度为 0，丢弃所述数据分组。
4. 如权利要求2所述的方法，其特征在于所述距离">《时，其特征在于所述接收节点读 取当前自身的剩余能量^，根据距离"、《、"'和能量￡'设定所述接收节点的转发优先度。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于所述接收节点记录接收节点记录在网络启动时自己的初始能量&，以及通信半径R，根据Pi^^^&i, 《>0 (Pi;e
)设定所述 接收节点的转发优先度Pj;。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于所述接收节点内设置一个定时器，根据转发优 先度的值设置所述定时器的值，进行数据分组的转发。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于所述定时器按照定时器值减少方式工作。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于所述定时器的工作方式为1) 在定时器值减少并没有为零过程中，收到其它节点成为下一跳转发节点的信息，则 本接收节点放弃成为下一跳转发节点；2) 在定时器值减少为零过程中，没有收到其它节点成为下一跳转发节点的信息，则本 接收节点在定时器数值为零时成为这个数据分组的下一跳转发节点，通告自己成为下一跳 转发节点，进行数据分组的转发。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于所述数据分组的发送方式为广播方式，所述数 据分组的MAC层地址为广播地址。
全文摘要
本发明公开了一种无线自组织网络中基于接收者路由的数据转发方法，本发明综合考虑了接收节点离目标节点的距离、接收节点的额外覆盖范围以及接收节点的剩余能量三个因素计算接收节点的转发优先度，接收节点根据转发优先度的计算结果，启动一个定时器进行数据转发，本发明的优先度计算更简单，有利于及时选择合适的接收节点做为下一跳的转发节点，提高数据转发的成功概率，增强了数据转发的可靠性。
文档编号H04L12/56GK101471864SQ20071030457
公开日2009年7月1日 申请日期2007年12月28日 优先权日2007年12月28日
发明者孙利民, 连 李, 皇甫伟, 蒋文涛 申请人:中国科学院软件研究所