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一种基于 能量均衡的深空 传感器网络组播路由方法

阅读：991发布：2020-06-22

专利汇可以提供一种基于能量均衡的深空传感器网络组播路由方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种基于能量均衡的深空传感器网络组播路由方法的技术方案，该方案属于深空传感器网络技术领域。主要包括：相邻节点交换信息并及时更新节点的传递概率表和能量概率表；根据邻居节点传递概率和能量概率判断链路的可靠性，进行信道选择；网络拥塞时，采用消息的生存时间、节点的传递概率和能量概率作为影响因子以有效地转移消息。本发明在一定程度上保持了节点的能量均衡，提高了网络的生存时间，确保了数据传输的可靠性，具有更高的实用性。，下面是一种基于能量均衡的深空传感器网络组播路由方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于能量均衡的深空传感器网络组播路由方法，其特征在于包括如下步骤：
1）系统初始化，为每个节点创建一个数据表，数据表包括节点ID、节点的传输概率表、能量概率表；
2）确定网络节点中的源节点S和源节点无线收发距离r内的节点组D，
3）源节点S要发送数据给节点组D时，首先创建一个RREQ数据包，RREQ数据包中包括RREQ数据包的ID、源节点的地址、组播目的节点D的地址列表、源节点到目的节点的传输概率表、源节点的能量概率表，源节点周期性的广播数据包，直到超出RREQ数据包的生存时间或者组播目的节点组D的地址列表为空；
4）中间节点收到RREQ数据包后，判断RREQ数据包的ID和源节点的地址是否在记录中，如果存在，则丢弃此RREQ数据包，如果不存在，则将RREQ数据包的ID和源节点的地址写入缓存中，并根据目的节点的地址列表、传递概率表和能量概率表，计算源节点与目的节点的能量/传递概率、中间节点与目的节点的能量/传递概率，分别比较两节点与目的节点的能量/传递概率，如果中间节点的能量/传递概率小于源节点的能量/传递概率，则不做任何处理；如果中间节点的能量/传递概率大于源节点的能量/传递概率，则计算中间节点的平均能量/传递概率阈值，与源节点的平均能量/传递概率阈值相比较，小于该阈值时不处理RREQ数据包，大于时该阈值时中间节点向源节点返回一个RREP数据包，RREP数据包包括RREP数据包的ID、源节点的地址、当前节点的地址、符合条件的目的地址列表D1；
5）当源节点收到RREP数据包后，比较RREP数据包的ID和源节点的地址是否与之前发送的RREQ数据包相同，如果相同，则查看RREP数据包的ID，如果源节点中没有数据包的ID的记录，则证明是一条新的数据包，并发送一份消息副本给中间节点，之后删除与符合条件的目的地址列表D1重复的目的节点地址；
6）如果源节点的目的节点组D的地址列表为空，则执行步骤3）；
7）所有中间节点执行步骤3）直到消息到达目的节点或超过生存时间被丢弃，当消息超过其生存时间时，则从缓存中删除。
2.根据权利要求1所述的基于能量均衡的深空传感器网络组播路由方法，其特征是：
所述的步骤4）中能量/传递概率通过公式
EP(a，D)=P(a，D)×μ+Pe(a)×(1-μ)计算，其中P(a，D)为a与D之间的传输概率，μ∈[0，1]表示表示能量/传递概率的权重参数，Pe(a)是节点a的能量概率。
3.根据权利要求1或2所述的基于能量均衡的深空传感器网络组播路由方法，其特征是：所述的步骤4）中平均能量/传递概率阈值通过公式

说明书全文

一种基于能量均衡的深空 传感器网络组播路由方法

技术领域：

[0001] 本发明涉及的是一种基于能量均衡的深空传感器网络组播路由方法。背景技术：

[0002] 在现有技术中，公知的技术是近年来，随着人类社会的进步和发展，人类考察、勘探地外能源和拓展太阳系生存空间的需求也变得更加迫切。无线传感器网络由于其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点，在深空探测方面有着得天独厚的条件和技术优势，随着人类对外太空探测活动的进行，深空传感器网络应运而生。

[0003] 深空传感器网络具有以下几个显著的特点：

[0004] （1）动态、随机的网络拓扑结构：节点处于移动的状态，可以随时随地以自组织方式构建网络，受能量限制不适合采用复杂的组网方式。

[0005] （2）间歇连接、频繁割裂的链路状态：由于节点的移动性和通信距离的限制，不能保证数据传输的实时性，同时为了降低发射功率以节约能量，采用多跳路由传输数据。

[0006] （3）带宽受限且时变：深空环境的复杂性导致了受限且时变的网络带宽，要求网络具备容迟、容断、容错特性。

[0007] （4）能量有限：传感器节点只能利用自身携带的太阳能电池提供能量。当传感器节点处于黑暗状态且电池能量耗尽时，将进入停止工作状态。深空传感器网络中最宝贵的资源之一就是能量，可以通过设计良好的信息收发模式以节约节点能量。

[0008] （5）路由协议简单：移动节点的存储和运算能力较弱，不适合运行复杂的路由算法。

[0009] 深空环境的恶劣和复杂性给深空传感器网络带来严峻的考验，造成传感器节点的失效，这样的环境要求深空传感器网络具有容迟与容断的特性。相对单播而言，组播路由的优势在于在减少网络带宽，提高数据发送速率。因此，有必要研究深空传感器网络的组播路由协议。在深空传感器网络中，由于链路带宽的时变性和链路的间歇连接，造成网络拓扑结构的动态变化，同时深空通信环境复杂，这些因素都导致了传输质量的下降和传输效率的降低。这是现有技术所存在的不足之处。发明内容：

[0010] 本发明的目的就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种基于能量均衡的深空传感器网络组播路由方法的技术方案，该方案实现节点间的能量均衡。保证数据传输的的高能可靠，具有更高的实用性。

[0011] 本方案是通过如下技术措施来实现的：一种基于能量均衡的深空传感器网络组播路由方法，其特征在于包括如下步骤：

[0012] 1）系统初始化，为每个节点创建一个数据表，数据表包括节点ID、节点的传输概率表、能量概率表；

[0013] 2）确定网络节点中的源节点S和源节点无线收发距离r内的节点组D，[0014] 3）源节点S要发送数据给节点组D时，首先创建一个RREQ数据包，RREQ数据包中包括RREQ数据包的ID、源节点的地址、组播目的节点D的地址列表、源节点到目的节点的传输概率表、源节点的能量概率表，源节点周期性的广播数据包，直到超出RREQ数据包的生存时间或者组播目的节点组D的地址列表为空；

[0015] 4）中间节点收到RREQ数据包后，判断RREQ数据包的ID和源节点的地址是否在记录中，如果存在，则丢弃此RREQ数据包，如果不存在，则将RREQ数据包的ID和源节点的地址写入缓存中，并根据目的节点的地址列表、传递概率表和能量概率表，计算源节点与目的节点的能量/传递概率、中间节点与目的节点的能量/传递概率，分别比较两节点与目的节点的能量/传递概率，如果中间节点的能量/传递概率小于源节点的能量/传递概率，则不做任何处理；如果中间节点的能量/传递概率大于源节点的能量/传递概率，则计算中间节点的平均能量/传递概率阈值，与源节点的平均能量/传递概率阈值相比较，小于该阈值时不处理RREQ数据包，大于时该阈值时中间节点向源节点返回一个RREP数据包，RREP数据包包括RREP数据包的ID、源节点的地址、当前节点的地址、符合条件的目的地址列表D1；

[0016] 5）当源节点收到RREP数据包后，比较RREP数据包的ID和源节点的地址是否与之前发送的RREQ数据包相同，如果相同，则查看RREP数据包的ID，如果源节点中没有数据包的ID的记录，则证明是一条新的数据包，并发送一份消息副本给中间节点，之后删除与符合条件的目的地址列表D1重复的目的节点地址；

[0017] 6）如果源节点的目的节点组D的地址列表为空，则执行步骤3）；

[0018] 7）所有中间节点执行步骤3）直到消息到达目的节点或超过生存时间被丢弃，当消息超过其生存时间时，则从缓存中删除。

[0019] 所述的步骤4）中能量/传递概率通过公式EP(a，D)=P(a，D)×μ+Pe(a)×(1-μ)计算，其中P(a，D)为a与D之间的传输概率，μ∈[0，1]表示表示能量/传递概率的权重参数，Pe(a)是节点a的能量概率。

[0020] 所述的步骤4）中平均能量/传递概率阈值通过公式

[0021]

[0022] 整个网络建立时，每个节点维护一个传递概率表和一个能量概率表。系统进行初始化时，为每个节点创建一个Hello消息，Hello消息的数据格式为：

[0023]NodeID P_List E_List

[0024] 其中，NodeID表示节点ID，P_List表示节点的传递概率表，E_List表示节点的能量概率表。节点周期性地广播Hello消息。当两个节点相遇时，相互交换传递概率和能量概率，以更新传递概率表和能量概率表。

[0025] 假设节点a为携带信息的节点，节点b为节点a在无线收发距离r内的某个邻居节点，节点a共有m个邻居节点，节点D为目的节点。节点a周期性地广播Hello消息，当节点b收到Hello消息后，首先检查节点ID号，更新节点的传递概率表和能量概率表。如果节点a与b在一给定的时间t内相遇，则利用式（1）计算节点a与b之间的传递概率。

[0026] P(a，b)=P′(a，b)+[1-P′(a，b)]×α （1）

[0027] 其中，P(a，b)表示节点a与b之间的传递概率，P′(a，b)表示节点a与b之间的历史传递概率，α∈[0，1]是一个初始化常数，通常为0.75。如果节点a与b在一给定的时间t内没有相遇，则利用式（2）计算节点a与b之间的传递概率。

[0028] P(a，b)=P′(a，b)×γk (2）

[0029] 其中，γ∈[0，1)是一个衰减常数，令其为0.98，k是一个时间单元数目。如果在一给定的时间t内节点a与b相遇，节点b与c相遇，则利用式（3）计算节点a与c之间的传递概率。

[0030] P(a，c)=P′(a，c)+[1-P′(a，c)]×P(a，b)×P(b，c)×β （3)[0031] 其中，β∈[0，1]为一个比例常数，通常为0.25。

[0032] 节点a的能量概率的计算公式如式（4）。

[0033] Pe(a)=Eremain/Einit (4)

[0034] 其中，Einit表示节点a的初始能量，Eremain表示节点a的剩余能量。节点a的能量/传递概率的计算公式如式（5）。

[0035] EP(a，D)=P(a，D)×μ+Pe(a)×(1-μ) （5）

[0036] 其中，μ∈[0，1]表示能量/传递概率的权重参数。平均能量/传递概率阈值EPave的计算公式如式（6）。

[0037]

[0038] 如果节点a要发送信息给目的节点D，只有当节点a的邻居节点i的能量/传递概率大于a的能量/传递概率，即EP(i，D)>EP(a，D)，并且大于平均能量/传递概率阈值EPave时，节点a才将信息转发给节点i。

[0039] 在深空传感器网络中，信息传输采用“存储-转发”的模式，当网络中节点数目增多，同时由于传感器节点存储空间有限，必将导致节点的存储能力受限，从而导致网络拥塞情况的发生，致使数据传输率下降。节点中设置了一个信息转移因子F，表达式如式（7）所示。

[0040] F=T(M)k×EP(a，D)（7）

[0041] 其中，T(M)表示信息M当前的生存时间，k为调整指针参数，EP(a,D)表示节点a到目的节点D的能量/传递概率。F的值越小，则信息被丢弃的可能性就越大。当发生网络拥塞时，将拥塞节点上F值最大的信息转移到邻居节点中，为新到达的信息留出足够的存储空间。对深空传感器网络而言，最大可能的传递信息是其主要目标，通过引入一定的传输延迟，提高了数据传输率。

[0042] 由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。具体实施方式：

[0043] 为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。

[0044] 通过附图可以看出，本方案的一种基于能量均衡的深空传感器网络组播路由方法，其特征在于包括如下步骤：

[0045] 1）系统初始化，为每个节点创建一个数据表，数据表包括节点ID、节点的传输概率

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