一种预测式低延时地理路由方法技术

本发明专利技术提出一种预测式低延时地理路由方法。该方法主要用来解决现有地理路由延时和网络能耗不平衡问题，并提高绕行路由空洞效率。基本步骤为：1）设定协议包和邻居表，每个节点以为周期广播一跳协议包；2）每个节点以为周期对邻居表进行局部更新；3）判断节点需处理接收过程还是转发过程，对应执行步骤4）或步骤5）；4）首先判断包的类型，若该包是协议包，则对邻居表中进行全面更新，否则往节点的上层传包；5）节点对数据包进行贪婪转发，若转发遭遇空洞出现局部极值，则利用切线角度扩展搜索法选取锚节点继续贪婪转发。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种预测式低延时地理路由协议方法，属于无线传感器网络中地理路由 领域。
技术介绍
无线Ad Hoc网络是一类无固定基础设施的无线局域网，是一类由一些处于平等状 态的移动节点相互通信组成的临时网络。Ad Hoc网络组成简单快捷，广泛应用于抢险救灾、 高危工业、医疗急救、军事领域、环境监测等一些临时的重大活动中。虽然Ad Hoc网络相对 方便，但网络中的每个节点（网络中移动站简化为节点）都要参与到其他节点的路由发现与 维护，并且由于网络拓扑频繁迅速变化，导致一些固定的网络路由协议并不适用于Ad Hoc 网络。随着定位技术的发展，处于网络中的节点可以获取自身、邻居节点与目的节点的地理 位置信息，从而出现了基于地理位置的路由算法。自从美国哈佛大学的Karp等人在2000年 ACM MobiCom 会议提出了地理路由 GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing)以来， 地理路由研究受到国内外的高度重视。地理路由具有扩展性强、自适应性高和收敛速度快 等优点，与基于网络拓扑的路由协议相比，地理路由不需要建立和维护整个网络的路由表。 每个节点周期的向邻居节点发送Hello包(或Beacon包)，并且接收邻居节点发送的Hello 包，同时节点用一张邻居表来记录邻居节点的位置信息。从源节点到目的节点的整个数据 传输在总体上可概括为两个主要步骤：首先获取目的节点地理位置，然后选择下一跳转发 数据包。其中，前者由位置服务来获取目的节点位置，后者通过中间节点接力转发来实 现。 Greedy路由是最常用的路由协议之一，贪婪转发模式选择的标准有距离、跳数、能 耗等单一因素，以及多种因素的综合，贪婪转发原理简单，计算复杂度低。节点在选择下一 跳时，根据既定标准选择最优邻居节点进行转发(例如以距离为标准时，转发节点可选择距 离目的节点最近的一跳邻居节点作为下一跳)，常见的贪婪转发机制有MFR、NFP、GRS、CR和 RPF等。目前有研究提出结合拥塞和距离进行贪婪决策的方法，但该方法中节点在通告拥塞 层次时需要时刻发送Hello包，导致大量的信息滞后和更多的能量消耗，这个问题在重载 网络中更为突出。局部极值(路由空洞）是贪婪转发中不可避免的一个问题，解决路由空洞 问题的主要方法是：借助某种非贪婪机制跳出局部最优，例如平面图避洞中的周边路由模 式、洪泛避洞、启发式避洞等。其中周边转发利用右手准则绕洞会延长整个路径长度，产生 额外的能耗。洪泛避洞虽然能确保绕行空洞成功，但是能耗较大，浪费网络资源。启发式避 洞算法通过利用网络拓扑信息和空洞位置绕行空洞，但是并不能够确保成功转发数据包。 本专利技术提出一种预测式低延时地理路由协议方法，解决了延时能耗和通信路径拉 长的问题。第一，针对节点频繁地发送Hello包通告信息而造成端到端延时和能耗增大的 问题，本方法通过节点的队列长度、发送速率和接收速率来计算最大发送时延，综合考虑节 点距离和延时参数，在转发数据时选取预测时延和距离最优的下一跳节点。第二，针对贪婪 转发中出现局部极值而导致转发路径拉长的问题，本专利技术提出切线角度扩展搜索法确定包 的锚节点，继续利用贪婪转发引导后续数据包的发送。通过建立锚节点提前避开空洞，可避 免由于遭遇空洞而引起距离延长和跳数增加问题，降低网络能耗。
技术实现思路
针对无线传感器网络地理路由协议中高延时和能耗不均匀以及遭遇空洞绕行等 问题，当无线传感器网络中节点较多时，节点广播传递信息的耗能和耗时更为严重。本专利技术 将预测时延和距离结合，提出一种预测式地理路由协议方法。节点可以通过计算来预测邻 居节点延时信息，同时参考延时和距离两个因素，在邻居节点中动态选择下一跳。当转发遭 遇路由空洞时，利用切线角度扩展搜索法确定包的锚节点，以引导后续包的发送，主要有以 下步骤： 1) 定义Zfe/to协议包和节点邻居表，每个节点以为周期广播一跳协议包； 2) 每个节点设置预测延时定时器，以心:为周期更新邻居表中所有邻居节点的延时，其 Cf3 Ar1 = n ^t:(n > I)； 3) 根据当前网络状态，每个节点主要处理两种情况：若节点需处理接收过程，执行步骤 4)，若节点需转发过程，执行步骤5); 4) 判断包的类型，若该包为协议包，对节点邻居表进行全面更新，否则往节点上层发送 包； 5) 首先在当前节点的邻居节点中选取预测时延和距离最优下一跳，然后转发包至该下 一跳；若转发遭遇空洞出现局部极值，利用切线角度扩展搜索法确定包的锚节点，并且通告 源节点在数据包的头部添加此锚节点信息，引导后续包的传输。 本专利技术优势： 1) 节点可以预测邻居节点未来时刻的转发时延，而不需要通过频繁的2--包通告，大 量减少了 /--包的广播，降低能耗； 2) 节点在选取转发节点时不仅考虑距离因素，而且增加延时计算。数据包能按低延时 路径转发，从而减小了端到端延时，增大了吞吐量； 3) 数据包发送速率远大于节点的处理速率时，节点比较容易发生拥塞。而本专利技术在转 发时考虑了邻居节点的负载状态，能够平衡网络负载，延长整个网络的寿命； 4) 数据转发遇到空洞时，构造一个椭圆区域，利用切线角度扩展搜索法确定锚节点，再 将数据重定向到锚节点继续贪婪转发，不让数据包沿洞边界转发，减少了洞边界节点的能 耗。 【附图说明】 图1是本专利技术路由建立流程图； 图2是本专利技术节点定时器工作时序图； 图3是本专利技术贪婪转发场景图； 图4是本专利技术路由遭遇空洞处理图； 图5是本专利技术扩展角度搜索锚节点图。 【具体实施方式】 1)定义/--?协议包：在包头中新增三个字段，分别携带节点数据包平均接收速率 A:、数据包平均发送速率；^:和节点当前的队列大小三个信息；节点计算数据包的 平均接收速率和平均发送速率，方法如下：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种预测式低延时地理路由方法，其特征在于转发节点的选择，所述方法至少包括以下步骤：1）定义协议包和节点邻居表，每个节点以为周期广播一跳协议包；2）每个节点设置预测延时定时器，以为周期更新邻居表中所有邻居节点的延时，其中；3）根据当前网络状态，每个节点主要处理两种情况：若节点需处理接收过程，执行步骤4），若节点需处理转发过程，执行步骤5）；4）判断包的类型，若该包为协议包，对节点邻居表进行全面更新，否则往节点上层发送包； 5）首先在当前节点的邻居节点中选取预测时延和距离最优下一跳，然后转发包至该下一跳；若转发遭遇空洞出现局部极值，利用切线角度扩展搜索法确定包的锚节点，并且通告源节点在数据包的头部添加此锚节点信息，引导后续包的传输。

【技术特征摘要】
1. 一种预测式低延时地理路由方法，其特征在于转发节点的选择，所述方法至少包括 以下步骤： 1) 定义1--?协议包和节点邻居表，每个节点以为周期广播一跳1?/,?协议包； 2) 每个节点设置预测延时定时器，以心:为周期更新邻居表中所有邻居节点的延时，其 中 Jii1 = > 1); 3) 根据当前网络状态，每个节点主要处理两种情况：若节点需处理接收过程，执行步骤 4)，若节点需处理转发过程，执行步骤5); 4) 判断包的类型，若该包为协议包，对节点邻居表进行全面更新，否则往节点上层发送 包； 5) 首先在当前节点的邻居节点中选取预测时延和距离最优下一跳，然后转发包至该下 一跳；若转发遭遇空洞出现局部极值，利用切线角度扩展搜索法确定包的锚节点，并且通告 源节点在数据包的头部添加此锚节点信息，引导后续包的传输。2. 根据权利要求1所述的一种预测式低延时地理路由方法，其特征在于定义1--协 议包和节点邻居表，提出速率计算方法，所述方法至少还包括： 1) 在协议包中增加三个字段，分别携带节点数据包的平均接收速率A:、平均发 送速率11%和节点当前的队列大小三个信息； 2) 每个节点维护一张邻居表，存储其邻居节点的信息，主要包括邻居节点号、坐标位 置、数据包平均接收速率、数据包平均发送速率、任一邻居节点当前的队列大小、延时信息 和生命周期，其邻居表如下：若节点邻居表中添加新邻居节点条目，该邻居节点的初始β?得; 3) 平均接收速率具。和平均发送速率计算方法如下：其中为相邻两个包到达节点的时间间隔，为相邻两个包离开节点的时间间隔， Ai，> U-e X )表示计算次数，β为取值范围为0 4的比例因子。3. 根据权利要求1所述的一种预测式低延时地理路由方法，其特征在于预测延时定时 器的设置和邻居表的局部更新，所述方法至少还包括： 1) 每个节点设置定时器，对邻居表进行局部更新，更新周期设为心：； 2) 局部更新过程：在邻居表中利用各个邻居节点的Ε ,计算经过Ai:时间后的各 个邻居节点的预测时延；若邻居表中某个邻居节点，则设= 否则计算方法 如下：其中：fik/辱表示邻居节点发送M4C层队列中所有包所需时间（非传播时延)，当 爲。=0时，表明该节点在某段时间内未接收到数据包，但由于该节点并未死亡；若计算 ddm...

【专利技术属性】
技术研发人员：李哲涛，欧阳经纶，裴廷睿，田淑娟，朱更明，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43