基于链路质量的层次型路由方法技术

本发明专利技术公开一种基于链路质量的层次型路由方法，以链路质量为基础，以层次型拓扑结构为前提，进行路由方法的设计和实现，以弥补平面型路由方法效率偏低、层次型路由方法考虑链路质量不足的缺陷，进一步提升网络效率。本发明专利技术提出了基于时间窗口的指数加权移动平均算法与均值LQI相结合的链路质量预测方法，可以准确及时的获取节点间链路质量信息。EBCLQ方法采用基于LQEWAL链路质量预测方法的网络初始化算法，通过NIL算法可以获取节点间链路质量和能量等信息。EBCLQ方法提出了由候选簇头产生、正式簇头确立、簇建立三步组成的成簇过程。EBCLQ方法提出了基于链路质量的时隙分配算法和基于簇头分类的多跳算法。

【技术实现步骤摘要】
基于链路质量的层次型路由方法
本专利技术涉及一种路由方法，具体地说是涉及一种基于链路质量的层次型路由方法，属于无线传感器网络

技术介绍
传感器技术、微电子技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的发展，并孕育出了无线传感器网络。由于无线传感器网络克服了传统监测网络诸如不易部署、成本高昂等缺点，使其在环境监测、军事监控，基建保护等领域应用广泛，体现了巨大的应用前景。当前，无线传感器网络面临的最大挑战就是能量有限，作为组网基础的路由方法在设计时就必需利用网络自身特性，降低节点能耗和平衡网络整体能耗，提升网络效率，延长网络寿命。节点能耗主要由通信能耗、处理能耗、侦听能耗三部分组成，通信能耗是各能耗中所占比例最高的。如何提升单次通信的成功率和减少非必要性通信，成了路由方法设计的关键。提升单次通信的成功率，需要节点选择链路质量较好的信道；减少非必要性通信，需要一个良好的网络拓扑结构控制。目前，虽然路由方法方面已有大量的研究成果。但是，在构建高效的拓扑结构上，同时全面考虑链路质量的路由方法却少见。在此环境下，结合链路质量因素对路由方法的重要性和层次型拓扑结构的高效性，提出一种在保证链路质量的基础上，提高通信效率的路由方法，是亟需解决的重要问题。
技术实现思路
专利技术目的：针对平面型路由方法效率偏低，层次型路由方法考虑链路质量不足的缺陷，提出了一种基于链路质量的能耗均衡层次型路由方法（EnergyBalancedClusterroutingalgorithmbasedonLinkQuality，EBCLQ），简称为基于链路质量的层次型路由方法。技术方案：一种基于链路质量的层次型路由方法，为基于时间窗口的指数加权移动平均算法与均值LQI相结合的链路质量预测方法（LinkQualityEstimationbasedonWMEWMAandAverageLQI，LQEWAL），LQEWAL链路质量预测方法，结合了现有的基于时间窗口的指数加权移动平均算法和链路质量硬件参数（均值链路质量指示），以便准确及时的获取节点间链路质量信息。通过NIL算法（网络初始化算法，NetworkInitializationbasedonLQEWAL，NIL算法），获取节点间链路质量和能量等信息。针对以往成簇算法中存在簇头分布不均和簇头过多的问题，根据NIL算法获取的节点间链路质量和网络信息，对网络进行初始化工作。提出了由候选簇头产生、正式簇头确立、簇建立三步组成的成簇过程。其中，候选簇头产生采取基于平均链路质量和平均能量的候选簇头选举算法（CandidateCluster-headElectionbasedonaverageLinkqualityandEnergy,CCELE），以一跳内节点平均能量和平均链路质量为参数，由邻居节点相互竞争产生；正式簇头确立采取基于候选簇头的正式簇头确立算法（FormalCluster-headtoEstablishbasedonCandidateCluster-head,FCECC），由一跳内候选簇头进一步竞争确立；簇建立阶段，节点选择同自身通信能耗最小的簇头加入。针对簇内通信可能存在的消息碰撞和簇间通信能耗、延时过高的缺点，提出了基于链路质量的时隙分配算法（SlotAllocationbasedonLinkquality,SAL）和基于簇头分类的多跳算法（Multi-HoporOne-HopbasedonCluster-headClassification,MOCC）。SAL算法按各簇成员同簇头间链路质量高低顺序进行簇内时隙分配；MOCC算法按簇头与sink节点链路质量和基于链路质量的通信能耗将其分为OH（One-Hop）类和MO（Mulit-HoporOne-Hop）类，采取OH类簇头单跳，MO类单跳或多跳的数据转发策略。有益效果：相对于现有技术，本专利技术提供的基于链路质量的层次型路由方法，以链路质量为基础，采用层次型拓扑结构，进行路由方法的设计和实现，以弥补平面型路由方法效率偏低、层次型路由方法考虑链路质量不足的缺陷，进一步提升网络效率。附图说明图1为本专利技术实施例的层次型路由方法的网络结构图；图2为本专利技术实施例的EBCLQ方法一轮流程图；图3为本专利技术实施例的簇头聚堆问题示意图；图4为本专利技术实施例的簇头选举流程图；图5为本专利技术实施例的未收到簇头信息节点的成簇情况图；图6为本专利技术实施例的簇间数据传输图；图7为本专利技术实施例的簇间算法流程图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。平面型路由方法核心思想：所有节点地位相同，作用相同，数据以单跳或多跳的方式发送给sink节点。优点是方法简单，易于维护，对于数目少的小型网络适用。缺点是大多平面型方法依赖泛洪和持续消息广播，即使考虑了链路质量，通信量依然很大，网络整体能耗极高，难以应用于高密度、规模大的网络。图1所示的是层次型路由方法的网络结构。层次型路由方法采取与平面型路由方法截然不同的拓扑结构，其思想：将整个监测区域分为若干个大小不等（或相等）的“簇”，每个簇有一个簇头节点和若干簇成员节点，簇成员按照TDMA与簇头通信，簇头以单跳或多跳方式与sink节点通信。无线传感器网络路由方法设计的挑战概括为两点：网络动态性和能量有限性。当前大部分路由方法都重点考虑了能量有限，却忽略了网络动态性，尤其是链路质量动态变化对网络的影响。无线传感器网络中，任意节点间通信都会发生链路不稳定，甚至不可通信的情况。路由方法的实现又是以节点间相互协作多跳通信为基础，各单跳链路质量自然对整个数据转发路径效率影响重大。节点收包率（PacketReceiveRatio，PRR）是两个节点通信链路质量的度量，定义为：假设i节点作为发送者在t时间内共发出n个数据包，j节点作为接受者在t时间内接受到m（m≤n）个数据包，那么i节点发向j节点方向的收包率PRR为：PRR为1时，链路质量最好，即节点间的每次收发包都是一次性完成，无丢包情况；为0时，链路质量最差，丢包率为100%。链路质量指示（LinkQualityIndication,LQI）是衡量链路质量的指标，是用于链路质量预测的硬件参数，单次LQI与PRR值相关性不是很好，但均值LQI与PRR有良好的相关性，因此可以作为上层路由方法对链路质量预测的参考。综上，高效的无线传感器网络路由方法必须要考虑到链路质量重要性。指数加权移动平均算法（ExponentiallyWeightedMovingAverage,EWMA）是基于软件的链路质量预测算法（周期性发送探测消息或者持续侦听网络内数据消息，直接得出节点间PRR值，用以预测链路质量）。它利用802.11或802.15.4协议广播数据包丢失后不重传的特点，周期性广播包含序列号和时间戳的探测消息，通过统计和计算直接得出节点间正、反向PRR值。基于时间窗口的指数加权移动平均算法（WindowMeanExponentiallyWeightedMovingAverage,WMEWMA）就是改本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于链路质量的层次型路由方法，其特征在于，采用基于时间窗口的指数加权移动平均算法与均值LQI相结合的链路质量预测方法，主要包括：网络初始化、簇形成、数据传输三个过程；通过NIL算法获取节点间链路质量和能量网络信息，对网络进行初始化工作；簇形成包括候选簇头产生、正式簇头确立、簇建立三个步骤；其中，候选簇头产生采取基于平均链路质量和平均能量的候选簇头选举算法，以一跳内节点平均能量和平均链路质量为参数，由邻居节点相互竞争产生；正式簇头确立采取基于候选簇头的正式簇头确立算法，由一跳内候选簇头进一步竞争确立；簇建立阶段，节点选择同自身通信能耗最小的簇头加入；基于链路质量的时隙分配算法和基于簇头分类的多跳算法进行数据传输；SAL算法按各簇成员同簇头间链路质量高低顺序进行簇内时隙分配；MOCC算法按簇头与sink节点链路质量和基于链路质量的通信能耗将其分为OH类和MO类，采取OH类簇头单跳，MO类单跳或多跳的数据转发策略。

【技术特征摘要】
1.一种基于链路质量的层次型路由方法，其特征在于，采用基于时间窗口的指数加权移动平均算法与均值LQI相结合的链路质量预测方法，主要包括：网络初始化、簇形成、数据传输三个过程；通过NIL算法获取节点间链路质量和能量网络信息，对网络进行初始化工作；NIL算法指网络初始化算法；簇形成包括候选簇头产生、正式簇头确立、簇建立三个步骤；其中，候选簇头产生采取基于平均链路质量和平均能量的候选簇头选举算法，以一跳内节点平均能量和平均链路质量为参数，由邻居节点相互竞争产生；正式簇头确立采取基于候选簇头的正式簇头确立算法，由一跳内候选簇头进一步竞争确立；簇建立阶段，节点选择同自身通信能耗最小的簇头加入；基于链路质量的时隙分配算法和基于簇头分类的多跳算法进行数据传输；SAL算法按各簇成员同簇头间链路质量高低顺序进行簇内时隙分配；SAL算法指基于链路质量的时隙分配算法；MOCC算法按簇头与sink节点链路质量和基于链路质量的通信能耗将其分为OH类和MO类，采取OH类簇头单跳，MO类簇头多跳的数据转发策略；MOCC算法指的是基于簇头分类的多跳算法；OH表示One-Hop，OH类为单跳类，MO表示Multi-Hop，MO类为多跳类；NIL算法将网络初始化分为两步进行：①获取sink节点同一般节点的综合链路质量；网络初始化开始后，sink节点以最大功率进行广播，监测区域内未收到消息的节点将自身与sink综合链路质量值置为0，并立即进入休眠态；收到消息的节点，则保持在工作态；而后处于工作态的节点调整发射功率至最大，进行消息广播，计算并记录与sink间综合链路质量Lis，Lis＝Lsi＝{Lis|Lis＝lis×lsi,Lis∈[0,1]}，其中lis表示i发向s的单向链路质量为lij，其值与PRR值相同，lsi同理可得，PRR指节点收包率；②获取节点一跳内信息和一跳间节点链路质量；所有节点均进入工作态，调整发射功率至一跳范围距离进行消息广播，计算并记录彼此间综合链路质量L；若L＞Lf，Lf为综合链路质量阈值，用来保证网络通信效率，则节点间互为邻居关系，并相互记录彼此ID号；通过以上两个步骤，便完成了网络初始化工作。2.如权利要求1所述的基于链路质量的层次型路由方法，其特征在于，采取CCELE算法产生候选簇头，将节点分为两类：可与sink节点直接通信的节点归为A类，无法与sink节点直接通信的节点归为B类；对于节点i，即：CCELE算法指基于平均链路质量和平均能量的候选簇头选举算法，CCELE算法具体步骤如下：①对于A类节点i，若Lis小于Lf，则节点i进入休眠态，退出簇头选举；②对于剩下的所有节点，首先将节点自身能量E(i)与周围一跳邻居平均能量Eiavg进行比较，若节点能量高于一跳平均能量，则继续参选，否则进入休眠态；③剩下仍处在工作态的节点，比较相互间的Liavg值，一跳范围内此值最高的节点当选为该范围内的候选簇头。3.如权利要求2所述的基于链路质量的层次型路由方法，其特征在于，FCECC算法指基于候选簇头的正式簇头确立算法，采取FCECC算法确立正式簇头，具体步骤如下：①在此阶段所有普通节点全部进入休眠态；②候选簇头以一跳范围为距离，进行消息广播；若在此阶段，候选簇头未收到其它候选簇头的消息，则将自己定义为正式簇头；若在此阶段，收到了一个或者多个其它候选簇头的消息，则通过相互竞争来确立正式簇头；...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛莺池，王康，王久龙，任道宁，接青，朱沥沥，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32