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1、(10)申请公布号 CN 102651886 A (43)申请公布日 2012.08.29 C N 1 0 2 6 5 1 8 8 6 A *CN102651886A* (21)申请号 201110044119.5 (22)申请日 2011.02.23 H04W 28/08(2009.01) H04W 40/10(2009.01) (71)申请人中国科学院声学研究所 地址 100190 北京市海淀区北四环西路21 号 (72)发明人刘宇 赵志军 沈强 唐晖 谭红艳 (74)专利代理机构北京法思腾知识产权代理有 限公司 11318 代理人杨小蓉 高宇 (54) 发明名称 一种基于能量感知的GPS。
2、R动态路由选择方 法及系统 (57) 摘要 本发明公开了一种基于能量感知的GPSR随 机路由选择方法，该方法用于无线传感器网络的 路由选择，所述方法包含如下步骤：任意一个路 由节点确定出该节点的“候选路由邻居集合”，所 述候选路由邻居集合为距离目的节点比该节点本 身近的所有邻居节点；计算该节点的候选路由邻 居集合中的每个邻居节点的相对能量；以相对能 量为概率随机选择m个候选路由邻居集合中的某 节点i为该节点的下一跳路由节点；节点i再重 复以上步骤，选择节点i的下一跳路由节点，直至 传送数据从源节点到达目的节点。本发明还提供 一种基于能量感知的GPSR确定路由选择方法，该 方法参考候选路由邻居节。
3、点的相对能量和节点到 目的节点的相对距离根据设定的公式选择下一跳 节点。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 1/2页 2 1.一种基于能量感知的GPSR随机路由选择方法，该方法用于无线传感器网络的路由 选择，所述方法包含如下步骤： 任意一个路由节点确定出该节点的“候选路由邻居集合”，所述候选路由邻居集合为距 离目的节点比该节点本身近的所有邻居节点； 计算该节点的候选路由邻居集合中的每个邻居节点的相对能量； 以相对能量为概率随机选择m个候选路由邻居集合中的某节。
4、点i为该节点的下一跳路 由节点； 节点i再重复以上步骤，选择节点i的下一跳路由节点，直至传送数据从源节点到达目 的节点。 2.根据权利要求1所述基于能量感知的GPSR随机路由选择方法，其特征在于，所述邻 居节点的相对能量为某个邻居节点的能量与所有候选路由邻居集合包含的所有节点能量 和的比值，具体公式为： 其中，m表示候选路由邻居的个数，各个候选路由邻居节点对应的能量为P N p 1 ，.， p m 3.根据权利要求1所述基于能量感知的GPSR随机路由选择方法，其特征在于，所述候 选路由邻居集合为空集时，采用边界转发策略进行选路。 4.一种基于能量感知的GPSR确定路由选择方法，该方法用于无线传。
5、感器网络的路由 选择，所述方法包含如下步骤： 任意路由节点确定出该节点的“候选路由邻居集合”，所述候选路由邻居集合为距离目 的节点比该节点本身近的邻居节点的集合；计算候选路由邻居集合包含的所有节点的相对 能量；并计算候选路由邻居集合包含的所有节点到目的节点的相对距离； 选取邻居节点为该节点的下一跳的路由节点，其中d i 为某个候选 路由邻居节点与目标节点的距离，p i 为节点的相对能量，max为去最大值； 节点i重复以上步骤，选择节点i的下一跳路由节点，直至传送数据从源节点到达目的 节点。 5.根据权利要求4所述基于能量感知的GPSR随机路由选择方法，其特征在于，所述节 点的相对能量为某个邻居。
6、节点的能量与所有候选路由邻居集合包含的所有节点能量和的 比值，具体公式为： 其中，m表示候选路由邻居的个数，各个候选路由邻居节点对应的能量为P N p 1 ，.， p m 6.根据权利要求4所述基于能量感知的GPSR随机路由选择方法，其特征在于，所述节 点的相对距离为每个节点距离目标节点的距离与候选路由邻居集合包含的所有节点距离 目标节点距离之和的比值，具体公式为： 权 利 要 求 书CN 102651886 A 2/2页 3 其中，m表示候选路由邻居节点的个数，各个候选路由邻居节点距离目标节点的距离为 d N d 1 ，.，d m 。 7.根据权利要求4所述基于能量感知的GPSR随机路由选择。
7、方法，其特征在于，所述候 选路由邻居集合为空集时，采用边界转发策略进行选路。 8.一种基于能量感知的GPSR随机路由选择系统，该系统基于权利要求1所述的方法， 用于为无线传感网络的每个节点选择下一跳，该系统包含候选路由邻居集合生成模块，下 一跳节点选择模块，其特征在于，所述系统还包含： 相对能量生成模块，用于计算每个邻居节点的相对能量，具体为计算每个邻居节点与 候选路由邻居集合生成模块生成的所有邻居节点的能量之和的比值； 其中，所述下一跳节点选择模块根据所述相对能量生成模块得到的相邻节点的相对能 量为概率选择下一跳节点。 9.一种基于能量感知的GPSR随机路由选择系统，该系统该系统基于权利要求。
8、4所述的 方法，用于为无线传感网络的每个节点选择下一跳，该系统包含候选路由邻居集合生成模 块，下一跳节点选择模块，其特征在于，所述系统还包含： 相对能量生成模块，用于计算每个邻居节点的相对能量，具体为计算每个邻居节点与 候选路由邻居集合生成模块生成的所有邻居节点的能量之和的比值； 相对距离生成模块，用于计算每个邻居节点的相对距离，具体为计算每个邻居节点与 目标节点的距离和所有候选邻居节点与目标距离之和的比值； 其中，所述下一跳节点选择模块根据所述相对能量生成模块得到的相邻节点的相对能 量及所述相对距离模块得到相对距离为参量选择下一跳节点。 权 利 要 求 书CN 102651886 A 1/5。
9、页 4 一种基于能量感知的 GPSR 动态路由选择方法及系统 技术领域 0001 本发明涉及传感器网络的路由算法，具体涉及一种基于能量感知的GPSR动态路 由选择方法。 背景技术 0002 无线传感器网络(WSN)由大量传感器组成，每个传感节点具有信息收集、处理、无 线通信功能，通过无线传感器协议自组成无线传感器网络。WSN部署灵活、方便，应用广泛。 随着电子技术的发展，尤其是微机电系统(MEMS)技术的发展，电器器件的性能不断提高， 成本不断下降，近一步促进了无线传感器网络的发展。近年来，物联网的提出扩大了无线传 感器网络的应用，无线传感器网络的重要性日益显现。 0003 路由问题是形成无线。
10、传感器网络的关键技术，各个传感节点之间正是靠路由连接 的。传感器节点能量受限是传感器的重要特征之一，所以在设计无线传感器网络的路由时 要尽量延长网络的存在时间。贪婪周边无状态路由协议(GPSR)是适用于无线传感器网络 的一种协议(该协议的选路策略如附图1所示，仅仅考虑了与目标节点的距离作为选路 策略)，对它的改进方法有很多。很多文献针对路由过程中出现空洞时的算法提出了改进 措施，对路由做了优化，节省了能量消耗，延长了无线传感器网络的存在时间。另外有文 献针对链路的非对称性提出了改进算法。在应用方面，GPSR被做为数据为中心的地理哈 希表(GHT)存储的底层数据路由，其中针对热点存储问题提出了结。
11、构化副本(Structured replication)的解决方案。出现热点存储的一个原因是存在事件频繁发生的点，相应的传 感器在无线传感器网络中就是热点数据源，这些事件被映射到同一个地理位置上形成热点 存储。从数据产生点到数据存储点的路由按照GPSR的方式是选择同一条路由的，实际上就 在路由上也形成了热点路由。本发明针对这个问题，提出了能量感知的路由负载均衡的算 法，根据能量感知来动态调节选路，使得路由热点问题得到避免。通过这种动态路由负载均 衡技术，延长了无线传感器网络的生存时间。 0004 GPSR路由协议的选路是在所有邻居节点中选择离目的节点最近的邻居做为下一 跳节点，数据传输途中的每。
12、一个节点都按照这个原则选择下一跳，直到到达目的节点。当在 路由途中遇到路由空洞时，用边界转发策略来完成选路。 0005 在基于地理哈希表的无线传感器网络数据分发系统中，若存在热点数据源，这个 热点数据源和存储点之间的路由将成为路由热点，沿途的节点的能量消耗将会很大。如图 1，节点S是数据源，节点H是目的节点，节点A、B、C、D是S的邻居，节点H是节点A、B、C、 D的邻居。图中边上的数字代表节点之间的距离，节点旁边的数字代表节点的能量。按照 GPSR的选路方式，节点S将选择B做为路由，当节点S成为热点源时，节点B需要承担所有 的路由任务，此时节点B就是在路由热点上，从而能量将会很快耗尽。为了解。
13、决这个问题就 需要把路由负载均衡的分配到其它节点上，从而使得节点均衡的消耗能量，延长整个网络 的存在时间。 说 明 书CN 102651886 A 2/5页 5 发明内容 0006 本发明的目的在于，为克服目前无线传感网络直接采用GPSR路由协议协议进行 选路，但是GPSR路由协议在进行选路时仅仅考虑了距离问题这对于能量受限的无线传感 网络会导致热点数据源和存储点之间的路由成为路由热点，进而导致路由热点沿途的节点 的能量消耗很大，影响整个无线传感网络的使用寿命，因而本发明提供一种基于能量感知 的GPSR动态路由选择方法。 0007 为实现上述目的，本发明提供一种基于能量感知的GPSR随机路由选。
14、择方法，该方 法用于无线传感器网络的路由选择，所述方法包含如下步骤： 0008 1)任意一个路由节点确定出该节点的“候选路由邻居集合”，所述候选路由邻居集 合为距离目的节点比该节点本身近的所有邻居节点； 0009 2)计算该节点的候选路由邻居集合中的每个邻居节点的相对能量， 0010 3)以相对能量为概率随机选择m个候选路由邻居集合中的某节点i为该节点的下 一跳路由节点； 0011 4)节点i再重复以上步骤，选择节点i的下一跳路由节点，直至传送数据从源节点 到达目的节点。 0012 上述技术方案中，所述邻居节点的相对能量为某个邻居节点的能量与所有候选路 由邻居集合包含的所有节点能量和的比值，具。
15、体公式为： 0013 0014 其中，m表示候选路由邻居的个数，各个候选路由邻居节点对应的能量为P N p 1 ，.，p m 0015 基于能量感知策略本发明还提供另一种基于能量感知的GPSR确定路由选择方 法，该方法用于无线传感器网络的路由选择，所述方法包含如下步骤： 0016 1)任意路由节点确定出该节点的“候选路由邻居集合”，所述候选路由邻居集合为 距离目的节点比该节点本身近的邻居节点的集合； 0017 2)计算候选路由邻居集合包含的所有节点的相对能量；并计算候选路由邻居集 合包含的所有节点到目的节点的相对距离； 0018 3)选取邻居节点为该节点的下一跳的路由节点，其中d i 为某 个。
16、候选路由邻居节点与目标节点的距离，p i 为节点的相对能量，max为去最大值； 0019 4)节点i重复以上步骤，选择节点i的下一跳路由节点，直至传送数据从源节点到 达目的节点。 0020 上述技术方案中，所述节点的相对能量为某个邻居节点的能量与所有候选路由邻 居集合包含的所有节点能量和的比值，具体公式为： 0021 0022 其中，m表示候选路由邻居的个数，各个候选路由邻居节点对应的能量为P N p 1 ，.，p m 。所述节点的相对距离为每个节点距离目标节点的距离与候选路由邻居集合 说 明 书CN 102651886 A 3/5页 6 包含的所有节点距离目标节点距离之和的比值，具体公式为：。
17、 0023 0024 其中，m表示候选路由邻居节点的个数，各个候选路由邻居节点距离目标节点的距 离为d N d 1 ，.，d m 。 0025 上述所述两种基于能量的选路方法，如果所述候选路由邻居集合为空集时，均采 用边界转发策略进行选路。 0026 本发明还提供一种基于能量感知的GPSR随机路由选择系统，该系统基于上述的 基于能量感知的GPSR随机路由选择方法，用于无线传感器网络的路由选择，具体用于为无 线传感网络的每个节点选择下一跳，该系统包含候选路由邻居集合生成模块，下一跳节点 选择模块，其特征在于，所述系统还包含： 0027 相对能量生成模块，用于计算每个邻居节点的相对能量，具体为计算。
18、每个邻居节 点与候选路由邻居集合生成模块生成的所有邻居节点的能量之和的比值； 0028 其中，所述下一跳节点选择模块根据所述相对能量生成模块得到的相邻节点的相 对能量为概率选择下一跳节点。 0029 作为改进，本发明还另一种基于能量感知的GPSR随机路由选择系统，该系统基于 上述的基于能量感知的GPSR随机路由选择方法，用于无线传感器网络的路由选择，具体用 于为无线传感网络的每个节点选择下一跳，该系统包含候选路由邻居集合生成模块，下一 跳节点选择模块，其特征在于，所述系统还包含： 0030 相对能量生成模块，用于计算每个邻居节点的相对能量，具体为计算每个邻居节 点与候选路由邻居集合生成模块生成。
19、的所有邻居节点的能量之和的比值； 0031 相对距离生成模块，用于计算每个邻居节点的相对距离，具体为计算每个邻居节 点与目标节点的距离和所有候选邻居节点与目标距离之和的比值； 0032 其中，所述下一跳节点选择模块根据所述相对能量生成模块得到的相邻节点的相 对能量及所述相对距离模块得到相对距离为参量选择下一跳节点。 0033 本发明的优点在于，本发明基于能量感知的GPSR动态路由选择方法一共提供了 两种基于能量的选路策略，两种动态路由负载均衡的策略都是在考虑了邻居节点能量的情 况下做出的，所以能够依据邻居节点的能量状态做出适当的调整，从而延长网络的存在时 间。其中的随机选路策略简单，但仅仅考虑。
20、了邻居的相对能量。而综合考虑邻居节点的能量 和节点距目的节点的距离，确定性路由负载均衡算法的路由负载均衡能力随时间的变化更 为均匀，而随机选路策略算法的路由负载均衡随时间变化的均匀性要差一些，但是算法的 执行也简单。在网络的动态性(如节点的快速移动造成拓扑变化，节点能量的快变等)低 时宜选择确定性选路策略；当网络的动态性高时宜选用随机选路策略，因为确定性选路策 略虽然考虑全面，但是高动态的网络下复杂计算后的结果与实际网络的状态已经失配了。 附图说明 0034 图1为现有技术的GPSR协议的节点选路的流程图； 0035 图2为本发明的同时包含各个邻居节点能量和距离的候选路由邻居集合示意图， 说 。
21、明 书CN 102651886 A 4/5页 7 该图的源节点与目标节点仅有一跳； 0036 图3为本发明基于能量感知的GPSR协议的随机选路策略协议的节点路由流程 图； 0037 图4为本发明基于能量感知的GPSR协议的确定性选路策略协议的节点路由流程 图； 0038 图5为本发明的基于能量感知的GPSR协议的随机性选路的路由负载均衡仿真 图； 0039 图6为本发明的基于能量感知的GPSR协议的为确定性性选路路由负载均衡仿真 图。 具体实施方式 0040 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。 0041 为了解决上面提出的路由热点问题，需要把路由负载均衡的分配到其它路由节点 上。
22、。为了能够针对节点的能量状态有效的进行动态选路，我们假定邻居节点之间周期性的 交互能量信息，这些信息可以携带在GPSR的广播包中，如周期性的信标信号中。每次节点 在选路的过程中，根据邻居的能量状态进行动态选路。本发明给出两种策略，随机选择策略 和确定性选择策略。 0042 如图3所示并结合图2，图3为基于能量感知的GPSR协议的随机性选路策略的流 程图。节点首先确定出“候选路由邻居”，候选路由邻居定义为距离目的节点比节点本身近 的邻居，用C N n 1 ，.，n m 表示，m表示候选路由邻居的个数，各个候选路由邻居的对应 能量为P N p 1 ，.，p m 。如图2所示，图2中源节点S到目标节。
23、点H的距离为10且仅有 一跳，它的邻居中A、B、C、D距离目标H的距离都比它近，所以源S的候选路由邻居为A，B， C，D，对应的能量为7，6，8，9，图中的灰色节点示意了源节点S的下一跳节点为B节点。 随机选路路由算法为： 0043 1)计算候选路由邻居节点的相对能量， 0044 0045 2)以概率p i 选择选择邻居节点n i 为下一跳。 0046 3)当候选路由邻居为空集时，按照原有的边界转发策略进行选路。 0047 按照上面的选路算法，路由负载按照邻居的相对能量状态被分散到各个邻居上。 0048 如图4所示同时参照图2，该图为基于能量感知的GPSR协议的确定性选路策略的 流程图；由于随。
24、机选路策略算法简单，但仅仅考虑了邻居的相对能量。邻居节点距目的节点 的距离也是选路的重要依据，GPSR的路由就是以此为选路依据的。候选路由邻居距目的节 点的距离可以表示为D n d 1 ，.，d m ，图2中源节点S的邻居A、B、C、D距离目的目标节 点H的距离为3.5，3，3.9，4.2，源节点和目标节点之间仅有一跳。综合考虑邻居节点的能 量和节点距目的节点的距离，确定性的路由负载均衡算法可做如下表述： 0049 1)计算候选路由邻居节点的相对能量； 说 明 书CN 102651886 A 5/5页 8 0050 0051 2)计算候选路由邻居节点到目的节点的相对距离； 0052 0053 。
25、3)选取邻居节点做为路由节点。 0054 4)当候选路由邻居为空集时，按照原有的边界转发策略进行选路。 0055 这样在综合考虑节点离目的节点的距离和节点能量状态的情况下完成动态的节 点路由负载均衡。 0056 以上两种动态路由负载均衡的算法都是在考虑了邻居节点能量的情况下做出的， 所以能够依据邻居节点的能量状态做出适当的调整，从而延长网络的存在时间。由于不是 按照离目的节点最近的原则选取的，所以这种算法所选取的路由有可能包含以离目的节点 最近的原则选取的路由，但是这种情况是暂态的，随着路由的动态调整，路由不会总停留在 这种情况。路由能够到达的目的节点的性质由算法总是选取比节点自身距离目的节点。
26、的距 离近的邻居节点的原则保证。 0057 仿真以上两个方法的性能 0058 如图5和图6所示，考虑图2中的节点能量状态和节点间的距离，在源节点不断产 生到目的节点的数据的情况下，实验比较了GPSR的路由算法和带有路由负载均衡的GPSR 路由算法的性能。设定每转发一个包消耗能量0.5。图5展示了随机性路由负载均衡算法， 图中虚线为按照GPSR的选路原则，选择B节点为路由节点的节点能量消耗情况，其它的线 代表随机性路由负载均衡策略下各个节点的能量消耗情况。相应的，在图6中展示了确定 性路由负载均衡算法的情况。通过比较，改进后的路由选择算法延长了节点存活时间，使得 路由负载的消耗能够很好的分散到各。
27、个邻居节点上。这种性能提高的原因是算法考虑了邻 居节点的能量情况，路由选择算法不仅考虑了和目的节点的距离的因素，同时考虑了各个 邻居节点的能量情况，一定程度上也反映了邻居节点的路由负载情况，在综合考虑了这些 因素后进行动态路由选择。这种对邻居节点能量状态的考虑，使得算法将路由负载分散到 各个邻居节点上，延长了节点存活时间。对比图5和图6，能够发现确定性路由负载均衡算 法的路由负载均衡能力随时间的变化更为均匀，而随机算法的路由负载均衡随时间变化的 均匀性要差一些，但是算法的执行也简单。 0059 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。 说 明 书CN 102651886 A 1/2页 9 图1 图2 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102651886 A 2/2页 10 图5 图6 说 明 书 附 图CN 102651886 A 10 。