基于可视路径及加强评估判据的定向扩散协议.pdf

摘要
申请专利号：	CN201410271748.5	申请日：	2014.06.17
公开号：	CN104023367A	公开日：	2014.09.03
当前法律状态：	撤回	有效性：	无权
法律详情：	发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):H04W 40/02申请公布日:20140903\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):H04W 40/02申请日:20140617\|\|\|公开
IPC分类号：	H04W40/02(2009.01)I; H04W40/10(2009.01)I	主分类号：	H04W40/02
申请人：	河海大学
发明人：	顾燕; 郭洁; 李旭杰; 王娴珏; 马亮
地址：	211100 江苏省南京市江宁区佛城西路8号
优先权：
专利代理机构：	南京苏高专利商标事务所(普通合伙) 32204	代理人：	李玉平
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内容摘要

本发明公开一种基于可视路径及加强评估判据的定向扩散协议，在兴趣扩散阶段获取节点位置，最大、最小跳数，以及节点剩余能量信息；在数据探测阶段，基于可视的转发路径和某个预测跳数进行数据探测；在路径加强阶段，将节点剩余能量、能量阈值、传输路径长度等参数作为路径选择的依据，通过加强评估判据选择一条“最优”路径进行加强，之后的数据将沿着该路径进行传输。本发明在节点剩余能量、网络平均剩余能量、分组的端到端平均延时均明显优于原协议，有效了提高网络性能。

权利要求书

权利要求书1. 一种基于可视路径及加强评估判据的定向扩散协议，其特征在于：在兴趣扩散阶段获取节点位置，最大、最小跳数，以及节点剩余能量信息；在数据探测阶段，基于可视的转发路径和某个预测跳数进行数据探测；在路径加强阶段，将节点剩余能量、能量阈值、传输路径长度等参数作为路径选择的依据，通过加强评估判据选择一条“最优”路径进行加强，之后的数据将沿着该路径进行传输。2. 如权利要求1所述的基于可视路径及加强评估判据的定向扩散协议，其特征在于：定向扩散路由协议中，引入源节点到达汇聚节点的预测跳数公式：HOP(Hmax,Hmin)＝μHmax+(1-μ)Hmin (1)式中：Hmin和Hmax分别表示源节点到汇聚节点的最小和最大跳数值；μ取值范围为0～1；只有邻居节点距离Sink的最小跳数小于该预测跳数时，才可以作为有效的下一跳节点。3. 如权利要求1所述的基于可视路径及加强评估判据的定向扩散协议，其特征在于：汇聚节点位置坐标为(xd,yd)，任意转发节点F位置坐标为(xf,yf)，对于转发节点的任意邻居节点X位置坐标为(x,y)，转发角度∠SFX为θ，可视范围ψ；设源节点将数据转发到它的邻居节点F，此时F将根据它的可视范围找到其邻居节点X，通过X将数据进一步转发；根据各点的坐标值首先得到各边的长度，然后计算出转发角度θ：θ=arccos((xf-x)2+(yf-y)2+(xd-xf)2+(yd-yf)2-(xd-x)2-(yd-y)22(xf-x)2+(yf-y)2(xd-xf)2+(yd-yf)2)---(2)]]>若由该节点构成的转发角度θ≤ψ/2，则该节点就可以作为有效的下一跳转发节点，那么由F-X-…就构成了F的一个可视的转发路径；可视范围ψ默认值为π/2，实际应用中可以根据不同的需求，来改变其值。4. 如权利要求1所述的基于可视路径及加强评估判据的定向扩散协议，其特征在于：路径加强阶段，当前节点通过获取其所有有效的邻居节点中的加强评估判据的值来判断下一跳的哪个节点被加强；设(xs,ys)为Source节点的坐标，(x,y)表示下一跳节点X的坐标，(xf,yf)表示当前节点F坐标，用L(X)表示传输距离对数据转发能耗的影响因素；则设：L(X)=(xf-x)2+(yf-y)2(xf-xs)2+(yf-ds)2---(3)]]>L(X)的值越大，说明节点X距离Source节点越近，当进行数据传输时，所消耗的能量越小；同时，数据探测阶段的可视转发路径限制了节点X必定在Source-Sink的“正确”路径上；令：其中Eresidual表示下一跳节点的剩余能量，Eaverage表示当前节点所有邻居节点的平均剩余能量，表示能量阈值，初值设置为原始能量的1/32；当下一跳节点能量无限接近阈值时，接近于0，从而等式右边第一项接近于0；设当前节点下一跳的有效邻居节点加强评估判据为P，则定义：P＝αE(X)+βL(X) (5)其中α,β为权值，且α+β＝1，用来调节节点剩余能量因素及传输距离影响因素各自的比例，实际应用中可根据不同的需求，来改变α,β的值；此外，为防止节点能量低于阈值时仍然被选作数据传输，还需对每个节点的加强评估判据P设定一个最小值，大小为等式右边第二项的值L(X)；当该节点P<L(X)时，置其P＝0；若所有邻居节点的P<L(X)时，告知源节点增大可视范围ψ和跳数比例系数μ，同时重新发起探测数据分组转发的过程，以增大分组扩散范围；结合式(3)、(4)、(5)可以看出，评估判据综合考虑了节点剩余能量、能量阈值、邻居节点的平均剩余能量及节点间传输距离；当路径加强时，选择评估值最高的节点进行加强，这样可以尽量使得邻居节点中能量较高且通信能耗较小的节点被当选为下一跳节点。

说明书

说明书基于可视路径及加强评估判据的定向扩散协议
技术领域
本发明涉及一种基于可视路径及加强评估判据的定向扩散协议，通过建立跳数场及可视路径，缩小数据探测的转发范围，并将节点能量、传输距离作为路径加强时考虑因素之一，均衡了网络能耗。
背景技术
无线通信、嵌入式、传感器、集成电路等技术的日趋成熟，带动了体积小、功耗低、功能强的传感器飞速发展。具有感知能力、通信能力和计算能力的微型传感器开始在全世界范围内出现。无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量廉价的微型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中对象的信息，并发送给观察者。目前，主要的广泛应用在军事侦察、农业生产、医疗健康监护、环境信息检测、工业生产控制、建筑与家居和商业等领域。虽然无线传感器网络具有潜在的优势和广阔的应用前景，但是这方面的研究和开发还不太成熟。大量传感器节点的能源受限，使得无线传感器在网络设计、路由协议及信息处理等领域仍然面临着巨大的挑战。加之无线传感器网络与应用的高度相关性，使得其路由协议具有多样化的特点，我们应当根据具体应用来对路由协议进行研究比较，从而确定哪一种路由协议更加适合当前的实际环境。
定向扩散协议(Directed Diffusion,DD)是一个重要的、以数据为中心的、查询驱动的平面路由协议，具有很好的鲁棒性，是无线传感器网络路由协议设计的一个里程碑。它的出现，从此改变了无线传感器网络路由协议设计为空的历史。但是，该协议在能量高效方面考虑并不充分。第一，定向扩散路由协议周期性地进行兴趣洪泛和所有探测数据的全网转发，不仅增加了网络延时而且也增加了能耗。第二，协议未考虑节点能量及节点能量消耗，当多条加强路径使用同一节点的情况下，会造成该节点能量提前耗尽，影响了整个网络的工作。
现有改进算法大多没有考虑节点剩余能量和传输路径长度等因素，因此性能提高有限。本发明针对定向扩散协议的不足，提出一种基于可视的转发路径及加强评估判据的改进路由协议(Improved Routing Protocol based on Visible Forwarding path and Promoted Evaluation criterion,VFPE)。
发明内容
发明目的：本发明提供一种基于可视路径及加强评估判据的定向扩散协议，通过建立跳数场及可视路径，缩小数据探测的转发范围，并将节点能量、传输距离作为路径加强时考虑因素之一，均衡了网络能耗。
技术方案：一种基于可视路径及加强评估判据的定向扩散协议，在兴趣扩散阶段获取节点位置，最大、最小跳数，节点剩余能量等信息；在数据探测阶段，基于可视的转发路径和某个预测跳数进行数据探测，缩小转发范围；在路径加强阶段，将节点剩余能量、能量阈值、传输路径长度等参数作为路径选择的依据，通过加强评估判据选择一条“最优”路径进行加强，之后的数据将沿着该路径进行传输。
(1)预测跳数
定向扩散路由协议中，引入源节点到达汇聚节点的预测跳数公式：
HOP(Hmax,Hmin)＝μHmax+(1-μ)Hmin     (1)
式中：Hmin和Hmax分别表示源节点到汇聚节点的最小和最大跳数值；μ取值范围为0～1；只有邻居节点距离Sink的最小跳数小于该预测跳数时，才可以作为有效的下一跳节点。
(2)可视转发路径(Visible Forwarding Path,VFP)
汇聚节点位置坐标为(xd,yd)，任意转发节点F位置坐标为(xf,yf)，对于转发节点的任意邻居节点X位置坐标为(x,y)，转发角度∠SFX为θ，可视范围ψ；设源节点将数据转发到它的邻居节点F，此时F将根据它的可视范围找到其邻居节点X，通过X将数据进一步转发。
根据各点的坐标值首先得到各边的长度，然后计算出转发角度θ：
θ=arccos((xf-x)2+(yf-y)2+(xd-xf)2+(yd-yf)2-(xd-x)2-(yd-y)22(xf-x)2+(yf-y)2(xd-xf)2+(yd-yf)2)---(2)]]>
若由该节点构成的转发角度θ≤ψ/2，则该节点就可以作为有效的下一跳转发节点，那么由F-X-…就构成了F的一个可视的转发路径；可视范围ψ默认值为π/2，实际应用中可以根据不同的需求，来改变其值。
(3)加强评估判据
路径加强阶段，当前节点通过获取其所有有效的邻居节点中的加强评估判据的值来判断下一跳的哪个节点被加强；选择的下一跳节点应当综合考虑节点的剩余能量、节点能量阈值、数据传输距离等因素，以避免某些能量较低或(且)传输距离较远的节点常被选择而过快失效，从而达到均衡网内节点能耗，有效延长网络生命周期的目的。
设(xs,ys)为Source节点的坐标，(x,y)表示下一跳节点X的坐标，(xf,yf)表示当前节点F坐标，用L(X)表示传输距离对数据转发能耗的影响因素。则设：
L(X)=(xf-x)2+(yf-y)2(xf-xs)2+(yf-ds)2---(3)]]>
L(X)的值越大，说明节点X距离Source节点越近，当进行数据传输时，所消耗的能量越小。同时，数据探测阶段的可视转发路径限制了节点X必定在Source-Sink的“正确”路径上。令：

其中Eresidual表示下一跳节点的剩余能量，Eaverage表示当前节点所有邻居节点的平均剩余能量，表示能量阈值，初值设置为原始能量的1/32。当下一跳节点能量无限接近阈值时，接近于0，从而等式右边第一项接近于0。
设当前节点下一跳的有效邻居节点加强评估判据为P，则定义：
P＝αE(X)+βL(X)    (5)
其中α,β为权值，且α+β＝1，用来调节节点剩余能量因素及传输距离影响因素各自的比例，实际应用中可根据不同的需求，来改变α,β的值。此外，为防止节点能量低于阈值时仍然被选作数据传输，还需对每个节点的加强评估判据P设定一个最小值，大小为等式右边第二项的值L(X)。当该节点P<L(X)时，置其P＝0。若所有邻居节点的P<L(X)时，告知源节点增大可视范围ψ和跳数比例系数μ，同时重新发起探测数据分组转发的过程，以增大分组扩散范围。结合式(3)、(4)、(5)可以看出，评估判据综合考虑了节点剩余能量、能量阈值、邻居节点的平均剩余能量及节点间传输距离。当路径加强时，选择评估值最高的节点进行加强，这样可以尽量使得邻居节点中能量较高且通信能耗较小的节点被当选为下一跳节点。
有益效果：针对原始定向扩散协议数据探测过程中能量开销较大的缺陷，本发明提出了VFPE协议。根据原定向扩散协议三个阶段分别具体设计了协议。VFPE协议在兴趣洪泛阶段的建立跳数场信息；在数据探测传播阶段根据预测跳数、可视转发路径缩小数据转发范围；在路径加强阶段选择转发加强评估判据值最大的节点加强。仿真结果表明，VFPE协议在节点剩余能量、网络平均剩余能量、分组的端到端平均延时均明显优于原协议，有效了提高网络性能。
附图说明
图1为定向扩散路由协议机制，其中(a)为兴趣扩散与梯度建立，(b)为数据传播，(c)为路径加强；
图2为可视转发路径示意图；
图3为预测跳数及可视范围示意图；
图4为传输距离影响因素的示意图；
图5为兴趣扩散处理流程图；
图6为探测分组接收与转发处理流程图；
图7为运行20s后节点的剩余能量；
图8为网络的平均剩余能量比较；
图9为分组的端到端平均延时；
图10为多源网络的平均剩余能量比较图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明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。
为了便于读者对本发明技术方案详细了解，下面对定向扩散协议、本发明的创新点以及本发明的设计流程进行详细的阐述，并进行仿真实验，验证本发明技术方案的技术效果。
1、定向扩散路由协议
定向扩散路由协议的运行机制可以分为如图1所示的三个阶段：兴趣扩散与梯度建立、数据传播、路径加强。
(1)兴趣扩散与梯度建立
汇聚节点产生兴趣，并周期性地广播到网络中其他节点。如图1(a)所示，当节点收到一个兴趣时，首先检查自己的缓冲区是否存在相同的兴趣，若不存在则新增一条记录；若存在但其梯度并不指向当前节点的来源节点，则增加一个指向来源节点的梯度。之后把兴趣发送给自己的相邻节点。随着兴趣消息在整个网络内传播，从源节点到汇聚节点的传送梯度得以建立。
(2)数据传播
由于源节点可能从多个邻居节点收到兴趣，那么也可能向多个邻居发送数据。如图1(b)所示。源节点收集到数据后，然后将数据信息按照梯度中定义的数据传输方向和传输速率发送到梯度上的邻居节点。对于转发过的数据，数据缓冲区均缓存一个副本并记录转发时间。
(3)路径加强
当汇聚节点收到数据后，启动路径增强机制建立加强路径。以最小传输时延为例，如图1(c)所示，汇聚节点发送一个具有更高数据传输速率的加强消息给数据到达最快的邻居节点。接收到消息的邻居节点依照同样的方式加强它最先收到数据的邻节点，直到源节点。据此构造出了主要的数据发送路径，之后的数据就通过这条路径发送给汇聚节点。
2、VFPE协议的基本方案
2.1方案的基本模型
本文所使用的无线传感器网络的基本模型如下：
(1)网络节点都是静止的，即速度为0；
(2)网络中传感器节点都可以通过GPS或是其他定位方法获取自己的位置；
(3)网络中各节点收发器工作特性一致，处于自由空间模型中，即发射功率呈d2衰减；
2.2方案的理论依据
(1)预测跳数
定向扩散路由协议中，所有探测分组被全部转发，适当地减少数据转发到下一跳的有效邻居数目，可显著减少网络的平均能耗，故引入源节点到达汇聚节点的预测跳数公式：
HOP(Hmax,Hmin)＝μHmax+(1-μ)Hmin    (1)
式中：Hmin和Hmax分别表示源节点到汇聚节点的最小和最大跳数值。μ取值范围为0～1，不失一般性，μ取0.2，实际应用中可根据需要选取不同值。源节点在兴趣洪泛结束后获取到了距离Sink的最大、最小跳数，根据该跳数即可计算出预测跳数值。只有邻居节点距离Sink的最小跳数小于该预测跳数时，才可以作为有效的下一跳节点。
(2)可视转发路径(Visible Forwarding Path,VFP)
如图2所示，汇聚节点位置坐标为(xd,yd)，任意转发节点F位置坐标为(xf,yf)，对于转发节点的任意邻居节点X位置坐标为(x,y)，转发角度∠SFX为θ，可视范围ψ(图2中实线所示的角)。为了不失一般性，设源节点将数据转发到它的邻居节点F，此时F将根据它的可视范围找到其邻居节点X，通过X将数据进一步转发。
根据各点的坐标值首先得到各边的长度，然后计算出转发角度θ：
θ=arccos((xf-x)2+(yf-y)2+(xd-xf)2+(yd-yf)2-(xd-x)2-(yd-y)22(xf-x)2+(yf-y)2(xd-xf)2+(yd-yf)2)---(2)]]>
若由该节点构成的转发角度θ≤ψ/2，则该节点就可以作为有效的下一跳转发节点，那么由F-X-…就构成了F的一个可视的转发路径。可视范围ψ默认值为π/2。实际应用中可以根据不同的需求，来改变其值。
图3所示为Source节点根据预测跳数和可视范围来选择下一跳节点的示意图，其中iH指节点到Sink的最小跳数。数据探测过程中，Source节点已获取距离Sink的最大、最小跳数。由图2知Source中存放的最大跳数为4，最小跳数为2，μ取0.2，根据公式(1)计算出的预测跳数值为0.2*4+0.8*2＝2.4。然后，Source遍历其邻居列表中所有节点，比较其最小跳数和预测跳数的大小，同时按公式(2)计算出转发角度θ，选择转发角度θ≤ψ/2且最小跳数小于预测跳数的节点来转发数据探测分组。图3中最小跳数小于2.4的有D、E、F，但是E点的转发角度θ大于Source节点的可视范围ψ/2，故Source仅将数据分组转发到D、F节点。
(3)加强评估判据
路径加强阶段，当前节点通过获取其所有有效的邻居节点中的加强评估判据的值来判断下一跳的哪个节点被加强。选择的下一跳节点应当综合考虑节点的剩余能量、节点能量阈值、数据传输距离等因素，以避免某些能量较低或(且)传输距离较远的节点常被选择而过快失效，从而达到均衡网内节点能耗，有效延长网络生命周期的目的。
如图4所示。(xs,ys)为Source节点的坐标，(x,y)表示下一跳节点X的坐标，(xf,yf)表示当前节点F坐标。
用L(X)表示传输距离对数据转发能耗的影响因素。则设：
L(X)=(xf-x)2+(yf-y)2(xf-xs)2+(yf-ds)2---(3)]]>
L(X)的值越大，说明节点X距离Source节点越近，当进行数据传输时，所消耗的能量越小。同时，数据探测阶段的可视转发路径限制了节点X必定在Source-Sink的“正确”路径上。令：

其中Eresidual表示下一跳节点的剩余能量，Eaverage表示当前节点所有邻居节点的平均剩余能量，表示能量阈值，初值设置为原始能量的1/32。当下一跳节点能量无限接近阈值时，接近于0，从而等式右边第一项接近于0。
设当前节点下一跳的有效邻居节点加强评估判据为P，则定义：
P＝αE(X)+βL(X)     (5)
其中α,β为权值，且α+β＝1，用来调节节点剩余能量因素及传输距离影响因素各自的比例，实际应用中可根据不同的需求，来改变α,β的值。不失一般性，取α＝0.8,β＝0.2。即节点剩余能量所占权重较大。此外，为防止节点能量低于阈值时仍然被选作数据传输，还需对每个节点的加强评估判据P设定一个最小值，大小为等式右边第二项的值L(X)。当该节点P<L(X)时，置其P＝0。若所有邻居节点的P<L(X)时，告知源节点增大可视范围ψ和跳数比例系数μ，同时重新发起探测数据分组转发的过程，以增大分组扩散范围。结合式(3)、(4)、(5)可以看出，评估判据综合考虑了节点剩余能量、能量阈值、邻居节点的平均剩余能量及节点间传输距离。当路径加强时，选择评估值最高的节点进行加强，这样可以尽量使得邻居节点中能量较高且通信能耗较小的节点被当选为下一跳节点。
3、VFPE协议的设计流程
3.1VFPE协议所需的数据结构
(1)分组头结构
为了获取节点的剩余能量、节点的位置信息、距离汇聚节点的跳数信息，那么在兴趣洪泛的过程中，需对原始定向扩散协议的分组头进行扩展。
在定向扩散协议分组头中加入如下字段：
pktMinHoppktMaxHoppktNodeInfoptrSinkPositionSrcPositionForecastHop…
pktMinHop：表示转发节点到Sink节点的最小跳数值。
pktMaxHop：表示转发节点到Sink节点的最大跳数值。
pktNodeInfoptr：表示指向转发节点CurNodeInfo结构的指针，用于节点本地填充邻居节点列表中的相应结构。
SinkPosition：表示Sink节点的位置信息，当有多个Sink节点存在时，用于标识不同的Sink节点，该字段在兴趣洪泛时告知给所有网络节点，然后被各节点保存在本地。
SrcPosition：表示源节点的位置信息，当有多个Source节点存在时，用于标识不同的Source节点；该字段在数据探测阶段时，随分组转发到网络中满足条件的节点，然后被各节点保存在本地。
ForecastHop：根据公式(3.5)计算出的预测跳数，初始时为0；数据探测阶段将其设置为预测跳数值，每转发到下一跳节点，该值减1。
(2)本地存储结构
所有节点在本地还需扩展一个结构CurNodeInfo，该结构中包含有如下字段：
CurMinHop：保存本节点到Sink节点的最小跳数值。
CurMaxHop：保存本节点到Sink节点的最大跳数值。
CurResEnergy：保存本节点的剩余能量值。
AvgResEnergyNeighbor：保存本节点的所有邻居节点的平均剩余能量。通过遍历邻居列表中所有节点的CurResEnergy字段，对其求和后除以总的邻居节点数即为该字段的值。本字段的引入，是为了方便后续加强评估判据的计算。
CurPosition：用于保存本节点的位置信息。
CurSrcPosition：用于保存源节点位置信息，初始时设为0；数据探索阶段时从探测分组中获取并填充，主要用于路径加强阶段计算加强评估判据值。
CurSinkPosition：用于保存Sink节点的位置信息；该字段在兴趣洪泛时从兴趣分组中获取并填充；在数据探索阶段时，各节点使用该字段来计算转发角度θ。
costEvaluation：表示经过加强评估判据计算出的值；该值在兴趣扩散时初始化为-1，数据探索时有数据转发的节点设置为0，路径加强时计算出实际值并填充。最终，加强路径的依据就是选择计算出的实际值中最大值。
NeighborNodeList：保存本节点所有邻居节点的列表，该列表中的每一项都含有一个指向该邻居自身CurNodeInfo类型结构的指针(为说明方便，将这个结构记为NeighborNodeInfo)。通过操作NeighborNodeInfo就可以实时更新节点的信息，比如能量值等。
3.2兴趣扩散与梯度建立
Sink节点产生兴趣分组并向网络中广播，设中间节点M收到一个由节点N发来的兴趣分组，处理流程如图5所示。如果分组携带的最小跳数加1后小于M保存的最小跳数，则更新M的最小跳数为当前分组的最小跳数加1。如果分组最大跳数加1后大于节点M的中保存的最大跳数，则更新M的最大跳数为分组最大跳数加1。然后更新本地的剩余能量、平均剩余能量、加强评估判据值(此时为-1)以及位置信息等。接着，判断M的邻居列表中是否存在N，若不存在，则将N添加到M的邻居列表，并保存相应的信息。若存在，则更新其跳数、能量等信息。最后，用M保存的本地信息更新分组各个字段并转发到下一跳节点，该过程一直到Source节点。
3.3探测数据的传播
兴趣扩散阶段已经建立好了各节点到Sink节点的跳数场信息。此时，探测数据的发送基于预测跳数值和可视范围内的转发路径，不再是全部无分区的进行转发，可有效减少数据发送的范围。
设当中间节点M从节点N收到探测数据分组后，将转发到一个邻居节点L，操作流程如图6所示。M收到分组先将预测跳数值减1并更新。接着更新节点M的剩余能量、节点N的剩余能量、平均剩余能量，更新M的平均剩余能量等。然后检查M的缓冲区中是否存在匹配的兴趣，若没有则丢弃该分组。否则，判断数据缓冲区中是否存在该数据的副本，若存在为避免出现环路则丢弃该分组；不存在则设置加强评估判据字段为0，以标识该节点是数据转发节点。
当数据探测分组将转发到邻居节点L前，执行如下操作：
(1)遍历M的下一跳邻居节点，邻居的最小跳数值若小于分组中的预测跳数值则到(2)，否则到(4)；
(2)由当前节点M、下一跳节点L、Source节点的位置，根据式(2)计算转发角度θ，若θ≤ψ/2，则到(3)，否则到(4)；
(3)填充数据探测分组的各个字段。
(4)若M的邻居节点遍历完成，则转发分组到所有满足条件的邻居节点，同时在节点M的本地数据缓冲区保留一个该数据的副本，否则转(1)；
以上过程直至Sink节点。由此，形成了几条跳数较短且转发角度较小的“正确”路径。
3.4路径加强
当Sink节点接收到探测数据分组后，将选择一条最优的路径进行加强。加强的标准将采用(5)式给出的加强评估判据进行计算，对得出最大值的节点进行转发加强。这样保证了数据转发的范围在Source-Sink的“正确”传输方向上，从而减少了网络的能量消耗。
Sink节点接收到探测数据分组后，先经过一个设定的门限延时，然后遍历其邻居列表中所有节点的加强评估判据字段，如果该字段为0，则通过公式(5)计算出实际的加强评估值，并填充到该字段。然后比较得出最大的加强评估值，对该值最大的节点进行加强。当节点M收到节点N发来的加强消息时，更新M的数据传输速率，并更新节点M的剩余能量、平均剩余能量，节点N的剩余能量、平均剩余能量等信息。如此往复，直至Source节点。
4、VFPE协议的仿真分析
使用NS2网络仿真工具进行协议的模拟，比较定向扩散协议和VFPE的性能。节点区域大小为800m×800m；仿真时长为20s；节点静止；MAC协议为IEEE802.11；采用Diff_Sink数据流，数据包大小为64字节；无线传感器网络节点总数分别为60，80，100，120，140；各个节点初始能量均为10000.0J，发送功率为660mW，接收功率为395mW，空闲状态功率为35mW。本文对网络节点剩余能量、平均剩余能量、分组的端到端平均延时进行分析。其计算公式如下：

将生成的Trace文件通过awk进行数据提取和计算并使用gnuplot工具生成图形展现出来。如图7表示了1个Sink和1个Source节点情况下运行20s后140个节点各自的剩余能量情况。图8、9分别表示了1个Source、1个Sink节点在网络规模分别为60，80，100，120，140的情况下运行20s后网络的平均剩余能量、分组的平均端到端延时曲线。图10为3个Sink、3个Source节点在网络规模分别为60，80，100，120，140的情况下运行20s后网络的平均剩余能量曲线。
从图7中可以看出，VFPE协议的节点剩余能量总体上较原DD协议要高，同时VFPE各个节点的能量较为均衡。这是由于在路径加强时将节点剩余能量、传输距离作为参考标准之一，使得能量较低、传输距离较远的节点被选为转发数据的概率降低。数据探测转发时，转发角度及预测跳数的引入，有效缩小了探测数据的转发范围，节约了大量能量。从图8、图10中可以看出，多Source多Sink情况的能量消耗要比单Source单Sink大。但是，VFPE仍然较原协议节约了能量。随着网络规模的增加，原协议在多Source多Sink情况下，能量消耗急剧增加，而VFPE能耗也不断变大但变化较缓慢。这是因为网络节点数增多，各个Sink节点洪泛兴趣到全网、探测分组传播到Sink节点，都会造成很大的开销，而VFPE在数据探测阶段，使用了预测跳数和转发角度，使得节点不盲目转发，大大减少了转发次数，有效节约了能量。故而VFPE变化较为缓慢。从图9中看出在单Sink、单Source情况下，VFPE的端端延时比原协议要低。由于探测分组的受到跳数、转发范围的限制，使得分组在Source-Sink“正确”的方向上传输，有效减少了端端延时。

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1、(10)申请公布号 CN 104023367 A (43)申请公布日 2014.09.03 CN 104023367 A (21)申请号 201410271748.5 (22)申请日 2014.06.17 H04W 40/02(2009.01) H04W 40/10(2009.01) (71)申请人河海大学地址 211100 江苏省南京市江宁区佛城西路 8 号 (72)发明人顾燕郭洁李旭杰王娴珏马亮 (74)专利代理机构南京苏高专利商标事务所 ( 普通合伙 ) 32204 代理人李玉平 (54) 发明名称基于可视路径及加强评估判据的定向扩散协议 (57) 摘要本发明公开。

2、一种基于可视路径及加强评估判据的定向扩散协议，在兴趣扩散阶段获取节点位置，最大、最小跳数，以及节点剩余能量信息；在数据探测阶段，基于可视的转发路径和某个预测跳数进行数据探测；在路径加强阶段，将节点剩余能量、能量阈值、传输路径长度等参数作为路径选择的依据，通过加强评估判据选择一条 “最优” 路径进行加强，之后的数据将沿着该路径进行传输。本发明在节点剩余能量、网络平均剩余能量、分组的端到端平均延时均明显优于原协议，有效了提高网络性能。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页说明书 9 页附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (。

3、12)发明专利申请权利要求书2页说明书9页附图5页 (10)申请公布号 CN 104023367 A CN 104023367 A 1/2 页 2 1. 一种基于可视路径及加强评估判据的定向扩散协议，其特征在于：在兴趣扩散阶段获取节点位置，最大、最小跳数，以及节点剩余能量信息；在数据探测阶段，基于可视的转发路径和某个预测跳数进行数据探测；在路径加强阶段，将节点剩余能量、能量阈值、传输路径长度等参数作为路径选择的依据，通过加强评估判据选择一条 “最优” 路径进行加强，之后的数据将沿着该路径进行传输。 2. 如权利要求 1 所述的基于可视路径及加强评估。

4、判据的定向扩散协议，其特征在于：定向扩散路由协议中，引入源节点到达汇聚节点的预测跳数公式： HOP(Hmax,Hmin) Hmax+(1-)Hmin (1) 式中： Hmin和 Hmax分别表示源节点到汇聚节点的最小和最大跳数值；取值范围为 0 1 ；只有邻居节点距离 Sink 的最小跳数小于该预测跳数时，才可以作为有效的下一跳节点。 3. 如权利要求 1 所述的基于可视路径及加强评估判据的定向扩散协议，其特征在于：汇聚节点位置坐标为 (xd,yd)，任意转发节点 F 位置坐标为 (xf,yf)，对于转发节点的任意邻居节点 X 位置坐标为 (x,y)，转发角度。

5、 SFX 为，可视范围；设源节点将数据转发到它的邻居节点 F，此时 F 将根据它的可视范围找到其邻居节点 X，通过 X 将数据进一步转发；根据各点的坐标值首先得到各边的长度，然后计算出转发角度：若由该节点构成的转发角度 /2，则该节点就可以作为有效的下一跳转发节点，那么由F-X-就构成了F的一个可视的转发路径；可视范围默认值为/2，实际应用中可以根据不同的需求，来改变其值。 4. 如权利要求 1 所述的基于可视路径及加强评估判据的定向扩散协议，其特征在于：路径加强阶段，当前节点通过获取其所有有效的邻居节点中的加强评估判据的值来判断下一跳的哪个节。

6、点被加强；设 (xs,ys) 为 Source 节点的坐标， (x,y) 表示下一跳节点 X 的坐标， (xf,yf) 表示当前节点 F 坐标，用 L(X) 表示传输距离对数据转发能耗的影响因素；则设： L(X)的值越大，说明节点X距离Source节点越近，当进行数据传输时，所消耗的能量越小；同时，数据探测阶段的可视转发路径限制了节点 X 必定在 Source-Sink 的 “正确” 路径上；令：其中 Eresidual表示下一跳节点的剩余能量， Eaverage表示当前节点所有邻居节点的平均剩余能量，表示能量阈值，初值设置为原始能量的 1/32 ；。

7、当下一跳节点能量无限接近阈值时，接近于 0，从而等式右边第一项接近于 0 ；权利要求书 CN 104023367 A 2 2/2 页 3 设当前节点下一跳的有效邻居节点加强评估判据为 P，则定义： P E(X)+L(X) (5) 其中 , 为权值，且 + 1，用来调节节点剩余能量因素及传输距离影响因素各自的比例，实际应用中可根据不同的需求，来改变 , 的值；此外，为防止节点能量低于阈值时仍然被选作数据传输，还需对每个节点的加强评估判据 P 设定一个最小值，大小为等式右边第二项的值L(X) ；当该节点PL(X)时，置其P0 ；若所有邻居节点的PL。

8、(X)时，告知源节点增大可视范围和跳数比例系数，同时重新发起探测数据分组转发的过程，以增大分组扩散范围；结合式 (3)、 (4)、 (5) 可以看出，评估判据综合考虑了节点剩余能量、能量阈值、邻居节点的平均剩余能量及节点间传输距离；当路径加强时，选择评估值最高的节点进行加强，这样可以尽量使得邻居节点中能量较高且通信能耗较小的节点被当选为下一跳节点。权利要求书 CN 104023367 A 3 1/9 页 4 基于可视路径及加强评估判据的定向扩散协议技术领域 0001 本发明涉及一种基于可视路径及加强评估判据的定向扩散协议，通过建立跳数场及可视路径。

9、，缩小数据探测的转发范围，并将节点能量、传输距离作为路径加强时考虑因素之一，均衡了网络能耗。背景技术 0002 无线通信、嵌入式、传感器、集成电路等技术的日趋成熟，带动了体积小、功耗低、功能强的传感器飞速发展。具有感知能力、通信能力和计算能力的微型传感器开始在全世界范围内出现。无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量廉价的微型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中对象的信息，并发送给观察者。目前，主要的广泛应用在军事侦察、农业生产、医疗健康监护、环境信息检测、工业生产控制。

10、、建筑与家居和商业等领域。虽然无线传感器网络具有潜在的优势和广阔的应用前景，但是这方面的研究和开发还不太成熟。大量传感器节点的能源受限，使得无线传感器在网络设计、路由协议及信息处理等领域仍然面临着巨大的挑战。加之无线传感器网络与应用的高度相关性，使得其路由协议具有多样化的特点，我们应当根据具体应用来对路由协议进行研究比较，从而确定哪一种路由协议更加适合当前的实际环境。 0003 定向扩散协议 (Directed Diffusion,DD) 是一个重要的、以数据为中心的、查询驱动的平面路由协议，具有很好的鲁棒性，是无线传感器网络路由协议设计的一个里程碑。它。

11、的出现，从此改变了无线传感器网络路由协议设计为空的历史。但是，该协议在能量高效方面考虑并不充分。第一，定向扩散路由协议周期性地进行兴趣洪泛和所有探测数据的全网转发，不仅增加了网络延时而且也增加了能耗。第二，协议未考虑节点能量及节点能量消耗，当多条加强路径使用同一节点的情况下，会造成该节点能量提前耗尽，影响了整个网络的工作。 0004 现有改进算法大多没有考虑节点剩余能量和传输路径长度等因素，因此性能提高有限。本发明针对定向扩散协议的不足，提出一种基于可视的转发路径及加强评估判据的改进路由协议 (Improved Routing Protocol based o。

12、n Visible Forwarding path and Promoted Evaluation criterion,VFPE)。发明内容 0005 发明目的：本发明提供一种基于可视路径及加强评估判据的定向扩散协议，通过建立跳数场及可视路径，缩小数据探测的转发范围，并将节点能量、传输距离作为路径加强时考虑因素之一，均衡了网络能耗。 0006 技术方案：一种基于可视路径及加强评估判据的定向扩散协议，在兴趣扩散阶段获取节点位置，最大、最小跳数，节点剩余能量等信息；在数据探测阶段，基于可视的转发路径和某个预测跳数进行数据探测，缩小转发范围；在路径加强。

13、阶段，将节点剩余能量、能量说明书 CN 104023367 A 4 2/9 页 5 阈值、传输路径长度等参数作为路径选择的依据，通过加强评估判据选择一条 “最优” 路径进行加强，之后的数据将沿着该路径进行传输。 0007 (1) 预测跳数 0008 定向扩散路由协议中，引入源节点到达汇聚节点的预测跳数公式： 0009 HOP(Hmax,Hmin) Hmax+(1-)Hmin (1) 0010 式中： Hmin和Hmax分别表示源节点到汇聚节点的最小和最大跳数值；取值范围为 01 ；只有邻居节点距离Sink的最小跳数小于该预测跳数时，才可以作为有效的下一跳节点。。

14、 0011 (2) 可视转发路径 (Visible Forwarding Path,VFP) 0012 汇聚节点位置坐标为 (xd,yd)，任意转发节点 F 位置坐标为 (xf,yf)，对于转发节点的任意邻居节点 X 位置坐标为 (x,y)，转发角度 SFX 为，可视范围；设源节点将数据转发到它的邻居节点 F，此时 F 将根据它的可视范围找到其邻居节点 X，通过 X 将数据进一步转发。 0013 根据各点的坐标值首先得到各边的长度，然后计算出转发角度： 0014 0015 若由该节点构成的转发角度 /2，则该节点就可以作为有效的下一跳转发节点，那么由 F-X-。

15、就构成了 F 的一个可视的转发路径；可视范围默认值为 /2，实际应用中可以根据不同的需求，来改变其值。 0016 (3) 加强评估判据 0017 路径加强阶段，当前节点通过获取其所有有效的邻居节点中的加强评估判据的值来判断下一跳的哪个节点被加强；选择的下一跳节点应当综合考虑节点的剩余能量、节点能量阈值、数据传输距离等因素，以避免某些能量较低或(且)传输距离较远的节点常被选择而过快失效，从而达到均衡网内节点能耗，有效延长网络生命周期的目的。 0018 设 (xs,ys) 为 Source 节点的坐标， (x,y) 表示下一跳节点 X 的坐标， (xf,yf) 表。

16、示当前节点 F 坐标，用 L(X) 表示传输距离对数据转发能耗的影响因素。则设： 0019 0020 L(X)的值越大，说明节点X距离Source节点越近，当进行数据传输时，所消耗的能量越小。同时，数据探测阶段的可视转发路径限制了节点 X 必定在 Source-Sink 的 “正确” 路径上。令： 0021 0022 其中 Eresidual表示下一跳节点的剩余能量， Eaverage表示当前节点所有邻居节点的平均剩余能量，表示能量阈值，初值设置为原始能量的 1/32。当下一跳节点能量无限接近阈说明书 CN 104023367 A 5 3/9 页 6 值时，接近于。

17、 0，从而等式右边第一项接近于 0。 0023 设当前节点下一跳的有效邻居节点加强评估判据为 P，则定义： 0024 P E(X)+L(X) (5) 0025 其中 , 为权值，且 + 1，用来调节节点剩余能量因素及传输距离影响因素各自的比例，实际应用中可根据不同的需求，来改变 , 的值。此外，为防止节点能量低于阈值时仍然被选作数据传输，还需对每个节点的加强评估判据 P 设定一个最小值，大小为等式右边第二项的值 L(X)。当该节点 PL(X) 时，置其 P 0。若所有邻居节点的 PL(X)时，告知源节点增大可视范围和跳数比例系数，同时重新发起探测数据分组转发的过。

18、程，以增大分组扩散范围。结合式 (3)、 (4)、 (5) 可以看出，评估判据综合考虑了节点剩余能量、能量阈值、邻居节点的平均剩余能量及节点间传输距离。当路径加强时，选择评估值最高的节点进行加强，这样可以尽量使得邻居节点中能量较高且通信能耗较小的节点被当选为下一跳节点。 0026 有益效果：针对原始定向扩散协议数据探测过程中能量开销较大的缺陷，本发明提出了 VFPE 协议。根据原定向扩散协议三个阶段分别具体设计了协议。VFPE 协议在兴趣洪泛阶段的建立跳数场信息；在数据探测传播阶段根据预测跳数、可视转发路径缩小数据转发范围；在路径加强阶段选择转发加强评估。

19、判据值最大的节点加强。仿真结果表明， VFPE 协议在节点剩余能量、网络平均剩余能量、分组的端到端平均延时均明显优于原协议，有效了提高网络性能。附图说明 0027 图1为定向扩散路由协议机制，其中(a)为兴趣扩散与梯度建立， (b)为数据传播， (c) 为路径加强； 0028 图 2 为可视转发路径示意图； 0029 图 3 为预测跳数及可视范围示意图； 0030 图 4 为传输距离影响因素的示意图； 0031 图 5 为兴趣扩散处理流程图； 0032 图 6 为探测分组接收与转发处理流程图； 0033 图 7 为运行 20s 后节点的剩余能量； 0034 图 8 。

20、为网络的平均剩余能量比较； 0035 图 9 为分组的端到端平均延时； 0036 图 10 为多源网络的平均剩余能量比较图。具体实施方式 0037 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明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。 0038 为了便于读者对本发明技术方案详细了解，下面对定向扩散协议、本发明的创新点以及本发明的设计流程进行详细的阐述，并进行仿真实验，验证本发明技术方案的技术效果。说明书 CN 104023367 A 6 4/9 页。

21、7 0039 1、定向扩散路由协议 0040 定向扩散路由协议的运行机制可以分为如图 1 所示的三个阶段：兴趣扩散与梯度建立、数据传播、路径加强。 0041 (1) 兴趣扩散与梯度建立 0042 汇聚节点产生兴趣，并周期性地广播到网络中其他节点。如图 1(a) 所示，当节点收到一个兴趣时，首先检查自己的缓冲区是否存在相同的兴趣，若不存在则新增一条记录；若存在但其梯度并不指向当前节点的来源节点，则增加一个指向来源节点的梯度。之后把兴趣发送给自己的相邻节点。随着兴趣消息在整个网络内传播，从源节点到汇聚节点的传送梯度得以建立。 0043 (2) 数据传播 0044 。

22、由于源节点可能从多个邻居节点收到兴趣，那么也可能向多个邻居发送数据。如图 1(b) 所示。源节点收集到数据后，然后将数据信息按照梯度中定义的数据传输方向和传输速率发送到梯度上的邻居节点。对于转发过的数据，数据缓冲区均缓存一个副本并记录转发时间。 0045 (3) 路径加强 0046 当汇聚节点收到数据后，启动路径增强机制建立加强路径。以最小传输时延为例，如图 1(c) 所示，汇聚节点发送一个具有更高数据传输速率的加强消息给数据到达最快的邻居节点。接收到消息的邻居节点依照同样的方式加强它最先收到数据的邻节点，直到源节点。据此构造出了主要的数据发送路径，之后的数据就通过。

23、这条路径发送给汇聚节点。 0047 2、 VFPE 协议的基本方案 0048 2.1 方案的基本模型 0049 本文所使用的无线传感器网络的基本模型如下： 0050 (1) 网络节点都是静止的，即速度为 0 ； 0051 (2) 网络中传感器节点都可以通过 GPS 或是其他定位方法获取自己的位置； 0052 (3)网络中各节点收发器工作特性一致，处于自由空间模型中，即发射功率呈d2衰减； 0053 2.2 方案的理论依据 0054 (1) 预测跳数 0055 定向扩散路由协议中，所有探测分组被全部转发，适当地减少数据转发到下一跳的有效邻居数目，可显著减少网络的平均能耗，。

24、故引入源节点到达汇聚节点的预测跳数公式： 0056 HOP(Hmax,Hmin) Hmax+(1-)Hmin (1) 0057 式中： Hmin和 Hmax分别表示源节点到汇聚节点的最小和最大跳数值。取值范围为 0 1，不失一般性，取 0.2，实际应用中可根据需要选取不同值。源节点在兴趣洪泛结束后获取到了距离 Sink 的最大、最小跳数，根据该跳数即可计算出预测跳数值。只有邻居节点距离 Sink 的最小跳数小于该预测跳数时，才可以作为有效的下一跳节点。 0058 (2) 可视转发路径 (Visible Forwarding Path,VFP) 0059 如图2所示，。

25、汇聚节点位置坐标为(xd,yd)，任意转发节点F位置坐标为(xf,yf)，对于转发节点的任意邻居节点 X 位置坐标为 (x,y)，转发角度 SFX 为，可视范围 ( 图 2 说明书 CN 104023367 A 7 5/9 页 8 中实线所示的角 )。为了不失一般性，设源节点将数据转发到它的邻居节点 F，此时 F 将根据它的可视范围找到其邻居节点 X，通过 X 将数据进一步转发。 0060 根据各点的坐标值首先得到各边的长度，然后计算出转发角度： 0061 0062 若由该节点构成的转发角度 /2，则该节点就可以作为有效的下一跳转发节点，那么由 F-X-就构成。

26、了 F 的一个可视的转发路径。可视范围默认值为 /2。实际应用中可以根据不同的需求，来改变其值。 0063 图 3 所示为 Source 节点根据预测跳数和可视范围来选择下一跳节点的示意图，其中 iH 指节点到 Sink 的最小跳数。数据探测过程中， Source 节点已获取距离 Sink 的最大、最小跳数。由图 2 知 Source 中存放的最大跳数为 4，最小跳数为 2，取 0.2，根据公式 (1) 计算出的预测跳数值为 0.2*4+0.8*2 2.4。然后， Source 遍历其邻居列表中所有节点，比较其最小跳数和预测跳数的大小，同时按公式 (2) 计算出转发角。

27、度，选择转发角度 /2 且最小跳数小于预测跳数的节点来转发数据探测分组。图 3 中最小跳数小于 2.4 的有 D、 E、 F，但是 E 点的转发角度大于 Source 节点的可视范围 /2，故 Source 仅将数据分组转发到 D、 F 节点。 0064 (3) 加强评估判据 0065 路径加强阶段，当前节点通过获取其所有有效的邻居节点中的加强评估判据的值来判断下一跳的哪个节点被加强。选择的下一跳节点应当综合考虑节点的剩余能量、节点能量阈值、数据传输距离等因素，以避免某些能量较低或(且)传输距离较远的节点常被选择而过快失效，从而达到均衡网内节点能耗，有效延长网络。

28、生命周期的目的。 0066 如图 4 所示。(xs,ys) 为 Source 节点的坐标， (x,y) 表示下一跳节点 X 的坐标， (xf,yf) 表示当前节点 F 坐标。 0067 用 L(X) 表示传输距离对数据转发能耗的影响因素。则设： 0068 0069 L(X)的值越大，说明节点X距离Source节点越近，当进行数据传输时，所消耗的能量越小。同时，数据探测阶段的可视转发路径限制了节点 X 必定在 Source-Sink 的 “正确” 路径上。令： 0070 0071 其中 Eresidual表示下一跳节点的剩余能量， Eaverage表示当前节点所有邻居节点的平均剩。

29、余能量，表示能量阈值，初值设置为原始能量的 1/32。当下一跳节点能量无限接近阈值时，接近于 0，从而等式右边第一项接近于 0。 0072 设当前节点下一跳的有效邻居节点加强评估判据为 P，则定义：说明书 CN 104023367 A 8 6/9 页 9 0073 P E(X)+L(X) (5) 0074 其中 , 为权值，且 + 1，用来调节节点剩余能量因素及传输距离影响因素各自的比例，实际应用中可根据不同的需求，来改变 , 的值。不失一般性，取 0.8,0.2。即节点剩余能量所占权重较大。此外，为防止节点能量低于阈值时仍然被选作数据传输，还需对每个节。

30、点的加强评估判据 P 设定一个最小值，大小为等式右边第二项的值 L(X)。当该节点 PL(X) 时，置其 P 0。若所有邻居节点的 PL(X) 时，告知源节点增大可视范围和跳数比例系数，同时重新发起探测数据分组转发的过程，以增大分组扩散范围。结合式 (3)、 (4)、 (5) 可以看出，评估判据综合考虑了节点剩余能量、能量阈值、邻居节点的平均剩余能量及节点间传输距离。当路径加强时，选择评估值最高的节点进行加强，这样可以尽量使得邻居节点中能量较高且通信能耗较小的节点被当选为下一跳节点。 0075 3、 VFPE 协议的设计流程 0076 3.1VFPE 协议所需。

31、的数据结构 0077 (1) 分组头结构 0078 为了获取节点的剩余能量、节点的位置信息、距离汇聚节点的跳数信息，那么在兴趣洪泛的过程中，需对原始定向扩散协议的分组头进行扩展。 0079 在定向扩散协议分组头中加入如下字段： 0080 pktMinHoppktMaxHoppktNodeInfoptrSinkPosition SrcPosition ForecastHop 0081 pktMinHop ：表示转发节点到 Sink 节点的最小跳数值。 0082 pktMaxHop ：表示转发节点到 Sink 节点的最大跳数值。 0083 pktNodeInfoptr ：表示指向。

32、转发节点 CurNodeInfo 结构的指针，用于节点本地填充邻居节点列表中的相应结构。 0084 SinkPosition ：表示 Sink 节点的位置信息，当有多个 Sink 节点存在时，用于标识不同的 Sink 节点，该字段在兴趣洪泛时告知给所有网络节点，然后被各节点保存在本地。 0085 SrcPosition ：表示源节点的位置信息，当有多个 Source 节点存在时，用于标识不同的 Source 节点；该字段在数据探测阶段时，随分组转发到网络中满足条件的节点，然后被各节点保存在本地。 0086 ForecastHop ：根据公式(3.5)计算出的。

33、预测跳数，初始时为0 ；数据探测阶段将其设置为预测跳数值，每转发到下一跳节点，该值减 1。 0087 (2) 本地存储结构 0088 所有节点在本地还需扩展一个结构 CurNodeInfo，该结构中包含有如下字段： 0089 CurMinHop ：保存本节点到 Sink 节点的最小跳数值。 0090 CurMaxHop ：保存本节点到 Sink 节点的最大跳数值。 0091 CurResEnergy ：保存本节点的剩余能量值。 0092 AvgResEnergyNeighbor ：保存本节点的所有邻居节点的平均剩余能量。通过遍历邻居列表中所有节点的 CurResEner。

34、gy 字段，对其求和后除以总的邻居节点数即为该字段的值。本字段的引入，是为了方便后续加强评估判据的计算。 0093 CurPosition ：用于保存本节点的位置信息。说明书 CN 104023367 A 9 7/9 页 10 0094 CurSrcPosition ：用于保存源节点位置信息，初始时设为 0 ；数据探索阶段时从探测分组中获取并填充，主要用于路径加强阶段计算加强评估判据值。 0095 CurSinkPosition ：用于保存 Sink 节点的位置信息；该字段在兴趣洪泛时从兴趣分组中获取并填充；在数据探索阶段时，各节点使用该字段来计算转发角度。

35、。 0096 costEvaluation ：表示经过加强评估判据计算出的值；该值在兴趣扩散时初始化为 -1，数据探索时有数据转发的节点设置为 0，路径加强时计算出实际值并填充。最终，加强路径的依据就是选择计算出的实际值中最大值。 0097 NeighborNodeList ：保存本节点所有邻居节点的列表，该列表中的每一项都含有一个指向该邻居自身 CurNodeInfo 类型结构的指针 ( 为说明方便，将这个结构记为 NeighborNodeInfo)。通过操作 NeighborNodeInfo 就可以实时更新节点的信息，比如能量值等。 0098 3.2 兴趣扩散。

36、与梯度建立 0099 Sink 节点产生兴趣分组并向网络中广播，设中间节点 M 收到一个由节点 N 发来的兴趣分组，处理流程如图 5 所示。如果分组携带的最小跳数加 1 后小于 M 保存的最小跳数，则更新 M 的最小跳数为当前分组的最小跳数加 1。如果分组最大跳数加 1 后大于节点 M 的中保存的最大跳数，则更新 M 的最大跳数为分组最大跳数加 1。然后更新本地的剩余能量、平均剩余能量、加强评估判据值 ( 此时为 -1) 以及位置信息等。接着，判断 M 的邻居列表中是否存在 N，若不存在，则将 N 添加到 M 的邻居列表，并保存相应的信息。若存在，则更新其跳数、。

37、能量等信息。最后，用 M 保存的本地信息更新分组各个字段并转发到下一跳节点，该过程一直到 Source 节点。 0100 3.3 探测数据的传播 0101 兴趣扩散阶段已经建立好了各节点到 Sink 节点的跳数场信息。此时，探测数据的发送基于预测跳数值和可视范围内的转发路径，不再是全部无分区的进行转发，可有效减少数据发送的范围。 0102 设当中间节点 M 从节点 N 收到探测数据分组后，将转发到一个邻居节点 L，操作流程如图 6 所示。M 收到分组先将预测跳数值减 1 并更新。接着更新节点 M 的剩余能量、节点 N 的剩余能量、平均剩余能量，更新 M 的平均剩余能。

38、量等。然后检查 M 的缓冲区中是否存在匹配的兴趣，若没有则丢弃该分组。否则，判断数据缓冲区中是否存在该数据的副本，若存在为避免出现环路则丢弃该分组；不存在则设置加强评估判据字段为 0，以标识该节点是数据转发节点。 0103 当数据探测分组将转发到邻居节点 L 前，执行如下操作： 0104 (1) 遍历 M 的下一跳邻居节点，邻居的最小跳数值若小于分组中的预测跳数值则到 (2)，否则到 (4) ； 0105 (2) 由当前节点 M、下一跳节点 L、 Source 节点的位置，根据式 (2) 计算转发角度，若 /2，则到 (3)，否则到 (4) ； 0106。

39、 (3) 填充数据探测分组的各个字段。 0107 (4) 若 M 的邻居节点遍历完成，则转发分组到所有满足条件的邻居节点，同时在节点 M 的本地数据缓冲区保留一个该数据的副本，否则转 (1) ； 0108 以上过程直至 Sink 节点。由此，形成了几条跳数较短且转发角度较小的 “正确” 路说明书 CN 104023367 A 10 8/9 页 11 径。 0109 3.4 路径加强 0110 当 Sink 节点接收到探测数据分组后，将选择一条最优的路径进行加强。加强的标准将采用 (5) 式给出的加强评估判据进行计算，对得出最大值的节点进行转发加强。这样保证了数据转发的范。

40、围在 Source-Sink 的 “正确” 传输方向上，从而减少了网络的能量消耗。 0111 Sink 节点接收到探测数据分组后，先经过一个设定的门限延时，然后遍历其邻居列表中所有节点的加强评估判据字段，如果该字段为 0，则通过公式 (5) 计算出实际的加强评估值，并填充到该字段。然后比较得出最大的加强评估值，对该值最大的节点进行加强。当节点M收到节点N发来的加强消息时，更新M的数据传输速率，并更新节点M的剩余能量、平均剩余能量，节点 N 的剩余能量、平均剩余能量等信息。如此往复，直至 Source 节点。 0112 4、 VFPE 协议的仿真分析 0113 。

41、使用 NS2 网络仿真工具进行协议的模拟，比较定向扩散协议和 VFPE 的性能。节点区域大小为 800m800m ；仿真时长为 20s ；节点静止； MAC 协议为 IEEE802.11 ；采用 Diff_ Sink数据流，数据包大小为64字节；无线传感器网络节点总数分别为60， 80， 100， 120， 140 ；各个节点初始能量均为 10000.0J，发送功率为 660mW，接收功率为 395mW，空闲状态功率为 35mW。本文对网络节点剩余能量、平均剩余能量、分组的端到端平均延时进行分析。其计算公式如下： 0114 0115 0116 将生成的 Tra。

42、ce 文件通过 awk 进行数据提取和计算并使用 gnuplot 工具生成图形展现出来。如图 7 表示了 1 个 Sink 和 1 个 Source 节点情况下运行 20s 后 140 个节点各自的剩余能量情况。图 8、 9 分别表示了 1 个 Source、 1 个 Sink 节点在网络规模分别为 60， 80， 100， 120， 140 的情况下运行 20s 后网络的平均剩余能量、分组的平均端到端延时曲线。图 10 为 3 个 Sink、 3 个 Source 节点在网络规模分别为 60， 80， 100， 120， 140 的情况下运行 20s 后网络的平均剩余能量曲线。 011。

43、7 从图 7 中可以看出， VFPE 协议的节点剩余能量总体上较原 DD 协议要高，同时 VFPE 各个节点的能量较为均衡。这是由于在路径加强时将节点剩余能量、传输距离作为参考标准之一，使得能量较低、传输距离较远的节点被选为转发数据的概率降低。数据探测转发时，转发角度及预测跳数的引入，有效缩小了探测数据的转发范围，节约了大量能量。从图 8、图 10 中可以看出，多 Source 多 Sink 情况的能量消耗要比单 Source 单 Sink 大。但是， VFPE仍然较原协议节约了能量。随着网络规模的增加，原协议在多Source多Sink情况下，说明书 CN 10。

44、4023367 A 11 9/9 页 12 能量消耗急剧增加，而 VFPE 能耗也不断变大但变化较缓慢。这是因为网络节点数增多，各个 Sink 节点洪泛兴趣到全网、探测分组传播到 Sink 节点，都会造成很大的开销，而 VFPE 在数据探测阶段，使用了预测跳数和转发角度，使得节点不盲目转发，大大减少了转发次数，有效节约了能量。故而 VFPE 变化较为缓慢。从图 9 中看出在单 Sink、单 Source 情况下， VFPE 的端端延时比原协议要低。由于探测分组的受到跳数、转发范围的限制，使得分组在 Source-Sink“正确” 的方向上传输，有效减少了端端延时。说明书 CN 104023367 A 12 1/5 页 13 图 1 图 2 图 3 图 4 说明书附图 CN 104023367 A 13 2/5 页 14 图 5 说明书附图 CN 104023367 A 14 3/5 页 15 图 6 图 7 说明书附图 CN 104023367 A 15 4/5 页 16 图 8 图 9 说明书附图 CN 104023367 A 16 5/5 页 17 图 10 说明书附图 CN 104023367 A 17 。

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