一種延長(zhǎng)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的路由構(gòu)建方法
【專利摘要】一種延長(zhǎng)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的路由構(gòu)建方法，包括：中間節(jié)點(diǎn)收到DIO消息并解析，獲取DODAGID、發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ID、rank和剩余能量等級(jí)，并獲取RSSI；計(jì)算中間節(jié)點(diǎn)的DODAGID、rank和剩余能量等級(jí)；根據(jù)RSSI計(jì)算發(fā)送節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)之間的LQI；創(chuàng)建父節(jié)點(diǎn)列表，并保存DODAGID、LQI、發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ID、rank和剩余能量等級(jí)；目標(biāo)函數(shù)利用發(fā)送者的rank、剩余能量等級(jí)和LQI三種度量信息以及相應(yīng)的約束條件計(jì)算最優(yōu)路徑，確定首選父節(jié)點(diǎn)；構(gòu)建DIO消息并廣播。本發(fā)明引入并將rank，剩余能量等級(jí)和LQI三種路由度量有機(jī)結(jié)合起來構(gòu)建路由，保證數(shù)據(jù)在快速穩(wěn)定交互的前提下，極大地延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命。
【專利說明】一種延長(zhǎng)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的路由構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種延長(zhǎng)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的路由構(gòu)建方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)，目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已得到了廣泛的應(yīng)用，由于大量傳感器節(jié)點(diǎn)的地址分配會(huì)產(chǎn)生IPv4的地址危機(jī)問題，而IPv6在地址自動(dòng)配置、尋址能力等方面相對(duì)IPv4具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，這使得IPv6和WSN結(jié)合面臨著空前的機(jī)遇，基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已取得空前的發(fā)展。IETF (Internet Engineering Task Force, Internet工程任務(wù)組)工作組ROLL (Routing Over Low power and Lossy networks,低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由)結(jié)合低功耗有損網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)研究制定了 IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議一RPL(Routing Protocol for LLN,低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議)協(xié)議。
[0003]RPL是為L(zhǎng)LN而設(shè)計(jì)的距離矢量路由協(xié)議，通過使用目標(biāo)函數(shù)(ObjectFunction, OF)和度量集合構(gòu)建具有目的地的有向無環(huán)圖。該路由的構(gòu)建過程如圖2所示，LBRCLoffPAN Border Router，邊界路由器)發(fā)送包含圖相關(guān)信息的DIO消息，監(jiān)聽LBR的節(jié)點(diǎn)A收到之后，加入到圖中，并回復(fù)包含自己前綴信息的DA0(Destination AdvertisementObject,目的地通告)消息給LBR。節(jié)點(diǎn)A發(fā)送DIO消息，其功率發(fā)送范圍內(nèi)的B接收后加入圖中并回復(fù)DAO消息；網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)后，節(jié)點(diǎn)B曾收到節(jié)點(diǎn)C發(fā)來的DIS (DODAG InformationSolicitation,請(qǐng)求消息)消息，在節(jié)點(diǎn)B加入圖之后，對(duì)節(jié)點(diǎn)C發(fā)送D10,邀請(qǐng)其加入D0DAG，節(jié)點(diǎn)C向其父節(jié)點(diǎn)B發(fā)送DAO消息，節(jié)點(diǎn)B收到后會(huì)整合信息，向其父節(jié)點(diǎn)發(fā)送DAO消息，逐級(jí)整合并回送DAO消息直到LBR，在LBR處包含所有節(jié)點(diǎn)的前綴信息。
[0004]目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的路由度量主要有兩類:一類是反映節(jié)點(diǎn)屬性的跳數(shù)，節(jié)點(diǎn)剩余能量；另一類是反映鏈路屬性的吞吐量，延遲，鏈路質(zhì)量水平以及期望傳輸次數(shù)(ETX)。目前，跳數(shù)和ETX是在與RPL相關(guān)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)中唯一被使用的路由度量。但是，這兩種路由度量均沒有考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量，這樣可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)交互過于集中在網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)區(qū)域，造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡性問題，從而嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)壽命；而且由于無線環(huán)境的復(fù)雜性，使得節(jié)點(diǎn)不能選擇可靠的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而增加數(shù)據(jù)重傳的概率，浪費(fèi)節(jié)點(diǎn)的能量。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中，主要通過以下路由構(gòu)建方法來延長(zhǎng)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命:
[0006]將電池剩余能量劃分成0-255個(gè)等級(jí)，其中O為空，255為滿。并使用著名的電池理論模型，利用每個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)當(dāng)前的消耗，持續(xù)評(píng)估電池剩余能量，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)剩余能量進(jìn)行等級(jí)劃分。在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)RFC6550的rank值計(jì)算公式基礎(chǔ)上引進(jìn)新的變量Step=MAXenergy-Nodeenergy,從而計(jì)算節(jié)點(diǎn)的rank,即基于能量的rank。
[0007]但以上技術(shù)方案中，使用電池理論模型雖然能精確地算出節(jié)點(diǎn)剩余能量，但由于其復(fù)雜的計(jì)算和對(duì)內(nèi)存的要求，在實(shí)際傳感器節(jié)點(diǎn)中不可用；而且現(xiàn)有硬件已經(jīng)具備計(jì)算并顯示節(jié)點(diǎn)剩余能量的能力。另外，該方案純粹以能量為路由度量，而沒有考慮時(shí)延和鏈路穩(wěn)定性等方面的因素，使得該方案在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多方面的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供一種延長(zhǎng)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的穩(wěn)定的路由構(gòu)建方法，通過引入剩余能量等級(jí)和LQI,并將rank,剩余能量等級(jí)和LQI三種路由度量有機(jī)結(jié)合起來,保證數(shù)據(jù)在快速穩(wěn)定交互的前提下，極大地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。
[0009]本發(fā)明提供的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的路由構(gòu)建方法，包括:
[0010]sink 節(jié)點(diǎn)構(gòu)建 DIO (DODAG Information Object, D0DAG,消息對(duì)象)消息(包括D0DAGID> rank和剩余能量等級(jí))并廣播；
[0011]中間節(jié)點(diǎn)收到DIO 消息并解析，獲取 RSS1、DODAGID (Destination OrientedDirected Acyclic Graph ID,有向無環(huán)圖1D)、發(fā)送者的ID、rank和剩余能量等級(jí)等消息，并獲取RSSI ；
[0012]計(jì)算所述中間節(jié)點(diǎn)DODAGID、rank和剩余能量等級(jí)；
[0013]根據(jù)所述RSSI (Received Signal Strength Indication,接收信號(hào)強(qiáng)度指示)計(jì)算發(fā)送者和所述中間節(jié)點(diǎn)之間的LQI (Link Quality Indication,鏈路質(zhì)量指示)；
[0014]創(chuàng)建父節(jié)點(diǎn)列表，并保存所述DODAGID、LQ1、發(fā)送者的ID、rank和剩余能量等級(jí)；
[0015]目標(biāo)函數(shù)利用所述發(fā)送者的rank、剩余能量等級(jí)和LQI三種度量信息以及相應(yīng)的約束條件計(jì)算最優(yōu)路徑，確定首選父節(jié)點(diǎn)；
[0016]構(gòu)建DIO消息并廣播。
[0017]本發(fā)明中，所述DIO消息中包含DODAGID、發(fā)送者的ID、rank以及剩余能量等級(jí)等信息。
[0018]所述發(fā)送節(jié)點(diǎn)和所述中間節(jié)點(diǎn)之間的LQI由IEEE802.15.4定義，為所收到的數(shù)據(jù)包的強(qiáng)度和/或質(zhì)量。
[0019]所述發(fā)送節(jié)點(diǎn)和所述中間節(jié)點(diǎn)之間的LQI由微控制器根據(jù)所述RSSI計(jì)算所得，SPLQI=255*(RSSI+81)/91。
[0020]若所述中間節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)候選父節(jié)點(diǎn)，則選擇該候選父節(jié)點(diǎn)為首選父節(jié)點(diǎn)。若所述中間節(jié)點(diǎn)有多個(gè)候選父節(jié)點(diǎn)，則優(yōu)先選擇rank值最小的節(jié)點(diǎn)。若所述中間節(jié)點(diǎn)有多個(gè)rank相等的候選父節(jié)點(diǎn)，則所述中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)剩余能量等級(jí)和LQI兩種度量信息，計(jì)算各個(gè)候選父節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的權(quán)重值，選擇LQI更好、剩余能量等級(jí)更大即權(quán)重最大的候選父節(jié)點(diǎn)為最佳父節(jié)點(diǎn)，即首選父節(jié)點(diǎn)，從而建立路由；權(quán)重函數(shù)的定義如下:
[0021]
【權(quán)利要求】
1.一種延長(zhǎng)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的路由構(gòu)建方法，其特征在于，包括: 中間節(jié)點(diǎn)收到消息對(duì)象DIO消息并解析，獲取有向無環(huán)圖D0DAGID、發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ID、rank和剩余能量等級(jí)，并獲取接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI ； 計(jì)算中間節(jié)點(diǎn)的有向無環(huán)圖D0DAGID、rank和剩余能量等級(jí)； 根據(jù)所述接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI計(jì)算發(fā)送節(jié)點(diǎn)和所述中間節(jié)點(diǎn)之間的鏈路質(zhì)量指示LQI ； 創(chuàng)建父節(jié)點(diǎn)列表，并保存所述有向無環(huán)圖D0DAGID、鏈路質(zhì)量指示LQ1、發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ID、rank和剩余能量等級(jí)； 目標(biāo)函數(shù)利用所述發(fā)送者的rank、剩余能量等級(jí)和鏈路質(zhì)量指示LQI三種度量信息以及相應(yīng)的約束條件計(jì)算最優(yōu)路徑，確定首選父節(jié)點(diǎn)； 構(gòu)建DIO消息并廣播。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的路由構(gòu)建方法，其特征在于: 所述剩余能量等級(jí)為將節(jié)點(diǎn)剩余能量進(jìn)行等級(jí)劃分，方法如下:設(shè)節(jié)點(diǎn)i的初始能量為Eci,將所述節(jié)點(diǎn)i的初始能量劃分為η個(gè)等級(jí)，即所述節(jié)點(diǎn)i的初始能量等級(jí)為η,則所述每個(gè)等級(jí)的能量為Epa^=EciAi,但隨著所述節(jié)點(diǎn)i的能量消耗，所述剩余能量等級(jí)也隨之下降，在某一時(shí)刻所述節(jié)點(diǎn)i的剩余能量等級(jí)為:RELi_，其中，Ei為所述節(jié)點(diǎn)i當(dāng)前剩余能量，[]為向上取整函數(shù)，所述節(jié)點(diǎn)i的剩余能量等級(jí)為[1，η]之間的正整數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的路由構(gòu)建方法，其特征在于: 所述DIO消息中包含有向無環(huán)圖D0DAGID、發(fā)送者的ID、rank以及剩余能量等級(jí)等信肩、O
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的路由構(gòu)建方法，其特征在于: 所述發(fā)送節(jié)點(diǎn)和所述中間節(jié)點(diǎn)之間的鏈路質(zhì)量指示LQI由IEEE802.15.4定義，為所收到的數(shù)據(jù)包的強(qiáng)度和/或質(zhì)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的路由構(gòu)建方法，其特征在于: 所述發(fā)送節(jié)點(diǎn)和所述中間節(jié)點(diǎn)之間的鏈路質(zhì)量指示LQI由微控制器根據(jù)所述接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI計(jì)算所得，即LQI=255*(RSSI+81)/91。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的路由構(gòu)建方法，其特征在于: 所述中間節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建父節(jié)點(diǎn)列表，保存有向無環(huán)圖D0DAGID、發(fā)送者的ID、rank、剩余能量等級(jí)和LQI等信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的路由構(gòu)建方法，其特征在于: 若所述中間節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)候選父節(jié)點(diǎn)，則選擇該候選父節(jié)點(diǎn)為首選父節(jié)點(diǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的路由構(gòu)建方法，其特征在于: 若所述中間節(jié)點(diǎn)有多個(gè)候選父節(jié)點(diǎn)，則優(yōu)先選擇rank值最小的節(jié)點(diǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的路由構(gòu)建方法，其特征在于:若所述中間節(jié)點(diǎn)有多個(gè)rank相等的候選父節(jié)點(diǎn)，則所述中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)剩余能量等級(jí)和LQI兩種度量信息，計(jì)算各個(gè)候選父節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的權(quán)重值，選擇LQI更好、剩余能量等級(jí)更大即權(quán)重最大的候選父節(jié)點(diǎn)為最佳父節(jié)點(diǎn)，即首選父節(jié)點(diǎn)，從而建立路由；權(quán)重函數(shù)的定義如下:
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2的路由構(gòu)建方法，其特征在于:所述的剩余能量等級(jí)為離散的整數(shù)值。
【文檔編號(hào)】H04W40/04GK103796272SQ201410051835
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年2月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月14日
【發(fā)明者】王浩, 別朋召, 趙全喜, 王平, 劉濤, 張琪, 易瑜 申請(qǐng)人:重慶郵電大學(xué)