[發明專利]一種基于網絡編碼的無線傳感網多路徑路由方法

有效

• 申請號: 201310560078.4
• 申請日: 2013-11-12
• 公開（公告）號: CN103561445A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 王秀娟;鄭康鋒;張冬梅;武斌;査選;周楊;趙曉燕;孫博;伍淳華;高大永
• 申請（專利權）人: 北京工業大學;北京郵電大學
• 主分類號: H04W40/02
• 分類號: H04W40/02;H04L1/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 樓艮基

技術領域

本發明屬于傳感器網絡安全通信領域。

背景技術

無線傳感器網絡（Wireless?Sensor?Network,WSN）是微機電系統、片上系統和無線通信技術高度據稱而孕育出的一種新型信息獲取和處理模式。在網絡中節點既是信息的采集和發出者，也充當信息的路由者，采集的數據通過多跳達到網關，。無線傳感器網絡在環境、健康、家庭和其他商業領域有著廣闊的應用前景，在軍事、空間探索和災難拯救等特殊領域有著得天獨厚的技術優勢，已經引起了世界發達國家的學術界、軍事部門和工業界的極大關注。

無線傳感器網絡雖然也是無線通信的網絡，但是跟傳統的無線網絡也存在很大的差別，主要表現在以下幾點：

1)傳感器節點電源能量、計算、通信范圍和儲存能力有限。

2)大規模網絡。為了獲取精確信息，在監測區域內通常部署大量的傳感器節點，節點數量通常是上千上萬，甚至更多。

3)動態網絡。無線傳感器網絡的拓撲結構可能因為下列因素而改變：①環境因素或電能耗盡造成的傳感器節點出現故障或失效；②環境條件變化可能造成無線通信鏈路變化，甚至時斷時通；③網絡中的傳感器節點、感知對象和觀測者這三要素都可能具有移動性；④新節點的加入。

4)以數據為中心。通常用戶只關心某個地區的觀測值，而不是某個節點的數據，所以節點不必有全球唯一標識。

5)多跳通信。由于節點的通信范圍有限，所以為了達到WSN的大覆蓋區域的目的，WSN網絡采用多跳通信機制。

6)應用相關的網絡。傳感器網絡用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息。

7)自組織網絡。通常情況下，傳感器節點被放置在沒有基礎結構的地方。

正是由于無線傳感器網絡與傳統網絡相比具有上述不同的特點，應用于無線傳感器網絡上的典型的路由協議一般都要滿足能量高效性、可靠性、收斂性、安全性、擴展性、實時性、魯棒性、數據融合等。依據路徑數量的不同，無線傳感網中的路由協議可劃分為單路徑路由和多路徑路由兩類。

單路徑路由算法簡單，數據通信量少，有利于節省節點能量和節約節點存儲空間，但是其容錯性和健壯性差。當由于自然或人為原因，某個節點或某個區域中的節點失效導致鏈路斷開時，單路徑路由協議需要重新發現新的路由，這將對網絡的傳輸延時、節點能耗以及數據傳輸的可靠性造成較大影響。

與單路徑路由相比，多路徑路由協議通過在源節點與目的節點之間建立多條路徑，要求更多的節點來承擔路由任務。它通過選用多條好的路徑取代單條最好的路徑來傳輸數據，從而可以提高傳輸可靠性、實現負載均衡和提高網絡的容錯能力。多路徑路由可發展出不同的多路徑協議，以滿足環境的需求，如平衡網絡負載，延長網絡壽命，縮短網絡延時等。

現階段對無線傳感器網絡的多路徑路由協議的研究還不是很多，目前比較被認可的多路徑路由協議如下表所示：

發明內容

基于上述分析，本發明提供了一種基于網絡編碼的多路徑路由算法。一方面，該方法可以解決單路徑路由協議的一個不足，即路徑斷開就需要發起新的路由發現。這個路由恢復過程會導致開銷和時延的增大,從而大大降低無線傳感王的網絡性能。另一方面，該算法可以將編碼優勢融入到路徑選擇的過程中，綜合考慮網絡編碼優勢和其他路徑選擇指標選擇多條最優路徑作為傳輸路徑。本發明將網絡編碼與多路徑技術相結合，提供一種基于編碼機會判斷的多路徑路由選擇方法。

本發明的特征在于

所述網絡編碼是指所述無線傳感網中的各中間節點層中的任何一個中間節點對自己從N條輸入路段上的N個上一跳節點同時輸入的N個原始數據包進行統一編碼，并一次性的通過各自相對應的輸出路段向總共N個下一跳節點輸出經過編碼的內含有N個原始數據包的編碼數據包，依次按以下步驟實現路由優化傳輸：

步驟（1），無線傳感網初始化：

任意選擇至少一個簡稱為節點的無線傳感器定義為源節點S，把所述無線傳感器組成的無線傳感器網簡稱為網絡，再任意選擇至少一個簡稱為節點的至少另一個無線傳感點定義為目的節點D，并對所有節點給予節點號；

步驟（2），系統定義：

編碼優勢節點是指有編碼優勢的中間節點，所述編碼優勢是指對于一個中間節點X而言所能減少的向下一中間節點層中任何一個節點發送編碼數據包的次數的絕對值，對于單輸入單輸出節點，編碼優勢為零，對于雙輸入雙輸出節點，編碼優勢為1，對于N輸入N輸出節點，編碼優勢為N-1，N為有限正整數；

路徑優勢值f(hop,advan)，hop是跳數，advan是編碼優勢，其中：