一種延長IPv6無線傳感器網絡壽命的路由構建方法
【專利摘要】一種延長IPv6無線傳感器網絡壽命的路由構建方法,包括:中間節點收到DIO消息并解析,獲取DODAGID、發送節點的ID、rank和剩余能量等級,并獲取RSSI;計算中間節點的DODAGID、rank和剩余能量等級;根據RSSI計算發送節點和中間節點之間的LQI;創建父節點列表,并保存DODAGID、LQI、發送節點的ID、rank和剩余能量等級;目標函數利用發送者的rank、剩余能量等級和LQI三種度量信息以及相應的約束條件計算最優路徑,確定首選父節點;構建DIO消息并廣播。本發明引入并將rank,剩余能量等級和LQI三種路由度量有機結合起來構建路由,保證數據在快速穩定交互的前提下,極大地延長了網絡壽命。
【專利說明】一種延長IPv6無線傳感器網絡壽命的路由構建方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及IPv6無線傳感器網絡【技術領域】,具體涉及一種延長IPv6無線傳感器網絡壽命的路由構建方法。
【背景技術】
[0002]無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的微型傳感器節點組成,通過無線通信方式形成的一個多跳自組織的網絡,目前無線傳感器網絡已得到了廣泛的應用,由于大量傳感器節點的地址分配會產生IPv4的地址危機問題,而IPv6在地址自動配置、尋址能力等方面相對IPv4具有絕對的優勢,這使得IPv6和WSN結合面臨著空前的機遇,基于IPv6的無線傳感器網絡已取得空前的發展。IETF (Internet Engineering Task Force, Internet工程任務組)工作組ROLL (Routing Over Low power and Lossy networks,低功耗有損網絡路由)結合低功耗有損網絡的特點研究制定了 IPv6無線傳感器網絡路由協議一RPL(Routing Protocol for LLN,低功耗有損網絡路由協議)協議。
[0003]RPL是為LLN而設計的距離矢量路由協議,通過使用目標函數(ObjectFunction, OF)和度量集合構建具有目的地的有向無環圖。該路由的構建過程如圖2所示,LBRCLoffPAN Border Router,邊界路由器)發送包含圖相關信息的DIO消息,監聽LBR的節點A收到之后,加入到圖中,并回復包含自己前綴信息的DA0(Destination AdvertisementObject,目的地通告)消息給LBR。節點A發送DIO消息,其功率發送范圍內的B接收后加入圖中并回復DAO消息;網絡啟動后,節點B曾收到節點C發來的DIS (DODAG InformationSolicitation,請求消息)消息,在節點B加入圖之后,對節點C發送D10,邀請其加入D0DAG,節點C向其父節點B發送DAO消息,節點B收到后會整合信息,向其父節點發送DAO消息,逐級整合并回送DAO消息直到LBR,在LBR處包含所有節點的前綴信息。
[0004]目前無線傳感器網絡中常用的路由度量主要有兩類:一類是反映節點屬性的跳數,節點剩余能量;另一類是反映鏈路屬性的吞吐量,延遲,鏈路質量水平以及期望傳輸次數(ETX)。目前,跳數和ETX是在與RPL相關聯的標準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點剩余能量,這樣可能導致數據交互過于集中在網絡的某個區域,造成網絡負載均衡性問題,從而嚴重影響網絡壽命;而且由于無線環境的復雜性,使得節點不能選擇可靠的路徑進行數據交互,從而增加數據重傳的概率,浪費節點的能量。
[0005]現有技術中,主要通過以下路由構建方法來延長IPv6無線傳感器網絡壽命:
[0006]將電池剩余能量劃分成0-255個等級,其中O為空,255為滿。并使用著名的電池理論模型,利用每個節點狀態當前的消耗,持續評估電池剩余能量,對每個節點剩余能量進行等級劃分。在現有標準RFC6550的rank值計算公式基礎上引進新的變量Step=MAXenergy-Nodeenergy,從而計算節點的rank,即基于能量的rank。
[0007]但以上技術方案中,使用電池理論模型雖然能精確地算出節點剩余能量,但由于其復雜的計算和對內存的要求,在實際傳感器節點中不可用;而且現有硬件已經具備計算并顯示節點剩余能量的能力。另外,該方案純粹以能量為路由度量,而沒有考慮時延和鏈路穩定性等方面的因素,使得該方案在實際應用中存在諸多方面的問題。
【發明內容】
[0008]本發明提供一種延長IPv6無線傳感器網絡壽命的穩定的路由構建方法,通過引入剩余能量等級和LQI,并將rank,剩余能量等級和LQI三種路由度量有機結合起來,保證數據在快速穩定交互的前提下,極大地延長網絡壽命。
[0009]本發明提供的延長網絡壽命的路由構建方法,包括:
[0010]sink 節點構建 DIO (DODAG Information Object, D0DAG,消息對象)消息(包括D0DAGID> rank和剩余能量等級)并廣播;
[0011]中間節點收到DIO 消息并解析,獲取 RSS1、DODAGID (Destination OrientedDirected Acyclic Graph ID,有向無環圖1D)、發送者的ID、rank和剩余能量等級等消息,并獲取RSSI ;
[0012]計算所述中間節點DODAGID、rank和剩余能量等級;
[0013]根據所述RSSI (Received Signal Strength Indication,接收信號強度指示)計算發送者和所述中間節點之間的LQI (Link Quality Indication,鏈路質量指示);
[0014]創建父節點列表,并保存所述DODAGID、LQ1、發送者的ID、rank和剩余能量等級;
[0015]目標函數利用所述發送者的rank、剩余能量等級和LQI三種度量信息以及相應的約束條件計算最優路徑,確定首選父節點;
[0016]構建DIO消息并廣播。
[0017]本發明中,所述DIO消息中包含DODAGID、發送者的ID、rank以及剩余能量等級等信息。
[0018]所述發送節點和所述中間節點之間的LQI由IEEE802.15.4定義,為所收到的數據包的強度和/或質量。
[0019]所述發送節點和所述中間節點之間的LQI由微控制器根據所述RSSI計算所得,SPLQI=255*(RSSI+81)/91。
[0020]若所述中間節點只有一個候選父節點,則選擇該候選父節點為首選父節點。若所述中間節點有多個候選父節點,則優先選擇rank值最小的節點。若所述中間節點有多個rank相等的候選父節點,則所述中間節點根據剩余能量等級和LQI兩種度量信息,計算各個候選父節點對應的權重值,選擇LQI更好、剩余能量等級更大即權重最大的候選父節點為最佳父節點,即首選父節點,從而建立路由;權重函數的定義如下:
[0021]
【權利要求】
1.一種延長IPv6無線傳感器網絡壽命的路由構建方法,其特征在于,包括: 中間節點收到消息對象DIO消息并解析,獲取有向無環圖D0DAGID、發送節點的ID、rank和剩余能量等級,并獲取接收信號強度指示RSSI ; 計算中間節點的有向無環圖D0DAGID、rank和剩余能量等級; 根據所述接收信號強度指示RSSI計算發送節點和所述中間節點之間的鏈路質量指示LQI ; 創建父節點列表,并保存所述有向無環圖D0DAGID、鏈路質量指示LQ1、發送節點的ID、rank和剩余能量等級; 目標函數利用所述發送者的rank、剩余能量等級和鏈路質量指示LQI三種度量信息以及相應的約束條件計算最優路徑,確定首選父節點; 構建DIO消息并廣播。
2.根據權利要求1所述的路由構建方法,其特征在于: 所述剩余能量等級為將節點剩余能量進行等級劃分,方法如下:設節點i的初始能量為Eci,將所述節點i的初始能量劃分為η個等級,即所述節點i的初始能量等級為η,則所述每個等級的能量為Epa^=EciAi,但隨著所述節點i的能量消耗,所述剩余能量等級也隨之下降,在某一時刻所述節點i的剩余能量等級為:RELi_,其中,Ei為所述節點i當前剩余能量,[]為向上取整函數,所述節點i的剩余能量等級為[1,η]之間的正整數。
3.根據權利要求1或2所述的路由構建方法,其特征在于: 所述DIO消息中包含有向無環圖D0DAGID、發送者的ID、rank以及剩余能量等級等信肩、O
4.根據權利要求1或2所述的路由構建方法,其特征在于: 所述發送節點和所述中間節點之間的鏈路質量指示LQI由IEEE802.15.4定義,為所收到的數據包的強度和/或質量。
5.根據權利要求1或2所述的路由構建方法,其特征在于: 所述發送節點和所述中間節點之間的鏈路質量指示LQI由微控制器根據所述接收信號強度指示RSSI計算所得,即LQI=255*(RSSI+81)/91。
6.根據權利要求1或2所述的路由構建方法,其特征在于: 所述中間節點創建父節點列表,保存有向無環圖D0DAGID、發送者的ID、rank、剩余能量等級和LQI等信息。
7.根據權利要求1或2所述的路由構建方法,其特征在于: 若所述中間節點只有一個候選父節點,則選擇該候選父節點為首選父節點。
8.根據權利要求1或2所述的路由構建方法,其特征在于: 若所述中間節點有多個候選父節點,則優先選擇rank值最小的節點。
9.根據權利要求1或2所述的路由構建方法,其特征在于:若所述中間節點有多個rank相等的候選父節點,則所述中間節點根據剩余能量等級和LQI兩種度量信息,計算各個候選父節點對應的權重值,選擇LQI更好、剩余能量等級更大即權重最大的候選父節點為最佳父節點,即首選父節點,從而建立路由;權重函數的定義如下:
10.根據權利要求1或2的路由構建方法,其特征在于:所述的剩余能量等級為離散的整數值。
【文檔編號】H04W40/04GK103796272SQ201410051835
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月14日 優先權日:2014年2月14日
【發明者】王浩, 別朋召, 趙全喜, 王平, 劉濤, 張琪, 易瑜 申請人:重慶郵電大學