[发明专利]一种基于准最优化原则的无线传感器网络路由方法

说明书

技术领域

本发明属于无线自组织网络系统技术领域，具体涉及一种采用准最优化原则进行无线传感器网络路由的方法。

背景技术

无线传感器网络是一种新型的网络技术。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事、工农业、智能家居、医疗、环境监测、抢险救灾、反恐等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一。

无线传感器网络的路由协议对无线传感器网络的应用环境、传输质量、网络生存期等性能指标有重要的影响。由于无线传感器网络节点运算能力受限、带宽受限、能量受限，因此如何在网络资源受限的条件下设计一种节能、高可靠性，同时具有容错性、可扩展性、自组织性的路由协议，已成为无线传感器网络通信的一个亟待解决的问题。路由协议需要适应不同的应用场景、不同的数据报告机制、不同的传输介质(MAC)和数据融合机制等，还要在资源受限的条件下对能量效率和传输质量尽可能优化的进行折中。目前，国内外的研究者已提出了很多适用于不同场景，各有特点的路由协议。然而，由于应用场景和性能要求的不同，以及无线传感器网络自身特点的限制，目前尚没有一种公认的路由协议可以在实践中得到广泛的应用。例如著名的ZigBee协议，虽然已经实现了标准化，但也只是较好地适用于智能家居等应用环境，而对于存在较强干扰、对传输可靠性或安全性要求较高的一些典型的无线传感器网络的应用场合，如工业监控、灾害救助、野外监测、商业应用等，则并不是非常适合。另一方面，目前对无线传感器可靠性传输的研究也主要不是集中在路由协议上，而是集中在功率控制、速率控制、信道编码、ARQ、传输层编码和跨层设计等领域。大多数可靠性路由协议只提出一些避免丢包的机制如组播、多路径等，缺乏严格的数学分析和明确的性能指标评价，而且与无线传感器网络最基本的设计原则-节能进行综合考虑的路由协议不多。

发明内容

本发明要解决的技术问题是结合跨层设计中所用的一些数学模型和性能评估方法，根据路由设计中的最优化原理，推广得到一种准最优化原理，并基于该准最优化原理，通过路由与功率控制联合调度，提出一种以提高可靠性和降低能耗为双重优化目标的路由协议。

准最优化原理是从路由协议的最优化原理推广得到的。最优化原理(见图5)是指：如果节点C在节点A到节点E的最优路由(ABCDE)上，则节点C到节点E的这一段路由(CDE)也是C到E的最优路由。即：最优路由的子路由也是最优路由。绝大多数实用的路由算法(如距离矢量路由、链路状态路由)都采用了启发式算法，而最优化原理则是启发式算法的基础。最优化原理的条件是路由代价满足可加性条件，例如：跳数、距离、时延、能耗以及成功传输率(取对数)等。但如果路由代价的取值是比较复杂的数学表达式，或者有多于一个需要优化的量(例如能耗和可靠性)，使得路由代价不满足可加性，则最优化原理就不能应用。本发明针对这种情况，提出了一种准最优化原理作为最优化原理的推广，可以适用于上述情况。

准最优化路由(见图6)是指：如果某一条从节点A到节点D的路由(ABCD)，其路由代价和路由判据均不同时大于其余任一条从A到D的路由(AGHJD)，则称此路由为准最优路由。路由判据是这样一个选定的量：任一条路由的路由代价可以表示成为它某个子路由的路由代价与路由判据的联合函数表达式，而且这个函数对路由代价和路由判据都是增函数。显然，最优路由是准最优路由的子集。从源节点到目的节点只有一条最优路由，却可以有若干条准最优路由。