[发明专利]一种无线传感网中基于生命周期的RPL路由优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感网中基于生命周期的RPL路由优化方法，属于无线通信、路由协议、无线传感网技术领域。

背景技术

物联网(Internet of Things)是物与物、人与物之间信息传递与控制的网络。其典型体系架构分为3层，自下而上分别是感知层、网络层和应用层。无线传感网(wireless sensor networks，WSN)作为物联网的感知层是物联网的核心，是信息采集的关键部分。构建无线传感网(WSN)过程中用到的传感器节点都是一些能量、功能受限的设备，此类节点构建的网络被称为低功耗有损网络(Low power and Lossy Network，LLN)。而低功耗有损网络(LLN)是由功率、存储空间、处理能力和能量储备等资源受限的嵌入式设备所组成的网络。由于低功耗有损网络(LLN)的上述特点，互联网工程任务组(Internet Engineering Task Force，IETF)的ROLL小组，评估过目前已经存在的路由协议，如OSPF，IS-IS，AODV，OLSR，这些已存在的路由协议并不适合LLN。因此工作组研究制定了RPL(Routing Protocol for LLN)协议。RPL是一个距离矢量路由协议，利用有向无环图(DODAG，Destination Oriented DirectedAcyclic Graph)组织网络，一个节点通过和邻居节点交互DIS、DIO和DAO信息加入一个目标DODAG。

目前RPL路由协议依然存在问题，向上路由选择Rank值的计算主要依据节点跳数、目标函数没有明确定义。同时，RPL是一个灵活的可扩展的单路径协议，每次只保存一条最优路由，只选择一个最优父节点，路径失效后利用本地修复算法，需要重新运行程序，进行路径的探测和建立，效率不高且能量损耗严重。此外，RPL协议是主要设计用于低速率场景，也就是说，每个节点产生低速率数据。但它也需要有能力处理高速率情况。因为即使每个节点产生低速率数据，在sink节点附近的节点也必须处理高速率数据的情况。大多数高速率情况下数据包丢失情况的原因是拥塞。所以拥塞也是RPL协议需要解决的问题。

针对RPL存在的问题，目前的研究人员提出了不同改进方案。但是由于未综合考虑节点能量、功率、链路质量、成功传输数据速率等多种因素。同时，未考虑链路拥塞问题。因此需要提出一种对RPL路由协议的优化方法，综合考虑多种因素，从而有效延长网络的生存时间，最大化能量的利用率，同时解决链路拥塞问题。

发明内容

本发明对RPL(Routing Protocol for LLN)协议进行改进，目的在于提出一种无线传感网中基于生命周期的RPL路由优化方法，解决现有路由技术存在的Rank值的计算主要依据节点跳数、目标函数没有明确定义、路由代价比较单一、最优父节点的选择过于简单、节点只保存单个可用路径及拥塞等技术问题，具有有效延长网络生存时间，最大化能量利用率，更好地平衡负载，减少端到端时延，提高数据包投递率等诸多优点，使其更适合无线传感器网络等等。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种无线传感网中基于生命周期的RPL路由优化方法，包括提出网络的生命周期指标LCI代替RPL路由中不明确定义的目标函数，LCI指标综合考虑节点能量、功率、链路质量、成功传输数据速率等多种因素，在进行向上路由选择时计算该条路径的生命周期指标LCI，根据LCI值选择路径；改变节点Rank值的计算方法；设计新的父节点选择策略，不单单只是选择最优的父节点，要综合考虑提出的新指标，在预估链路质量的前提下，对父节点进行选择，同时不仅选择其中一个最优的，还要保存其它满足条件的父节点；同时引入多路径路由方案对单路径的RPL进行改进，并利用多路径解决拥塞问题。

所述网络的生命周期指标LCI表示每一个节点要完成链路传输必须付出的代价。设计新的路径选择时考虑节点的生命周期成本、数据传输功率和节点的剩余能量，在考虑链路质量时利用已经存在的ETX标准。计算一个节点的生命周期指标LCI，步骤如下：

1)评估节点N数据吞吐量M_N。M_N表示当前节点和它的孩子产生的数据流，公式(1)所示，计算时不仅仅考虑到当前节点，还考虑到孩子节点，使数据吞吐量的计算更具有代表性。

其中D_i表示节点i产生的数据流。