[发明专利]一种负载平衡的CTP路由协议

摘要

本发明提出了一种适用于无线传感器网络的基于数据传输的负载平衡的CTP路由协议，兼顾无线传感器网络中节点的能耗、数据传输的高效性、可靠性并且兼顾了无线传感器网络中拓扑结构的路由树的同一层次节点的节点能耗的平衡性。通过对无线传感器网络中节点选择父节点时对候选父节点转发数据量的考虑，来平衡无线传感器网络中拓扑结构树的同一层次的节点的转发数据进行平衡，在保证网络整体性能优化的同时，有效地延长了网络生存时间，提高了网络的能效，解决了无线传感器网络的网络震荡问题，也保持了CTP路由协议数据投递率较高以及数据传输效率高的性能。

主权项

一种负载平衡的CTP路由协议，其路由建立过程如下：第一步：在一个无线传感器网络中，存在位于任意位置的汇聚节点，多个无线传感器节点任意分布在其周围，每个无线传感器汇聚节点的期望传输值设为0，其它所有的无线传感器节点的期望传输值设为一个指定的最大值；当每个节点启动后，向周围的节点广播一个路由帧，并将路由帧的P位置位，允许节点从其他节点请求路由信息；如果具有有效路由的节点收到一个P位位置置位的消息包，则表示应该传输一个路由帧；当汇聚节点的邻居节点在收到汇聚节点的广播后，则将汇聚节点设为本节点的父节点，将本节点到汇聚节点的ETX值设置为本节点到父节点也就是汇聚节点的单跳ETX值；此时由于节点的父节点改变，则立即向周围的邻居节点广播自己的路由帧；所述有效路由是指，节点广播的路由帧的期望传输值不为设定的最大值则表示该节点具有有效的路由；本节点到其他节点的链路期望传输值的计算方法是用链路估计描述链路质量评估；所述链路估计是，节点统计一定时间内从某个邻居节点接收到的分组占该邻居节点发送往该节点的分组数量的比重；本路由协议链路估计包括两个部分：发送代价估计和接收代价估计，并用这两个值来表示链路的双向通信代价； 节点在收到邻居节点转发来的数据分组或者来自邻居节点的路由状态广播后，都会更新从该邻居节点接收分组的计数；节点在周期性路由状态广播中包括自己到每个邻居节点的发送分组计数；某节点A经过一段时间的统计后它可以得到来自邻居节点B的接收分组数目，而节点B在自己的路由状态广播中告知向节点A发送分组的数目；这二者的商就是节点A接收节点B发送的分组的成功率，用RcvEstA/B表示，公式如下：RcvEstA/B=RcvCountA/SendCountB上面公式中的RcvCountA表示A节点接收到的节点B所发送的数据帧/路由帧的数目，SendCountB表示B节点在这个时间段内所发送的数据帧/路由帧的数目；节点A到节点B的链路ETX=RcvEstA/B*10；第二步：无线传感器网络中的无线传感器节点接收到拥有有效路由的节点发送的路由帧，则将该节点设为自己的父节点，并将自己的期望传输值设为父节点的期望传输值加上本节点到父节点的链路期望传输值，并向周围的邻居节点广播自己的路由帧；当节点具有有效的路由之后，可以将定时监测到的环境数据发送到自己的父节点，当根节点接收到自己的子节点发送给自己的环境数据帧时，用以计算和子节点间的链路期望传输值，并将该数据帧转发给自己的父节点，直到该数据帧转发到根节点，当根节点接收到该数据帧时将该数据帧通过串口或者USB接口转发到嵌入式节点或者PC机；第三步：无线传感器网络的路由维护过程；无线传感器节点周期性地广播路由状态信息，更新邻居节点到汇聚节点的期望传输值的信息，并根据上述链路质量评估算法对每个邻居节点进行链路质量评估；当跳数更新和链路评估完成后，节点将根据新的路由表信息重新选择父节点；这时当前的父节点和所有邻居节点的地位是不相同的；只有本节点通过其他节点的整个链路的期望传输值超过通过父节点的整个链路的期望传输值一个阈值才改变自己的父节点；并将该期望传输值重新记录，然后立即向周围的邻居节点广播路由帧；当链路代价上升到超过一个阈值以上或者一个路由更新周期内的丢包数达到最大允许数以上时，节点将认为父节点无效，立即进行路由更新，节点将选择其他节点作为父节点；选择的方法是在邻居表中选择跳数最小，链路质量最好的节点作为父节点；同时本路由协议维护了一个每周期发送的数据包的变量；当节点的邻居节点中的候选父节点链路质量值不超过某个阈值，选择两个节点中转发数据较少的节点作为他的父节点，并立即广播自己的路由帧。