[发明专利]一种基于网络编码的无线传感网多路径路由方法

摘要

一种基于网络编码的无线传感网多路径路由方法属无线传感网络通信领域，其特征在于，按基于编码优势节点的路径优势值对网中任意的源节点到目的节点之间的路径按路径优势的大小从大到小排序，提供优先选择的路径，源节点发送的由K个原始数据包所形成的I(I≥K)个编码数据包对应于优先选择路径一一对应的发送。首先由源节点编码的数据在数据传输过程中，编码优势节点是一种多路径交叉点要对输入的编码数据进行再次随机编码再把路由表中标明本节点为接收节点的编码数取出后，再把标有下层其他中间节点或目的节点地址的再次编码数据中编码系数解码后下行输出，以此类推直到目的节点为止。本发明把网络编码与多路径选择相结合提供较优的多路径路由方法。

主权项

1.一种基于网络节点编码的无线传感网多路径路由方法，其特征在于：所述网络编码是指所述无线传感网中的各中间节点层中的任何一个中间节点对自己从N条输入路段上的N个上一跳节点同时输入的N个原始数据包进行统一编码，并一次性的通过各自相对应的输出路段向总共N个下一跳节点输出经过编码的内含有N个原始数据包的编码数据包，依次按以下步骤实现路由优化传输：步骤（1），无线传感网初始化：任意选择至少一个简称为节点的无线传感器定义为源节点S，把所述无线传感器组成的无线传感器网简称为网络，再任意选择至少一个简称为节点的至少另一个无线传感点定义为目的节点D，并对所有节点给予节点号；步骤（2），系统定义：编码优势节点是指有编码优势的中间节点，所述编码优势是指对于一个中间节点X而言所能减少的向下一中间节点层中任何一个节点发送编码数据包的次数的绝对值，对于单输入单输出节点，编码优势为零，对于双输入双输出节点，编码优势为1，对于N输入N输出节点，编码优势为N-1，N为有限正整数；路径优势值f(hop,advan)，hop是跳数，advan是编码优势，其中：对于源节点S到中间节点X而言，hop是指从源节点S到所述中间节点X的总跳数，在数值上等于从源节点S到中间节点X这一路径段上包括源节点S在内的总结点数减1，advan是指所述这一路径段上的路径的编码优势值，在数值上等于所述这一路径段上不包括源节点S在内的所有中间节点X的编码优势之和；对于源节点S到目的节点D而言，hop是从源节点S到目的节点D的总跳数，在数值上等于从源节点S到目的节点D这一路径段上包括源节点S在内的总结点数减1，advan是指所述这一条全路径上的全路径的编码优势值，在数值上等于所述这一条全路径上不包括源节点S、目的节点D在内的所有中间节点X的编码优势之和；f(hop,advan)＝-m×hop+(1-m)×advan,0＜m＜1,其中，对于中间节点X而言，f(hop,advan)是指路径段优势值；对于目的节点D而言，f(hop,advan)是指全路径优势值；m是对应于跳数的权重，为设定值，反映了在所述无线传感器网络中对传输速率或降低能耗的倾向性；路由请求包，来自源节点S并由本节点向下一跳发送，包括：下一跳节点的广播地址、源节点地址、目的节点地址、路径域：指数据包从源节点到本节点所经过的所有中间节点的地址，按路径顺序排列、跳数：指源节点S到本节点所经过的总跳数、路径段的编码优势值，所述路径段是指从源节点S到前一跳中间节点这一段路径；反向路由表，储存在各中间节点，包括：源节点地址、上一跳节点地址、总跳数及路径段优势值；路由回复包，是反向路由回复包，指从任何一个中间节点X或目的节点D出发，反向上传到下一跳节点或源节点时的一种反向路由回复包，包括：下一跳节点地址、经过的路径域、源节点地址、目的节点地址、跳数以及路段优势值；编码数据包，包括：下一跳节点地址列表、目的节点地址列表、编码系数和数据部分；步骤（3），依次按以下步骤探索由源节点S到目的节点D的L条较优路径，L为一个有限正整数：步骤（3.1），源节点S基于自身传输半径向各下行输出的路段上的下一跳节点层内的节点广播所述路由申请包；步骤（3.2），步骤（3.1）中各所述下一跳节点接收到所述路由请求包后，执行以下步骤：步骤（3.2.1），计算各自的路径段优势值f(hop,advan)，其中跳数加1，advan在数值上基于该请求包所经过的路径段上的路径的编码优势，把自己添加到路径域之中形成一个更新的路由请求包同时将源节点地址、数据包的上一跳节点地址、跳数、路径优势值的信息存入节点的反向路由表中，更新的路由请求包一次性的下行发向下一跳节点层中的每一个节点，初始时，源节点的跳数和路径段编码优势值为零；步骤（3.2.2），重复步骤（3.2.1）直至到达目的节点为止，路径优势值等于全路径段编码优势值，经过的路径域为路由请求包中经过的路径域，下一跳节点地址为经过的路径域中的最后一个节点地址，源节点地址为路由请求包中的的目的地址，目的地址为路由请求包中的源节点地址，跳数为初始跳数即为零，使上述得到的下一跳节点地址、经过的路径域、源节点地址、目的节点地址、跳数、路径优势构成一个路由回复包，反向上传到路由请求包中的源节点S；步骤（3.3），中间节点收到路由回复包则更新跳数值，即跳数加1，将路由回复包的包括上一跳节点地址、跳数、路径优势在内的信息存入节点路由表中，根据路由回复包中的经过的路径域，将倒数第二个地址写入下一跳地址，并将路径域中自己的地址删去；步骤（3.4），重复步骤（3.3）直至到达路由请求包的源节点S为止，将路由回复包中的包括上一跳节点地址、跳数、路径优势在内的信息存入节点路由表中；步骤（3.5），所述源节点S在收到下一跳中间节点层中各中间节点反向上传的路由回复包后，对所有从相同目的节点D上传的所述路由回复包中的全路径段优势值按从大到小的顺序排成序列，选取前L条全路径作为其优先选取的从所述源节点S到目的节点的全路径，存入源节点S的优势路径段记录，其中，L是任选的有限正整数，剩下的非优势路径段废弃不用；步骤（4），在所述无线传感网中依次按以下步骤传输数据：步骤（4.1），令a＝(a₁，a₂，...，a_K)^T表示源节点S要向下一跳单播的随机网络数据包称为原始数据包，k是所述原始数据包的序号，k＝1，2，...，K，K也是所述原始数据包的总数；步骤（4.2），按下式对步骤（4.1）中的所述原始数据包的数据部分进行随机网络编码：α_i＝P_i·a，i＝1，2，...，I，I≥KP_i是编码系数向量，P_i＝(P₁，P₂，...，P_K)，编码系数向量P_i从一个有限正整数域中选取，共有I个且I≥K；α_i是由K个原始数据经过随机编码后生成的编码数据向量；步骤（4.3），使步骤（3.5）中所述的L条优势路径在数值上等于所述编码数据包的总数I，L＝I，在每条路径只传输一个编码数据向量α_i，称为经过随机编码的数据部分，编码数据包表示为{P_i，α_i}，于是在L条路径上传输I个编码数据包；步骤（4.4），对于网络中只有一个源节点和一个目的节点，多个源节点和一个目的节点，一个源节点和多个目的节点的或者多个源节点和多个目的节点的情况，当发送数据包时，对缓冲队列队头的数据包进行如下处理：第一种情况：若当该数据包准备发送时，节点缓存队列中还存在另外一个路径S→D上的多个编码包，这些编码数据包和待发送编码数据包拥有同一个源节点和目的节点，则这些数据包出列并把这些数据包单独进行如下处理：当前编码优势节点接收到的编码包中的编码系数向量和编码数据集合为{P_i，α_i}，当前节点A按本节点设定的再次随机编码系数向量Q中的各个分量q_q对输入的各个所述源节点S的编码数据进行再次编码对数据再次进行随机网络编码，其中下标q＝i,获得新的编码数据新的编码系数向量向路由表中记录的下一跳节点发送包含新的编码数据和编码系数向量的再次编码数据包；第二种情况：若该数据包准备发送时，节点的缓存中存在另一个目的节点的数据包，使得这两个数据包传输的两条路径在当前节点具有一种编码机会，则对这两个数据包的数据部分进行再次编码，不妨设这两个数据包的编码数据包的数据部分α_m＝P_mα和β_n＝Q_nβ以及相应的编码系数P_m和Q_n，进行随机网络编码获得编码数据部分γ＝pα_m+qβ_n，将编码后的数据部分γ＝pα_m+qβ_n存在数据包的数据部分，将编码系数(p,pP_m,q,qQ_n)存在数据包的编码系数向量部分，并将两条不同路径的下一跳节点地址都放到数据包的接收节点的地址位置，将两条不同路径的目的节点地址都放到数据包的目的节点的地址位置，将编码数据包发送出去；第三种情况：当该数据包准备发送时，若以上两种情况都不满足，则直接向下一跳节点发送该数据包；步骤（4.6）,当接收数据包时，若该数据包的下一跳节点只包含当前节点且当前节点不为目标节点时，则更新数据包下一跳节点信息且放入缓冲队列等待发送；若到达当前节点的数据包包含不止一个下一跳节点，则首先判断数据包为步骤（4.5）中所述的第二种情况下产生的再次随机编码包，即如果中间节点发现数据包的下一跳节点地址列表除了自己在外还有其他节点，则认为该数据包是步骤（4.5）所述的编码数据包，按以下步骤进行解码：查找目的节点地址列表存在除去本节点要接收的数据包的目的节点D之外的另一个数据包的目的节点D'，随后在混杂数据存储区查找该目的节点D'对应的数据包数据部分β_n＝Q_nβ，利用数据包中的编码系数(p,pP_m,q,qQ_n)将两者的数据部分γ＝pα_m+qβ_n和β_n＝Q_nβ进行随机网络解码，解码过程如下：pα_m＝γ-q·β_n这样中间节点获得本节点所要传输的编码数据pα_m以及相应的编码系数pP_m，若目的地址为当前节点则接收信息，否则解出来的编码数据包及其编码系数打包放入缓存队列等待传送；步骤（4.7），重复步骤（4.4）-步骤（4.6）直至缓存队列数据包全部传送成功；步骤（4.8）,所述目的节点D收到多个编码数据包，从中任意取出K个编码系数线性无关的编码数据包,并获得编码数据和系数用所述的编码数据和系数按下式解码出原始数据包序列a＝(a₁，a₂，...,a_K)^T：(αD1,αD2,...,αDK)T=PD1PD2···PDKTa=PDa,]]>a＝P_D^-1α_D,