一种基于加权距离及紧凑路由的数据传输方法与流程

1.本发明涉及一种基于加权距离及紧凑路由的数据传输方法，属于无线网络路由及数据传输技术领域。


背景技术：

2.随着技术进步，无线传感器网络的应用越来越广泛，比如用于应急、预警以及环境监测等。由于许多类型传感器成本很低，布设容易，并且功耗很低，使得传感器节点在工业领域得到广泛使用。传感器节点大多采用飞机抛洒的方式进行放置，在条件恶劣或野外场地可以极大提高传输效率。
3.由于传感器网络节点通常采用电池供应能量，而在实际应用中，节点电源在一段时间内不可更新，从而使得网络的生存时间与能量消耗密切相关。此外，在紧急的应用场景如森林火场中，网络的传输效率起决定性作用，此时需要综合考虑传输距离、带宽、信道质量对网络性能的影响。基于此，国内外专家学者针对加权路由和跨层路由设计开展了广泛的研究，期望通过恰当地设置路由策略搜索准则降低网络能耗,通过跨层设计提高网络传输速度。
4.在现有的加权路由的研究中，多数仅考虑了能量和最短路径，且涉及大量求和乘除计算，导致运算量大，算法复杂度高。在基于信道特性的路由研究中，仅仅考虑了链路的信噪比，而忽略了能量、带宽等的影响。在相关的跨层路由设计中，考虑了节点切换、拥塞及最小跳数，并未考虑物理信道质量，即状态信息质量(channel state information,csi)。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有基于加权路由存在加权信息计算复杂、不灵活进而导致时延大，以及跨层数据传输因物理层与链路层频繁切换导致传输效率低的技术现状，提出了一种基于加权距离及紧凑路由的数据传输方法。
6.本发明的核心思想是：初始化节点各参数后，依据距离、带宽、信道质量及能量的线性叠加计算加权距离，发送查询信号并建立路由；采集信息并进行编码封装后受控制模块控制，经数据传输模块进行传输；判决节点是否有邻居节点、是否有足够多能量以及邻居是否还有其他邻居节点来决定数据传输还是该邻居节点从路由表中删除；当节点间距离变动即节点移动、信道、带宽及能量变动时，路由表会相应修改。
7.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.所述基于加权距离及紧凑路由的数据传输方法依托的数据传输系统包括若干节点，每个节点包括节点初始化模块、控制模块、路由表建立模块、信息采集与封装模块、路由选择模块、判决模块、数据传输模块、数据包丢弃模块以及路由表更新模块；
9.节点的数量为大于等于5个；
10.控制模块包括核心控制单元、驱动单元以及电源单元；信息采集与封装模块包括信息采集单元以及信息编码单元；信息采集单元包括定位单元以及传感器组；传感器组包
括单不限于温度传感器、光敏传感器、烟雾传感器、声音传感器、可燃气体传感器以及co浓度传感器；数据传输模块包括数据传输单元和无线通信单元；
11.其中，节点初始化模块包括节点id初始化单元、带宽初始化单元、最大传输距离初始化单元以及能量初始化单元；路由选择模块包括加权距离计算单元以及邻居选择单元；路由表建立模块包括邻居节点信息收集单元以及当前节点路由表建立单元；信息采集与封装模块包括信息采集单元以及信息编码单元；路由表更新模块包括路由信息添加单元、路由删除单元以及路由修改单元；判决模块包括一跳邻居判决单元、邻居能量判决单元、二跳邻居判决单元、邻居目的判决单元以及节点移动判决单元；
12.所述数据传输系统中各模块以及各单元的连接关系如下：
13.节点初始化模块与路由选择模块相连；路由选择模块分别与路由表建立模块、路由表更新模块以及判决模块相连；信息采集与封装模块与路由表更新模块以及数据传输模块相连；判决模块分别与路由表更新模块、路由选择模块、数据传输模块以及数据包丢弃模块相连，信息采集与封装模块、数据传输模块分别与控制模块相连；控制模块的核心控制单元分别连接驱动单元、电源单元、信息采集与封装模块的信息编码单元以及数据传输模块的无线通信单元；
14.具体到单元与各模块的连接关系如下：
15.信息采集与封装模块中的信息采集单元与信息编码单元相连，信息编码单元与路由信息添加单元相连；节点初始化模块与加权距离计算单元相连；加权距离计算单元分别与路由表建立模块、路由修改单元相连；路由表建立模块与邻居选择单元相连；
16.邻居选择单元与一跳邻居判决单元以及邻居能量判决单元相连；一跳邻居判决单元与数据包丢弃模块相连；邻居能量判决单元与二跳邻居判决单元以及路由删除单元相连；二跳邻居判决单元与数据传输模块中的数据传输单元以及邻居目的判决单元相连；节点移动判决单元与加权距离计算单元相连；
17.所述数据传输系统中各模块及各单元的功能如下：
18.定位单元实现对节点的精准定位；传感器组中温度、光敏、烟雾等传感器用于环境探测；数据传输模块通过无线通信单元向其他节点传输数据；信息编码单元对探测到的环境信息以及位置信息进行编码；驱动单元用于节点的移动；电源单元为整个系统供电；控制单元实现对其他单元及模块的调控，信息采集与封装模块、数据传输模块受到控制模块的控制；路由选择模块的功能是基于路由查询选择邻居节点；加权距离计算单元基于距离、带宽、信道质量以及能量四者加权计算加权距离；路由建立单元建立新的路由表；邻居选择单元从路由表中选择加权距离最小的邻居；邻居能量判定单元用于判定邻居节点是否有足够能量传输数据包；一跳邻居判决单元用于查询路由表是否有邻居节点；二跳邻居判决单元用于判断该邻居是否还有其他邻居节点；邻居目的判决单元用于判决邻居节点是否是目的节点；节点移动判决单元用于判定节点是否发生了移动；数据传输模块用于当前数据块的传输；数据包丢弃模块用于当前数据块的丢弃；路由信息添加单元用于将封装的信息添加到路由信息表中；路由删除单元用于删除路由信息；路由修改单元用于修改路由表中的能量及距离信息。
19.所述基于加权距离及紧凑路由的数据传输方法，包括路由建立及数据传输两部分；
20.其中，路由建立，包括如下步骤：
21.步骤1、节点初始化模块初始化节点id、带宽、最大传输距离、能量、信号发送次数、最大发送次数，具体为：
22.初始化信号发送次数为0，设定最大发送次数大于等于5；
23.步骤2、加权距离计算单元基于距离、带宽、信道质量以及能量四者加权计算混合加权距离，并将计算的混合加权距离给路由表建立模块；
24.其中，加权距离的计算依据距离、带宽、信道质量以及能量乘以系数加权，具体为：a1*d a2*(1
‑
现有能量) a3*(1
‑
csi信道质量) a4*(1
‑
带宽)；
25.其中，a1 a2 a3 a4＝1，现有能量为当前节点功率相对于标称功率的百分比，csi信道质量为当前节点信道质量相对于理想信道质量的百分比，带宽为当前节点的带宽相对于理想带宽的百分比；
26.步骤3、节点判断信号发送次数是否已达上限，若是，路由表建立完成，若否，邻居节点信息收集单元向周围发送带宽、id及能量查询信号，信号发送次数加1；
27.步骤4、在发送查询信号后，若没有收到反馈信号，则跳至步骤3，否则若收到反馈信号，则依据收到该信号的邻居节点向当前节点反馈的包含有节点id、地址、带宽以及能量的信息进行相应操作，具体为：若当前节点收到了反馈信息，则路由信息添加单元将封装的信息添加到路由信息表中，即在当前节点路由表建立单元在路由表中记录邻居节点的id、地址、带宽以及能量，再跳至步骤3；
28.其中，邻居节点是指当前节点在传输距离及电量允许范围内的节点；
29.路由表建立模块将建立的路由表给邻居选择单元，邻居选择单元选择路由表中加权距离从小到大排序的邻居节点；
30.其中，数据传输，包括如下步骤：
31.步骤a、信息采集与封装模块采集信息并将信息进行编码封装；
32.其中，采集信息由信息采集单元完成，对采集来的信息进行编码由信息编码单元完成；
33.其中，编码方式包括但不限于奇偶校验、crc校验以及信道编码；
34.步骤b、一跳邻居判决单元判决节点是否有邻居节点，若否，丢弃数据包；若是，跳至步骤c；
35.丢弃数据包由数据包丢弃模块完成；
36.其中，一跳邻居判决单元用于查询路由表是否有邻居节点；
37.步骤c、邻居能量判决单元判决邻居节点是否有足够的能量传递数据包，若否，则经路由删除单元将该路由删除，若是则跳入步骤d；
38.其中，路由删除单元用于删除路由信息；
39.步骤d、二跳邻居判决单元，判断该邻居是否还有其他邻居节点，若是，则经数据传输模块中的数据传输单元或无线传输单元传输数据，若否，则跳至步骤e；
40.其中，二跳邻居判决单元用于判断该邻居是否还有其他邻居节点；数据传输单元位于数据传输模块中，该模块用于当前数据块的传输；
41.步骤e、邻居目的判决单元判断该邻居节点是否是目的节点，如是，则将数据包传输给目的节点；若否，则将该邻居节点从路由表中删除；
42.其中，邻居目的判决单元用于判决邻居节点是否是目的节点；
43.此外，节点移动判决单元判定节点是否发生了移动，若发生了移动则路由修改单元用于修改路由表中的能量以及距离信息。
44.有益效果
45.本发明提出了一种基于加权距离及紧凑路由的数据传输方法，与现有加权路由及跨层数据传输方法相比，具有如下有益效果：
46.1.所述方法中的加权距离克服了现有方法中包含求和及除法的技术缺陷，现有加权距离的计算量非常大，增加了计算负担，进而导致网络延迟加大；而在本方法中，加权距离为混合动态加权，克服了现有方法中仅仅考虑能量和最短路径的局限，加权距离中的能量加权并不涉及除法，直接依据归一化能量百分的加权，大大降低了运算量；
47.2.所述方法紧凑路由建立与数据传输，将物理层和链路层融合，即：将物理层测得的数据进行校验，随路由表中，省去物理层的信息传输，仅仅通过路由传输数据，大大提升了传输效率和数据包的投递率；同时有利于避免信息泄露，有效避免网络信息被侦听，提高了信息传输的安全性。
附图说明
48.图1是本发明一种基于加权距离及紧凑路由的数据传输方法中路由建立的流程图；
49.图2是本发明一种基于加权距离及紧凑路由的数据传输方法中数据传输的流程图；
50.图3是本发明一种基于加权距离及紧凑路由的数据传输方法所依托系统的路由建立、修改、数据采集及数据传输示意图；
51.图4是本发明一种基于加权距离及紧凑路由的数据传输方法具体实施时加权距离计算仅采用最短距离(4a)与考虑距离及能量(4b)的实施效果对比图；
52.图5是本发明一种基于加权距离及紧凑路由的数据传输方法具体实施时加权距离计算仅采用最短距离(5a)与考虑距离及信道质量(5b)的实施效果展示；
53.图6是本发明一种基于加权距离及紧凑路由的数据传输方法具体实施时加权距离计算仅采用最短距离(6a)与考虑距离及带宽(6b)的实施效果展示；
54.图7是本发明一种基于加权距离及紧凑路由的数据传输方法具体实施时加权距离综合考虑传输距离、能量、信道质量的连续4次仿真结果的示意图。
具体实施方式
55.下面结合具体实施例和附图，对本发明一种基于加权距离及紧凑路由的数据传输方法进行详细阐述。
56.实施例1
57.本实施例阐述了本发明所述一种基于加权距离及紧凑路由的数据传输方法中路由建立及数据传输的流程以及依托数据传输系统在三个操作模式下的具体实施。
58.其中，路由表建立的过程如图1所示：初始化节点id、带宽、最大传输距离、能量、信号发送次数、最大发送次数；计算到目的节点的实际距离；混合加权距离，并将计算的混合
加权距离给路由表建立模块；判断信号发送次数是否已达上限，若是，路由表建立完成，若否，邻居节点信息收集单元向周围发送带宽、id及能量查询信号，信号发送次数加1；在发送查询信号后，若没有收到反馈信号，则判断信号发送次数是否达上限，否则若收到反馈信号，则依据收到该信号的邻居节点向当前节点反馈的包含有节点id、地址、带宽以及能量的信息进行相应操作，具体为：若当前节点收到了反馈信息，则路由信息添加单元将封装的信息添加到路由信息表中，即由当前节点路由表建立单元在路由表中记录邻居节点的id、地址、带宽以及能量，再判断信号发送次数是否达上限；其中，邻居节点是指当前节点在传输距离及电量允许范围内的节点；路由表建立模块将建立的路由表给邻居选择单元，邻居选择单元选择路由表中加权距离从小到大排序的邻居节点。
59.数据传输的过程如图2所示：采集信息并将信息进行编码封装；编码方式包括但不限于奇偶校验、crc校验以及信道编码。具体实施时，应用本方法将采集到的传感器信息为32位；其中，8比特温度；8比特湿度；8比特光强；8比特烟雾浓度；将此四种采集到的信息进行校验，也可以进行信道编码后阐述；冗余校验方式，可以是奇偶校验、crc校验、交织以及信道编码中的一种或者集中组合。此种采用紧凑路由的信息传输，仅仅通过路由传输数据。省去了物理层传输环节，大大提升了传输效率。
60.其后，一跳邻居判决单元判决节点是否有邻居节点，若否，丢弃数据包；若是，则邻居选择单元选择加权距离最小的邻居节点，然后一跳邻居判决单元查询邻居节点是否有足够的能量传递数据包，若否，则经路由删除单元将该路由删除，若是则跳入二跳邻居判决单元进行对应操作；其中，路由删除单元用于删除路由信息；
61.二跳邻居判决单元的操作过程为：判断该邻居是否还有其他邻居节点，若是，则经数据传输模块中的数据传输单元或无线传输单元传输数据，若否，则跳至邻居目的判决单元的操作，判决邻居节点是否是目的节点；
62.其中，二跳邻居判决单元用于判断该邻居是否还有其他邻居节点；数据传输单元位于数据传输模块中，该模块用于当前数据块的传输；
63.其中，邻居目的判决单元操作位：判断该邻居节点是否是目的节点，如是，则将数据包传输给目的节点；若否，则将该邻居节点从路由表中删除；
64.此外，节点移动判决单元判定节点是否发生了移动，若发生了移动则路由修改单元用于修改路由表中如能量以及距离信息。
65.图3是本发明一种基于加权距离及紧凑路由的数据传输方法依托的数据传输系统组成与连接示意图；
66.所述基于加权距离及紧凑路由的数据传输方法依托的数据传输系统包括若干节点，每个节点包括节点初始化模块、控制模块、路由表建立模块、信息采集与封装模块、路由选择模块、判决模块、数据传输模块、数据包丢弃模块以及路由表更新模块；
67.所述数据传输系统，包括若干节点，每个节点包括节点初始化模块、控制模块、路由表建立模块、信息采集与封装模块、路由选择模块、判决模块、数据传输模块、数据包丢弃模块以及路由表更新模块；
68.节点的数量为大于等于5个，在大规模的复杂网络如森林火场中，面积范围可高达上千公顷，需要成千上万个网络节点。具体实施时，依据环境规模大小灵活布设；节点的最大容量可高达20万个。考虑到室内环境监测，节点数量可以少至5个。
69.采集设备的布设空间密度范围为：森林空间100*100米的空间，考虑布设采集设备5到20个。
70.控制模块包括核心控制单元、驱动单元以及电源单元；信息采集与封装模块包括信息采集单元、信息编码单元以及内部存储器；信息采集单元包括定位单元以及传感器组；传感器组包括单不限于温度传感器、光敏传感器、烟雾传感器、声音传感器、可燃气体传感器以及co浓度传感器；数据传输模块包括数据传输单元和无线通信单元；
71.其中，内部存储器用于在各模式下存储传感器组采集的环境及定位信息；
72.其中，节点初始化模块包括节点id初始化单元、带宽初始化单元、最大传输距离初始化单元以及能量初始化单元；路由选择模块包括加权距离计算单元以及邻居选择单元；路由表建立模块包括邻居节点信息收集单元以及当前节点路由表建立单元；信息采集与封装模块包括信息采集单元以及信息编码单元；路由表更新模块包括路由信息添加单元、路由删除单元以及路由修改单元；判决模块包括一跳邻居判决单元、邻居能量判决单元、二跳邻居判决单元、邻居目的判决单元以及节点移动判决单元；
73.所述数据传输系统中各模块以及各单元的连接关系如下：
74.节点初始化模块与路由选择模块相连；路由选择模块分别与路由表建立模块、路由表更新模块以及判决模块相连；信息采集与封装模块与路由表更新模块以及数据传输模块相连；判决模块分别与路由表更新模块、路由选择模块、数据传输模块以及数据包丢弃模块相连，信息采集与封装模块、数据传输模块分别与控制模块相连；控制模块的核心控制单元分别连接驱动单元、电源单元、信息采集与封装模块的信息编码单元以及数据传输模块的无线通信单元；
75.具体到单元与各模块的连接关系如下：
76.信息采集与封装模块中的信息采集单元与信息编码单元相连，信息编码单元与路由信息添加单元相连；节点初始化模块与加权距离计算单元相连；加权距离计算单元分别与路由表建立模块、路由修改单元相连；路由表建立模块与邻居选择单元相连；邻居选择单元与一跳邻居判决单元以及邻居能量判决单元相连；一跳邻居判决单元与数据包丢弃模块相连；邻居能量判决单元与二跳邻居判决单元以及路由删除单元相连；二跳邻居判决单元与数据传输模块中的数据传输单元以及邻居目的判决单元相连；节点移动判决单元与加权距离计算单元相连。
77.具体实施时，3a和3b分别是所依托传输系统的模块连接图，3b侧重于信息采集、封装与传输；3a侧重于路由产生、修改与删除；具体实施时，3a和3b两图可以合二为一；控制模块进一步能接收外部上位机界面传输来的控制指令，不仅实现对信息采集、封装即编码方式的选择与控制，还能依据指令实现与3a中各模块通信，实现路由显示、规划及展示功能。
78.实施例2
79.所述数据传输方法有如下三种操作模式：
80.1)火灾模式：用于针对森林火灾发生时期，核心控制单元将依托的数据传输系统中各模块的工作周期调整为小于等于10分钟采集传感器组及定位信息并上报。具体实施时：在火场紧急时刻，在节点完成初始化后，节点移动判定模块每分钟进行一次判定，判定成功后向核心控制单元发送信号，进而控制定位单元将位置信息传递给信息编码单元，信息采集单元将每分钟采集到的信息联合节点的位置信息交给信息编码单元进行编码和封
装，编码后将数据包添加到路由表中，通过数据传输模块中的无线通信单元将采集的信息传输给远程操控终端用于监控与显示。
81.2)环境感知模式：核心控制单元在该模式下将数据传输周期调整为半小时感知一次传感器组传输来的环境与及定位信息；节点移动判定模块判定周期调整为以小时为单位，当一个周期过后或者当节点采集到的环境信息出现异常如温度信息大于某个阈值时，核心控制单元向信息采集与封装模块发出数据传输指令，将传感器组采集的信息编码和封装，将数据包添加到路由表中，进而传给终端。
82.3)静态模式：核心控制单元在该模式下调整电源单元为低耗模式，数据传输模块和驱动模块处于休眠状态。只有在核心控制单元接收到信息采集的指令时命令驱动单元开始运作，定位单元进行精准定位，信息采集与封装模块进行信息的编码、封装和传输。在未接到指令时，各模块处于休眠状态，信息采集与封装模块将采集到的信息储存在模块内部，直到接收到指令再进行数据传输。
83.为了贴近实际信息传输情况，在仿真中我们加入了尽可能多的节点，并设置了一个源节点和两个目的节点，进行了4种加权距离的数据传输仿真，其中，目的节点用六角星形状展示。
84.(1)仿真实例及结果如图4所示。图4中，传输距离的权重a1设为1，不考虑能量、信道质量和带宽的作用时，仿真结果如4a图所示，图右下方的源节点将根据最短距离原则选择传输路径。而同时考虑距离和能量后，仿真结果如4b图所示，相比4a图传输距离增加，原因是远处节点的现有能量更高，在权值部分更占优势。
85.在加入能量的考量后，虽然传输距离可能增加，但该方法可靠性明显增强。若只遵循最短距离原则，一旦路径上某个节点能量过低或者能量为零时，则该节点失效，最终导致传输失败，这将大大影响传输效率，尤其是在大规模的网络如森林中，传输效率的降低将对网络性能造成明显的打击。
86.(2)当传输距离的权重a1设为1，不考虑能量、信道质量和带宽的作用时，仿真结果如图5的5a图所示，图上方的源节点将根据最短距离原则选择传输路径。而同时考虑距离和信道质量后，仿真结果如5b图所示，传输距离增加，因为远处节点的信道质量更高，在权值部分更占优势。尽管图5b传输距离增加了，但增加信道质量的权重能够保证数据包的传输成功率，经多次仿真，得出5a图单路径传输成功率为15％，5b图的单路径传输成功率为30％。
87.(3)当传输距离的权重a1设为1，不考虑其他参数的影响时，仿真结果如6a所示，图上方的源节点将根据最短距离原则选择传输路径。而同时考虑距离和带宽后，仿真结果如6b所示，传输距离和跳数没有明显变化。但6b传输路径的总带宽增加，计算权值更占优势。虽然两图传输距离没有明显差异，但6b图带宽更大使得传输速度更快。
88.(4)若仿真时综合考虑传输距离、能量、信道质量的影响时，经过多次传输，节点的能量值降低，其所占权重也降低，将导致路由切换，从而提高链路传输效率。图7a、7b、7c以及图7d显示了连续四次传输的结果，可见能量的变化导致了传输路径的变化，甚至数据被传给了不同的目的节点。
89.总之，本发明提出的数据传输方法与传统方法相比，该克服了传统方法中节点能量低、网络生存时间短、传输效率下降甚至链路传输失败的情况。保证了数据传输的高效性
和可靠性，同时增加了传感器网络的生存时间。
90.以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。