基于区域划分与虚拟目的节点的可靠机会路由方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于区域划分与虚拟目的节点的可靠机会路由方法及装置，该方法包括的步骤有：网络区域划分、虚拟目的节点位置确定、节点区域等级及层次编号判定、转发候选集确定、选择转发节点与信息转发。本算法在选择转发候选集时考虑到了方向性问题，在复杂网络结构下，比起盲目的全方位广播的传统机会路由算法，很大程度上提高了传输成功率；该算法减少了传输延迟，实时性强，解决了传统地理位置路由在复杂区域下容易选错方向的问题。
【专利说明】基于区域划分与虚拟目的节点的可靠机会路由方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线网络【技术领域】，具体涉及一种基于网络层次划分以及传输方向的无线传感器网络的路由方法，该方法适用于长城等大规模带状区域监测的无线传感器网络。
【背景技术】 [0002]数据收集是环境监测应用中的首要任务，感知节点需要将采集到的信息可靠地传输到目的节点，这对无线传感网的节点质量、网络生命周期、传输延迟、通信代价、传输成功率等方面提出要求。由于路由策略对这些性能有至关重要的影响，所以，有效的路由机制是一个关键性问题。
[0003]经历了 2000多年历史的长城，正面临消失的境地。保护长城，刻不容缓。长城属于线性文化遗产，线性文化遗产是新兴的一种全新的遗产保护理念，主要是指在拥有特殊文化资源集合的线形或带状区域内的物质和非物质的文化遗产族群，运河、长城以及铁路线等都是重要表现形式。将无线传感网用于长城健康监测的关键在于，如何在以长城为中心所形成的大规模带状无线传感网（如图3所示的网络结构)中，建立可靠的路由策略，以保障长城各项监测数据实时、可靠、高效的传回目的节点，从而为长城健康监测、生存模型建立提供有效的数据支持。现有技术中，为了保证路由机制的高效性以及可靠性，在无线传感器网络中已经有许多路由策略：
[0004]第一类：机会路由；该方法的缺点是没有考虑节点的地理位置。特殊的带状区域中，路由策略候选集的选择有区别于通常的区域。这是受带状区域垂直方向和拐弯处的宽度限制的。因此，传统的全方位广播的路由策略在这种特殊网络环境下并不适用，传输方向在选择带状区域的转发候选集(即节点的合适的下一跳节点组）的时候就应该被考虑。
[0005]第二类：基于地理位置的路由；这种路由方法存在的缺陷有：1)仅仅通过比较各个邻居节点与目的节点之间的欧氏距离来选择下一跳节点的策略，在一些较为复杂的区域中并不适用。例如在拐角较多的带状区域内，如图2所示，由于盲目的选择了距离目的节点更近的节点，从而导致这种方法并不能有效的减少跳步数，反而容易造成传播方向选择的错误，最终导致丢包。2)每个节点只选择一个最优的下一跳节点，极容易导致丢包。降低了可靠性。
[0006]第三类：基于地理位置的机会路由
[0007]这种路由结合了机会路由“多个接收节点”的特点以及基于地理位置路由的“距离最优”特点，对普通的机会路由进行了改进。该方法与机会路由相同，选取其一跳范围内的所有邻居节点作为信息接收节点，同时，采取基于地理位置的路由策略，在所有成功接收信息的节点中，选取距离目的节点最近的节点作为下一跳转发节点。由该节点继续信息的广播，如此重复直到目的节点。GeRaf路由算法是基于地理位置的机会路由的一个典型算法。
[0008]与传统机会路由与基于地理位置的路由算法相同，该方法存在的缺陷有：1)仅仅通过比较各个邻居节点与目的节点之间的欧氏距离来选择下一跳节点的策略，在一些较为复杂的区域中并不适用。例如在拐角较多的带状区域内，如图2所示，由于盲目的选择了距离目的节点更近的节点，从而导致这种方法并不能有效的减少跳步数，反而容易造成传播方向选择的错误，最终导致丢包。2)节点在选择转发节点时，需要其所有的邻居节点通过大量的数据包交换来协调选择出一个最优（即距离目的节点最近的）节点作为转发节点，增大了通信开销。3)特殊的带状区域中，路由策略候选集的选择有区别于通常的区域。这是受带状区域垂直方向和拐弯处的宽度限制的。因此，传统的全方位广播的路由策略在这种特殊网络环境下并不适用，传输方向在选择带状区域的转发候选集（即节点的合适的下一跳节点组）的时候就应该被考虑。
[0009]本发明提出了一种基于地理位置信息，同时考虑网络结构和方向性，并且由转发候选集来代替转发节点的机会路由策略。
【发明内容】
[0010]带状网络结构的路由与通常的环境显著不同，针对现有的路由方法不能适用于带状网络结构路由的现状，本发明提出一种基于网络层次划分的带方向的可靠机会路由，使无线传感器网络在复杂的网络结构下，能够达到较高的传输成功率。
[0011]为了实现上述任务，本发明采用的技术方案是：
[0012]一种基于区域划分与虚拟目的节点的可靠机会路由方法，该方法通过不断调整路由节点的传输方向实现当前发送节点到目的节点信息的传输，包括以下步骤：
[0013]步骤一，网 络区域划分：
[0014]步骤S10，在无线传感器网络中建立坐标系，使每个无线传感器节点具有唯一坐标值；
[0015]步骤S11，将无线传感器网络划分为编号为I至N (N>2)个区域，使每个区域的结构为直线型带状网络，且相邻 的两个带状网络的端部有重叠部分；
[0016]步骤S12，对各区域进行等级划分：目的节点所在的区域等级值为1，与目的节点所在区域相邻的区域等级值为2，以此类推，与目的节点所在区域越远的区域等级值越高；
[0017]步骤二，虚拟目的节点位置确定：
[0018]步骤S20，对于任意相邻的两个区域，在其重叠部分的中心位置设置一个虚拟节点，作为这两个相邻区域中等级值较高的区域的虚拟目的节点，其坐标记为（X111, ym)，其中m为这相邻的两个区域中较大的等级值；
[0019]步骤三，节点区域等级及层次编号判定：
[0020]步骤S30，按照下面的公式计算每一个节点w所在区域的等级值Pw ：
【权利要求】
1.一种基于区域划分与虚拟目的节点的可靠机会路由方法，其特征在于，该方法通过不断调整路由节点的传输方向实现当前发送节点到目的节点信息的传输，包括以下步骤：步骤一，网络区域划分： 步骤S10，在无线传感器网络中建立坐标系，使每个无线传感器节点具有唯一坐标值；步骤S11，将无线传感器网络划分为编号为I至N (N>2)个区域，使每个区域的结构为直线型带状网络，且相邻的两个带状网络的端部有重叠部分； 步骤S12，对各区域进行等级划分：目的节点所在的区域等级值为1，与目的节点所在区域相邻的区域等级值为2，以此类推，与目的节点所在区域越远的区域等级值越高；步骤二，虚拟目的节点位置确定： 步骤S20，对于任意相邻的两个区域，在其重叠部分的中心位置设置一个虚拟节点，作为这两个相邻区域中等级值较高的区域的虚拟目的节点，其坐标记为（Xni, ym)，其中m为这相邻的两个区域中较大的等级值； 步骤三，节点区域等级及层次编号判定： 步骤S30,按照下面的公式计算每一个节点w所在区域的等级值Pw ：
2.如权利要求1所述的基于区域划分与虚拟目的节点的可靠机会路由方法，其特征在于，所述的无线传感器网络中，无线网络传感器节点密度大于0. 013个/m2。
3.一种用于实现权利要求1所述的基于区域划分与虚拟目的节点的可靠机会路由方法的装置，其特征在于，该装置包括网络区域划分模块、虚拟目的节点位置确定模块、节点区域等级及层次编号判定模块、转发候选集确定模块和选择转发节点与信息转发模块，其中网络区域划分模块、虚拟目的节点位置确定模块、节点区域等级及层次编号判定模块、转发候选集确定模块和选择转发节点与信息转发模块依次连接。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的网络区域划分模块按照下述步骤实现其功能： 步骤S10，在无线传感器网络中建立坐标系，使每个无线传感器节点具有唯一坐标值； 步骤S11，将无线传感器网络划分为编号为I至N (N>2)个区域，使每个区域的结构为直线型带状网络，且相邻的两个带状网络的端部有重叠部分； 步骤S12，对各区域进行等级划分：目的节点所在的区域等级值为1，与目的节点所在区域相邻的区域等级值为2，以此类推，与目的节点所在区域越远的区域等级值越高。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的虚拟目的节点位置确定模块按照下述步骤实现其功能： 步骤S20，对于任意相邻的两个区域，在其重叠部分的中心位置设置一个虚拟节点，作为这两个相邻区域中等级值较高的区域的虚拟目的节点，其坐标记为（Xni, ym)，其中m为这相邻的两个区域中较大的等级值。
6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的节点区域等级及层次编号判定模块按照下述步骤实现其功能： 步骤三，节点区域等级及层次编号判定： 步骤S30,按照下面的公式计算每一个节点w所在区域的等级值Pw ：夂丨，
' Ο?ν Κ=αι
<^ Vvr ^ ve2, Pw = α2
Xsb 乞 dn，
Js? ^ Vw < Ve/ Pu· = αη 上式中，xS1 ,xS1,…xSn分别代表区域I到区域N的横坐标的边界值，凡,，JV··Λ?分别代表区域编号为I到区域编号为N的纵坐标的边界值；&1，a2, . . . an分别表示区域I到区域N的等级值；xw, yw分别表示节点w的横坐标和纵坐标值； 步骤S31，对每一个区域中的节点进行分层，按照下面公式计算每一个节点w的层编号qw，并将节点层编号相同的节点划分为同一层；
抓+^-ySp'fqw=-T式中，'，·^为节点W所在区域的虚拟目的节点的坐标值，r为无线传感器节点的通信半径；xw，yw为节点w的坐标值； 步骤S32，对步骤S32划分的每一个层次再次进行划分，每一个层次均划分为high和low两个扩展层,对于每一个节点w,其所在扩展层编号q_exw按照以下公式计算：
+(Hp)2q ex =-
r/2上式中，Xsp，·^P为节点W所在区域的虚拟目的节点的坐标值，xw，yw为节点W的坐标值；r为无线传感器节点的通信半径；步骤S33,判断每一个节点w属于扩展层high和low的哪一个部分中,判断方法如下：'IixU } +(y,-凡")2 mod①
<χ--χ^,-χ, } +(y, - -V,J2 mod②上式中，·\，·>%为节点W所在区域的虚拟目的节点的坐标值，r为无线传感器节点的通信半径；xw，yw为节点w的坐标值,mod为求余符号；如果上式中①成立，则该节点w位于扩展层high中，②成立则节点w位于扩展层low中 。
7.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的转发候选集确定模块按照下述步骤实现其功能： 步骤S40，确定当前发送节点p的转发候选集，判断方法为：若当前发送节点p的所有邻居节点中，某邻居节点i满足下式条件，则将该节点i加入当前发送节点P的转发候选集中：^{xp-xj +{yp-y,y <r 上式中，xp, yp为当前发送节点p的坐标值，Xi, Ji为邻居节点i的坐标值，r为无线传感器节点的通信半径； 步骤S41，在当前发送节点p的转发候选集的所有节点中，若一个节点j不满足下式中任意一个条件，则将该节点j从转发候选集中删除：f PJkPpX^JkcIp 上式中，Py Qj分别为节点j的所在区域的等级值和节点j的层编号；Pp，Qp分别为当前发送节点P所在区域的等级值和P的层编号； 步骤S42，判断当前发送节点p的转发候选集是否为空，如果是空的则执行步骤S43，否则执行步骤五； 步骤S43，判断当前发送节点p是否位于扩展层high中，如果在扩展层high中，则执行步骤S44，否则数据包传输失败； 步骤S44，在当前发送节点p的转发候选集的所有节点中，若一个节点k不满足下式条件中任意一个条件，则将该节点k从转发候选集中删除：
f Pk<P,,
\ q—exk<q—I' 上式中，Pk, q_exk分别为节点k所在区域的等级值和节点k所在扩展层编号；pp, q_exp分别为当前发送节点P所在区域的等级值和P所在扩展层编号； 步骤S45，判断当前发送节点p的转发候选集是否为空，如果是空的则数据包传输失败，否则执行步骤五。
8.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的选择转发节点与信息转发模块按照下述步骤实现其功能： 步骤S50,当前发送节点p根据转发候选集中候选节点的坐标值，求出每个候选节点与当前区域虚拟目的节点之间的距离，按照距离由小到大的进行排序并编号； 步骤S51，选择转发候选集中编号为I的候选节点作为转发节点，当前发送节点p将数据包发送给该转发节点，如果数据包发送不成功，则选择编号为2的候选节点作为转发节点发送数据包，依次类推直至数据包成功发送给转发节点； 步骤S52，计算转发节点与目的节点间的距离d，若d小于无线传感器节点的通信半径r，则将数据包发送给目的节点，否则将转发节点作为新的当前发送节点，返回步骤四继续执行，直至数据包传送到目的节点。
【文档编号】H04W40/20GK103491594SQ201310471219
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年10月9日 优先权日:2013年10月9日
【发明者】刘晨, 金梦, 陈晓江, 房鼎益, 崔文, 陈昊, 黄骏杰, 段任, 尹小燕, 王薇, 张远 申请人:西北大学