专利名称：传感器网络自组织方法及基于该方法的移动终端系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器网络技术，具体涉及一种传感器网络自组织方法及多功能移动 终端系统。
背景技术：
随着信息技术的不断发展，人们对传感器网络的研究持续升温，传感器网络实质 就是一种Ad hoc网络。目前绝大多数移动通信系统是集中控制的(有中心的)，网络的运 行要依赖于预先部署的网络基础设施，例如蜂窝移动通信系统，无线局域网。然而对于某 些特殊场合，如战场上部队的协同通信，地震或突发事故的灾后营救，车辆间通信网络，野 外科学考察、临时会议等，这些场合的通信不能依赖于任何预先架设的网络设施，这就需要 一种能够临时快速自动组网的移动通信技术，这就形成了另一类移动通信技术，即Ad Hoc 网络通信技术。Ad hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动节点组成的一个自治系统， 不依赖于预设的基础。设施而临时组建。网络中的各个节点能够以任意可能的速度和移动 模式移动，加上无线收发设备类型多种多样、发送功率的变化、无线信道间的相互干扰、地 形和天气等综合因素的影响，节点间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而 且变化的方式和速度都难以预测。因此，在Ad hoc网络中选择一条稳定的路径进行路由， 避免频繁的重路由操作，降低网络拓扑动态变化对路由协议性能的影响，成为Ad hoc网络 路由协议研究的热点，尤其是网络应用需要稳定的连接来保证一定的通信质量的时候。虽然目前对于传感器网络的研究已经有了一定的基础，但是现有的研究成果大多 数是集中在路由协议和MAC协议方面的研究，市面上还没有真正意义上的基于传感器网络 的多功能移动终端系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有传感器网络技术中路由协议的不足，提供传感器网络 自组织方法及基于该方法的移动终端系统。本发明通过以节点的移动性以及节点间的链 路预测生存时间作为度量是否参与到路由发现，以排除掉那些移动速度快，链路不稳定的 节点，这样既大大减少了选择不稳定路径的可能性，又明显的减少了网络控制消息开销；源 节点和目的节点之间的路由选择不仅仅是根据路由跳数，更重要的是根据路径预测生存时 间，这样保证了路径断开的可能性大大减少，也大大减少了重新寻找路由的次数，降低了丢 包率。本发明通过如下技术方案实现一种传感器网络自组织方法，该方法通过采用基于链路预测生存时间的按需多跳 路由协议，各个节点能够组成一个传感器网络，节点与在该节点通信范围内的节点能够进 行直接通信，而与不在该节点通信范围内的节点能够通过其它节点的中转实现多跳方式的
通{曰。上述的基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议包括邻居表和自适应hello信标节点周期广播包含节点位置和速度矢量信息的hello信标，接收到该hello信标的节点会根据该hello信标上的节点位置和速度矢量以及 自己的位置和速度矢量计算本节点与发送该hello信标节点的链路预测生存时间并更新 自己的邻居表；所述链路预测生存时间是两个节点之间通信链路存在的持续时间TL = (YVy-XVH)士机2+Vv2)( -(XVv +VhY)2
~Vh2^Vv2其中X = xu-xd, Vh = vu cos θ u-vd cos θ d, Y = yu-yd, Vv = vu sin θ u-vd sin θ d, TL为链路预测生存时间，(xu，yu)，(xd, yd)分别为两个节点当前的位置，(vu，θ u)，(vd, θ d) 分别为两个节点的速度矢量，Rmax为节点间的最大有效通信距离；所述邻居表包括邻居节点 地址和链路预测生存时间，当链路预测生存时间到达时，该邻居表项将被删除；hello信标 的发送时隙是根据邻居节点数目自适应的，与邻居节点数目成正比；在有用户数据发送的 时候，hello信标会加到用户数据包中发送，不再单独发送；路由发现源节点通过广播方式发送路由请求报文RREQ来发现目的节点和到目 的节点的路由；路由请求报文RREQ中包含源节点地址、源节点序列号、广播ID、目的地址、 目的序列号、跳数、节点位置及速度矢量和路径预测生存时间；所述源节点序列号由源节点 维护，用于表示到源节点的反向路由的新旧，序列号越大表示越新；所述目的序列号由目的 节点产生，表示到目的节点的前向路由的新旧，序列号越大表示越新，路由请求报文RREQ 中的目的序列号等于源节点过去收到的关于目的节点的最大序列号；所述路径预测生存时 间是路由请求报文RREQ从源节点到目的节点所经过的路径上全部相邻节点之间的链路预 测生存时间的最小值；路由维护在链路预测生存时间即将到达之前或链路即将断开之前，在即将断开 点发起路由修复，重新获得新的路由，以代替旧的路由。上述的基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议中，所述路由发现包括如下步 骤(1)路由发现过程需要发送用户数据的源节点首先检查自己的路由表是否具有 到目的节点的路由，没有则启动路由发现过程，广播路由请求报文RREQ ；接收到路由请求 报文RREQ的节点根据自己的移动性指标M决定是否参与该路由发现过程；所述移动性指标 M表明节点的移动性高低，计算公式为M =χ 100%
厂max其中V为节点的当前速度，Vmax为节点可能的最大速度；如果节点的移动性指标M 等于或超过设置的阈值Mthread，则节点不参与路由发现并丢弃该路由请求报文RREQ ；否则计 算本节点与转发该路由请求报文RREQ节点间的链路预测生存时间，更新邻居表和路由请 求报文RREQ，在路由表中建立或更新反向路由表项；所述路由表包括目的节点、下一跳节 点、路径预测生存时间、跳数和序列号；所述反向路由表项就是指向源节点的路由表项，记 录了路由请求报文RREQ经过路由的反向路由；如果当前节点存在到目的节点的路由表项 或是目的节点，则向源节点发送路由响应报文RREP，否则转发更新后的路由请求报文RREQ 到链路预测生存时间超过阈值TLthread的邻居节点；如果当前节点为目的节点，则等待设定 的时间Tout，从时间Tout内获得的到达源节点的路由集合中选择具有最大路径生存时间 的、并且具有最小跳数的可行路径作为最优路径，如果该路径不是第1次应答的路径，则重新向源节点发送一个路由响应报文RREP ；否则什么也不做；(2)路由响应过程节点沿着路由请求报文RREQ的反向路由发送路由响应报文 RREP,路由响应报文RREP包括跳数、目的序列号、目的地址、源节点地址、节点位置及速度 矢量和路径预测生存时间；收到路由响应报文RREP的节点更新邻居表和路由响应报文 RREP中的路径预测生存时间，根据目的序列号、跳数和路径预测生存时间建立或更新相应 的前向路由表项，直到路由响应报文RREP到达源节点，建立起源节点到达目的节点的前向 路由，就能使用该路由进行数据传输；所述前向路由表项就是指向目的节点的路由表项。上述的基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议中，所述路由维护具体步骤包 括传输路径上的节点根据数据包头部携带的节点位置和速度矢量信息更新自己和传输路 径上的邻居节点的链路预测生存时间，检测到链路预测生存时间低于某一危险时间TLdan 时，预先启动路由修复过程，在路由真正失效之前获得新的路由，完成新旧路由的切换；或 者传输路径上的节点利用链路层反馈的链路质量检测到链路即将断开时，启动到目的节点 的路由修复过程。上述的路由维护中，所述路由修复过程是启动所述路由发现，发现修复点到目标 节点的新路由，替换旧的路由；如果路由修复过程失败则修复点发送路由错误报文RRER， 沿着反向路径直到源节点，路径上的节点收到路由错误报文RRER就清除出错路由；源节 点收到路由错误报文RRER后如仍需发送数据到目的节点则重新发起到目的节点的路由发 现。本发明的一种基于传感器网络自组织方法的移动终端系统包括三个以上的终端， 各终端利用所述传感器网络自组织方法组成一个传感器网络，并利用所述基于链路预测生 存时间的按需多跳路由协议进行数据传输；所述终端能够通过位置获取获取其它终端的 位置、速度、运动方向信息，并能够所述传感器网络自组织方法进行多跳的语音视频双向传 输。终端发生异常现象时，终端能够把异常信息通知其余终端，所述异常现象包括终端故 障。上述的多功能移动终端系统中，所述位置获取过程包括首先终端会以周期广播 的方式发送TEIN报文，TEIN报文封装了包标识FI、终端位置、速度矢量、源终端IP、广播 ID和时间戳、设定的最大跳数Hmax;接收到TEIN报文的终端根据TEIN报文上的源终端 IP和时间戳来决定是丢弃还是更新自己的位置表并转发出去，TEIN报文每被转发一次则 Hmax-I，直到Hmax等于0则停止转发。上述的多功能移动终端系统中，在于终端发生异常现象时，发生异常现象的终端 向邻居终端广播异常告警报文ACAL，接收到异常告警报文ACAL的终端进行报警并根据与 异常终端的距离判断是否把异常告警报文ACAL广播到邻居终端。上述的多功能移动终端系统中，每个终端包括嵌入式处理器、无线通信模块、电源 模块、GPS定位模块、摄像头和话筒耳麦以及人机交互模块；所述嵌入式处理器是终端的中 央处理器，用于运行基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议；无线通信模块通过USB 接口连接到嵌入式处理器，能够在一定通信范围内与其他无线通信模块通过无线通信方式 进行通信；电源模块为终端的各个部分提供电力；GPS定位模块为所述传感器网络自组织 方法提供节点位置和速度矢量信息，节点位置和速度矢量信息通过串口传送到嵌入式处理 器；摄像头使用USB嵌入式处理器相连，用于采集所需的图像视频等信息，话筒耳麦通过标
7准音频接口接到嵌入式处理器，用于语音通话；人机交互模块通过友好的图形界面和触摸 屏与用户进行交互。与现有技术相比，本发明的优点与积极效果在于1、通过以节点的移动性以及节点间的链路预测生存时间作为度量是否参与到路 由发现，以排除掉那些移动速度快，链路不稳定的节点，这样既大大减少了选择不稳定路径 的可能性，又明显的减少了网络控制消息开销；2、源节点和目的节点之间的路由选择不仅仅是根据路由跳数，更重要的是根据路 径的链路预测生存时间，这样保证了路径断开的可能性大大减少，也大大减少了重新寻找 路由的次数，提高了路由稳定性和降低了丢包率。3、通过位置获取，能够获取周边邻域终端的位置、速度、方向信息，运用在车载网 络中可以通过位置获取实时得到邻域车辆交通信息，驾驶员可以据此选择合适路径出行； 运用在应急救援中，可以通过位置获取及时获取遇险人员的位置等信息，救援人员可以据 此合理安排救援。4、采用本发明的基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议技术，实现了一个能 够自组网，功能多样的基于传感器网络自组织方法的多功能移动终端系统装置，具体功能 有各终端能够组成一个传感器网络，终端与不在该终端通信范围的终端能够通过多跳通 信；终端能够通过位置获取获取其它终端的位置、速度、运动方向信息；发生异常现象的终 端节点能够把异常信息通知其余节点；能够实现多跳的语音视频双向传输。
图1是本发明实施方式中基于传感器网络自组织方法的多功能移动终端构成框 图。图2是本发明实施方式中传感器网络自组织方法的组网示意图。图3是本发明实施方式中基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议的路由请 求示意图。图4是本发明实施方式中基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议的路由响 应示意图。图5是本发明实施方式中基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议的路由维 护示意图。图6是本发明实施方式中位置获取过程示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
做进一步说明，但本发明的实施和保护范 围不限于此。如图1所示，基于传感器网络自组织方法的多功能移动终端系统中，每个终端包 括嵌入式处理器、无线通信模块、电源模块、GPS定位模块、摄像头和话筒耳麦以及人机交 互模块；所述嵌入式处理器是终端的中央处理器，用于运行基于链路预测生存时间的按需 多跳路由协议；无线通信模块通过USB接口连接到嵌入式处理器，能够在一定通信范围内 与其他无线通信模块通过无线通信方式进行通信；电源模块为终端的各个部分提供电力；GPS定位模块为传感器网络自组织方法提供节点位置和速度矢量信息，节点位置和速度矢 量信息通过串口传送到嵌入式处理器；摄像头使用USB嵌入式处理器相连，用于采集所需 的图像视频等信息，话筒耳麦通过标准音频接口接到嵌入式处理器，用于语音通话；人机交 互模块通过友好的图形界面和触摸屏与用户进行交互。本发明的一个实施例，如图2所示，在本传感器网络自组织方法中，各个节点采用 基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议能够组成一个传感器网络，节点与在该节点通 信范围内的节点能够进行直接通信，而与不在该节点通信范围内的节点能够通过其它节点 的中转实现多跳方式的通信。节点可以随时加入或退出网络，节点也可以在网络中随意移动。在本实施方式中，基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议利用节点的位置和 速度矢量信息估算链路的生存时间，来选择一条链路质量最好的路径进行信息传输，以适 应网络节点的高速移动性，提高分组投递率。具体协议如下所示1、邻居表和自适应hello信标各节点周期广播包含节点位置和速度矢量信息的hello信标。接收到该hello信 标的节点会根据该hello信标上的节点位置和速度矢量以及自己的位置和速度矢量计算 本节点与发送该hello信标节点的链路预测生存时间TL，TL的计算公式如下
权利要求
一种传感器网络自组织方法，其特征在于采用基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议，各个节点能够组成一个传感器网络，节点与在该节点通信范围内的节点能够进行直接通信，而与不在该节点通信范围内的节点能够通过其它节点的中转实现多跳方式的通信。
2.根据权利要求1所述的一种传感器网络自组织方法，其特征在于所述基于链路预测 生存时间的按需多跳路由协议包括如下内容邻居表和自适应hello信标节点周期广播包含节点位置和速度矢量信息的hello信 标，接收到该hello信标的节点会根据该hello信标上的节点位置和速度矢量以及自己的 位置和速度矢量计算本节点与发送该hello信标节点的链路预测生存时间并更新自己的 邻居表；所述链路预测生存时间是两个节点之间通信链路存在的持续时间
3.根据权利要求2所述的一种传感器网络自组织方法，其特征在于所述路由发现包括 如下步骤(1)路由发现过程需要发送用户数据的源节点首先检查自己的路由表是否具有到目 的节点的路由，没有则启动路由发现过程，广播路由请求报文RREQ ；接收到路由请求报文 RREQ的节点根据自己的移动性指标M决定是否参与该路由发现过程；所述移动性指标M表 明节点的移动性高低，计算公式为 其中V为节点的当前速度，Vmax为节点可能的最大速度；如果节点的移动性指标M等于 或超过设置的阈值Mthread,则节点不参与路由发现并丢弃该路由请求报文RREQ ；否则计算本节点与转发该路由请求报文RREQ节点间的链路预测生存时间，更新邻居表和路由请求报 文RREQ，在路由表中建立或更新反向路由表项；所述路由表包括目的节点、下一跳节点、路 径预测生存时间、跳数和序列号；所述反向路由表项就是指向源节点的路由表项，记录了路 由请求报文RREQ经过路由的反向路由；如果当前节点存在到目的节点的路由表项或是目 的节点，则向源节点发送路由响应报文RREP，否则转发更新后的路由请求报文RREQ到链路 预测生存时间超过阈值TLthread的邻居节点；如果当前节点为目的节点，则等待设定的时间 Tout，从时间Tout内获得的到达源节点的路由集合中选择具有最大路径生存时间的、并且 具有最小跳数的可行路径作为最优路径，如果该路径不是第1次应答的路径，则重新向源 节点发送一个路由响应报文RREP ；否则什么也不做；(2)路由响应过程节点沿着路由请求报文RREQ的反向路由发送路由响应报文RREP， 路由响应报文RREP包括跳数、目的序列号、目的地址、源节点地址、节点位置及速度矢量和 路径预测生存时间；收到路由响应报文RREP的节点更新邻居表和路由响应报文RREP中的 路径预测生存时间，根据目的序列号、跳数和路径预测生存时间建立或更新相应的前向路 由表项，直到路由响应报文RREP到达源节点，建立起源节点到达目的节点的前向路由，就 能使用该路由进行数据传输；所述前向路由表项就是指向目的节点的路由表项。
4.根据权利要求2所述的一种传感器网络自组织方法，其特征在于所述路由维护具 体步骤包括传输路径上的节点根据数据包头部携带的节点位置和速度矢量信息更新自己 和传输路径上的邻居节点的链路预测生存时间，检测到链路预测生存时间低于某一危险时 间TLdan时，预先启动路由修复过程，在路由真正失效之前获得新的路由，完成新旧路由的切 换；或者传输路径上的节点利用链路层反馈的链路质量检测到链路即将断开时，启动到目 的节点的路由修复过程。
5.根据权利要求4所述的一种传感器网络自组织方法，其特征在于所述路由修复过程 是启动所述路由发现，发现修复点到目标节点的新路由，替换旧的路由；如果路由修复过程 失败则修复点发送路由错误报文RRER，沿着反向路径直到源节点，路径上的节点收到路由 错误报文RRER就清除出错路由；源节点收到路由错误报文RRER后如仍需发送数据到目的 节点则重新发起到目的节点的路由发现。
6.一种基于传感器网络自组织方法的移动终端系统，其特征在于该系统包括三个以上 的终端，各终端利用权利要求1所述传感器网络自组织方法组成一个传感器网络，各终端 之间利用权利要求2所述基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议进行数据传输；所述 终端能够通过位置获取获取其它终端的位置、速度、运动方向信息，并能够利用权利要求1 所述传感器网络自组织方法进行多跳的语音视频双向传输。
7.根据权利要求6所述的移动终端系统，其特征在于所述终端发生异常现象时，终端 能够把异常信息通知其余终端，所述异常现象包括终端故障。
8.根据权利要求6所述的移动终端系统，其特征在于所述位置获取过程包括首先终 端会以周期广播的方式发送TEIN报文，TEIN报文封装了包标识FI、终端位置、速度矢量、源 终端IP、广播ID和时间戳、设定的最大跳数Hmax ；接收到TEIN报文的终端根据TEIN报文 上的源终端IP和时间戳来决定是丢弃还是更新自己的位置表并转发出去，TEIN报文每被 转发一次则Hmax-I，直到Hmax等于0则停止转发。
9.根据权利要求6所述的移动终端系统，其特征在于所述终端发生异常现象时，发生异常现象的终端向邻居终端广播异常告警报文ACAL，接收到异常告警报文ACAL的终端进 行报警并根据与异常终端的距离判断是否把异常告警报文ACAL广播到邻居终端。
10.根据权利要求6所述的移动终端系统，其特征在于每个终端包括嵌入式处理器、无 线通信模块、电源模块、GPS定位模块、摄像头和话筒耳麦以及人机交互模块；所述嵌入式 处理器是终端的中央处理器，用于运行基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议；无线 通信模块通过USB接口连接到嵌入式处理器，能够在一定通信范围内与其他无线通信模块 通过无线通信方式进行通信；电源模块为终端的各个部分提供电力；GPS定位模块为权利 要求1所述传感器网络自组织方法提供节点位置和速度矢量信息，节点位置和速度矢量信 息通过串口传送到嵌入式处理器；摄像头使用USB嵌入式处理器相连，用于采集所需的图 像视频等信息，话筒耳麦通过标准音频接口接到嵌入式处理器，用于语音通话；人机交互模 块通过友好的图形界面和触摸屏与用户进行交互。
全文摘要
本发明中公开传感器网络自组织方法及基于该方法的移动终端系统。传感器网络自组织方法通过基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议使各节点能够组成一个传感器自组织网络，节点与在该节点通信范围内的节点能够进行直接通信，而与不在该节点通信范围内的节点能够通过其它节点的中转实现多跳方式的通信。移动终端系统包括三个以上的终端，各终端利用传感器网络自组织方法组成一个传感器网络，该系统能够通过位置获取获取其它终端的位置、速度、运动方向信息；发生异常现象的终端能够把异常信息通知其余终端；能够实现多跳的语音视频双向传输。本发明的传感器网络自组织方法及基于该方法的移动终端系统网络性能好，功能多样，具有广阔的应用前景。
文档编号H04L1/00GK101951659SQ20101025307
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月13日 优先权日2010年8月13日
发明者秦华标, 郭炼祥 申请人:华南理工大学