专利名称：一种保障服务质量的物联网迂回空洞路由方法
技术领域：
本发明属于无线传感网络技术领域，涉及一种保障服务质量的物联网迂回空洞路 由方法。
背景技术：
物联网被称为继互联网之后全球信息产业的又一次科技与经济浪潮，受到各国政 府、企业和学术界的高度重视，美国、欧盟、日本等甚至将其纳入国家和区域信息化战略。物 联网能协作地实时检测、跟踪和采集网络布设区域内的各种环境或监测对象的信息，并对 这些信息进行协同、融合处理，获得较为准确的结论，然后传送至用户。在物联网应用中，不管是平面网络、层次网络、异构网络还是同构网络，空洞现象 普遍存在。在实际野外应用场景中，大量廉价传感节点通过飞机空投、火炮发射等方式随 机布撒，无法保证与应用密切相关的区域内部署足够数量节点，容易出现空洞；在沼泽、湖 泊、高山、水塘等特殊地理环境，因其本身不适合部署传感节点，易形成天然的空洞；在森林 火灾实时监控类应用中，火灾等突发事件易导致节点物理损毁，形成空洞；在军事应用中， 即使在敏感区中布设节点，重要传感数据仍必须绕过敏感区传输到Sink，敏感区变成空洞； 在物联网应用中，由于路由不优化导致某些节点能耗过大，加之不能有效补充能量，致使这 些节点过早失效形成空洞；此外，物联网“多对一”数据流量模型特点，使得Sink附近节点 的能耗比其它位置节点高，其周围极易出现空洞。由此可见，在复杂环境中的物联网，极易 出现网络空洞，导致结构不均衡。因此，对空洞问题进行深入研究并采取积极有效的处理是 保持网络性能的关键。在物联网应用中，采集传感数据需要与位置信息结合才有实际意义，基于地理位 置路由在物联网中具有良好应用前提，同时节点选路仅需邻居节点和Sink (目标节点)的 信息，而不需其它全局信息，可扩展性强，因此，其十分适合应用于节点能力有限、休眠调度 等引起网络拓扑剧烈变化的物联网领域，是物联网研究热点问题之一。其中，传感节点自己 位置信息可通过GPS或各种定位算法获得，Sink位置可通过Sink的一次泛洪或位置服务 获取，典型位置服务算法有TTDD、GLS、k-IRS等。为解决迂回空洞问题，研究人员提出称为面路由协议的一类算法，即网络中 的节点根据连通情况建立一个平面连通图，可以是一个RNG (Relative Neighborhood Graphic)或GG(Gabriel Graphic)图。算法将网络拓扑连接状态映射成平面图形，当数据 包到达路由空洞时，该节点根据右手法则，沿着包容该空洞地区的一个平面图的圆周转发 分组，直到到达目的节点或绕过空洞区域。由于需要计算和存储平面图信息，该算法比较复 杂。解决空洞问题的另一个策略退避策略，将数据包回送给自己的父节点，同时，用捎带的 方式通知父节点自己是位于通向该Sink的路径上的空洞节点。父节点在收到回送来的数 据包后，把该子节点从该Sink专有邻居集里删除，然后从专有邻居集里选取另外一个下一 跳节点。如果删除该子节点后，父节点也变成一个路由空洞节点，那么他将继续执行退避步 马聚ο
这些迂回空洞方法存在对路由空洞形状不能进行感知，数据转发具有很大的盲目 性，转发路径有时比最优路径长很多，造成数据传输时延大大增加，空洞边界拥塞，进一步 造成空洞扩大即产生空洞扩散现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种保障服务质量的物联网迂回空洞路由方法，该方法减少 数据传输平均时延，开销小，效率高。本发明要解决的是物联网迂回空洞的问题，以提高实时性和可靠性。为实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案。本发明所述的一种保障服务质量的物联网迂回空洞路由方法包括以下步骤
步骤一，传感节点根据TENT规则判断是否是可能空洞节点，若否，等待传感节点感知 数据发送，执行步骤六；
步骤二，若是空洞节点，执行某一空洞检索算法；所述步骤二的具体实现过程为 Al、传感节点上电启动后，空洞节点发送检测包(Hole Boundary Detection，HBD)，按 “右手法则”和2004年Qing Fang等研究人员提出的TENT机制，在邻居节点中寻找下一跳 节点发送。A2、邻居节点接到HBD包，将自己的位置信息加入HBD包，按“右手法则”寻到下一 跳节点发送；
A3、重复Al、A2，直到回到初始空洞传感节点。上述“右手法则”是指当数据分组到达本节点后，以本节点为顶点，沿上一跳节点 与本节点组成射线逆时针方向上的第一条链路，该链路对应的节点为该数据分组的下一跳 节点。上述TENT机制是指根据邻居节点和接收数据上一条节点信息，选择下一跳节点 的算法。步骤三，根据得到空洞边界点信息，将不规则的形状空洞建模成一个覆盖“空洞” 的规则形状，包括圆；本发明将以规则圆形状描述。圆形状描述为圆心(规则形状的质心)及 圆半径表示。步骤四、发送HD (Hole Dissemination)控制包，扩散覆盖“空洞”的规则形状信 息到网络中确定部分范围区域，区域范围大小与空洞大小相关；
步骤五，接收到所述HD命令包的传感节点解析HD命令包的内容，获取需要感知空洞信 息，并根据所述感知空洞信息，设置或更新传感节点数据传输路径等信息；
上述步骤五的实现过程为所述传感节点收到HD命令包后，首先判断自身节点是否处 理过所述HD命令包后，若是，则停止转发所述HD命令包；否则判断自身节点是否处在所述 空洞影响区域范围内，若是并且不含该空洞信息，则继续转发所述HD命令包，否则丢弃所 述HD命令包。步骤六，目的Sink选择，感知数据节点计算到Sink的距离，若到Sink节点遇到 空洞，则根据服务质量如时延限制，传感节点动态改变覆盖空洞圆半径，以传感节点和这个 Sink节点圆切线的交点，选择较短路径长度的交点作为临时目的节点，则这条较短路径长 度作为到这个Sink的路径长度，选择最近Sink作为目的Sink，执行地理路由某一转发策略，选择下一跳节点发送；
步骤七，接收数据节点，执行某一转发策略，选择下一跳节点发送，若为空，执行步骤 二，否则，发送数据到下一跳节点，重复步骤七，直到传输到目的Sink。所述HBD命令包包括遭遇空洞的Sink节点地址、发起HBD包的源地址及位置信 息、生存周期。所述HD命令包括遭遇空洞的Sink节点地址、广播ID、源地址、覆盖空洞规则形状 信息(如圆半径及圆心)、调节区域跳数/距离、生存周期。本发明的有益效果在于本发明所述方法中迂回空洞时，因知道空洞全局信息，当 有数据发送时可以立即发送，避免数据转发中的盲目性，大大减少了物联网系统的控制开 销，缩短数据传输平均时延，有效延长网络寿命。
图1为本发明中传感节点对接收到的HBD帧的处理流程图。图2为本发明中传感节点发送HD帧的流程示意图。图3为本发明中节点传输数据的流程示意图。图4为本发明中HBD帧的格式示意图。图5为本发明中HD帧的格式示意图。图6为本发明中迂回空洞到Sink迂回路径选择示意图(某一感知节点 迂回空洞到Sink Si的示意图)。
具体实施例方式本发明针对物联网迂回空洞的特点，提出一种保障服务质量的物联网迂回空洞路
由方法。本发明所述的迂回空洞路由方法的主要思路为传感节点根据传输到Sink节点 情况，自适应调节数据传输到目的Sink节点的路径。下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。实施例一
本实施例提供一种保障服务质量的物联网迂回空洞路由方法，该方法是基于最近Sink 策略实现的，主要包括以下两部分内容 一、最近Sink节点选择方法
1)、初始化时，传感节点计算到Sink节点路径长度，若到Sink节点经过空洞，则根据服 务质量如时延限制，传感节点动态改变覆盖空洞圆半径，以传感节点和这个Sink节点圆切 线的交点，选择较短路径长度的交点作为临时目的节点，则这条较短路径长度作为到这个 Sink的路径长度，具体示意图如图6所示；
2)、传感节点选择跳数最小的汇聚节点作为数据传输的目的Sink节点；
3)、传感节点转发策略选择下一跳节点，转发策略是根据自身若干父节点的能量消耗 情况，选择能耗速度最慢的父节点作为下一跳节点。二、空洞建模方法
1)、空洞节点发送检测包(Hole Boundary Detection, HBD)，按“右手法则”和2004年Qing Fang等研究人员提出的TENT机制，在邻居节点中寻找下一跳节点发送。2)、邻居节点接到HBD包，将自己的位置信息加入HBD包，按“右手法则”寻到下一 跳节点发送。3)、重复1)、2)，直到回到初始空洞传感节点。根据得到空洞边界点信息，将不规则的形状空洞建模成一个覆盖“空洞”的规则形 状，如圆，规则圆形状采用圆心和圆半径描述。实施例二
本实施例以下列假设系统为例，详细介绍了本发明所述保障服务质量的物联网迂回空 洞路由方法的具体实现过程。首先系统满足以下条件的假定
1、网络中存在M个Sink节点(M彡1)，Sink节点间通过有线或其他无线信道相互通信， 监测Sink节点是否失效；
2、网络中布设有N个传感节点，且N个传感节点具有相同的初始能量，N个传感节点通 过一次泛洪等方式获得Sink节点位置信息；
3、网络中的全部汇聚节点和传感节点具有相同的无线覆盖半径，且信道是对称的。本发明所述方法的具体实现过程为
参照图1，传感节点接收到HBD帧的处理，其帧格式如图 调节流程如下 S 1 -1节点接收到HBD帧；
S 1 -2 ；传感节点判断自己是否是发起HBD的节点，如否，执行S1-3，否则执行S1-5 ； S 1-3根据右手法则和TENT法则，计算节点传感节点的下一跳节点地址，并将本节点 位置信息添加HBD帧中，发送HBD帧； S1-4 重复 Sl-I 到 S1-4 ；
51-5根据接收HBD帧内容，计算覆盖空洞的最佳覆盖规则形状，并计算空洞影响范 围，形成HD帧广播发送。HD帧的处理
参照图2，HD帧的处理流程是
52-1传感节点收到HD帧；
S2-2传感节点判断自己是否处理过该帧，若是转S2-6，否则转S2-3 ； S2-3传感节点判断自己是否在此帧空洞的影响范围内，若是转S2-4，否则转S2-6 ； S2-4判断传感节点是否有到此目的Sink的相同的空洞信息，若有，转S2-6，否则转 S2-5 ；
S2-5记录传输到该目的Sink的空洞信息，该HD帧的生存周期TTL减一，判断生存周 期是否大于零，如果大于零，广播该HD帧，否则执行S2-6 ； S2-6丢弃HD帧。数据的传输过程
参照图3，数据源节点根据接收本节点到Sink节点的距离，选择距离最近Sink (NS)策 略作为数据传输的目的Sink节点，若选择目的Sink进过空洞，则计算源与目的节点切线交 点，选择路径长度短的交点作为临时目的Sink节点，中间数据处理流程是S3-1传感节点收到数据；
S3-2传感节点判断数据传输模式，若是传输到目的Sink模式，则执行S3-5，否则执行 S3-3 ；
S3-3判断节点到目的位置距离是否小于/PO 为通信传输距离的函数，根据网络布设密 度有关)，若是，执行S3-4，否则执行S3-5 ；
S3-4判断节点临时目的位置信息是否为空，若为空，将节点传输模式改为传输到目的 Sink模式，执行S3-5，否则，数据目的位置修改为下一个中间位置信息，执行S3-6 ；
S3-5判断本节点是否是数据传输目的Sink节点，若为否，执行S3-6，否则数据传输结
束；
S3-6根据转发策略，计算数据转发的下一跳节点，发送数据。
本发明的特点是本发明针对物联网的传感节点能量、计算能力等受限、节点随 机密集布设、汇聚节点比传感节点资源丰富的特点，经典迂回空洞方法，盲目避洞以及空洞 扩散问题，在保障服务质量前提下，有效的延长网络系统寿命，提高网络的可扩展性。大规 模物联网应用，通过本发明所述方法，数据迂回空洞通过传输到临时中间节点和传输到目 的Sink两种传输模式，传感节点感知数据可一跳或多跳到达变更后的目的节点，最终到目 的 Sink。
权利要求
1.一种保障服务质量物联网迂回空洞路由方法，其特征在于所述路由方法包括以下步骤步骤一，传感节点根据TENT规则判断是否是可能空洞节点，若否，等待传感节点感知 数据发送，执行步骤六；步骤二，若是空洞节点，执行某一空洞检索算法；步骤三，根据得到空洞边界点信息，将不规则的形状空洞建模成一个覆盖“空洞”的规 则形状，包括圆；步骤四、发送HD控制包，扩散覆盖“空洞”的规则形状信息到网络中确定部分范围区 域，区域范围大小与空洞大小相关；步骤五，接收到所述HD命令包的传感节点解析HD命令包的内容，获取需要感知空洞信 息，并根据所述感知空洞信息，设置或更新传感节点数据传输路径信息；步骤六，目的Sink选择，感知数据节点计算到Sink的距离，若到某个Sink节点遇到 空洞，则根据服务质量如时延限制，传感节点动态改变覆盖空洞圆半径，以传感节点和这个 Sink节点圆切线的交点，选择较短路径长度的交点作为临时目的节点，则这条较短路径长 度作为到这个Sink的路径长度，选择最近Sink作为目的Sink，执行地理路由某一转发策 略，选择下一跳节点发送。
2.根据权利要求1所述的一种保障服务质量的物联网迂回空洞路由方法，其特征在于 所述步骤二的具体实现过程为Al、传感节点上电启动后，空洞节点发送检测包HBD，按“右手法则”和TENT机制，在邻 居节点中寻找下一跳节点发送；A2、邻居节点接到HBD包，将自己的位置信息加入检测HBD包，按“右手法则”寻到下一 跳节点发送；A3、重复Al、A2，直到回到初始空洞传感节点。
3.根据权利要求2所述的一种保障服务质量的物联网迂回空洞路由方法，其特征在于 “右手法则”是指当数据分组到达本节点后，以本节点为顶点，沿上一跳节点与本节点组成 射线逆时针方向上的第一条链路，该链路对应的节点为该数据分组的下一跳节点。
4.根据权利要求2所述的一种保障服务质量的物联网迂回空洞路由方法，其特征在于 TENT机制是指根据邻居节点和接收数据上一条节点信息，选择下一跳节点的算法。
5.根据权利要求1所述的一种保障服务质量的物联网迂回空洞路由方法，其特征在于 步骤三中，所述根据得到空洞边界点信息，将不规则的形状空洞建模成一个覆盖“空洞”的 规则形状，包括圆。
6.根据权利要求1所述的一种保障服务质量的物联网迂回空洞路由方法，其特征在于 步骤五的实现过程为所述传感节点收到HD命令包后，首先判断自身节点是否处理过所述 HD命令包后，若是，则停止转发所述HD命令包；否则判断自身节点是否处在所述空洞影响 区域范围内，若是并且不含该空洞信息，则继续转发所述HD命令包，否则丢弃所述HD命令包。
7.根据权利要求1所述的一种保障服务质量的物联网迂回空洞路由方法，其特征在于 所述HBD命令包包括遭遇空洞的Sink节点地址、发起HBD包的源地址及位置信息、生存周期。
8.根据权利要求1所述的一种保障服务质量的物联网迂回空洞路由方法，其特征在于 所述HD命令包括遭遇空洞的Sink节点地址、广播ID、源地址、覆盖空洞规则形状信息、调节跳数/距离、生存周期。
全文摘要
本发明公开了一种保障服务质量的物联网迂回空洞路由方法，主要包括物联网目的汇聚节点选择、空洞边界检测和建模、覆盖空洞信息广播。本发明所述方法在保障服务质量前提下，大大减少了物联网系统的控制开销，计算开销小，效率高，有效延长了网络寿命。
文档编号H04W40/12GK102088753SQ20111007401
公开日2011年6月8日 申请日期2011年3月28日 优先权日2011年3月28日
发明者付耀先, 李凤荣, 王营冠, 高丹 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所, 中国科学院嘉兴无线传感网工程中心