专利名称：在水环境中无线传感器网络的qos路由长寿路径的确定方法
技术领域：
本发明属于无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种在水环境中无线传感器网络的QOS路由长寿路径的确定方法。
背景技术：
集传感、数据处理、定位及无线通信功能于一体的传感器在环境与军事监控、地震与气候预测、地下、深水以及外层空间探索等许多方面都具有广泛应用前景，而外界环境的不确定性经常导致需要布置成百上千这样的传感器协同工作。因此，对由大规模传感器(传感节点)构成的传感器网络(Sensor Network)的研究正引起研究人员的广泛关注,使得陆地无线传感器网络的研究得到了飞速发展。随着人们对于水环境的日益关注，环境科 学所涉及的范围越来越广泛，传统方式采集原始数据是一件困难的工作，而传感器十分适合于人们采集数据，研究数据。我国水域宽阔，是生活、工业、农业用水的主要来源，对洪、涝等灾害的预防、对水质监控越来越重要，这些因素使得研制具有低成本、可靠性能的水环境无线传感器网络逐渐成为一个新的研究热点。在数据源节点和目的节点间建立一条数据传输路径。水面传感器网络的三维移动性的特点是路由需要考虑的问题。目前水面路由协议一般可分为主动路由协议、按需路田协议和地理路由协议3种。主动路由协议由基站周期性广播路由信息包建立路由。现有的技术主要有1.水下3D网中对主动路由的研究，它实现简单，可以有效避免信道拥塞，保证传输质量。但对网络规模适应性差，节点频繁移动也会导致路由维护开销大；按需路由根据需要临时建立路由，因此更适合大规模水面移动网络。2.适用于水面存在多个漂浮基站随水流漂移的3D网络路由协议。地理路由协议利用节点的地理信息实现路由，它的路由效率较高、代价小，需要知道节点的位置信息。除了上述路由外，针对水下信道具有时断时续和稀疏网的特点，目前主要是将DTN(delay/disruption tolerant network)技术在水下路由中进行初步研究。而水下传感器网络的一个最显著的特点是其频繁的移动性，故所选满足QOS约束的路径可能在数据传送完成之前断掉了，需要重建路由或者进行路由修复，在这方面还没有进行很好的研究。由于传感器节点一般通过电池驱动，节点数量众多，部署在水环境中，从而使得替换节点电池或者对节点电池进行充电都是不可行的。因此，如何在单个节点能量受限、生存时间较短的情况下，如何延长整个网络系统的生存时间，保证网络路由质量，是动态水环境无线传感器网络设计中的一个重要挑战，因此在水环境无线传感器网络的QOS路由中选择长寿的路径显得非常重要。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种在水环境中无线传感器网络的QOS路由长寿路径的确定方法，旨在解决由于传感器节点一般通过电池驱动，节点数量众多，部署在水环境中，从而使得替换节点电池或者对节点电池进行充电都是不可行的。因此，如何在单个节点能量受限、生存时间较短的情况下，如何延长整个网络系统的生存时间，保证网络路由质量，是动态水环境无线传感器网络设计中的一个重要挑战，因此在水环境无线传感器网络的QOS路由中选择长寿的路径显得非常重要的问题。本发明实施例是这样实现的，一种在水环境中无线传感器网络的QOS路由长寿路径的确定方法，该方法包括首先把信息收集区域进行网络剖分，剖分后Sink节点把所有信息进行广播，使得每个节点知道其所取的网格及位置；
接着对每一个网格进行分布式运算，寻找每个网格到Sink节点一条或几条最短网格路径，为使网络正常工作时，整体网络传输能量消耗最少，规定只能是二个相邻的网格才能传输数据，最后基于熵的思想寻找一条适合路径；经过一段时间运行后，利用熵对路径进行自动修补，即节点失效后整个网络路由结构自愈。进一步，把信息收集区域进行网络剖分，剖分后Sink节点把所有信息进行广播，使得每个节点知道其所取的网格及位置的实现方法为在水流的影响下，WSN节点处于位置不固定状态，因此节点的定位计算需要不断地进行，为方便计算，Sink节点首先将其目标区域剖分为正方体网格，对给定区域G计算出区
域G的最大长度I、宽度w和高度h，将子区域P划分为p(/+%^p2(w+'%^f 个正方
体，并将得到的剖分信息广播给网络中的所有传感器节点，其中P为大于等于X的最小整数，并对网格进行编号如图2所示，每个网格表示为Wx,y,z.节点的位置信息记作posx,y,z，显然，按上述方法构造的每个正方形，其外接圆的半径正好为传感器节点的传感半径的一半。由假定条件可知，在同一个网格内部的节点都能够覆盖整个网格，且相邻的二网格内的节点能够自由通信。按三维三标方法对网格进行编码，最靠近Sink的格点为W_，具体方法如图2所示；同时把整个网格内的节点进行编号，并记作集合SW(Pi), i G {0,1,2......}。进一步，接着对每一个网格进行分布式运算，寻找每个网格到Sink节点一条或几条最短网格路径，为使网络正常工作时，整体网络传输能量消耗最少，规定只能是二个相邻的网格才能传输数据，最后基于熵的思想寻找一条适合路径的实现方法为二点间直线距离最短，而在立方体的网格中则对角线距离最短，所以网格最短路径可转化为求对角线的网格数与X、Y、Z轴的平移的网格数，具体方法如下①每个网格到原点对角线的格数为网格坐标值的最少值，如式(8)所示Num-d = min (I Wix I, Wiy |, I Wiz I)(8)其中Num-d为网格i到网格胃_的网格数，|Wix|、|Wiy|、WiJ分别为网格i的X，y，z的坐标的绝对值；②根据标明的4条相关的最短路径，分别得知X方向，y方向，z方向分别的位移量，如式(9)所示Num-dx = Wix -Num_dNum-dy = Wiy | -Num-d(9)Num-dz = Wiz -Num-d③从(8) (9)式可得一条最短网格路径公式(10)
权利要求
1.一种在水环境中无线传感器网络的QOS路由长寿路径的确定方法，其特征在于，该方法包括 首先把信息收集区域进行网络剖分，剖分后Sink节点把所有信息进行广播，使得每个节点知道其所取的网格及位置； 接着对每一个网格进行分布式运算，寻找每个网格到Sink节点一条或几条最短网格路径，为使网络正常工作时，整体网络传输能量消耗最少，规定只能是二个相邻的网格才能传输数据，最后基于熵的思想寻找一条适合路径； 经过一段时间运行后，利用熵对路径进行自动修补，即节点失效后整个网络路由结构自愈。
2.如权利要求I所述的确定方法，其特征在于，把信息收集区域进行网络剖分，剖分后Sink节点把所有信息进行广播，使得每个节点知道其所取的网格及位置的实现方法为 在水流的影响下，WSN节点处于位置不固定状态，因此节点的定位计算需要不断地进行，为方便计算，Sink节点首先将其目标区域剖分为正方体网格，对给定区域G计算出区域G的最大长度I、宽度w和高度h，将子区域p划分为个正方体，并将得到的剖分信息广播给网络中的所有传感器节点，其中M为大于等于X的最小整数，并对网格进行编号如图2所示，每个网格表示为Wx,y,z，节点的位置信息记作p0Sx,y,z，显然，按上述方法构造的每个正方形，其外接圆的半径正好为传感器节点的传感半径的一半。由假定条件可知，在同一个网格内部的节点都能够覆盖整个网格，且相邻的二网格内的节点能够自由通信。按三维三标方法对网格进行编码，最靠近Sink的格点为评_，具体方法如图2所示；同时把整个网格内的节点进行编号，并记作集合SW(Pi), i G {0,1,2......}。
3.如权利要求I所述的确定方法，其特征在于，接着对每一个网格进行分布式运算，寻找每个网格到Sink节点一条或几条最短网格路径，为使网络正常工作时，整体网络传输能量消耗最少，规定只能是二个相邻的网格才能传输数据，最后基于熵的思想寻找一条适合路径的实现方法为 二点间直线距离最短，而在立方体的网格中则对角线距离最短，所以网格最短路径可转化为求对角线的网格数与X、Y、Z轴的平移的网格数，具体方法如下 ①每个网格到原点对角线的格数为网格坐标值的最少值，如式(8)所示 Num-d = min (| Wix |, Wiy |, WiJ)(8) 其中Num-d为网格i到网格胃_的网格数，|Wix|、|Wiy|、|Wiz|分别为网格i的x，y, z的坐标的绝对值； ②根据标明的4条相关的最短路径，分别得知X方向，y方向，z方向分别的位移量，如式(9)所示 Num-dx = I ffix I -Num-d Num-dy = Wiy -Num-d(9) Num-dz = I Wiz I -Num-d ③从(8)(9)式可得一条最短网格路径公式(10)Path (Wi-W0) G {Wix,y,z JWixjyj^1...... ;Wix,y,d ;Wix,y_Ld......;Wix,d,d ；^ix-I, d, d...... ;Wd, d, d ;Wd-l, d-1, d-1...... ;Wo,o,(J (10) 其中Path(Wi-Wci)为网格Wi到Wtl具体经过的网格，d为Num-d的简写。同理可求其它相关路径。
4.如权利要求I所述的确定方法，其特征在于，在每一个网格内，任一Active节点到Sink节点建立一条长寿路径的熵，并且确定此路径为信号路由路径。
5.如权利要求I所述的确定方法，其特征在于，经过一段时间运行后，利用熵对路径进行自动修补，即节点失效后整个网络路由结构自愈的实现方法 ①Sink节点向信息收集区域发出查询请求，最外层进行信息处理。把集合SW(Pi)编号最小的节点设为Active，同一网格内其余节点设为Sleep ； ②Active节点按所建立的各条最短网格路径,建立熵尺度,所选取节点设为Active,同一网格内其余节点设为Sle印，一直到达评。。。节点，即Sink节点，路由路径建立成功； ③经过一段时间运行后，节点先计算所在位置，计算公式如式(11)所示并且把同一网格的节点编为一簇；%=L 」巧七」(11)K=W 其中k」，LM, 1/J为节点PxyzX, Y，Z坐标的向下取整值，Wx, Wy, Wz为网格Wxyz的X，Y，Z坐标； ④Active节点离开网格后或者能量用光后，在网格内重新计算熵尺度，选择熵最小的节点为Active节点；当熵值相同时，选用编号最小的节点为Active节点； ⑤当下一个网格没有节点时，对相邻的25个网格内的Active节点进行熵值计算，选择熵值最小的节点为二条路共有的路由转发节点； ⑥除进入网格外，相邻25个网格都没有节点时，此条路径通信结束。
全文摘要
本发明公开了一种在水环境中无线传感器网络的Q0S路由长寿路径的确定方法，先把信息收集区域进行网络剖分，剖分后Sink节点把所有信息进行广播，使得每个节点知道其所取的网格及位置；接着对每一个网格进行分布式运算，寻找每个网格到Sink节点一条或几条最短网格路径，为使网络正常工作时，整体网络传输能量消耗最少，规定只能是二个相邻的网格才能传输数据，最后基于熵的思想寻找一条适合路径，经过一段时间运行后，利用熵对路径进行自动修补，即节点失效后整个网络路由结构自愈。本QOS路由算法与Long-term、DBR、DTN等算法比较在路由重建次数、路由成功率、网络能耗、网络延时方面具有更优性能。
文档编号H04W40/04GK102802229SQ20121032707
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月28日 优先权日2012年8月28日
发明者邹赛 申请人:重庆电子工程职业学院