基于方向角度的无线传感网络路由空洞优化方法
【专利摘要】本发明提出了属于无线传感器网络（WSNs）【技术领域】中的一种基于方向角度的无线传感网络路由空洞优化方法。该方法用任意两个节点间的距离小于通信半径R判断路由空洞节点；以空洞节点为中心构建基于方向角度空洞节点的方向邻居节点集合；计算邻居节点的下一跳代价函数；根据下一跳代价函数划分路由空洞下一跳节点优先等级；采用随机选择从高优先级节点集合中选取一节点作为空洞节点的下一跳；最后对空洞附近路径进行精简优化，减少路径上节点个数，得到基于方向角度的无线传感网络路由空洞优化方法。本发明既能处理空洞路由问题，也满足了WSNs的QoS需求；简单可行，在解决空洞问题上效果显著。
【专利说明】基于方向角度的无线传感网络路由空洞优化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于方向角度的无线传感网络路由空洞优化方法，属于无线传感器网络(WSNs)【技术领域】。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络(WSNs)节点的计算、存储、通信能力有限，传统的固定网络与移动自组织网络的路由协议均不能有效地应用于WSNs，研究WSNs的路由协议有重要意义，路由协议可按不同的分类方法分为多种类别，其中的地理位置路由得到广泛应用，在地理位置路由中，节点通过GPS或者定位算法获知自己的位置信息，数据需要转发时，节点根据其掌握的局部网络信息，使用距离贪婪转发方式，选择位置更加接近目标节点的邻居节点作为下一跳转发节点，沿着较短的路径传输数据。由于其使用距离贪婪转发方式转发数据，不可避免的会出现贪婪转发失败的问题，转发失败的节点则成为了空洞节点，路由空洞节点的定义:在向目标节点使用距离贪婪算法建立路径时，节点会选择位置更加接近目标节点的邻居节点作为下一跳转发节点，但当邻居节点中不存在距离目标节点更近的节点时，此节点即为空洞节点。因此空洞问题的解决机制标志着路由协议的有效性。
[0003]高效的路由空洞处理机制对于地理位置路由协议是至关重要的，设计路由空洞处理机制时应该尽可能做到处理空洞的传感器节点应尽可能地少，最好空洞节点自身就能完成对空洞的处理；路由空洞处理机制带来的额外的能量开销应尽可能地少，提高能量利用率；利用少量局部网络信息完成对空洞的处理，不对路由协议的可扩展性产生影响；尽可能地接近最短路径。
【发明内容】
[0004]针对WSNs的路由空洞问题，本发明的目的在于提供一种基于方向角度的无线传感网络路由空洞优化方法。
[0005]本发明的技术方案是，
[0006]一种基于方向角度的无线传感网络路由空洞优化方法，该方法步骤为:
[0007]步骤1:判断路由空洞节点；
[0008]首先计算出每两个节点间的距离，通常利用通信半径确定每个节点的邻居节点，即两个节点间的距离小于某个数值即互为邻居节点，每个节点都具有自身的邻居节点集合；计算每个节点距离目标节点的距离，目标节点一般情况下已知，建立路径过程中，选取下一跳节点时如果邻居节点中不存在与本节点相比距离目标节点更近的节点时，此节点即为空洞节点；
[0009]步骤2:以空洞节点为中心构建方向邻居节点集合；
[0010]以空洞节点为中心，以空洞节点与目标节点连线的正负120度重新构建空洞节点的方向邻居节点集合{NodeJ，集合中元素个数为n，集合中的η个节点作为之后计算代价函数的备选节点；当邻居节点与空洞节点连线、空洞节点与目标节点连线的夹角小于120度时，步骤I中根据通信半径R所确定的空洞节点的邻居节点属于方向邻居节点集合{NodeJ ;即，
[0011]当6\..V|乞 120。时，Ni+1 e {NodeJ ；
[0012]其中，Ni为空洞节点，Ni+1为步骤I中通信半径R所确定的空洞节点Ni的邻居节点，为邻居节点与空洞节点连线、空洞节点与目标节点连线的夹角；
[0013]步骤3:计算方向邻居节点的下一跳代价函数；
[0014]对集合中的每个节点计算代价函数，所述代价函数为:
[0015]
【权利要求】
1.一种基于方向角度的无线传感网络路由空洞优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 步骤1:使用距离贪婪算法建立到达目标节点的路径，判断路由空洞节点； 设定通信半径R，则任意两个节点间的距离小于通信半径R，两个节点互为邻居节点，每个节点都具有自身的邻居节点集合；再计算所有节点距离目标节点D的距离；建立路径过程中，选取下一跳节点时如果邻居节点中不存在与本节点相比距离目标节点D更近的节点时，此节点即为空洞节点； 步骤2:以空洞节点为中心构建方向邻居节点集合； 以空洞节点为中心，以空洞节点与目标节点连线的正负120度重新构建空洞节点的方向邻居节点集合{NodeJ,其中，当邻居节点与空洞节点连线、空洞节点与目标节点连线的夹角小于120度时，步骤I中根据通信半径R所确定的空洞节点的邻居节点属于方向邻居节点集合(NodeJ ,即，
当(9、、| 5 120°时，队+1 e {NodeJ, 其中，Ni+1为步骤I中通信半径R所确定的空洞节点Ni的邻居节点，1、为邻居节点与空洞节点连线、空洞节点与目标节点连线的夹角； 集合{NodeJ中的元素个数η小于等于步骤I中按通信半径R计算出的空洞节点的邻居节点个数； 步骤3:计算方向邻居节点的下一跳代价函数Ci ；
广 L(NirD)一_ 所述代价函数f = z(~，D.)，L(NilD)表不空洞节点到目的节点的距呙，L(Ni+1, D)表示步骤2中重新确立的集合{NodeJ中的方向邻居节点到目标节点的距离； 通过计算集合{NodeJ的代价函数Ci,并对Ci由小到大排序后，构建集合{CJ，再计算出中间值Cmid，用作后续划分优先级的阈值； 步骤4:根据下一跳代价函数Ci划分路由下一跳节点优先等级； 以Cmid为阈值将{NodeJ中节点的优先级划分为2个级别Jleveli = 1}与Ileveli =0},如果代价函数值Ci小于中间值Cmid,那么节点属于高优先级Ileveli = 1};否则,节点属于低优先级Ileveli = 0}； 步骤5:采用随机选择方式从高优先级节点集合Ileveli = 1}中确定下一跳节点； 根据优先级等级{levelj随机选取空洞节点的下一跳节点,从步骤4中确立的高优先级节点集合Ueveli = 1}中随机选取空洞节点的下一跳节点； 步骤6:路径精简优化，减少路径上节点个数； 在建立路径的过程中，对路径上的所有节点进行由I开始的编号，源节点的编号为1，源节点的下一跳节点编号为2，紧接着的下一跳节点编号为3，以此类推，不在路径上的节点编号为0，在建立路径成功后进行精简优化，优化原则为从源节点开始选择邻居节点中编号最大的节点直接作为下一跳节点，之后从下一跳节点按照同样原则向后精简优化，直至目的节点，确立最终的路径，被精简掉的节点由于已不在最终的路径上，编号重新置O ; 这样，即得到了一条解决了空洞问题并满足无线传感器网络QoS需求的路径，即得到基于方向角度的无线传感网络路由空洞优化方法。
2.根据权利要求1所述的一种基于方向角度的无线传感网络路由空洞优化方法，其特征在于，所述通信 半径R=60，单位:米。
【文档编号】H04W40/24GK103747498SQ201410023896
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】孙毅, 祁兵, 龚钢军, 陆俊, 武昕, 黄可心, 刘浩成 申请人:华北电力大学