專利名稱：基于區(qū)域梯度更新的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間的路由選擇，特別是提供了一種基于區(qū)域梯度更新的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法。
背景技術(shù)：
移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種動(dòng)態(tài)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，它由大量動(dòng)態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)和少量靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，動(dòng)態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)，鄰節(jié)點(diǎn)之間依靠無線鏈路進(jìn)行通信。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集信息，并利用其它傳感器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息到匯聚節(jié)點(diǎn)。路由方法是用來建立從源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的信息傳輸路徑，選擇需要轉(zhuǎn)發(fā)信息的中間節(jié)點(diǎn)。傳輸路徑上的所有節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)要消耗一定的能量，如何設(shè)計(jì)能量有效的路由協(xié)議一直是傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題之一。
由于移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)隨機(jī)移動(dòng)的特性，現(xiàn)有基于固定節(jié)點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議無法直接應(yīng)用到該網(wǎng)絡(luò)中。目前，已經(jīng)提出了幾種基于移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，其中較為典型的是文獻(xiàn)“Impact of Mobility on Mobility-Assisted Information Diffusion(MAID)Protocols in Ad hoc Networks.USC Computer Science Department Technical Report”公開的一種移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。該協(xié)議是一種以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)的過程中與所遇到的鄰居節(jié)點(diǎn)交換時(shí)間信息，利用兩節(jié)點(diǎn)間的相遇時(shí)間間隔的長短來決定時(shí)間梯度值的大小，每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)都存有一張與其它節(jié)點(diǎn)的相遇時(shí)間梯度值表。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)，它在鄰節(jié)點(diǎn)中尋找一個(gè)與匯聚節(jié)點(diǎn)相遇時(shí)間間隔最短的節(jié)點(diǎn)作為其下一跳節(jié)點(diǎn)，如此反復(fù)，直到到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)為止，這樣從源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的傳輸路徑已建立。
文獻(xiàn)中所設(shè)計(jì)的路由協(xié)議路由建立收斂時(shí)間比較短，但存在以下缺陷網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過程中需要頻繁地交換時(shí)間信息來建立梯度，能量開銷比較大；每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要保存一張與其它節(jié)點(diǎn)的相遇時(shí)間梯度值表，需要占用一定量的儲(chǔ)存空間。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于區(qū)域梯度更新的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，增加無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用壽命，節(jié)約傳感器存儲(chǔ)空間。
本發(fā)明涉及到傳感器網(wǎng)絡(luò)是稠密傳感器網(wǎng)絡(luò)，即網(wǎng)絡(luò)中的相鄰節(jié)點(diǎn)間能夠保證互相通信。其適用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由發(fā)射基站、傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)組成。
發(fā)射基站能量可持續(xù)補(bǔ)充；最大發(fā)射半徑可以覆蓋到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的傳感器節(jié)點(diǎn)；負(fù)責(zé)把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)虛擬分區(qū)并為每個(gè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)分配梯度值；當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，它會(huì)更新傳感器節(jié)點(diǎn)的梯度值；負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。
傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限且不能得到補(bǔ)充；主要負(fù)責(zé)向匯聚節(jié)點(diǎn)傳送感測(cè)到的信息。傳感器節(jié)點(diǎn)只接收來自發(fā)射基站的廣播信息和其它傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息；向其它傳感器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；當(dāng)某一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)，它就為源節(jié)點(diǎn)；它在網(wǎng)絡(luò)中的位置是不固定的。
匯聚節(jié)點(diǎn)能量可持續(xù)補(bǔ)充；存儲(chǔ)和計(jì)算能力均優(yōu)于傳感器節(jié)點(diǎn)；連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)；轉(zhuǎn)換協(xié)議棧之間的通信協(xié)議；把收集到的數(shù)據(jù)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上；它在網(wǎng)絡(luò)中的位置是固定的；它的梯度值為0。
為了避免區(qū)域梯度信息信號(hào)和數(shù)據(jù)通信的沖突，傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用廣播與數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)分離信道。其中廣播信道是基站用來向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)廣播區(qū)域信息；數(shù)據(jù)傳輸信道是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)之間用來相互通信。由基站發(fā)起建立區(qū)域梯度并進(jìn)行周期性區(qū)域梯度更新，并使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)要向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由源節(jié)點(diǎn)發(fā)起，建立一條通向匯聚節(jié)點(diǎn)的鏈路，從而完成數(shù)據(jù)傳輸。其方法如下 (a)區(qū)域梯度的建立為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)唯一標(biāo)識(shí)號(hào)(ID)，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被部署之后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)處于初始狀態(tài)，基站與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間的同步。接著基站就周期性地通過廣播信道向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)廣播區(qū)域梯度信息，其廣播半徑Ri是遞增序列，即Ri＝ir，其中i＝{1，2，3...m}，r為傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑。
網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)在一個(gè)廣播時(shí)隙開始后，就開始偵聽廣播信道和數(shù)據(jù)傳輸信道。在廣播信道中，當(dāng)?shù)谝淮蝹陕牭交緩V播的區(qū)域梯度包時(shí)，節(jié)點(diǎn)就接收該數(shù)據(jù)包并將自己的梯度值設(shè)定為包內(nèi)所攜帶的梯度值。根據(jù)包內(nèi)的序列數(shù)值可以判斷該包是基站第幾個(gè)時(shí)隙廣播的區(qū)域梯度包；根據(jù)包內(nèi)的梯度值可以知道節(jié)點(diǎn)的梯度大小。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域梯度已經(jīng)建立。
(b)區(qū)域梯度的更新由于移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，其內(nèi)部傳感器節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)移動(dòng)的，因此需要對(duì)建立的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域梯度周期性地更新。當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到其它區(qū)域時(shí)，在下一個(gè)基站廣播周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的梯度值就會(huì)被更新為所在區(qū)域的梯度值，否則，節(jié)點(diǎn)的梯度值保持不變。
(c)路由的建立本協(xié)議屬于按需路由協(xié)議，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)，它會(huì)發(fā)起路由建立過程。在路由建立過程中，節(jié)點(diǎn)尋找下一跳節(jié)點(diǎn)的原則是梯度貪婪選擇和能量感知選擇。一般情況下，節(jié)點(diǎn)利用梯度貪婪選擇算法進(jìn)行下一跳節(jié)點(diǎn)的搜尋，當(dāng)待選節(jié)點(diǎn)大于一個(gè)時(shí)，節(jié)點(diǎn)就啟動(dòng)能量感知選擇算法在待選節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行選擇，上述方式反復(fù)進(jìn)行，直到找到匯聚節(jié)點(diǎn)為止。待路由建立成功后，匯聚節(jié)點(diǎn)通知源節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)。
現(xiàn)對(duì)本協(xié)議和MAID協(xié)議中的節(jié)點(diǎn)信息開銷量進(jìn)行分析比較。
設(shè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域面積為D，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量是N，節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑為r，節(jié)點(diǎn)的平均移動(dòng)速度為v，則 (1)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度ρ為 (2)節(jié)點(diǎn)j在時(shí)間間隔Δt內(nèi)以平均速度v移動(dòng)時(shí)相遇的平均鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)Ni為 (3)節(jié)點(diǎn)i在時(shí)間間隔Δt內(nèi)更新區(qū)域梯度信息的次數(shù)M為 又在路由建立期間，為了減少路由空洞的發(fā)生，取基站廣播時(shí)隙Ts＝r/v，即 (4)在MAID協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)i在時(shí)間間隔Δt內(nèi)平均發(fā)送的信息包NSMAID和平均接收的信息包NRMAID分別為 ① ② (5)在本協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)i在時(shí)間間隔Δt內(nèi)平均發(fā)送的信息包NSRGB和平均接收的信息包NRRGR分別為 ③ ④ 現(xiàn)在計(jì)算NRMAID/NRRGB，將②式和④式代入可得 ⑤ 因?yàn)楸景l(fā)明所涉及的網(wǎng)絡(luò)是稠密傳感器網(wǎng)絡(luò)，所以可分下面兩種情況來討論⑤式 第一種情況是網(wǎng)絡(luò)中的N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)處于最佳覆蓋狀態(tài)，參見圖1。其中矩形的面積S為 S＝Nr·2r＝2r2N N個(gè)節(jié)點(diǎn)所覆蓋的區(qū)域面積S′為 S′＝D 則由圖可得 即⑥ 第二種情況是網(wǎng)絡(luò)中的N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)處于稠密覆蓋狀態(tài)，參見圖2。其中矩形的面積S為 S＝Nr·2r＝2r2N N個(gè)節(jié)點(diǎn)所覆蓋的區(qū)域面積S′為 S′＝D 則由圖可得 即⑦ 綜合上面所分析的兩種情況，由⑥式和⑦式可得到下面的結(jié)論 即⑧ 通過以上分析可知在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)在本協(xié)議中比MAID協(xié)議中接收的信息數(shù)據(jù)包數(shù)量少，而且在本協(xié)議中節(jié)點(diǎn)在梯度建立和更新過程中不廣播信息數(shù)據(jù)包，因此本協(xié)議比MAID協(xié)議的節(jié)點(diǎn)信息開銷小。
本發(fā)明的有益效果是在區(qū)域梯度建立和更新的過程中，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)只是接收來自基站廣播的信息包，鄰節(jié)點(diǎn)之間并不進(jìn)行信息的交換，這樣移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)信息交換量減少，節(jié)點(diǎn)的能量消耗減??；節(jié)點(diǎn)內(nèi)只是儲(chǔ)存自己的梯度值，并不儲(chǔ)存其它節(jié)點(diǎn)的梯度值，節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)存信息量減小，從而增加傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)的信息存儲(chǔ)空間。
圖1是本發(fā)明傳感器節(jié)點(diǎn)處于最佳覆蓋狀態(tài)圖，其中黑色點(diǎn)代表傳感器節(jié)點(diǎn)，N代表傳感器節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，r代表傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑。
圖2是本發(fā)明傳感器節(jié)點(diǎn)處于稠密覆蓋狀態(tài)圖，其中黑色點(diǎn)代表傳感器節(jié)點(diǎn)，N代表傳感器節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，r代表傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑。
圖3是本發(fā)明發(fā)射基站周期廣播區(qū)域梯度信息示意圖，其中黑色點(diǎn)代表傳感器節(jié)點(diǎn)，灰色點(diǎn)代表匯聚節(jié)點(diǎn)，a和b分別代表網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的長度和寬度，R1～R6代表發(fā)射基站不同的廣播半徑。
圖4是本發(fā)明在廣播信道中基站發(fā)射功率隨時(shí)間變化曲線圖，其中tb代表發(fā)射基站廣播一次區(qū)域梯度包所用的時(shí)間，Ts代表基站的一個(gè)廣播周期(時(shí)隙)時(shí)間，Tb代表廣播一輪區(qū)域梯度包所用的時(shí)間。
圖5和圖6是本發(fā)明節(jié)點(diǎn)區(qū)域梯度值更新示意圖，其中字母A、B和C代表不同的虛擬區(qū)域，字母a、b和c代表傳感器節(jié)點(diǎn)編號(hào)，字母m、n和k代表傳感器節(jié)點(diǎn)的梯度值。
圖7、圖8和圖9是本發(fā)明路由梯度貪婪選擇示意圖，其中灰色點(diǎn)代表源節(jié)點(diǎn)，其它傳感器節(jié)點(diǎn)為其鄰居節(jié)點(diǎn)，字母d、f、g、h和j代表傳感器節(jié)點(diǎn)編號(hào)。
圖10、圖11和圖12是本發(fā)明路由能量感知選擇示意圖，其中灰色點(diǎn)代表源節(jié)點(diǎn)，其它傳感器節(jié)點(diǎn)為其鄰居節(jié)點(diǎn)，字母x、y、z、u、v和w代表傳感器節(jié)點(diǎn)編號(hào)，ē代表傳感器節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前剩余能量值。
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。
具體實(shí)施如下本協(xié)議為了避免區(qū)域梯度信息信號(hào)和數(shù)據(jù)通信的沖突，傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用廣播與數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)分離信道。其中廣播信道是基站用來向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)廣播區(qū)域信息；數(shù)據(jù)傳輸信道是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)之間用來相互通信。本協(xié)議由以下三部分組成 (a)區(qū)域梯度的建立在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被部署之后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)處于初始狀態(tài)，基站與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間的同步。接著基站就周期性地通過廣播信道向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)廣播區(qū)域梯度信息，廣播半徑Rt是隨時(shí)間變化的遞增序列，即Ri＝ir，其中i＝{1，2，3...m}，r為傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑。參見圖3，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍為一矩形，其邊長為a和b，為使基站廣播半徑達(dá)到全網(wǎng)覆蓋，要求基站最大廣播半徑Rm大于網(wǎng)絡(luò)邊緣兩點(diǎn)之間的最長距離L，又矩形中最長兩點(diǎn)距離線段是對(duì)角線，即且
則
其中
表示對(duì)
向上取整。
其中區(qū)域梯度包的通信格式為 報(bào)文頭包括信息驗(yàn)證碼，用于降低傳碼率。
廣播標(biāo)志是該數(shù)據(jù)包的標(biāo)識(shí)號(hào)。
序列數(shù)是區(qū)分不同的廣播時(shí)隙。若基站兩次以同樣的發(fā)射半徑廣播區(qū)域梯度包，則稱這個(gè)時(shí)間間隔為一個(gè)廣播周期，即一個(gè)廣播時(shí)隙。
梯度值是為每個(gè)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分配到基站的相對(duì)距離值。
參見圖4，在廣播信道中，基站廣播一次區(qū)域梯度包所用的時(shí)間為tb，則其廣播一輪區(qū)域梯度包所用的時(shí)間為mtb，即Tb＝mtb，其中m是基站在一輪廣播中的廣播次數(shù)，也就是廣播半徑的個(gè)數(shù)；基站的一個(gè)廣播周期(時(shí)隙)時(shí)間為Ts，當(dāng)一個(gè)廣播時(shí)隙開始時(shí)，基站就開始以遞增廣播半徑的方式向網(wǎng)絡(luò)廣播區(qū)域梯度包，直到這一輪廣播結(jié)束。
網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)在一個(gè)廣播時(shí)隙開始后，就開始偵聽廣播信道和數(shù)據(jù)傳輸信道。在廣播信道中，當(dāng)?shù)谝淮蝹陕牭交緩V播的區(qū)域梯度包時(shí)，節(jié)點(diǎn)就接收該數(shù)據(jù)包并將自己的梯度值設(shè)定為包內(nèi)所攜帶的梯度值。根據(jù)包內(nèi)的序列數(shù)值可以判斷該包是基站第幾個(gè)時(shí)隙廣播的區(qū)域梯度包；根據(jù)包內(nèi)的梯度值可以知道節(jié)點(diǎn)的梯度大小。在本時(shí)隙內(nèi)，節(jié)點(diǎn)接收到區(qū)域梯度包后就關(guān)閉廣播信道，繼續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸信道進(jìn)行偵聽，直到Tb時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域梯度已經(jīng)建立。
(b)區(qū)域梯度的更新由于移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，其內(nèi)部傳感器節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)移動(dòng)的，因此需要對(duì)建立的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域梯度周期性地更新。當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到別的區(qū)域時(shí)，節(jié)點(diǎn)的梯度值就會(huì)被更新為該區(qū)域的梯度值，否則，節(jié)點(diǎn)的梯度值保持不變。參見圖5和圖6，網(wǎng)絡(luò)分為三個(gè)虛擬區(qū)域，即A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)，其中A區(qū)的區(qū)域梯度值為m；B區(qū)的區(qū)域梯度值為n；C區(qū)的區(qū)域梯度值為k。圖5中，在t0時(shí)刻，A區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)a向B區(qū)運(yùn)動(dòng)，B區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)c在本區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)，C區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)b也向B區(qū)運(yùn)動(dòng)；圖6中，在t1時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)a、節(jié)點(diǎn)b和節(jié)點(diǎn)c均處于B區(qū)內(nèi)，當(dāng)基站在下一輪廣播區(qū)域梯度包時(shí)，節(jié)點(diǎn)a的區(qū)域梯度值m被更新為n，節(jié)點(diǎn)b的區(qū)域梯度值k也被更新為n，而節(jié)點(diǎn)c的區(qū)域梯度值保持不變，仍為n，以上說明了當(dāng)節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生改變后，節(jié)點(diǎn)區(qū)域梯度值更新的過程。
(c)路由的建立本協(xié)議屬于按需路由協(xié)議，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)，它會(huì)發(fā)起路由建立過程。在路由建立過程中，節(jié)點(diǎn)尋找下一跳節(jié)點(diǎn)的原則是梯度貪婪[8]選擇和能量感知選擇。一般情況下，節(jié)點(diǎn)利用梯度貪婪選擇算法進(jìn)行下一跳節(jié)點(diǎn)的搜尋，當(dāng)待選節(jié)點(diǎn)大于一個(gè)時(shí)，節(jié)點(diǎn)就啟動(dòng)能量感知選擇算法在待選節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行選擇，依據(jù)上述方式，直到找到匯聚節(jié)點(diǎn)為止，這樣從源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的信息路徑已經(jīng)建立完畢。
下面介紹路由選擇的梯度貪婪選擇算法和能量感知選擇算法。
梯度貪婪選擇算法通過基站周期廣播區(qū)域梯度信息包，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)已被分配了梯度值，它就可以根據(jù)梯度貪婪選擇算法來選擇下一跳節(jié)點(diǎn)。參見圖7、圖8和圖9，節(jié)點(diǎn)上的數(shù)字代表其梯度值，圖7中源節(jié)點(diǎn)d有數(shù)據(jù)需要發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，它向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播路由請(qǐng)求包(REQ)發(fā)起路由請(qǐng)求，鄰居節(jié)點(diǎn)h、j、f和g均收到了節(jié)點(diǎn)d的路由請(qǐng)求包(REQ)；圖8中鄰居節(jié)點(diǎn)h、j、f和g通過把自身的梯度值(Gh、Gj、Gf和Gg)與節(jié)點(diǎn)d的梯度值(Gd)進(jìn)行匹配比較，得到Gj、Gf和Gg均不大于Gd，但Gh大于Gd，因此鄰居節(jié)點(diǎn)j、f和g符合待選節(jié)點(diǎn)的條件，它們分別向節(jié)點(diǎn)d回答一個(gè)路由響應(yīng)包(RES)，而鄰居節(jié)點(diǎn)h在得知自己不符合待選條件就進(jìn)入睡眠狀態(tài)；圖9中節(jié)點(diǎn)x收到鄰居節(jié)點(diǎn)j、f和g發(fā)送的路由響應(yīng)包(RES)后，將Gj、Gf和Gg進(jìn)行比較，得到Gj最小，然后它就選擇鄰居節(jié)點(diǎn)j作為下一跳節(jié)點(diǎn)，向節(jié)點(diǎn)j發(fā)送一個(gè)路由確認(rèn)包(ACK)進(jìn)行確認(rèn)，此時(shí)，從節(jié)點(diǎn)d到節(jié)點(diǎn)j的路由已建立。
能量感知選擇算法在利用梯度貪婪選擇算法進(jìn)行下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇時(shí)，如果待選的節(jié)點(diǎn)不止一個(gè)時(shí)，這時(shí)路由發(fā)起節(jié)點(diǎn)就啟動(dòng)能量感知選擇算法，在待選節(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)剩余能量最多的節(jié)點(diǎn)作為其下一跳節(jié)點(diǎn)。參見圖10、圖11和圖12，節(jié)點(diǎn)上的數(shù)字代表其梯度值，ē是節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前剩余能量值，圖10中源節(jié)點(diǎn)x向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播路由請(qǐng)求包(REQ)發(fā)起路由請(qǐng)求，鄰居節(jié)點(diǎn)u、v、w、y和z均收到了節(jié)點(diǎn)x的路由請(qǐng)求包(REQ)；圖11中鄰居節(jié)點(diǎn)u、v、w、y和z通過把自身的梯度值(Gu、Gv、Gw、Gy和Gz)與節(jié)點(diǎn)x的梯度值(Gx)進(jìn)行匹配比較，得到Gv、Gw、Gy和Gz均不大于Gx，但Gu大于Gx，因此鄰居節(jié)點(diǎn)v、w、y和z符合待選節(jié)點(diǎn)的條件，它們分別向節(jié)點(diǎn)x回答一個(gè)路由響應(yīng)包(RES)，其中包內(nèi)信息包含本節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前剩余能量值ē，鄰居節(jié)點(diǎn)u在得知自己不符合待選條件就進(jìn)入睡眠狀態(tài)；圖12中節(jié)點(diǎn)x收到鄰居節(jié)點(diǎn)v、w、y和z發(fā)送的路由響應(yīng)包(RES)后，將Gv、Gw、Gy和Gz進(jìn)行比較，得到Gy和Gz最小，然后它就比較節(jié)點(diǎn)y和z的剩余能量值ē，其中ēz＞ēy，最后節(jié)點(diǎn)x選擇鄰居節(jié)點(diǎn)z作為下一跳節(jié)點(diǎn)，向節(jié)點(diǎn)z發(fā)送一個(gè)路由確認(rèn)包(ACK)進(jìn)行確認(rèn)。待路由建立成功后，匯聚節(jié)點(diǎn)通知源節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種基于區(qū)域梯度更新的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法，其特征在于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由發(fā)射基站、傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)組成；傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用廣播信道與數(shù)據(jù)傳輸信道兩個(gè)分離信道；(a)由發(fā)射基站發(fā)起區(qū)域梯度建立，為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)唯一標(biāo)識(shí)號(hào)(ID)，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被部署之后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)處于初始狀態(tài)，基站與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間的同步，接著基站就周期性地通過廣播信道向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)廣播區(qū)域梯度信息，其廣播半徑Ri是遞增序列，即Ri＝ir，其中i＝{1，2，3...m}，r為傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)在一個(gè)廣播時(shí)隙開始后，就開始偵聽廣播信道與數(shù)據(jù)傳輸信道，在廣播信道中，當(dāng)?shù)谝淮蝹陕牭交緩V播的區(qū)域梯度包時(shí)，節(jié)點(diǎn)就接收該數(shù)據(jù)包并將自己的梯度值設(shè)定為包內(nèi)所攜帶的梯度值，根據(jù)包內(nèi)的序列數(shù)值判斷該包是基站第幾個(gè)時(shí)隙廣播的區(qū)域梯度包，根據(jù)包內(nèi)的梯度值知道節(jié)點(diǎn)的梯度大小，此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域梯度已經(jīng)建立；(b)區(qū)域梯度的更新當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到其它區(qū)域時(shí)，在下一個(gè)基站廣播周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的梯度值就會(huì)被更新為所在區(qū)域的梯度值，否則，節(jié)點(diǎn)的梯度值保持不變；(c)路由的建立當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)，它會(huì)發(fā)起路由建立過程，在路由建立過程中，節(jié)點(diǎn)尋找下一跳節(jié)點(diǎn)的原則是梯度貪婪選擇和能量感知選擇，節(jié)點(diǎn)利用梯度貪婪選擇算法進(jìn)行下一跳節(jié)點(diǎn)的搜尋，當(dāng)待選節(jié)點(diǎn)大于一個(gè)時(shí)，節(jié)點(diǎn)就啟動(dòng)能量感知選擇算法在待選節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行選擇，上述方式反復(fù)進(jìn)行，直到找到匯聚節(jié)點(diǎn)為止。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于區(qū)域梯度更新的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法。本發(fā)明有利于我國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)我國環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、自然災(zāi)害應(yīng)急處理、科學(xué)考察和探險(xiǎn)、智能家居、城市交通、大型車庫和倉庫管理，以及機(jī)場(chǎng)、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域?qū)⑵鸬弥匾淖饔?。主要解決現(xiàn)有技術(shù)協(xié)議能量開銷比較大，占用儲(chǔ)存空間多的問題。該方法是由基站發(fā)起建立區(qū)域梯度并進(jìn)行周期性區(qū)域梯度更新，并使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)要向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由源節(jié)點(diǎn)發(fā)起，建立一條通向匯聚節(jié)點(diǎn)的鏈路，從而完成數(shù)據(jù)傳輸?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)，增加無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用壽命，節(jié)約傳感器存儲(chǔ)空間。
文檔編號(hào)H04L12/56GK101159689SQ20071017702
公開日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月8日
發(fā)明者周賢偉, 王建萍, 楊雙仕, 王麗娜, 楊裕亮, 揚(yáng) 楊 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)