CN102695237A - 一种支持随机移动的移动传感网路由方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种支持随机移动的移动传感网路由方法，采用分簇的路由算法，簇头选出后就不再改变。各节点通过GPS确定自己的位置，通过监测半径，计算出自己的感知范围，将感知范围内重叠的节点确定为备用簇头节点，当簇头节点能量减少到预先设定的阀值时，簇头节点发送消息通知备用簇头节点来代替簇头节点工作，稳定传输阶段采用开放最短路径协议协议，可以有效地负载均衡。移动节点进入移动传感网的感知区域，洪泛发送自己的地理位置、移动速度和移动方向信息，根据簇头计算的分数值决定加入哪个簇。
Description
技术领域
本发明是一种支持随机移动节点的节能的无线传感网络解决方案。主要用于解决无线传感网中处理个别节点移动和节能的问题，属于计算机网络、无线传感器网络和嵌入式的交叉技术领域。
背景技术
传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等的发展，使得带有无线通信能力、计算能力、存储能力和电池电源的无线传感器节点变得越来越廉价。无线传感器网络被广泛配置在各种不同级别的应用中，如医疗监护、农作物土壤监测、边境保护、航海航空探索、战场和敌方环境侦察以及各种各样的培训和监视应用，如紧急预备和响应。无线传感器网络成为当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。
在传统的无线传感器网络的研究和应用中，传感器节点是保持不动的，如森林火险监测和农作物土壤环境监测，只需要将传感器节点静态地分布在感知区域，但是在很多情况下，传感器节点是需要移动的。导致节点移动的原因有很多，如受环境影响(如在风或者水的环境中)、部署区域内有可移动的平台(如目标跟踪中的机器人、战场侦察中的士兵)或者在无线传感器网络结构设计中使用移动设备(如飞机和车辆)。由于移动，传感器节点在最初的部署之后可能要改变它们的位置，节点的移动导致原来的网络连接断裂、路由中断、数据信息不能正常收集和传送。传感器节点的移动使得需要设计新的路由协议来适应网络拓扑结构的改变。
本发明中移动传感器网由分散的移动节点和部分静态节点组成,移动节点除了具有传统节点的传感、计算和通信能力外,还具有一定的机动能力。
对于一些危险场合和动态环境对象,如灾难现场紧急救援、建筑物内危险品泄漏等,传统的无线传感器网络部署方法实现起来将十分困难甚至失效,而移动传感器网络的机动能力使问题迎刃而解。
网络层路由协议是无线传感器网络的一种关键的支撑技术,路由协议的优劣直接影响到网络的性能。移动传感器网络的特点使得移动传感器网络的路由协议既不同于传统网络的路由协议,也与应用于传统静态无线传感器网络的网络协议以及应用于移动Ad hoc网的协议存在差别。传统网络路由协议设计主要是避免网络拥塞、保持网络的连通性和高质量的网络服务,静态无线传感器网络路由没有考虑节点的移动性,而移动Ad hoc网的协议所支持的节点不存在能量的限制。相对于已经广泛应用的传统静态传感器网络,移动传感器网络近年来才引起人们的广泛关注。节点移动使移动传感器网络路由算法的设计变得非常复杂,一方面要频繁更新路径以适应节点移动的需要,另一方面又要设法降低占空比,最大化电池寿命,这两个要求之间是相互矛盾的。
发明内容
技术问题：本发明的目的是解决移动传感网中移动节点和延长网络生存时间的问题，构建一个移动传感器网络模型，利用改进的分簇路由算法和GPS定位使移动节点稳定的传输信息和延长网络的生存时间。
技术方案：本发明的方法是一种改进性和综合性的方法，综合了分簇的路由协议和GPS定位功能，在移动传感器网中移动节点的移动速度限定在缓慢的移动状态。通过对路由协议的改进保证传输数据的稳定。
一、体系结构
移动无线传感网体系结构由两部分组成，一个部分是位置不变的静止节点组成的网络拓扑结构，另一部分是单个或部分的移动节点。
1. 静止节点的拓扑结构
移动无线传感网是由位置不变的静止节点组成的拓扑结构为中心，网路中的各节点负责消息的采集以及消息的分组转发；移动节点根据簇头对移动节点计算出的分数值，决定加入哪个簇。
2.移动节点
移动节点由一个移动的信息采集节点和部分可移动的备用簇头节点组成，
移动的信息采集节点负责信息的采集并通过合适的簇头将信息传到基站。当某个簇头节点电量不足时，可移动的备用簇头节点就移动到该簇头位置，代替该簇头工作。
二、方法流程
1.利用改进的分簇路由算法形成静态的网络拓扑结构
（1）选择簇头
簇头节点的选择依据网络中所需要的簇头节点总数，具体的选择办法是：每个移动传感网节点随机选择0-1之间的一个值。如果选定的值小于某一个阀值，那么这个节点成为簇头节点。簇头一旦选定就不再改变。
（2）簇建立
选定簇头节点后，通过广播告知整个网络。网络中的其他节点根据接收信息的信号强度决定从属哪个簇，并通知相应的簇头节点，完成簇的建立。
（3）稳定传输
稳定阶段，簇头节点采用时分复用方式为簇中每个节点分配向其传递数据的时间点。采用开放最短路径协议，利用该协议传感网节点将采集的数据传送到簇头节点。簇头节点对簇中所有节点所采集的数据进行信息融合后再传送给汇聚节点。
所述开放最短路径优先协议是一种采用链路状态协议的算法，每个路由器维护一个相同的链路状态数据库，保存整个自治区域的拓扑结构。一旦每个路由器有了完整的链路状态数据库，该路由器以自己为根，构造最短路径树，然后再根据最短路径构造路由表。对于大型网络，最短路径优先将整个自治区域划分为若干个区域，区域内的路由器维护一个相同的链路状态数据库，保存该区域的拓扑结构。最短路径优先路由器相互间交换链路状态信息。
2.确定各个簇内的备用簇头节点
移动传感网中的各个节点通过GPS方式获得自己的地理位置，每个节点都有一个检测半径和感知区域，如果某个节点的感知区域和另一个节点的感知区域重合或几个节点的感知区域覆盖了某个节点的感知区域，就认定该节点为备用簇头节点。该备用簇头节点向该簇的簇头发送消息通知簇头自己为备用簇头节点，并将自己的地理位置通知簇头节点。
3. 移动节点采集传输消息
进入移动传感网检测区域的移动节点，根据GPS确定自己的地理位置，将 自己的地理位置、移动速度、移动方向和申请加入簇的信息打包成消息，用洪泛的方法不断地将此消息发送出去，各个簇头节点根据收到的移动节点的地理位置信息、移动速度和移动方向等信息计算出一个分数值发送给该移动节点，分数值越大说明该簇越适合该移动节点，移动节点根据收到的分数值进行比较。 选出最适合的簇加入，并给此移动节点发送确认消息。移动节点加入簇就可以发送采集的消息了。每次发送完消息，簇头就将此移动节点的路由删除，移动节点要想再次发送数据需再次发送申请加入簇的消息，重复以上过程。
4. 备用簇头节点代替簇头节点
当簇头节点的能量达到预先设定的阀值时，簇头节点根据各个备用簇头节点的位置信息确定由哪个备用簇头节点来替代自己工作，并向该备用簇头节点发送消息，此时该备用簇头节点被唤醒，并根据接收的簇头的地理位置消息移动到该簇头位置。此时该簇头将自己的全部路由信息传送给该备用簇头节点，该备用簇头节点就开始替代原簇头节点工作。
本发明的支持随机移动的移动传感网路由方法所包含的步骤为：
步骤1）. 利用分簇路由算法选择簇头，簇头节点的选择依据网络中所需要的簇头节点总数，具体的选择办法是：每个移动传感网节点随机选择0-1之间的一个值，如果选定的值小于某一个阀值，那么这个节点成为簇头节点；选择出簇头后，簇头将自己当选簇头的消息广播出去，簇头一旦选出就不再改变；
步骤2）.网络中的其他节点根据接收信息的信号强度决定从属的簇，并通知相应的簇头节点，完成簇的建立；
步骤3）.在网络稳定传输数据阶段，簇头节点采用时分复用方式，为簇中每个节点分配向其传递数据的时间点，网络中的节点采用开放最短路径优先协议传输采集的数据；
步骤4）.网络中的各节点通过GPS确定自己的地理位置，每个节点都有一个检测半径和感知区域，某个节点的感知区域与其他节点的感知区域重叠，就认定该节点为备用簇头节点，该节点就进入休眠状态，等待簇头节点的唤醒；
步骤5）. 移动节点进入移动传感网感知区域后，用洪泛的方法(此方法为一种路由算法，算法不要求维护网络的拓扑结构和相关的路由计算，仅要求节点以广播方式转发数据包。)广播自己的地理位置、移动速度和移动方向信息；收到消息的簇头节点根据收到的信息计算出一个分数值，并发送给该移动节点；
步骤6）. 移动节点根据收到的分数值选择一个分数值最高的簇头，再次向其发送申请加入簇的消息，然后该移动节点就将采集到的信息通过该簇头节点发送给基站；
步骤7）. 当簇头节点电量达到预先设定的阀值时，簇头节点根据该簇内各个备用簇头节点的位置确定第一备用簇头节点并向其发送消息，唤醒备用簇头节点，备用簇头节点根据簇头节点的位置，移动到簇头节点的位置；
步骤8）. 簇头节点将自己的全部路由信息发送给备用簇头节点，备用簇头节点就开始替代原簇头节点工作。
所述网络在稳定传输数据阶段采用了开放最短路径协议协议，可根据网络用户的要求来平衡费用和性能，以选择相应的路由。
所述网络中的各节点通过GPS确定自己的地理位置，根据每个节点的地理位置、监测半径和感知区域，计算出备用簇头节点。备用簇头节点先进入休眠状态。等待簇头节点的唤醒，当簇头节点剩余能量到达预先设定的阀值时就唤醒备用簇头节点，备用簇头节点移动到簇头节点位置替代原簇头节点工作。
所述移动节点广播自己的地理位置、移动速度和移动方向信息，簇头节点根据自己的感知区域计算出一个分数值会送给移动节点，移动节点根据收到的分数值，选择最合适的簇加入。
有益效果： 本发明方法提出了解决移动传感网中移动节点传送消息和延长网络生存时间的方法。通过使用本发明提出的方法可以避免传统的分簇方法因频繁的选择簇头而占用带宽和消耗能量的不足，可以有效延长网络的生存时间，并且可以通过对移动节点各种信息的分析，让移动节点加入适合的簇，达到支持移动节点的目的。下面给出具体的说明。
1. 节能的分簇路由方法
在本发明方法中，这种基于分簇路由协议，继承了分簇协议的优点，减少与基站直接通信的节点数目,并通过数据聚合技术减少通信能量的损耗，聚类首领利用数据聚合技术将多个信号聚合为一个有效的信号，使得通信量大大降低，也极大地减少了能量的消耗。与直接通信方式相比，分簇的网络生命周期可延长4-8倍，本发明的分簇路由协议，有助于减少因频繁选举簇头和节点发送加入簇的消息而占用带宽和消耗能量。无线传感器网络的拓扑结构一旦形成，簇头就不再变化，就不再进行频繁的选举簇头和节点加入簇的过程。在具体的工作过程中，网络中的节点只发送需要采集的信息，而不频繁发送簇的信息，有
助于整个网络的能量和带宽得到充分的利用。
2.采用最短路径的路由协议
在稳定传输阶段，网络采用最短路径优先协议，相对于其它协议，最短路
径优先协议有许多优点。最短路径优先协议支持各种不同鉴别机制（如简单口令验证，加密验证等），并且允许各个***或区域采用互不相同的鉴别机制；提供负载均衡功能，如果计算出到某个目的站有若干条费用相同的路由，采用最短路径优先协议的节点把通信流量均匀地分配给这几条路由，沿这几条路由把该分组发送出去；在一个自治***内可划分出若干个区域，每个区域根据自己的拓扑结构计算最短路径，这减少了最短路径优先协议路由实现的工作量；最短路径优先协议属动态的自适应协议，对于网络的拓扑结构变化可以迅速地做出反应，进行相应调整，提供短的收敛期，使路由表尽快稳定化，并且与其它路由协议相比，最短路径优先协议在对网络拓扑变化的处理过程中仅需要最少的通信流量；最短路径优先协议提供点到多点接口，支持无类型域间路由地址。该协议只有在网络发生变化时才广播自己的路由，比较试用于这种很少或有一个移动节点的网络。
3.延长网络生存时间
在本发明方法中，利用GPS技术和节点移动技术，可以准确定位各个节点的位置，当簇头节点的能量不足时，备用节点可以根据簇头节点的地理位置，移动到簇头节点位置，达到进一步延长网络生存时间的目的。
4. 支持移动节点
普通的分簇协议都没有考虑移动节点的问题，但在实际的无线传感网应用中节点的移动又是不可避免的，如受环境影响(如在风或者水的环境中)、部署区域内有可移动的平台(如目标跟踪中的机器人、战场侦察中的士兵)或者在无线传感网结构设计中使用移动设备(如飞机和车辆)。由于移动，传感器节点在最初的部署之后可能要改变它们的位置，节点的移动导致原来的网络连接断裂、路由中断、数据信息不能正常收集和传送。在本发明中，各个簇头节点按照移动节点的位置、移动速度、移动方向等信息，计算出一个分数值发送给该移动各节点，移动节点根据收到的分数值，选择分数最大的簇加入，解决了由于检测需要和外部环境造成的节点移动问题，有助于无线传感器网络更适应实际监测的需要。
附图说明
图1是静态的移动传感网体系结构示意图。
图2是移动节点加入无线传感网及其与簇头交互示意图。
图3是备用簇头节点替代簇头节点示意图。
具体实施方式
本发明是一种支持移动节点的、能够有效延长移动传感网生存时间的方法，本发明的移动节点的模型为移动速度极为缓慢的节点，同时移动节点的能量认为足够用。
下面根据附图和实施例对本发明作更详细的描述。
如图1所示，首先向需要检测的区域撒下一些可以移动的节点。各节点通过GPS获得自己的地理位置信息。并建立起移动传感器网络。
1．撒下的节点组成分簇的网络
（1）选择簇头
每个传感器节点随机选择0-1之间的一个值。如果选定的值小于某一个阀值，这个节点成为簇头节点。簇头节点一旦选定就不再更改。
（2）建立簇
选定簇头节点后，通过广播告知整个网络。网络中的其他节点根据接收信息的信号强度决定从属的簇，并通知相应的簇头节点，各节点把自己的地理位置等信息一并传给簇头节点，完成簇的建立。
（3）稳定传输
稳定阶段中，簇头节点采用时分复用方式为簇中每个节点分配向其传递数据的时间点。采用开放最短路径协议协议,计算出两个网络结点之间的最短路径和计算通信费用。也可根据网络用户的要求来平衡费用和性能，以选择相应的路由。寻径时，该节点以自己为根，构造最短路径树，根据最短路径构造路由表。节点彼此交换，并保存整个网络的链路信息，从而掌握全网的拓扑结构，并独立计算路由。利用该协议传感器节点将采集的数据传送到簇头节点。然后簇头节点对簇中所有节点所采集的数据进行信息融合后再传送给汇聚节点。
2.确定各个簇内的备用簇头节点
网络中的各个节点已通过GPS方式获得自己的地理位置，如图1所示每
个节点都有一个检测半径和感知区域，如果某个节点的感知区域和另一个节点
的感知区域重合或几个节点的感知区域覆盖了某个节点的感知区域，则认定该节点为该簇备用簇头节点。然后备用簇头节点向该簇的簇头节点发送消息通知簇头节点该节点为备用簇头节点。
3.移动节点加入簇
如图2所示根据需要进入移动传感器网络监测区域的移动节点，寻找到适合的簇加入，就可以通过簇头节点将采集的信息发送给汇聚节点。
（1）移动节点进入检测区域
根据检测需要进入移动传感网检测区域的移动节点，根据GPS确定自己的地理位置，将自己的地理位置信息、移动速度、移动方向和申请加入簇的消息打包成消息，然后用洪泛的方法不断地将此消息发送出去，各个簇头节点根据收到的移动节点的地理位置、移动速度和移动方向等信息计算出一个分数值。
（2）移动节点加入簇
各个簇头节点将该分数值发送回该移动节点，分数值越大说明该簇越适合该移动节点，移动节点根据收到的值进行比较选择分数值最大的簇加入。
（3）传输消息
移动节点加入簇就可以发送采集的信息。每次发送完信息，簇头节点要将此移动节点的路由删除，移动节点要想再次发送消息需要再次发送申请加入簇的消息，重复以上过程。
3.备用簇头节点替代簇头节点
由于簇头节点不断的转发消息，消耗能量比普通节点要快的多，当能量不足时，如图3所示，通知备用簇头节点来代替簇头节点来延长网络的工作时间。
（1）找出合适的备用簇头节点
在网络开始工作时给簇头节点设定个剩余能量的阀值，当簇头节点能量不断减少到这个阀值时，簇头节点根据各个备用簇头节点的位置信息确定出最合适的备用簇头节点作为第一备用簇头节点。
（2）备用簇头代替原簇头节点工作
簇头节点向第一备用簇头节点发送消息，第一备用簇头节点被唤醒，并根据收到的簇头节点的地理位置消息移动到该簇头节点位置。原簇头将自己的全
部路由信息发送给该备用簇头节点，该备用簇头节点代替簇头节点工作。
Claims (4)
1.一种支持随机移动的移动传感网路由方法，其特征在于该方法所包含的步骤为：
步骤1）. 利用分簇路由算法选择簇头，簇头节点的选择依据网络中所需要的簇头节点总数，具体的选择办法是：每个移动传感网节点随机选择0-1之间的一个值，如果选定的值小于某一个阀值，那么这个节点成为簇头节点；选择出簇头后，簇头将自己当选簇头的消息广播出去，簇头一旦选出就不再改变；
步骤2）.网络中的其他节点根据接收信息的信号强度决定从属的簇，并通知相应的簇头节点，完成簇的建立；
步骤3）.在网络稳定传输数据阶段，簇头节点采用时分复用方式，为簇中每个节点分配向其传递数据的时间点，网络中的节点采用开放最短路径优先协议传输采集的数据；
步骤4）.网络中的各节点通过GPS确定自己的地理位置，每个节点都有一个检测半径和感知区域，某个节点的感知区域与其他节点的感知区域重叠，就认定该节点为备用簇头节点，该节点就进入休眠状态，等待簇头节点的唤醒；
步骤5）. 移动节点进入移动传感网感知区域后，用洪泛的方法广播自己的地理位置、移动速度和移动方向信息；收到消息的簇头节点根据收到的信息计算出一个分数值，并发送给该移动节点；
步骤6）. 移动节点根据收到的分数值选择一个分数值最高的簇头，再次向其发送申请加入簇的消息，然后该移动节点就将采集到的信息通过该簇头节点发送给基站；
步骤7）. 当簇头节点电量达到预先设定的阀值时，簇头节点根据该簇内各个备用簇头节点的位置确定第一备用簇头节点并向其发送消息，唤醒备用簇头节点，备用簇头节点根据簇头节点的位置，移动到簇头节点的位置；
步骤8）. 簇头节点将自己的全部路由信息发送给备用簇头节点，备用簇头节点就开始替代原簇头节点工作。
2.如权利要求1所述的一种支持随机移动的移动传感网路由方法，其特征在于所述网络在稳定传输数据阶段采用了开放最短路径协议协议，可根据网络用户的要求来平衡费用和性能，以选择相应的路由。
3.如权利要求1所述的一种支持随机移动的移动传感网路由方法，其特征在于所述网络中的各节点通过GPS确定自己的地理位置，根据每个节点的地理位置、监测半径和感知区域，计算出备用簇头节点；
备用簇头节点先进入休眠状态；
等待簇头节点的唤醒，当簇头节点剩余能量到达预先设定的阀值时就唤醒备用簇头节点，备用簇头节点移动到簇头节点位置替代原簇头节点工作。
4.如权利要求1所述的一种支持随机移动的移动传感网路由方法，其特征在于所述移动节点广播自己的地理位置、移动速度和移动方向信息，簇头节点根据自己的感知区域计算出一个分数值会送给移动节点，移动节点根据收到的分数值，选择最合适的簇加入。
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