CN103491612B - 一种传感器网络中移动Sink节点位置信息获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器网络中移动Sink节点位置信息获取方法，属于无线传感网络的路由技术领域，通过设置代理位置服务器和临时位置服务器的方法来降低路由更新负载和路由请求负载。本发明的方法在保证通信实时性和准确性的前提下，能够极大地减小位置更新负载，亦即降低了整个传感网络的总负载，降低边界节点的能量消耗，延长了传感器网络寿命。

Description

一种传感器网络中移动Sink节点位置信息获取方法

技术领域

本发明属于无线传感网络技术领域，涉及无线传感网络的路由技术，具体涉及一种传感器网络中移动Sink节点位置信息获取方法。

背景技术

无线传感网(WirelessSensorNetworks，WSN)的典型工作方式为：大量的传感器节点部署在监测区域周围，传感器节点通过自组织的方式迅速的构建成一个网络***。如图1所示，在传感器网络中，每个传感器节点(Sensornode)将采集的探测信息通过接力传输的方式发送到汇聚节点(Sinknode)，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

无线传感网络的路由技术一直都是业界的研究热点，而基于地理位置信息路由算法因为协议简单，可扩展性好，具有很高的鲁棒性等特点，在近些年应用得越来越多。该路由技术中节点通过GPS或者其他定位方法来获取自身位置信息，通过交互的方式获得各自无线通信半径范围内节点的地理位置信息。当源节点向目的Sink节点传输数据时，将目的Sink节点的位置信息封装在数据包中，当前节点根据目的节点的地理位置信息选择邻居节点当中距离Sink节点最近的节点作为下一跳，直至将数据包传输到Sink节点。基于地理位置路由协议的基本原理是利用Sink节点的位置信息来实现下一跳的路由选择，因此源节点在向Sink节点发送数据之前必须预先获取目的Sink节点的位置信息。当前国内外关于Sink节点位置获取主要有三种典型算法XYLS，SLURP，和GLS算法。XYLS算法通过目的Sink节点向南北方向发送位置声明数据包，源节点向东西方向发送位置请求数据包。通过此“中间人”节点，源节点获取到目的节点的位置信息。但是当Sink节点频繁更换位置时，请求信息必须通过边界节点的反复转发才能获取，严重影响了边界节点的能量消耗，缩短了网络寿命。SLURP算法将网络划分为网格，并将目的Sink节点映射到某一个固定网格，该网格中的节点都存放Sink节点的信息。因此Sink节点移动到源节点附近时，源节点可能还是需要去离自己很远的区域位置服务区请求位置信息。GLS算法将网络区域划分为许多小方形网格，然后将网格组织成树型的网格结构。一级级的向上层请求位置信息。但是当节点移动的时候位置更新开销较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种传感器网络中移动Sink节点位置信息获取方法，在保证通信实时性和准确性的前提下，减少由于节点移动造成的位置更新负担，减少节点位置信息请求路径，降低边界节点的能量消耗，延长传感器网络寿命。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种传感器网络中移动Sink节点位置信息获取方法，该方法为：

1)将整个传感器网络划分为若干个基本的单元网格，每一个单元网络即一级网格；用K×K个一级网格组织成二级网格；所述一级网格边长取值范围为20～50m；所述二级网格边长取值范围为1/3～1/4倍传感器网络边长；确定每一个二级网格的ID，并确定各二级网格内的一级网格的局部ID；可以看出，当传感器网络大小确定后，根据上述描述可以确定K的大小。

2)为传感器网络中的每一个目的Sink节点分配一个ID，利用目的Sink节点的ID和静态映射函数，将所述映射目的Sink节点的位置映射到二级网格，然后再映射到该二级网格中的一级网格中，该一级网格即目的Sink节点的位置服务器，同时以目的Sink节点所在的一级网格为代理位置服务器；

3)传感器网络扫描检测传感器网络中节点的位置变化和位置请求信息，当传感器网络中目的Sink节点位置发生改变时，目的Sink节点发送一个位置更新信号，传感器网络检测到位置更新信号时，进入4)；若传感器网络中源节点要通过地理路由发送一个数据包到目的Sink节点，则源节点先请求目的Sink节点的确切的位置信息，然后发出一个位置请求信号，传感器网络检测到位置请求信号时，进入5)；

4)判断目的Sink节点是否移动到代理位置服务器更新范围外，若是，则将目的Sink节点移动后所在的一级网格为新的代理位置服务器，且更新前的代理位置服务器保存新的代理位置服务器的位置信息T时间，位置更新过程结束，进入3)；否则，更新代理位置服务器中目的Sink节点的新位置信息，位置更新过程结束，进入3)；所述代理位置服务器更新范围是指以所述代理位置服务所在的一级网格为中心，边长为1～1.5倍一级网格边长的正方形区域；

5)源节点向临时位置服务器请求目的Sink节点的新位置信息；

6)以源节点所在的二级网格中的一个一级网格为临时位置服务器，所述临时位置服务器对应的一级网格的局部ID与所述位置服务器对应的一级网格的局部ID相同，且所述临时位置服务器的有效期为T，临时位置服务器向位置服务器请求目的Sink节点的新的代理位置服务器的位置信息，并保存T时间；临时位置服务器并不会在网络中一直存在，只有当其所在的二级网格中有位置请求时，临时位置服务器才会被建立，并且其有一个有效期T。建立临时位置服务器时，临时位置服务器会向位置服务器请求新的目的Sink节点的新代理位置服务器信息，并保存T时间。在T时间内当其所在二级网格内有位置请求时，只需直接向临时位置服务器请求，就可以得到代理位置服务器的信息，如果超过T其所在二级网格内有位置请求，则需要建立临时位置服务器；其中，T＝KR/2v；R为一级网格的边长；v为目的Sink节点移动的速度；

7)判断临时位置服务器是否有效，若是，则源节点向临时位置服务器请求其保存的代理位置服务器的信息(如果该代理位置服务器保存的位置信息为更新前的代理位置服务器位置信息，因为在T时间内，更新前的代理位置服务器会保存新的代理位置服务器的位置信息，所以源节点还是可以获取到新的代理位置服务器信息，如果该代理位置服务器保存的位置信息为更新后的代理位置服务器的位置信息，则源节点直接向该代理位置服务器请求目的Sink节点的新位置信息)，进入8)；否则，临时位置服务器向目的Sink节点的位置服务器请求新的代理位置服务器的位置信息，位置服务器回复新的代理位置服务器的位置信息后，临时位置服务器保存该新的代理位置服务器位置位置信息T时间，并向该新的代理位置服务器请求目的Sink节点的位置信息，进入8)；

8)新的代理位置服务器将目的Sink节点的新位置信息回复给源节点，源节点位置请求结束，进入3)。

所述步骤1)中，二级网格的ID以及一级网格的局部ID的确定方法为：任一二级网格B的ID，即ID(B)定义为ID(B)＝(I_x,I_y)；其中，K为二级网格与一级网格的边长之比；(x_b，y_b)为二级网格B的中心坐标；(x₀，y₀)为传感器网络的原点；R为一级网格的边长；二级网格B中一级网格A的局部ID，即id(A)定义为id(A)＝(i_x,i_y)；其中，(x_a，y_a)为一级网格A的中心坐标；表示向下取整数。

目的Sink节点的位置服务器的确定过程为：设目的Sink节点的ID为Is，二级网格ID映射函数为f₂，一级网格局部ID映射函数为f₁，则：

ID(s₂)＝f₂(I_s)＝(g(n_x),g(n_y))；

id(s₁)＝f₁(I_s)＝(g(K),g(K))；

其中，ID(s₂)、id(s₁)分别为目的Sink节点的ID通过所述哈希函数得到的位置服务器所在的二级网格ID和一级网格局部ID；n_x和n_y分别表示传感器网络的x方向和y方向的边长对应的一级网格总数；s₂和s₁分别代表位置服务器所在的二级网格和一级网格；g(x)是以x为种子点的哈希函数。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的方法在保证通信实时性和准确性的前提下，能够极大地减小位置更新负载，亦即降低了整个传感网络的总负载，降低边界节点的能量消耗，延长了传感器网络寿命。

附图说明

图1为传感器网络示意图；

图2为本发明方法流程图；

图3为本发明实施例方法图解；

图4为本发明位置更新流程图；

图5为本发明位置请求流程图；

图6为不同算法的路由更新负载随网络边长的变化图；

图7为不同算法的路由更新负载随节点移动速度的变化图；

图8为不同算法的路由请求负载随网络边长的变化图；

图9为不同算法的路由请求负载随节点移动速度的变化图。

具体实施方式

本发明通过设置代理位置服务器和临时位置服务器的方法来降低路由更新负载和路由请求负载，本发明方法的主要流程为如图2所示：

第一步、网格区域的划分和编号：整个网络划分为若干个基本的单元网格，称为一级网格，这里记为G个；然后每K×K个一级网格组织成二级网格。每个二级网格有唯一的二级网格ID，每个二级网格内的一级网格有一个唯一的局部ID。这样二级网格ID和二级网格内一级网格的局部ID构建了全局每个一级网格唯一的ID。

如图5于一个二级网格B，网格B的中心坐标(x_b，y_b)，网络空间中最左下角点(称为原点)的坐标为(x₀，y₀)，一级网格的边长为R，二级网格由K×K个一级网格组成。则网格B的ID定义为：

ID(B)＝(I_x,I_y)(1)

其中

如图3于一个一级网格A，且A位于二级网格B中，网格A的中心坐标为(x_a，y_a)，则一级网格A在二级网格B中的id定义为

id(A)＝(i_x,i_y)(4)

其中

所以一级网格A在全局中的ID是由其所在的二级网格B的ID(B)和其在二级网格B中的id(A)共同决定的。

网络中的每个目的sink节点都通过一个哈希函数映射一个位置服务器区域，该位置服务器区域中所有节点保存该目的sink节点位置的相关信息，该哈希函数是静态全局的，即映射规则不会改变且网络中节点都知道该哈希函数。该映射由两部分组成，首先是根据映射得到目的sink节点S位置服务器的二级网格ID，然后再映射出该二级网格中的一级网格ID。

如图5节点S的ID为Is，定义二级网格ID映射函数为f₂，一级网格id映射函数为f₁，则

ID(s₂)＝f₂(I_s)＝(g(n_x),g(n_y))(7)

id(s₁)＝f₁(I_s)＝(g(K),g(K))(8)

其中ID(s₂),id(s₁)分别为节点S的ID通过映射函数得到的位置服务器区域的二级网格ID和一级网格id。n_x和n_y分别表示网络的x和y方向的边长所占的一级网格总数。K为二级网格与一级网格的边长之比。s₂和s₁分别代表位置服务器的二级网格和一级网格。g(x)是以x为种子点的rand函数。

第二步、位置服务器(LS)和代理位置服务器(LA)的设置：将目的Sink节点通过静态映射函数映射到称为位置服务器区域的一个一级网格，同时在目的Sink节点所在的二级网格中设置一个代理位置服务器，当目的Sink节点移动时向代理位置服务器更新位置信息。只有当目的Sink节点移动出代理位置服务器的更新范围时，它才会向它的位置服务器更新代理位置服务器信息。并且在源节点所在的二级网格建立一个临时位置服务器来减少节点位置信息请求路径。

第三步、检测网络中信号：当网络中目的Sink节点位置发生改变时，会发送一个位置更新的信号，网络检测到位置更新信号则会进行相应的位置更新过程。当网络中如果源节点要通过地理路由发送一个数据包到目的Sink节点，则源节点需要先请求目的Sink节点的确切的位置信息，从而发出一个位置请求信号，网络检测到位置请求信号则会进行相应的位置请求过程。

第四步、位置更新：如图3目的sink节点S位于二级网格Q14中，通过静态映射函数，节点S选择的位置服务器LS位于二级网格Q11。首先节点S选择其所在的一级网格为其代理位置服务器，即代理位置服务器LA1，代理位置服务器中存储的是节点S的信息，图中的虚线方形即为代理位置服务器的更新范围。当节点S移动到位置S1时，由于其还在代理位置服务器LA1的更新范围之内，所以节点S只向代理位置服务器LA1更新当前的一级网格信息。而如果节点S移动到位置S2时，此时节点S超出了LA1的更新范围，所以节点S重新选择一个代理位置服务器LA2。节点S将当前的代理位置服务器LA2的信息分别发送给位置服务器LS和前一个代理位置服务器LA1，代理位置服务器LA1保存节点S的当前代理位置服务器LA2的信息T时间。位置更新的具体实现如图4示。

若目的sink节点S以速度v移动。刚开始时，目的sink节点S位于它的代理服务器的一级网格内，假设目的sink节点S位于该一级网格其中心位置。则目的sink节点要穿越一个一级网格的最短距离为d_{min_updatetoLA}＝R/2，R为一级网格的边长，则目的sink节点S向代理位置服务器LA更新位置信息的最短时间为：

T_updateLA＝d_{min_updatetoLA}/v＝R/2v；

而节点要穿越一个二级网格的最短距离为d_{min_updateLS}＝KR/2，则代理位置服务器LA向位置服务器LS更新位置信息的最短时间为

T_updateLS＝d_{min_updateLS}/v＝KR/2v；

临时位置服务器保存代理位置服务器的时间等于更新前代理位置服务器保存更新后代理位置服务器位置信息的时间T＝T_updateLS，这样才能保证目的Sink节点新位置信息的获取。

第五步、位置请求过程：位置请求的具体流程如图5所示，当节点S的代理位置服务器为LA1时，如果节点u要请求节点S的位置信息时，节点u先向当前二级网格Q2中的临时位置服务器TLS发送节点S的位置请求。此时临时位置服务器TLS中还没有节点S的位置信息，所以TLS向节点S的位置服务器LS获取节点S的位置信息。节点S接收到TLS发送来的信息，将节点S的代理位置服务器的信息回复给TLS。TLS接收到LS回复的消息，保存下节点S的代理位置服务器LA1的信息并且保持T_{update_to_LS}时间，同时TLS在将节点u的位置请求消息转发给代理位置服务器LA1。LA1接收到对节点S的位置请求消息时，则将其保存的节点S的位置消息直接回复给节点u。当在T_{update_to_LS}时间内，二级网格Q2中有其他节点，如源节点v或u请求节点S的位置信息时，此时代理位置服务器TLS中有节点S的代理位置服务器LA1的信息，则可以直接向其代理位置服务器LA1请求节点S的位置信息。所有位置信息请求、应答和更新信息均采用基于地理位置的贪婪转发路由策略实现。

本发明实验仿真所用算法均通过C++编程实现。仿真实验从网络的可扩展性和节点的可移动性两个性能出发，着重从路由更新负载，路由请求负载和内存开销三方面评估LADGLS的性能。假设在网络的部署中节点的密度是均匀的，每个网格平均分布5个节点，节点的传输半径为45m，一级网格的边长为40m，网络模型的边长从15个一级网格到40个一级网格，节点移动速度从2m/s到12m/s，每次仿真持续1000s，取5次的仿真结果求均值。分析不同的网络模型大小L和不同的移动速度v对SLURP算法，SLALoM算法和LADGLS算法各个性能的影响。

如图6，在相同的网络场景下，节点移动速度v为10m/s，此时LADGLS算法的路由更新负载随网络规模的增长而缓慢增长，并且其值明显小于SLALoM算法和SLURP算法的更新负载。如图7，在网络大小都为30个一级网格的情况下，LADGLS算法的路由更新负载随节点移动速度的增长，增长趋势平缓，并且明显小于SLALoM和SLURP算法。以上两组仿真结果证明通过在网络中设置代理位置服务器可以明显的改善传感网络的路由更新负载。

如图8，在相同的网络场景下，节点移动速度为10m/s，此时LADGLS算法的路由请求负载随网络规模的增长而缓慢增长，并且其值明显小于SLALoM算法的更新负载。如图9，在网络大小都为30个一级网格的情况下，LADGLS算法的路由更新负载随节点移动速度的增长，明显小于SLALoM算法。虽然SLURP算法的路由请求负载略小于LADGLS算法，但是由于SLURP算法每次都向相同的位置服务区域请求Sink位置，从而严重消耗位置服务器节点能量，减少网络寿命。所以仿真表明通过在网络中设置临时位置服务器可以在一定程度上降低传感网络的中的路由更新负载。

传感网中目的Sink节点的主要作用是接收其他节点的探测信息，在Sink节点移动的情况下，位置服务器必须频繁的更新Sink节点的位置信息，才能保证通信的实时性和准确性。而只有当传感器节点需要发送探测信息时，才去请求Sink节点信息，所以与位置请求负载相比，位置更新负载占总负载的绝大部分。仿真结果可以看出，本发明提出的算法能够很大程度的降低位置更新负载，亦即降低了整个传感网络的总负载。

Claims (5)

1.一种传感器网络中移动Sink节点位置信息获取方法，其特征在于，该方法为：

1)将整个传感器网络划分为若干个基本的单元网格，每一个单元网络即一级网格；用K×K个一级网格组织成二级网格；所述一级网格边长取值范围为20～50m；所述二级网格边长取值范围为1/3～1/4倍传感器网络边长；确定每一个二级网格的ID，并确定各二级网格内的一级网格的局部ID；

2)为传感器网络中的每一个目的Sink节点分配一个ID，利用目的Sink节点的ID和静态映射函数，将所述映射目的Sink节点的位置映射到二级网格，然后再映射到该二级网格中的一级网格中，该一级网格即目的Sink节点的位置服务器，同时以目的Sink节点所在的一级网格为代理位置服务器；

3)传感器网络扫描检测传感器网络中节点的位置变化和位置请求信息，当传感器网络中目的Sink节点位置发生改变时，目的Sink节点发送一个位置更新信号，传感器网络检测到位置更新信号时，进入4)；若传感器网络中源节点要通过地理路由发送一个数据包到目的Sink节点，则源节点先请求目的Sink节点的确切的位置信息，然后发出一个位置请求信号，传感器网络检测到位置请求信号时，进入5)；

4)判断目的Sink节点是否移动到代理位置服务器更新范围外，若是，则将目的Sink节点移动后所在的一级网格为新的代理位置服务器，且更新前的代理位置服务器保存新的代理位置服务器的位置信息T时间，位置更新过程结束，进入3)；否则，更新代理位置服务器中目的Sink节点的新位置信息，位置更新过程结束，进入3)；所述代理位置服务器更新范围是指以所述代理位置服务所在的一级网格为中心，边长为1～1.5倍二级网格边长的正方形区域；

5)源节点向临时位置服务器请求目的Sink节点的新位置信息；

6)以源节点所在的二级网格中的一个一级网格为临时位置服务器，所述临时位置服务器对应的一级网格的局部ID与所述位置服务器对应的一级网格的局部ID相同，且所述临时位置服务器的有效期为T，临时位置服务器向位置服务器请求目的Sink节点的新的代理位置服务器的位置信息，并保存T时间；其中，T＝KR/2v；R为一级网格的边长；v为目的Sink节点移动的速度；

7)判断临时位置服务器是否有效，若是，则源节点向临时位置服务器请求其保存的代理位置服务器的信息，进入8)；否则，临时位置服务器向目的Sink节点的位置服务器请求新的代理位置服务器的位置信息，位置服务器回复新的代理位置服务器的位置信息后，临时位置服务器保存该新的代理位置服务器位置位置信息T时间，并向该新的代理位置服务器请求目的Sink节点的位置信息，进入8)；

8)新的代理位置服务器将目的Sink节点的新位置信息回复给源节点，源节点位置请求结束，进入3)。

2.根据权利要求1所述的传感器网络中移动Sink节点位置信息获取方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述一级网格边长为40m。

3.根据权利要求1或2所述的传感器网络中移动Sink节点位置信息获取方法，其特征在于，所述步骤1)中，二级网格的ID以及一级网格的局部ID的确定方法为：任一二级网格B的ID，即ID(B)定义为ID(B)＝(I_x,I_y)；其中， K为二级网格与一级网格的边长之比；(x_b，y_b)为二级网格B的中心坐标；(x₀，y₀)为传感器网络的原点；R为一级网格的边长；二级网格B中一级网格A的局部ID，即id(A)定义为id(A)＝(i_x,i_y)；其中， (x_a，y_a)为一级网格A的中心坐标；表示向下取整数。

4.根据权利要求3所述的传感器网络中移动Sink节点位置信息获取方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述静态映射函数为哈希函数。

5.根据权利要求4所述的传感器网络中移动Sink节点位置信息获取方法，其特征在于，所述步骤2)中，目的Sink节点的位置服务器的确定过程为：设目的Sink节点的ID为Is，二级网格ID映射函数为f₂，一级网格局部ID映射函数为f₁，则：

ID(s₂)＝f₂(I_s)＝(g(n_x),g(n_y))；

id(s₁)＝f₁(I_s)＝(g(K),g(K))；

其中，ID(s₂)、id(s₁)分别为目的Sink节点的ID通过所述哈希函数得到的位置服务器所在的二级网格ID和一级网格局部ID；n_x和n_y分别表示传感器网络的x方向和y方向的边长对应的一级网格总数；s₂和s₁分别代表位置服务器所在的二级网格和一级网格；g(x)是以x为种子点的哈希函数。