CN103747498B - 基于方向角度的无线传感网络路由空洞优化方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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

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。

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

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。

本发明的技术方案是，

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：

步骤1：判断路由空洞节点;

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；

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{Node_i}，集合中元素个数为n，集合中的n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1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{Node_i}；即，

当时，N_i+1∈{Node_i}；

其中，N_i为空洞节点，N_i+1为步骤1中通信半径R所确定的空洞节点N_i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；

步骤3：计算方向邻居节点的下一跳代价函数；

对集合中的每个节点计算代价函数，所述代价函数为：

其中，L(N_i,D)表示空洞节点距离目的节点距离，L(N_i+1,D)表示集合{Node_i}中的节点到目的节点的距离，代价函数的值总是大于1。对计算出的C_i由小到大排序，构建集合{C_i}，计算{C_i}的中间值：

C_mid＝mid{C_i}，

将C_mid用作后续判断优先等级的标准；

步骤4：根据下一跳代价函数划分路由空洞下一跳节点优先等级；

根据上一步计算出的C_mid划分空洞节点的方向邻居节点的优先选取等级，将优先级等级划分2级，如果节点的C_i值小于C_mid，则节点属于高优先级{level_i＝1}；否则，节点属于低优先级{level_i＝0}；

步骤5：从高优先级节点集合随机选择确定下一跳节点；

根据优先级等级{level_i}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{level_i＝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1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0；

这样，即得到基于方向角度的无线传感网络路由空洞优化方法，该方法解决了空洞问题并满足无线传感器网络QoS需求的路径。

本发明步骤1计算了节点与节点之间的距离，来确定邻居节点。又计算了每个节点距离目标节点的距离，判断空洞节点，每个节点只需维护少量的拓扑信息。所述步骤2以空洞节点为中心，引入方向角度限制，重新构建了方向邻居节点的集合{Node_i}。所述步骤3定义了计算空洞节点的方向邻居节点的代价函数C_i，对集合{C_i}进行了排序并求出了中间值C_mid，作为下一步的划分阈值。所述步骤4{Node_i}中的每个代价函数通过与C_mid比较，划分为0和1两个优先级，0为低优先级，1为高优先级。所述步骤5在高优先级的节点中随机选取一个节点作为空洞节点的下一跳节点。所述步骤6精简路径节点个数，优化路径，最终得到针对WSNs的路由空洞问题的优化解决方法——基于方向角度的无线传感网络路由空洞优化方法。

本发明的有益效果是：本发明简单可行，既能有效解决空洞路由问题，也满足了WSNs的QoS需求。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明选择空洞节点下一跳时引入代价函数的原理示意图。

图3为路径精简优化的原理示意图。

图4为本发明遇到空洞节点时所选择的路径拓扑图。

图5为精简优化后路径最终的拓扑图。

图6为本发明与TPGF方法处理空洞问题后的节点个数对比示意图。

图7为本发明与TPGF方法处理空洞问题后的能量利用率对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作详细说明。

图1是本发明的流程图。如图1所示，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，包括下列步骤：

步骤1：判别路由空洞节点，首先利用通信半径确定每个节点的邻居节点。我们取通信半径R=60，单位：米(m)，则任意两个节点间的距离小于60m即互为邻居节点，再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；

步骤2：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，当时，N_i+1∈{Node_i}，其中，N_i为空洞节点，N_i+1为步骤1中通信半径R所确定的空洞节点N_i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；这个集合中的元素个数n小于等于步骤1中按通信半径计算出的空洞节点的邻居节点个数。在这些节点中选取空洞节点的下一跳节点。

步骤3：引入代价函数图2为本发明选择空洞节点下一跳时引入代价函数的原理示意图，如图2所示，图中Ni即为空洞节点，须在夹角正负120度内，选择下一跳，则计算N_i+1a，N_i+1b，N_i+1c及N_i+1d的代价函数值，通过计算集合{Node_i}的代价函数后，再求出中间值C_mid，用作后续划分优先级的阈值。

步骤4：以C_mid为阈值将{Node_i}中节点的优先级划分为2级，{level_i＝1}和{level_i＝0}，经计算后图2中N_i+1a，N_i+1b属于高优先级{level_i＝1}，而N_i+1c与N_i+1d属于低优先级{level_i＝0}。

步骤5：随机选取{Node_i}中的某一节点作为空洞节点的下一跳。则在高优先级节点N_i+1a，N_i+1b之间随机选取。

步骤6：精简路径节点个数，优化路径；

如图3所示，图3为路径精简优化的原理示意图，由源节点S向目的节点D建立路径，路径为S→a→b→c，S的编号为1，a为2，b为3，c为4。a，b，c均为S的邻居节点，因此直接选取编号最大的c作为S的下一跳，之后从c开始按照同一原则精简优化直至目的节点。

[实施例]

采用MATLAB作为仿真工具，仿真参数设定如下：

拓扑范围为600×400，目的节点设在（0，0）处，源节点设在距离目标节点最远处，节点的初始能量均设为1焦耳，节点不具有移动性。

如图4所示，图4为本发明遇到空洞节点时所选择的路径拓扑图（为节点个数为n=150的情况下建立路径的拓扑图）。之后按照本发明，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：

1）判断空洞节点，用贪婪算法选择下一跳节点建立路径，直至节点N_i；节点N_i距离目的节点为316.51m，均小于节点N_i的邻居节点A,B,C,D,E距离目的节点的距离，其值分别为346.25m,370.8m，370.59m，347.92m，381.98，节点N_i成为路由空洞节点；

2）构建方向邻居节点集合，根据空洞节点N_i与目的节点连线的夹角小于120度，计算出的空洞节点N_i的方向邻居节点集合包括节点A,B,C,D；

3）计算方向邻居节点的代价函数集合，并从小到大排序。A,B,C,D计算出的代价函数值C_i分别为1.09,1.17,1.172,1.1，构建的集合{C_i}为：

{1.06,1.1,1.17,1.172}；计算中间值C_mid为1.123；

4）根据计算出的阈值C_mid，将A,B,C,D分为两个优先级，由于A,D的C_i值小于C_mid，因此A,D∈{level＝1}；B,C∈{level＝0}。

5）在A,D两个点中间随机选择空洞节点的下一跳节点，选择了D点作为空洞节点的下一跳节点。

6）之后按照路径优化精简原则确定的最终路径如图5所示。（图5为精简优化后路径最终的拓扑图）。从图5可以明显看出按照本发明方法计算后的路径绕过了空洞节点N_i。

路径既解决了空洞问题，同时满足了无线传感器网络的QoS需求。

图6为本发明与TPGF方法处理空洞问题后的节点个数对比示意图。图6中表现了本发明最终的路径节点与TPGF计算路径节点随着节点个数变化的曲线图，具体数据如表1所示：

表1

节点个数	150	160	170	180	190	200
							TPGF	21	19	21	20	21	20
本发明方法	19	18	19	19	20	19

路径上节点个数与路径时延成正比关系，统计原则如下式所示：

D_端到端＝D_传输延时+D_其它因素,

其中,D_传输延时主要指节点间发送数据的延时，而D_其它因素主要表示MAC层延时及其它的延时，统一按20ms进行统计，则本发明方法较TPGF时延分别降低了9.5%，5.3%，4.5%，5%，4.8%，5%。

图7为本发明与TPGF方法处理空洞问题后的能量利用率对比示意图。统计能量的方法有很多，现以第一个节点死亡时终止，用剩余能量除以总能量，即能量利用率。能量模型采用发射和接收机电路处理1比特数据所消耗的能量为50J^-9，自由空间模型发射和接收机电路向单位面积发射1比特数据所消耗的能量为100J^-12，数据包长度1600比特。最终能量利用率如表2所示：

表2

节点个数	150	160	170	180	190	200
							TPGF	0.2832	0.25	0.2414	0.2364	0.2387	0.2723
本发明方法	0.3069	0.2725	0.2488	0.262	0.2492	0.2893

综上所述，本发明既满足了空洞处理后路径节点个数少，能量开销少，利用率高的要求，并且简单易行。

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。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

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，如任意两个节点间的距离小于通信半径R,则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{Node_i}，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1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{Node_i}，即，

当时，N_i+1∈{Node_i},

其中，N_i+1为步骤1中通信半径R所确定的空洞节点N_i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；

集合{Node_i}中的元素个数n小于等于步骤1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C_i；

所述代价函数L(N_i,D)表示空洞节点到目的节点的距离，L(N_i+1,D)表示步骤2中重新确立的集合{Node_i}中的方向邻居节点到目标节点的距离；

通过计算集合{Node_i}的代价函数C_i，并对C_i由小到大排序后，构建集合{C_i}，再计算出中间值C_mid，用作后续划分优先级的阈值；

步骤4：根据下一跳代价函数C_i划分路由下一跳节点优先等级；

以C_mid为阈值将{Node_i}中节点的优先级划分为2个级别：{level_i＝1}与{level_i＝0}，如果代价函数值C_i小于中间值C_mid，那么节点属于高优先级{level_i＝1}；否则，节点属于低优先级{level_i＝0}；

步骤5：采用随机选择方式从高优先级节点集合{level_i＝1}中确定下一跳节点；

根据优先级等级{level_i}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{level_i＝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1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0；

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。

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。