CN109673033B - 三维移动稀疏无线传感网的数据路由方法 - Google Patents

三维移动稀疏无线传感网的数据路由方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种三维移动稀疏无线传感网的数据路由方法，针对邻居节点信息获取问题，提出邻居节点信息获取方法，让传感节点能够实时更新路由表，针对传感节点的数据上报路由问题，计算数据上报偏差角和上报传输权值，提出传感节点数据的上报路由方法，针对Sink节点的数据下传路由问题，计算最大位置偏差角和数据下传偏差角，建立Sink节点数据的下传候选节点集合，计算下传传输权值，提出Sink节点数据的下传路由方法。通过采用本发明的三维移动稀疏无线传感网的数据路由方法，能提高传感节点数据的上传传输率和Sink节点数据的下传传输率，降低了数据丢包率、数据传输时延和数据包存储方差。

Description

三维移动稀疏无线传感网的数据路由方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及稀疏无线传感网技术领域，具体是指一种三维移动稀疏无线传感网的数据路由方法。
背景技术
无线传感网(Wireless Sensor Network,WSN)是具有电池、微处理器和无线收发等组件的传感节点、汇聚节点和基站组成的一种分布式传感网络。传感节点感知数据，并通过节点间通信建立到汇聚节点的通路，实现数据的交互。利用无线传感网可实现各个环境下的信息采集和数据通信，可广泛应用于环境监测、智能交通、智能养老等各个领域，受到国内外学者和企业的广泛关注。
稀疏无线传感网是无线传感网的重要研究方向之一，在环境监测、灾难搜寻等许多领域有重大的应用价值。目前稀疏无线传感网可分为静态稀疏无线传感网和移动稀疏无线传感网。其中，静态稀疏无线传感网中所有传感节点的位置固定不变，其节点间路由方法旨在寻找一条生存时间优化的稳定路由路径。虽然静态稀疏无线传感网的数据路由方法研究成果较多，但是应用范围较局限，无法适用于突发灾难搜救、动物跟踪等特定场合。移动稀疏无线传感网考虑传感节点位置可快速移动，采用可规避路由空洞且传输-携带-传输的数据路由，其应用范围较广，具有较好的适应性。
在移动稀疏无线传感网中，目前部分学者侧重于研究二维环境中移动稀疏无线传感网的数据路由方法，取得了一定的成果。如Yue C K等人在地理位置信息的基础上，提出基于地理位置的路由方法，即利用节点的移动速度、移动方向和与目标节点的相对距离，计算节点的上报权值，并选择上报权值更小的节点作为路由节点。但是由于路由选择方式比较单一，随着相对距离的减少，路由节点选择难度增加，不能有效地完成数据路由。Cheng PC等人提出基于贪婪算法的地理DTN路由方法。该方法提出节点的贪婪、优先和时延容忍模式，从而提高稀疏无线传感网中数据的传输率。Zhu K L等人基于稀疏网络结构，提出中断容忍网络的社交和移动感知路由方法。该方法基于社会学的分析方法，利用经验数据减少无用的数据路由，从而提高数据的传输率，并能有效避免盲点和空洞问题，但是需要对社区进行大量的真实数据分析，缺少一定的普遍性。
目前稀疏无线传感网的数据路由方法没有考虑到突发灾难搜寻等特定应用网络场景下对低延迟的需求，且较少考虑三维路由，缺少一定的适应性，较难适用于水下无线传感网、空间无线传感网等需要获知传感节点的深度或高度的领域。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明考虑传感节点的三维位置，提供一种三维移动稀疏无线传感网的数据路由方法。该方法能提高三维环境下数据传输率，降低数据丢包率、数据传输时延和数据包存储方差。
为了实现上述目的，本发明具有如下构成：
本发明提供了一种三维移动稀疏无线传感网的数据路由方法，包括传感节点数据的上报路由方法，所述传感节点数据的上报路由方法中每一个传感节点执行如下步骤：
(a1)初始化参数，并获取自身位置信息；
(a2)定时广播发送自身以及邻居传感节点的剩余能量、移动速度、移动方向和位置信息的路由信息包，并接收周围邻居节点的路由信息包，将其邻居节点信息更新到本地路由表中；
(a3)定时感知数据，如果自身存储空间的容量满且需要存储新的数据，则将该数据替换最早的数据，否则将感知数据存储到自身存储空间；
(a4)根据自身的位置信息，计算上报偏差角，并利用自身的上报偏差角、剩余能量、剩余存储容量、移动速度和位置信息，计算自身和邻居传感节点的上报传输权值；
(a5)如果存储空间中不存在需要发送的数据或周围无邻居传感节点，则不发送数据，继续携带数据，直接跳到步骤(a2)，否则比较自身节点和邻居传感节点的传输权值；
如果存在传输权值比自身大的邻居传感节点，则将存储空间中自身的感知数据和其他传感节点的转发数据发送给传输权值最大的邻居节点，存储空间中删除其他传感节点的转发数据，自身传感节点的感知数据的发送次数加1，并记录该发送次数，否则直接跳到步骤(a2)；
如果自身传感节点的发送次数大于预设次数阈值，则在存储空间中删除该自身传感节点的感知数据，否则继续保留自身传感节点的感知数据，跳到步骤(a2)。
可选地，所述步骤(a2)中，所述路由信息包的具体数据格式如下：第1字节位为路由信息包头，第2～4字节位为当前位置坐标，第5字节位为节点剩余能量，第6～8字节位为节点移动速度，第9字节位为节点剩余存储容量，第10字节位为路由信息包尾。
可选地，所述步骤(a4)中，上报传输权值计算的具体步骤如下：
(a4-1)当传感节点需要向Sink节点传输数据时，通过如下公式(1)计算自身节点的移动方向与自身位置到Sink节点位置的有向线段的夹角，计为数据上报偏差角：
Figure GDA0002564855430000031
其中，
Figure GDA0002564855430000032
表示传感节点i的数据上报偏差角，
Figure GDA0002564855430000033
表示传感节点i的移动方向向量，
Figure GDA0002564855430000034
表示传感节点i的移动速度，
Figure GDA0002564855430000035
表示传感节点i的当前位置到Sink节点位置的方向向量，
Figure GDA0002564855430000036
表示传感节点i的当前位置到Sink节点位置的距离，如果
Figure GDA0002564855430000037
等于0且
Figure GDA0002564855430000038
不等于0，则传感节点静止不动且没有和Sink节点重合，令
Figure GDA0002564855430000039
等于π/2，如果
Figure GDA00025648554300000310
等于0，则传感节点与Sink节点重合，令
Figure GDA00025648554300000311
等于0；
(a4-2)根据本地路由表中邻居传感节点信息和自身的信息，计算邻居传感节点的数据上报偏差角，同时根据邻居节点和自身节点的速度、剩余能量和剩余存储容量，通过如下公式(2)计算传感节点自身和其邻居节点的上报传输权值：
Figure GDA00025648554300000312
其中，
Figure GDA00025648554300000313
表示传感节点i的上报传输权值，Ei表示传感节点i的剩余能量，Einit表示传感节点初始能量，Si表示传感节点i的剩余存储空间，Smax表示传感节点最大存储空间，α1表示节点移动速度系数，α2表示节点剩余能量系数，α3表示节点剩余存储容量系数，α4表示到Sink节点的距离系数，且α1+α2+α3+α4＝1。
可选地，还包括Sink节点数据的下传路由方法，所述下传路由方法包括如下步骤：
(b1)所有节点初始化参数，并获取自身位置信息；
(b2)当Sink节点需要将用户命令发送给目标传感节点时，如果其传感节点的信息表中没有目标传感节点的位置信息或者当前发送的数据是第二次准备发送且经过最大位置偏差角修正后，仍没有找到合适的数据路由节点，则直接采用泛洪广播方式发送目标传感节点的命令数据下传包，跳到步骤(b9)，否则跳到步骤(b3)；
(b3)根据目标传感节点的信息，Sink节点计算当前节点与目标传感节点最新上报位置的欧式距离，根据最新上报时间和当前时刻的时间差和目标传感节点的最新上报移动速度，计算预测移动距离，根据预测移动距离和当前节点和目标传感节点的关系，计算最大位置偏差角
Figure GDA00025648554300000314
其中，
Figure GDA00025648554300000315
表示传感节点j与目标传感节点Ti的最大位置偏差角；
(b4)根据邻居节点的位置和速度信息，Sink节点计算自身和邻居传感节点的数据下传偏差角
Figure GDA0002564855430000041
且令修正次数T为1；
(b5)根据数据下传偏差角
Figure GDA0002564855430000042
最大位置偏差角
Figure GDA0002564855430000043
和邻居传感节点信息，Sink节点建立数据下传路由候选节点集；
(b6)根据候选集合中候选邻居节点的数据下传偏差角、邻居节点的速度、剩余能量、剩余存储容量和是否被标记的信息，Sink节点计算自身和其候选邻居节点的下传传输权值
Figure GDA0002564855430000044
其中，
Figure GDA0002564855430000045
表示传感节点i的邻居传感节点j的下传传输权值；
(b7)如果候选节点集中不是空集且候选节点集中下传传输权值最大节点的下传传输权值小于阈值
Figure GDA0002564855430000046
直接跳到步骤(b8)，否则此时候选节点集Ji中不存在适合的候选节点作为数据路由节点，到目标传感节点的数据传输失败，修改最大位置偏差角，修正次数T加1；如果修正次数T不大于预设次数阈值，则跳到步骤(b5)，否则判定为路由失败，标志该数据第一次发送失败，并将该数据移动到本地队列的最末尾，且按照队列等待下一轮发送，跳到步骤(b2)；
步骤(b8)：选择候选邻居节点中下传传输权值最大的邻居传感节点作为转发节点，发送目标传感节点的命令数据下传包；该命令数据下传包的发送次数加1，判断该命令数据下传包的下传次数是否超过预设次数阈值，如果是，则Sink节点完成对目标传感节点的下传数据发送，跳到步骤(b9)，否则延迟5s时间后，跳到步骤(b4)；
步骤(b9)：如果传感节点接收到Sink节点或邻居传感节点转发的数据下传包，判断接收的数据下传包和自身路由信息包中是否存在目标传感节点；如果接收的数据下传包和自身路由信息包中都不存在目标传感节点信息，则对其邻居传感节点广播转发该数据下传包，否则判断接收的数据下传包和自身路由信息包中目标传感节点的信息更新时间；
如果自身路由信息包中目标传感节点的信息更新时间比接收的数据下传包中目标传感节点的信息更新时间新，则更新该数据下传包中目标传感节点的位置、状态和信息更新时间信息，否则不更新据下传包中目标传感节点信息；采用Sink节点相同的数据下传路由候选节点集选择方法和转发节点选择方法，选择下传传输权值最大的邻居节点转发数据下传包。
可选地，所述步骤(b4)中，通过如下公式(5)计算自身和邻居传感节点的数据下传偏差角
Figure GDA0002564855430000047
Figure GDA0002564855430000048
其中，
Figure GDA0002564855430000049
表示传感节点j与目标传感节点Ti的数据下传偏差角，
Figure GDA00025648554300000410
表示传感节点i到目标传感节点Ti的方向向量，
Figure GDA0002564855430000051
表示传感节点i到目标传感节点Ti的距离，如果
Figure GDA0002564855430000052
等于0且
Figure GDA0002564855430000053
不等于0，则
Figure GDA0002564855430000054
等于π/2，如果
Figure GDA0002564855430000055
等于0，则
Figure GDA0002564855430000056
等于0。
可选地，所述步骤(b6)中，通过公式(7)计算自身和其候选邻居节点的下传传输权值：
Figure GDA0002564855430000057
其中，
Figure GDA0002564855430000058
表示传感节点i的邻居传感节点j的下传传输权值，b1表示节点移动速度系数，b2表示节点剩余能量系数，b3表示节点剩余存储容量系数，b3表示邻居传感节点的数据下传偏差角系数，b4表示邻居节点标记系数，Wj表示邻居节点标记符号，当邻居节点j存在目标节点的位置信息时，则标记邻居节点j，令Wj为1，否则令Wj为0，b1+b2+b3+b4＝1。
可选地，所述步骤(b7)中，通过公式(8)修改最大位置偏差角：
Figure GDA0002564855430000059
其中，k为预设修改系数，且k>1。
可选地，所述步骤(b3)中最大位置偏差角计算的具体步骤如下：
(b3-1)计算当前节点与目标传感节点Ti最新上报位置的欧式距离，根据最新上报时间和当前时刻的时间差和目标传感节点Ti的最新上报移动速度，计算目标节点的预测移动距离；
(b3-2)如果目标节点的预测移动距离小于或等于当前节点与目标传感节点Ti的距离，则通过如下公式(3)计算当前节点与传感节点Ti的最大位置偏差角
Figure GDA00025648554300000510
否则跳到步骤(b3-3)；
Figure GDA00025648554300000511
其中，
Figure GDA00025648554300000512
表示当前节点和目标传感节点Ti的预测最大位置偏离角，
Figure GDA00025648554300000513
表示目标传感节点Ti的移动速度，
Figure GDA00025648554300000514
表示目标传感节点Ti最新上报时间和当前时刻的时间差，
Figure GDA00025648554300000515
为当前节点与目标传感节点Ti最新上报位置的欧式距离；
(b3-3)如果目标节点的预测移动距离大于当前节点与目标传感节点Ti的距离且小于两者距离与当前节点通信距离的和，则通过如下公式(4)计算最大位置偏差角
Figure GDA00025648554300000516
否则直接跳到步骤(b3-4)；
Figure GDA00025648554300000517
其中，ri表示当前节点i的通信距离；
(b3-4)如果预计目标节点的移动距离大于两者距离与当前节点通信距离的和，则直接定义最大位置偏差角
Figure GDA00025648554300000518
为π。
可选地，所述步骤(b5)中，传感节点j的数据下传路由候选节点集Jj满足以下公式(6)的条件：
Figure GDA0002564855430000061
其中dij表示节点i与节点j的欧式距离，dmax表示节点的最大通信距离，Nj表示节点j的邻居传感节点数量。
本发明所提供的三维移动稀疏无线传感网的数据路由方法，具有如下有益效果：
本发明针对邻居节点信息获取问题，提出邻居节点信息获取方法，让传感节点能够实时更新路由表，针对传感节点的数据上报路由问题，计算数据上报偏差角和上报传输权值，提出传感节点数据的上报路由方法，针对Sink节点的数据下传路由问题，计算最大位置偏差角和数据下传偏差角，建立Sink节点数据的下传候选节点集合，计算下传传输权值，提出Sink节点数据的下传路由方法；本发明能提高传感节点数据的上传传输率和Sink节点数据的下传传输率，降低了数据丢包率、数据传输时延和数据包存储方差。
附图说明
图1是本发明一实施例的传感节点数据上报路由方法的工作流程图；
图2是本发明一实施例的Sink节点数据下传路由方法的工作流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
参照图1～2，本发明提出了一种三维移动稀疏无线传感网的数据路由方法，包括传感节点数据的上报路由方法和Sink节点数据的下传路由方法。
参照图1，所述传感节点数据的上报路由方法中每一个传感节点的具体工作步骤如下：
(a1)初始化参数，并获取自身位置信息；
(a2)定时广播发送自身以及邻居传感节点的剩余能量、移动速度、移动方向、位置信息等信息的路由信息包，并接收周围邻居节点的路由信息包，将其邻居节点信息更新到本地路由表中。其中路由信息包的具体数据格式如下：第1字节位为路由信息包头，第2～4字节位为当前位置坐标，第5字节位为节点剩余能量，第6～8字节位为节点移动速度，第9字节位为节点剩余存储容量，第10字节位为路由信息包尾；
(a3)定时感知数据。如果自身存储空间的容量满且需要存储新的数据，则将该数据替换最早的数据，否则将感知数据存储到自身存储空间；
(a4)根据自身的位置信息，计算上报偏差角，并利用自身的上报偏差角、剩余能量、剩余存储容量、移动速度和位置信息，计算自身和邻居传感节点的上报传输权值；其中，上报传输权值计算的具体步骤如下：
(a4-1)当传感节点需要向Sink节点传输数据时，通过公式(1)计算自身节点的移动方向与自身位置到Sink节点位置的有向线段的夹角，即数据上报偏差角。
Figure GDA0002564855430000071
其中，
Figure GDA0002564855430000072
表示传感节点i的数据上报偏差角，
Figure GDA0002564855430000073
表示传感节点i的移动方向向量，
Figure GDA0002564855430000074
表示传感节点i的移动速度，
Figure GDA0002564855430000075
表示传感节点i的当前位置到Sink节点位置的方向向量，
Figure GDA0002564855430000076
表示传感节点i的当前位置到Sink节点位置的距离。如果
Figure GDA0002564855430000077
等于0且
Figure GDA0002564855430000078
不等于0，则传感节点静止不动且没有和Sink节点重合，令
Figure GDA0002564855430000079
等于π/2。如果
Figure GDA00025648554300000710
等于0，即传感节点与Sink节点重合，令
Figure GDA00025648554300000711
等于0。
(a4-2)根据本地路由表中邻居传感节点信息和自身的信息，计算邻居传感节点的数据上报偏差角。同时根据邻居节点和自身节点的速度、剩余能量和剩余存储容量，通过公式(2)计算传感节点自身和其邻居节点的上报传输权值。
Figure GDA00025648554300000712
其中，
Figure GDA00025648554300000713
表示传感节点i的上报传输权值，Ei表示传感节点i的剩余能量，Einit表示传感节点初始能量，Si表示传感节点i的剩余存储空间，Smax表示传感节点最大存储空间，α1表示节点移动速度系数，α2表示节点剩余能量系数，α3表示节点剩余存储容量系数，α4表示到Sink节点的距离系数，且α1+α2+α3+α4＝1；
(a5)如果存储空间中不存在需要发送的数据或周围无邻居传感节点，则不发送数据，继续携带数据，直接跳到步骤(a2)，否则比较自身节点和邻居传感节点的传输权值。如果存在传输权值比自身大的邻居传感节点，则将存储空间中自身的感知数据和其他传感节点的转发数据发送给传输权值最大的邻居节点，存储空间中删除其他传感节点的转发数据，自身传感节点的感知数据的发送次数加1，并记录该发送次数，否则直接跳到步骤(a2)。如果自身传感节点的发送次数大于预设次数阈值，例如大于3次，则在存储空间中删除该自身传感节点的感知数据，否则继续保留自身传感节点的感知数据。跳到步骤(a2)。
参照图2，当Sink节点需要下传数据时，Sink节点数据的下传路由方法具体步骤如下：
(b1)所有节点初始化参数，并获取自身位置信息；
(b2)当Sink节点需要将用户命令发送给目标传感节点时，如果其传感节点的信息表中没有目标传感节点的位置信息或者当前发送的数据是第二次准备发送且经过最大位置偏差角修正后，仍没有找到合适的数据路由节点，则直接采用泛洪广播方式发送目标传感节点的命令数据下传包，跳到步骤(b9)，否则跳到步骤(b3)；
(b3)根据目标传感节点的信息，Sink节点计算当前节点与目标传感节点最新上报位置的欧式距离，根据最新上报时间和当前时刻的时间差和目标传感节点的最新上报移动速度，计算预测移动距离。根据预测移动距离和当前节点和目标传感节点的关系，计算最大位置偏差角。所述最大位置偏差角计算的具体步骤如下：
(b3-1)计算当前节点与目标传感节点Ti最新上报位置的欧式距离，根据最新上报时间和当前时刻的时间差和目标传感节点Ti的最新上报移动速度，计算目标节点的预测移动距离。
(b3-2)如果目标节点的预测移动距离小于或等于当前节点与目标传感节点Ti的距离，则通过公式(3)计算当前节点与传感节点Ti的最大位置偏差角
Figure GDA0002564855430000081
否则跳到步骤(b3-3)；
Figure GDA0002564855430000082
其中，
Figure GDA0002564855430000083
表示当前节点和目标传感节点Ti的预测最大位置偏离角，
Figure GDA0002564855430000084
表示目标传感节点Ti的移动速度，
Figure GDA0002564855430000085
表示目标传感节点Ti最新上报时间和当前时刻的时间差，
Figure GDA0002564855430000086
为当前节点与目标传感节点Ti最新上报位置的欧式距离。
(b3-3)如果目标节点的预测移动距离大于当前节点与目标传感节点Ti的距离且小于两者距离与当前节点通信距离的和，则通过公式(4)计算最大位置偏差角
Figure GDA0002564855430000087
否则直接跳到步骤(b3-4)。
Figure GDA0002564855430000088
其中，r表示当前节点i的通信距离。
(b3-4)如果预计目标节点的移动距离大于两者距离与当前节点通信距离的和，则直接定义最大位置偏差角
Figure GDA0002564855430000089
为π。
(b4)根据邻居节点的位置、速度等信息，Sink节点通过公式(5)计算自身和邻居传感节点的数据下传偏差角
Figure GDA00025648554300000810
且令修正次数T为1。
Figure GDA00025648554300000811
其中，
Figure GDA0002564855430000091
表示传感节点j与目标传感节点Ti的数据下传偏差角。
Figure GDA0002564855430000092
表示传感节点i到目标传感节点Ti的方向向量，
Figure GDA0002564855430000093
表示传感节点i到目标传感节点Ti的距离。如果
Figure GDA0002564855430000094
等于0且
Figure GDA0002564855430000095
不等于0，则
Figure GDA0002564855430000096
等于π/2。如果
Figure GDA0002564855430000097
等于0，则
Figure GDA0002564855430000098
等于0。
(b5)根据数据下传偏差角
Figure GDA0002564855430000099
最大位置偏差角
Figure GDA00025648554300000910
和邻居传感节点信息，考虑邻居传感节点的移动方向对数据下传路由节点选择的影响，Sink节点建立数据下传路由候选节点集。其中，传感节点j的数据下传路由候选节点集Jj满足以下条件。
Figure GDA00025648554300000911
其中dij表示节点i与节点j的欧式距离，dmax表示节点的最大通信距离，Nj表示节点j的邻居传感节点数量。
(b6)根据候选集合中候选邻居节点的数据下传偏差角、邻居节点的速度、剩余能量、剩余存储容量、是否被标记等信息，Sink节点通过公式(7)计算自身和其候选邻居节点的下传传输权值。
Figure GDA00025648554300000912
其中，
Figure GDA00025648554300000913
表示传感节点i的邻居传感节点j的下传传输权值，b1表示节点移动速度系数，b2表示节点剩余能量系数，b3表示节点剩余存储容量系数，b3表示邻居传感节点的数据下传偏差角系数，b4表示邻居节点标记系数，Wj表示邻居节点标记符号，当邻居节点j存在目标节点的位置信息时，则标记邻居节点j，令Wj为1，否则令Wj为0。b1+b2+b3+b4＝1。
(b7)如果候选节点集中不是空集且候选节点集中下传传输权值最大节点的下传传输权值小于阈值
Figure GDA00025648554300000914
直接跳到步骤(b8)，否则此时候选节点集Ji中不存在适合的候选节点作为数据路由节点，到目标传感节点的数据传输失败，通过公式(8)修改最大位置偏差角，修正次数T加1。如果修正次数T不大于3，则跳到步骤(b5)，否则判定为路由失败，标志该数据第一次发送失败，并将该数据移动到本地队列的最末尾，且按照队列等待下一轮发送，跳到步骤(b2)。
Figure GDA00025648554300000915
步骤(b8)：选择候选邻居节点中下传传输权值最大的邻居传感节点作为转发节点，发送目标传感节点的命令数据下传包。该命令数据下传包的发送次数加1。判断该命令数据下传包的下传次数是否超过预设阈值，例如超过3次，如果是，则Sink节点完成对目标传感节点的下传数据发送，跳到步骤(b9)，否则延迟5s时间后，跳到步骤(b4)。
步骤(b9)：如果传感节点接收到Sink节点或邻居传感节点转发的数据下传包，判断接收的数据下传包和自身路由信息包中是否存在目标传感节点。如果接收的数据下传包和自身路由信息包中都不存在目标传感节点信息，则对其邻居传感节点广播转发该数据下传包，否则判断接收的数据下传包和自身路由信息包中目标传感节点的信息更新时间。如果自身路由信息包中目标传感节点的信息更新时间比接收的数据下传包中目标传感节点的信息更新时间新，则更新该数据下传包中目标传感节点的位置、状态、信息更新时间等信息，否则不更新据下传包中目标传感节点信息。采用Sink节点相同的数据下传路由候选节点集选择方法和转发节点选择方法，选择下传传输权值最大的邻居节点转发数据下传包。
本发明针对邻居节点信息获取问题，提出邻居节点信息获取方法，让传感节点能够实时更新路由表。针对传感节点的数据上报路由问题，计算数据上报偏差角和上报传输权值，提出传感节点数据的上报路由方法。针对Sink节点的数据下传路由问题，计算最大位置偏差角和数据下传偏差角，建立Sink节点数据的下传候选节点集合，计算下传传输权值，提出Sink节点数据的下传路由方法。本发明能提高传感节点数据的上传传输率和Sink节点数据的下传传输率，降低了数据丢包率、数据传输时延和数据包存储方差。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (8)

1.一种三维移动稀疏无线传感网的数据路由方法，其特征在于，包括传感节点数据的上报路由方法，所述传感节点数据的上报路由方法中每一个传感节点执行如下步骤：
(a1)初始化参数，并获取自身位置信息；
(a2)定时广播发送自身以及邻居传感节点的剩余能量、移动速度、移动方向和位置信息的路由信息包，并接收周围邻居节点的路由信息包，将其邻居节点信息更新到本地路由表中；
(a3)定时感知数据，如果自身存储空间的容量满且需要存储新的数据，则将该数据替换最早的数据，否则将感知数据存储到自身存储空间；
(a4)根据自身的位置信息，计算上报偏差角，并利用自身的上报偏差角、剩余能量、剩余存储容量、移动速度和位置信息，计算自身和邻居传感节点的上报传输权值；
(a5)如果存储空间中不存在需要发送的数据或周围无邻居传感节点，则不发送数据，继续携带数据，直接跳到步骤(a2)，否则比较自身节点和邻居传感节点的传输权值；
如果存在传输权值比自身大的邻居传感节点，则将存储空间中自身的感知数据和其他传感节点的转发数据发送给传输权值最大的邻居节点，存储空间中删除其他传感节点的转发数据，自身传感节点的感知数据的发送次数加1，并记录该发送次数，否则直接跳到步骤(a2)；
如果自身传感节点的发送次数大于预设次数阈值，则在存储空间中删除该自身传感节点的感知数据，否则继续保留自身传感节点的感知数据，跳到步骤(a2)；
所述步骤(a4)中，上报传输权值计算的具体步骤如下：
(a4-1)当传感节点需要向Sink节点传输数据时，通过如下公式(1)计算自身节点的移动方向与自身位置到Sink节点位置的有向线段的夹角，计为数据上报偏差角：
Figure FDA0002564855420000011
其中，
Figure FDA0002564855420000012
表示传感节点i的数据上报偏差角，
Figure FDA0002564855420000013
表示传感节点i的移动方向向量，
Figure FDA0002564855420000014
表示传感节点i的移动速度，
Figure FDA0002564855420000015
表示传感节点i的当前位置到Sink节点位置的方向向量，
Figure FDA0002564855420000016
表示传感节点i的当前位置到Sink节点位置的距离，如果
Figure FDA0002564855420000017
等于0且
Figure FDA0002564855420000018
不等于0，则传感节点静止不动且没有和Sink节点重合，令
Figure FDA0002564855420000019
等于π/2，如果
Figure FDA00025648554200000110
等于0，则传感节点与Sink节点重合，令
Figure FDA00025648554200000111
等于0；
(a4-2)根据本地路由表中邻居传感节点信息和自身的信息，计算邻居传感节点的数据上报偏差角，同时根据邻居节点和自身节点的速度、剩余能量和剩余存储容量，通过如下公式(2)计算传感节点自身和其邻居节点的上报传输权值：
Figure FDA0002564855420000021
其中，
Figure FDA0002564855420000022
表示传感节点i的上报传输权值，Ei表示传感节点i的剩余能量，Einit表示传感节点初始能量，Si表示传感节点i的剩余存储空间，Smax表示传感节点最大存储空间，α1表示节点移动速度系数，α2表示节点剩余能量系数，α3表示节点剩余存储容量系数，α4表示到Sink节点的距离系数，且α1+α2+α3+α4＝1。
2.根据权利要求1所述的三维移动稀疏无线传感网的数据路由方法，其特征在于，所述步骤(a2)中，所述路由信息包的具体数据格式如下：第1字节位为路由信息包头，第2～4字节位为当前位置坐标，第5字节位为节点剩余能量，第6～8字节位为节点移动速度，第9字节位为节点剩余存储容量，第10字节位为路由信息包尾。
3.根据权利要求1所述的三维移动稀疏无线传感网的数据路由方法，其特征在于，还包括Sink节点数据的下传路由方法，所述下传路由方法包括如下步骤：
(b1)所有节点初始化参数，并获取自身位置信息；
(b2)当Sink节点需要将用户命令发送给目标传感节点时，如果其传感节点的信息表中没有目标传感节点的位置信息或者当前发送的数据是第二次准备发送且经过最大位置偏差角修正后，仍没有找到合适的数据路由节点，则直接采用泛洪广播方式发送目标传感节点的命令数据下传包，跳到步骤(b9)，否则跳到步骤(b3)；
(b3)根据目标传感节点的信息，Sink节点计算当前节点与目标传感节点最新上报位置的欧式距离，根据最新上报时间和当前时刻的时间差和目标传感节点的最新上报移动速度，计算预测移动距离，根据预测移动距离和当前节点和目标传感节点的关系，计算最大位置偏差角
Figure FDA0002564855420000023
其中，
Figure FDA0002564855420000024
表示传感节点j与目标传感节点Ti的最大位置偏差角；
(b4)根据邻居节点的位置和速度信息，Sink节点计算自身和邻居传感节点的数据下传偏差角
Figure FDA0002564855420000025
且令修正次数T为1；
(b5)根据数据下传偏差角
Figure FDA0002564855420000026
最大位置偏差角
Figure FDA0002564855420000027
和邻居传感节点信息，Sink节点建立数据下传路由候选节点集；
(b6)根据候选集合中候选邻居节点的数据下传偏差角、邻居节点的速度、剩余能量、剩余存储容量和是否被标记的信息，Sink节点计算自身和其候选邻居节点的下传传输权值
Figure FDA0002564855420000028
其中，
Figure FDA0002564855420000029
表示传感节点i的邻居传感节点j的下传传输权值；
(b7)如果候选节点集中不是空集且候选节点集中下传传输权值最大节点的下传传输权值小于阈值
Figure FDA0002564855420000031
直接跳到步骤(b8)，否则此时候选节点集Ji中不存在适合的候选节点作为数据路由节点，到目标传感节点的数据传输失败，修改最大位置偏差角，修正次数T加1；如果修正次数T不大于预设次数阈值，则跳到步骤(b5)，否则判定为路由失败，标志该数据第一次发送失败，并将该数据移动到本地队列的最末尾，且按照队列等待下一轮发送，跳到步骤(b2)；
步骤(b8)：选择候选邻居节点中下传传输权值最大的邻居传感节点作为转发节点，发送目标传感节点的命令数据下传包；该命令数据下传包的发送次数加1，判断该命令数据下传包的下传次数是否超过预设次数阈值，如果是，则Sink节点完成对目标传感节点的下传数据发送，跳到步骤(b9)，否则延迟5s时间后，跳到步骤(b4)；
步骤(b9)：如果传感节点接收到Sink节点或邻居传感节点转发的数据下传包，判断接收的数据下传包和自身路由信息包中是否存在目标传感节点；如果接收的数据下传包和自身路由信息包中都不存在目标传感节点信息，则对其邻居传感节点广播转发该数据下传包，否则判断接收的数据下传包和自身路由信息包中目标传感节点的信息更新时间；
如果自身路由信息包中目标传感节点的信息更新时间比接收的数据下传包中目标传感节点的信息更新时间新，则更新该数据下传包中目标传感节点的位置、状态和信息更新时间信息，否则不更新据下传包中目标传感节点信息；采用Sink节点相同的数据下传路由候选节点集选择方法和转发节点选择方法，选择下传传输权值最大的邻居节点转发数据下传包。
4.根据权利要求3所述的三维移动稀疏无线传感网的数据路由方法，其特征在于，所述步骤(b4)中，通过如下公式(5)计算自身和邻居传感节点的数据下传偏差角
Figure FDA0002564855420000032
Figure FDA0002564855420000033
其中，
Figure FDA0002564855420000034
表示传感节点j与目标传感节点Ti的数据下传偏差角，
Figure FDA0002564855420000035
表示传感节点i到目标传感节点Ti的方向向量，
Figure FDA0002564855420000036
表示传感节点i到目标传感节点Ti的距离，如果
Figure FDA0002564855420000037
等于0且
Figure FDA0002564855420000038
不等于0，则
Figure FDA0002564855420000039
等于π/2，如果
Figure FDA00025648554200000310
等于0，则
Figure FDA00025648554200000311
等于0。
5.根据权利要求3所述的三维移动稀疏无线传感网的数据路由方法，其特征在于，所述步骤(b6)中，通过公式(7)计算自身和其候选邻居节点的下传传输权值：
Figure FDA00025648554200000312
其中，
Figure FDA0002564855420000041
表示传感节点i的邻居传感节点j的下传传输权值，b1表示节点移动速度系数，b2表示节点剩余能量系数，b3表示节点剩余存储容量系数，b3表示邻居传感节点的数据下传偏差角系数，b4表示邻居节点标记系数，Wj表示邻居节点标记符号，当邻居节点j存在目标节点的位置信息时，则标记邻居节点j，令Wj为1，否则令Wj为0，b1+b2+b3+b4＝1。
6.根据权利要求3所述的三维移动稀疏无线传感网的数据路由方法，其特征在于，所述步骤(b7)中，通过公式(8)修改最大位置偏差角：
Figure FDA0002564855420000042
其中，k为预设修改系数，且k>1。
7.根据权利要求3所述的三维移动稀疏无线传感网的数据路由方法，其特征在于，所述步骤(b3)中最大位置偏差角计算的具体步骤如下：
(b3-1)计算当前节点与目标传感节点Ti最新上报位置的欧式距离，根据最新上报时间和当前时刻的时间差和目标传感节点Ti的最新上报移动速度，计算目标节点的预测移动距离；
(b3-2)如果目标节点的预测移动距离小于或等于当前节点与目标传感节点Ti的距离，则通过如下公式(3)计算当前节点与传感节点Ti的最大位置偏差角
Figure FDA0002564855420000043
否则跳到步骤(b3-3)；
Figure FDA0002564855420000044
其中，
Figure FDA0002564855420000045
表示当前节点和目标传感节点Ti的预测最大位置偏离角，
Figure FDA0002564855420000046
表示目标传感节点Ti的移动速度，
Figure FDA0002564855420000047
表示目标传感节点Ti最新上报时间和当前时刻的时间差，
Figure FDA0002564855420000048
为当前节点与目标传感节点Ti最新上报位置的欧式距离；
(b3-3)如果目标节点的预测移动距离大于当前节点与目标传感节点Ti的距离且小于两者距离与当前节点通信距离的和，则通过如下公式(4)计算最大位置偏差角
Figure FDA0002564855420000049
否则直接跳到步骤(b3-4)；
Figure FDA00025648554200000410
其中，ri表示当前节点i的通信距离；
(b3-4)如果预计目标节点的移动距离大于两者距离与当前节点通信距离的和，则直接定义最大位置偏差角
Figure FDA00025648554200000411
为π。
8.根据权利要求3所述的三维移动稀疏无线传感网的数据路由方法，其特征在于，所述步骤(b5)中，传感节点j的数据下传路由候选节点集Jj满足以下公式(6)的条件：
Figure FDA00025648554200000412
其中dij表示节点i与节点j的欧式距离，dmax表示节点的最大通信距离，Nj表示节点j的邻居传感节点数量。
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