專利名稱：一種基于鏈路穩(wěn)定性估算的無線柵格傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法。
背景技術：
本發(fā)明申請所采用的背景技術可以概括為以下幾點1)多跳無線中繼技術；2)低開銷網(wǎng)絡傳輸技術；3)基于鏈路穩(wěn)定性的容錯技術；4)基于ID尋址技術；5)靜態(tài)網(wǎng)絡高效組網(wǎng)技術。無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點由于成本和體積等方面的限制，通常都是由通信性能十分有限的無線收發(fā)設備組成。這些設備通過將采集的各種監(jiān)測信號利用多跳中繼傳輸?shù)姆绞絺鬟f給遠端中心節(jié)點，以此來共同完成對某一特定環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測任務，常見的監(jiān)測對象有大氣污染物、濕度、溫度和電磁頻譜等。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點普遍具有以下技術特點1)通信距離有限；由于成本和體積的限制，無線傳感器節(jié)點的通信距離十分有限，通常只有幾十米甚至幾米。因此，在大規(guī)模組網(wǎng)應用時，許多無線傳感器節(jié)點都不能和中心節(jié)點直接通信，而必須通過其它無線傳感器節(jié)點進行中繼多跳通信。此時，如何有效的進行路由選擇就會在很大程度上影響網(wǎng)絡的性能。2)能量有限；由于無線傳感器節(jié)點通常都采用電池供電，所以它們的電量十分有限。并且在絕大部分應用場合，都無法對電池及時進行充電。因此，在無線傳感器網(wǎng)絡中如何進行有效的能量管理也是關鍵的技術問題。3)故障率高；由于無線傳感器節(jié)點成本較低，因此在軟硬件性能上也十分有限， 并不具備復雜的容錯技術和及時修復的條件。因此一旦設備發(fā)生故障，就將會永久失效。這種高故障率，導致了整個傳輸系統(tǒng)的路由可靠性大大降低。4)數(shù)量龐大；由于節(jié)點的通信能力和處理能力都非常有限，并且還具有高故障率的特點，因此為了使網(wǎng)絡能夠長期穩(wěn)定運行，無線傳感器網(wǎng)絡都會放置大量的節(jié)點，以達到分布式處理和容錯備份的目的。此時傳統(tǒng)的基于IP尋址的通信技術由于效率較低并且地址數(shù)量的限制通常無法使用，所以無線傳感器網(wǎng)絡就大量使用ID或參數(shù)尋址的方式。5)位置相對固定；由于成本和體積的限制，無線傳感器節(jié)點通常功能簡單，不具備移動能力，因此網(wǎng)絡的拓撲結構相對穩(wěn)定。除以上所述的五個特點外，從傳感器網(wǎng)絡本身的監(jiān)測背景出發(fā)，傳感器節(jié)點通常需要獲知自己的位置信息，以便使中心節(jié)點在獲知各個節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)時能夠同時獲知信息所采集的地理位置。通過這種方法，中心節(jié)點就能夠有效利用監(jiān)測數(shù)據(jù)及位置信息來形成整個網(wǎng)絡的態(tài)勢圖，從而為決策提供數(shù)值依據(jù)。目前最常用的定位技術就是基于全球定位系統(tǒng)(GPQ的定位方式，但是這種方式通常耗電量較大并且成本較高，所以在精度要求不高的場合也可以通過到達角估計等信號處理技術來估算出節(jié)點的地理位置。由此可見以往的傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)技術不能夠利用本地節(jié)點自身的地理位置信息來進行鏈路估算，導致網(wǎng)絡吞吐量低、網(wǎng)絡時延高和協(xié)議開銷高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對原始的傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)技術不能夠利用本地節(jié)點自身的地理位置信息來進行鏈路估算，導致的網(wǎng)絡吞吐量低、網(wǎng)絡時延高和協(xié)議開銷高的問題，提出了一種基于鏈路穩(wěn)定性估算的無線柵格傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法。一種基于鏈路穩(wěn)定性估算的無線柵格傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法，該方法的實現(xiàn)步驟為步驟一、將無線傳感器網(wǎng)絡劃分為柵格，每個柵格中存在若干個傳感器節(jié)點，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，在同一個柵格里面，在任意時刻，只有一個傳感器節(jié)點作為中繼節(jié)點；步驟二、中心節(jié)點通過洪泛廣播的方式配置網(wǎng)絡的幾何坐標、子網(wǎng)ID、中心節(jié)點坐標及其ID、垂直方向柵格數(shù)目m和水平方向柵格數(shù)目η ；步驟三、第一次接收到該配置分組廣播數(shù)據(jù)的每個中繼節(jié)點，依據(jù)網(wǎng)絡參數(shù)計算出網(wǎng)絡的水平方向長度H和垂直方向長度L，并記錄這些配置信息，然后繼續(xù)中繼廣播該配置分組；接收過該配置分組的中繼節(jié)點，將不再轉發(fā)，直接丟棄該分組廣播數(shù)據(jù)；此時，如果傳感節(jié)點接收到該配置分組廣播數(shù)據(jù)，將依據(jù)網(wǎng)絡參數(shù)調(diào)整它的配置信息后直接丟棄該分組廣播數(shù)據(jù)；步驟四、當某一個傳感節(jié)點或中繼節(jié)點有數(shù)據(jù)分組信息需要發(fā)送給中心節(jié)點時， 它將會依據(jù)它與中心節(jié)點間的相對位置信息來初步選擇分組將發(fā)送的方向，并列出所有備選中繼節(jié)點；步驟五、該發(fā)送節(jié)點依據(jù)它與所選定方向相鄰柵格間的相對位置信息，利用發(fā)送節(jié)點與各柵格中心間的距離來估算鏈路穩(wěn)定度，估算出該發(fā)送節(jié)點與這些柵格中的中繼節(jié)點鏈路穩(wěn)定性信息來估算在該方向上所有備選中繼節(jié)點的鏈路穩(wěn)定性信息，具體方法如下首先通過坐標變換將備選柵格映射到網(wǎng)絡的右上方，并將坐標原點置于該發(fā)送節(jié)點所在柵格的右下角；更進一步將發(fā)送節(jié)點在其柵格中的位置以節(jié)點的無線通信距離R為半徑，劃定為四個區(qū)域，分別是多邊形B⑶、EFGCB, FGHIJ和IJK ；區(qū)域的劃分原則首先以備選柵格右上方的頂?shù)譇點為圓心，以節(jié)點的無線通信距離R為半徑畫圓， 圓與發(fā)送節(jié)點所在柵格相交，將發(fā)送節(jié)點i所在柵格劃分出第一個區(qū)域多邊形B⑶；再以備選柵格的左上方的頂點M點為圓心，以節(jié)點的無線通信距離R為半徑畫圓， 圓與發(fā)送節(jié)點所在柵格相交，將發(fā)送節(jié)點i所在柵格劃分出第二個區(qū)域多邊形ErecB ；再以備選柵格的右上方的頂點N點為圓心，以節(jié)點的無線通信距離R為半徑畫圓， 圓與發(fā)送節(jié)點所在柵格相交，將發(fā)送節(jié)點i所在柵格劃分出第三個區(qū)域多邊形FGHIJ ；最后以發(fā)送節(jié)點i所在柵格的第四個區(qū)域KIJ內(nèi)的任一點為圓心，以節(jié)點的無線通信距離R為半徑畫圓，該圓所覆蓋的面積，覆蓋了包括備選柵格左下方的頂點的區(qū)域 LTS ；下面分別利用積分公式就可以計算出該發(fā)送節(jié)點i所覆蓋各個柵格的面積與該柵格實際面積的比值，即柵格面積比；該比值越大，節(jié)點i與該所覆蓋柵格中中繼節(jié)點間的鏈路越可能存在并且穩(wěn)定；如果節(jié)點i位于多邊形B⑶中，那么它所能覆蓋的最右上角柵格面積比為1 ；
如果節(jié)點i位于多邊形EreCB中，那么它所能覆蓋的最右上角柵格面積為 _] S = d2-[3d - y, - ^-(X-X1)2Y=d2- (3d - yt) [id - X1 - ^R2 - (3d - yt f )- (2d - )2 -^R2 - (3d - )2R2 . ^d-Xi R2 . ^Jr2-(3d-y,)2
LUU JU」 +一arcsm-L--arc sm---—
2RlR如果節(jié)點i位于多邊形FGHIJ中，那么它所能覆蓋的最右上角柵格面積S為S= Uyi-Id + ^2-(X-X1)2
d \= d{yt -2d) + ^^」R2 -(2d-X1 f-{d-X1 )2
Γ^0/1 R2 . 2d-X1 R2 . Ci-Xi
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2R 2R如果節(jié)點i位于多邊形IJK中，那么它所能覆蓋的最右上角柵格面積S為^ =('“)(只-2d + ^R2 -(X-X1)2^X= (d - Xi、(2d --(2d - yif -宇批-(d - Xif
F0038I R2 . J^-^d-y,)2 R2 . Ci-Xi ι_υυ ?！?--arcsin --------arcsin-
2R2R其中，χ為節(jié)點相對于其所在柵格原點的水平距離，d為柵格的長度，同理，該節(jié)點所能覆蓋的所有柵格的面積均可以利用這種積分方式獲得，然后將這些面積除以單位柵格面積d2，即為所求的柵格面積比；λ為鏈路穩(wěn)定性的門限，R是節(jié)點的無線通信距離，所有滿足到柵格中心距離不大于λ R的柵格均為符合鏈路穩(wěn)定度的路由，隨后發(fā)送節(jié)點從這些柵格中按照最短路徑準則選擇中繼節(jié)點； 在滿足鏈路穩(wěn)定性門限要求的所有備選柵格中，依據(jù)最短路徑算法選擇最佳的中繼節(jié)點作為下一跳中繼節(jié)點，并將數(shù)據(jù)分組發(fā)送給該節(jié)點；步驟七、當下一跳中繼節(jié)點在接收到該數(shù)據(jù)分組后，將會繼續(xù)按照步驟四至步驟六的方法繼續(xù)轉發(fā)數(shù)據(jù)分組，直到該分組到達中心節(jié)點為止。所述的傳感器節(jié)點只負責數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送，而不為其它節(jié)點提供中繼服務。所述的中繼節(jié)點可以是特殊設計的節(jié)點也可以是從傳感器節(jié)點中選出的節(jié)點。所述的步驟一中配置參數(shù)的目的是將中心節(jié)點將網(wǎng)絡分割成m行η列的柵格結構，并且為每個柵格指定一個唯一的中繼ID號，由于共有mXn個柵格，所以中繼節(jié)點的 ID號為1到mXn，每個中繼節(jié)點的編號規(guī)則為從網(wǎng)絡的左下角柵格開始沿水平方向向右側編號，然后上移一行，繼續(xù)從左側開始順序向右側編號，直到編號到網(wǎng)絡右上角的柵格為CN 102413471 A
說明書
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止；因此網(wǎng)絡最下方一行柵格的中繼ID號從左到右依次為1到η、下方倒數(shù)第二行中繼ID 號從左至右為η+1到2η，最終網(wǎng)絡右上角的中繼節(jié)點ID即為mXn。所述的步驟二中的計算出網(wǎng)絡的水平方向長度H和垂直方向長度L是為了確保網(wǎng)絡的柵格密度或中繼節(jié)點數(shù)量必須滿足公式(L/n)2+ (2H/m)2 彡 R2 或(2L/n)2+ (H/m)2 彡 R2，以保證網(wǎng)絡的連通性；其中，R是節(jié)點的無線通信距離。所述的步驟四中選擇分組將發(fā)送的方向的具體方法如下若該發(fā)送節(jié)點i的坐標為(Xi，Yi)，當(Xi-X0)2+(Yi-Y0)2 ^ R2時，則節(jié)點i可以與中心節(jié)點直接通信，直接將分組發(fā)送給中心節(jié)點；否則，如果該節(jié)點位于中心節(jié)點的左上方，那么該節(jié)點將會初步選定其右方、下方以及右下方的柵格作為中繼；否則如果該節(jié)點位于中心節(jié)點的右上方，那么該節(jié)點將會初步選定其左方、下方以及左下方的柵格作為中繼；否則如果該節(jié)點位于中心節(jié)點的左下方，那么該節(jié)點將會初步選定其右方、上方以及右上方的柵格作為中繼；否則如果該節(jié)點位于中心節(jié)點的右下方， 那么該節(jié)點將會初步選定其左方、上方以及左上方的柵格作為中繼。所述的網(wǎng)絡中的柵格尺寸應該接近并小于i /i。所述的網(wǎng)絡中的柵格均為正方形。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明僅利用節(jié)點在其自身柵格內(nèi)的位置信息，來計算它所能覆蓋的相鄰柵格面積比，該面積比代表所覆蓋的柵格面積與柵格實際面積之間的比值。該比值越高，節(jié)點與該柵格中中繼節(jié)點的鏈路越穩(wěn)定。通過這個鏈路估算信息，可以更有效的提高通信質量。由于僅需要本地節(jié)點利用它自身的地理位置信息來進行鏈路估算，而不需要其它節(jié)點的位置信息，所以該算法不需要節(jié)點間的分組交互就能進行鏈路估算，從而能在提高網(wǎng)絡通信能力的前提下，最大程度的降低協(xié)議開銷，并具有快速可靠和適應高速移動無線傳感器網(wǎng)絡的能力。本發(fā)明的組網(wǎng)方法可以有效的提高網(wǎng)絡吞吐量、降低網(wǎng)絡時延和協(xié)議開銷。


圖1是本發(fā)明實施的網(wǎng)絡拓撲示意圖；圖中 表示中繼節(jié)點；圖中★表示中心節(jié)點；圖中■表示傳感節(jié)點；圖2是本發(fā)明的鏈路穩(wěn)定度計算所采用的坐標圖，當發(fā)送節(jié)點i位于BCD內(nèi)時，傳輸范圍覆蓋整個右上角的備選柵格；圖3是本發(fā)明的鏈路穩(wěn)定度計算所采用的坐標圖，發(fā)送節(jié)點i位于EreCB內(nèi)時，傳輸范圍覆蓋右上角正方形的MSTNL區(qū)域；圖4是本發(fā)明的鏈路穩(wěn)定度計算所采用的坐標圖，發(fā)送節(jié)點位i于FGHIJ內(nèi)時，傳輸范圍覆蓋右上角正方形的STNL區(qū)域；圖5是本發(fā)明的鏈路穩(wěn)定度計算所采用的坐標圖，發(fā)送節(jié)點i位于JIK時，傳輸范圍覆蓋右上角的STL區(qū)域；圖6是本發(fā)明的鏈路穩(wěn)定度計算結果示例圖，該圖示例了一個典型的節(jié)點i所覆蓋全部柵格的柵格面積比，該圖中每一個柵格都對應了一組數(shù)字(k，1)，這里k代表以發(fā)送節(jié)點為勢場0參考點時，各柵格與發(fā)送節(jié)點的勢差，一個柵格在水平或者垂直方向每遠離發(fā)送節(jié)點一個柵格距離，勢差將會加1，而1即代表該柵格被發(fā)送節(jié)點所覆蓋的面積比，即本專利定義的鏈路穩(wěn)定性的度量值；圖7是本發(fā)明與現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡中其它路由協(xié)議在分組投遞成功率上的性能比較，主要是基于鏈路穩(wěn)定性柵格路由協(xié)議VGDR-E (增強型虛擬柵格動態(tài)路由協(xié)議)與靜態(tài)A0DV(自組織網(wǎng)絡按需距離矢量路由協(xié)議)路由協(xié)議AODV-S(穩(wěn)定型自組織網(wǎng)絡按需距離矢量路由協(xié)議)、動態(tài)A0DV(自組織網(wǎng)絡按需距離矢量路由協(xié)議)路由協(xié)議AODV-M(移動型自組織網(wǎng)絡按需距離矢量路由協(xié)議)、靜態(tài)虛擬柵格路由協(xié)議VGDR-S(穩(wěn)定型虛擬柵格動態(tài)路由協(xié)議)和動態(tài)虛擬柵格路由協(xié)議VGDR-M(移動型虛擬柵格動態(tài)路由協(xié)議)的性能比較；圖8是平均端到端時延性能比較；其中圖7和圖8中的各種圖形所分別代表的含義如下圖中-■-表示AODV-S (穩(wěn)定型自組織網(wǎng)絡按需距離矢量路由協(xié)議)；圖中-·-表示AODV-M(移動型自組織網(wǎng)絡按需距離矢量路由協(xié)議)；圖中-▲-表示靜態(tài)虛擬柵格路由協(xié)議VGDR-S(穩(wěn)定型虛擬柵格動態(tài)路由協(xié)議)；圖中-▼-表示動態(tài)虛擬柵格路由協(xié)議VGDR-M(移動型虛擬柵格動態(tài)路由協(xié)議)；圖中- -表示鏈路穩(wěn)定性柵格路由協(xié)議VGDR-E(增強型虛擬柵格動態(tài)路由協(xié)議)。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述的一種基于鏈路穩(wěn)定性估算的無線柵格傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法的步驟為步驟一、將無線傳感器網(wǎng)絡劃分為柵格，每個柵格中存在若干個傳感器節(jié)點，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，在同一個柵格里面，在任意時刻，只有一個傳感器節(jié)點作為中繼節(jié)點；步驟二、中心節(jié)點通過洪泛廣播的方式配置網(wǎng)絡的幾何坐標、子網(wǎng)ID、中心節(jié)點坐標及其ID、垂直方向柵格數(shù)目m和水平方向柵格數(shù)目η ；步驟三、第一次接收到該配置分組的每個中繼節(jié)點，依據(jù)網(wǎng)絡參數(shù)計算出網(wǎng)絡的水平方向長度H和垂直方向長度L，并記錄這些配置信息，然后繼續(xù)中繼廣播該配置分組； 接收過該配置分組的中繼節(jié)點，將不再轉發(fā)，直接丟棄該分組；此時，如果傳感節(jié)點接收到該配置分組，將依據(jù)網(wǎng)絡參數(shù)調(diào)整它的配置信息后直接丟棄該分組；步驟四、當某一個傳感節(jié)點或中繼節(jié)點有數(shù)據(jù)分組需要發(fā)送給中心節(jié)點時，它將會依據(jù)它與中心節(jié)點間的相對位置信息來初步選擇分組將發(fā)送的方向，并列出所有備選中繼節(jié)點；步驟五、該發(fā)送節(jié)點依據(jù)它與所選定方向相鄰柵格間的相對位置信息，利用發(fā)送節(jié)點與各柵格中心間的距離來估算鏈路穩(wěn)定度，估算出該發(fā)送節(jié)點與這些柵格中的中繼節(jié)點鏈路穩(wěn)定性信息來估算在該方向上所有備選中繼節(jié)點的鏈路穩(wěn)定性信息，具體方法如下首先通過坐標變換將備選柵格映射到網(wǎng)絡的右上方，并將坐標原點置于該發(fā)送節(jié)點所在柵格的右下角；更進一步將發(fā)送節(jié)點在其柵格中的位置以節(jié)點的無線通信距離R為半徑，劃定為四個區(qū)域，分別是多邊形B⑶、EFGCB, FGHIJ和IJK ；劃分原則首先以備選柵格右上方的頂?shù)譇點為圓心，以節(jié)點的無線通信距離R為半徑畫圓，圓與發(fā)送節(jié)點所在柵格相交，將發(fā)送節(jié)點i所在柵格劃分出第一個區(qū)域多邊形 BCD ；再以備選柵格的左上方的頂點M點為圓心，以節(jié)點的無線通信距離R為半徑畫圓， 圓與發(fā)送節(jié)點所在柵格相交，將發(fā)送節(jié)點i所在柵格劃分出第二個區(qū)域多邊形ErecB ；再以備選柵格的右上方的頂點N點為圓心，以節(jié)點的無線通信距離R為半徑畫圓， 圓與發(fā)送節(jié)點所在柵格相交，將發(fā)送節(jié)點i所在柵格劃分出第三個區(qū)域多邊形FGHIJ ；最后以發(fā)送節(jié)點i所在柵格的第四個區(qū)域KIJ內(nèi)的任一點為圓心，以節(jié)點的無線通信距離R為半徑畫圓，該圓所覆蓋的面積，覆蓋了包括備選柵格左下方的頂點的區(qū)域 LTS ；下面分別利用積分公式就可以計算出該發(fā)送節(jié)點i所覆蓋各個柵格的面積與該柵格實際面積的比值，即柵格面積比；該比值越大，節(jié)點i與該所覆蓋柵格中中繼節(jié)點間的鏈路越可能存在并且穩(wěn)定；如果節(jié)點i位于多邊形B⑶中，那么它所能覆蓋的最右上角柵格面積比為1 ；如果節(jié)點i位于多邊形EreCB中，那么它所能覆蓋的最右上角柵格面積為 s二ρ-[3d_兄.-^R2_(χ_χ.γyx= d2 -(3d -y^d -X1 -^JR2 -(3d -yt)2 )+ ^^ 如2-(2d-χ, f _ 扣2 _ (3d _ 兄)2上R2 . - R2 . ^R2-{3d-y,)2 LUUO ‘」 H--arcsm----arcsm--
2rlr如果節(jié)點i位于多邊形FGHIJ中，那么它所能覆蓋的最右上角柵格面積S為^ = f Iyi-2d + ^Jr2-(X-Xi)2
d \= d{yt -2d) + ^^」R2 -(2d-X1 fR2-{d-X1 )2
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2r 2r如果節(jié)點i位于多邊形IJK中，那么它所能覆蓋的最右上角柵格面積S為^ =『扣-(2"i)2 (只-2d + ^jR2-(X-Xi)2 jh=(d-Xi)(2d --(2d - yif -宇護-(d - Xi)2R2 . ^-(^-y,)2 r2 . Ci-Xi luuuvj」 --arcsin ----arcsin--
2R2R其中，χ為節(jié)點相對于其所在柵格原點的水平距離，d為柵格的長度，與此類似，該
10節(jié)點所能覆蓋的所有柵格的面積均可以利用這種積分方式獲得，然后將這些面積除以單位柵格面積d2，即為所求的柵格面積比；λ為鏈路穩(wěn)定性的門限，R是節(jié)點的無線通信距離，所有滿足到柵格中心距離不大于λ R的柵格均為符合鏈路穩(wěn)定度的路由，隨后發(fā)送節(jié)點從這些柵格中按照最短路徑準則選擇中繼節(jié)點；在滿足鏈路穩(wěn)定性門限要求的所有備選柵格中，依據(jù)最短路徑算法選擇最佳的中繼節(jié)點作為下一跳中繼節(jié)點，并將數(shù)據(jù)分組發(fā)送給該節(jié)點；需要說明的是，為了簡化計算的復雜度，在實際應用中可以利用發(fā)送節(jié)點與各柵格中心間的距離來近似估算鏈路穩(wěn)定度，即IlPi-CjII2SXR,這里Pi為發(fā)送節(jié)點i的坐標，Cj為所覆蓋某柵格j的中心點坐標，λ為門限值。 直觀上來看，如果一個節(jié)點與某個柵格中心點的距離越近，那么該節(jié)點就能覆蓋該柵格更大的面積。通過這種方式，可以將復雜的積分運算化簡為一個歐幾里得距離運算，從而可以在滿足系統(tǒng)性能的前提下，極大簡化算法的復雜度。通過實際的算法驗證，本專利推薦使用參數(shù)值λ =0.8作為門限值。所有滿足到柵格中心距離不大于0.8R的柵格均為符合鏈路穩(wěn)定度的路由，隨后發(fā)送節(jié)點從這些柵格中按照最短路徑準則選擇中繼節(jié)點，即可以達到與采用積分算法類似的性能。門限值越小，鏈路穩(wěn)定性越高，但是代價就是從源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑跳數(shù)會增加。反之，這個值越高，那么鏈路穩(wěn)定性越差，但是源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑跳數(shù)會減少。 因此，這個值只能給出一個折中的選擇，具體優(yōu)化與網(wǎng)絡中節(jié)點的布設位置和所追求的具體指標有關。比如，對于某些周期發(fā)送監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳感器網(wǎng)絡來說，某一次發(fā)送數(shù)據(jù)的丟失，不會影響到最終的監(jiān)測結果，那么這個門限可以設置的小一些，這樣可以減少跳數(shù)，從而減少參與路由的節(jié)點數(shù)，達到降低功耗的目的。而對于一些緊急突發(fā)的應用，由于數(shù)據(jù)很重要，因此可以將門限設置的高一些，這樣可以保證傳輸?shù)目煽啃?。步驟七、當下一跳中繼節(jié)點在接收到該數(shù)據(jù)分組后，將會繼續(xù)按照步驟四至步驟六的方法繼續(xù)轉發(fā)數(shù)據(jù)分組，直到該分組到達中心節(jié)點為止。
具體實施方式
二 下面結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式為對實施方式一所述的一種基于鏈路穩(wěn)定性估算的無線柵格傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法的進一步說明，所述的傳感器節(jié)點只負責數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送，而不為其它節(jié)點提供中繼服務。
具體實施方式
三下面結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式為對實施方式一所述的一種基于鏈路穩(wěn)定性估算的無線柵格傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法的進一步說明，所述的中繼節(jié)點可以是特殊設計的節(jié)點也可以是從傳感器節(jié)點中選出的節(jié)點。
具體實施方式
四下面結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式為對實施方式一所述的一種基于鏈路穩(wěn)定性估算的無線柵格傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法的進一步說明，所述的步驟一中配置參數(shù)的目的是將中心節(jié)點將網(wǎng)絡分割成m行η列的柵格結構，并且為每個柵格指定一個唯一的中繼ID號，由于共有mXn個柵格，所以中繼節(jié)點的 ID號為1到mXn，每個中繼節(jié)點的編號規(guī)則為從網(wǎng)絡的左下角柵格開始沿水平方向向右側編號，然后上移一行，繼續(xù)從左側開始順序向右側編號，直到編號到網(wǎng)絡右上角的柵格為止；因此網(wǎng)絡最下方一行柵格的中繼ID號從左到右依次為1到η、下方倒數(shù)第二行中繼ID號從左至右為n+1到2η，最終網(wǎng)絡右上角的中繼節(jié)點ID即為mXn。
具體實施方式
五下面結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式為對實施方式一所述的一種基于鏈路穩(wěn)定性估算的無線柵格傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法的進一步說明，所述的步驟二中的計算出網(wǎng)絡的水平方向長度H和垂直方向長度L是為了確保網(wǎng)絡的柵格密度或中繼節(jié)點數(shù)量必須滿足公式(L/n)2+(2H/m)2 ^ R2或(2L/n)2+(H/m)2 ^ R2,以保證網(wǎng)絡的連通性；其中，R是節(jié)點的無線通信距離。
具體實施方式
六下面結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式為對實施方式一所述的一種基于鏈路穩(wěn)定性估算的無線柵格傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法的進一步說明，若該發(fā)送節(jié)點i的坐標為(xi; Yi)，當(Xi-X0)2+(Yi-Y0)2 ^ R2時，則節(jié)點i可以與中心節(jié)點直接通信，直接將分組發(fā)送給中心節(jié)點；否則，如果該節(jié)點位于中心節(jié)點的左上方，那么該節(jié)點將會初步選定其右方、下方以及右下方的柵格作為中繼；否則如果該節(jié)點位于中心節(jié)點的右上方，那么該節(jié)點將會初步選定其左方、下方以及左下方的柵格作為中繼；否則如果該節(jié)點位于中心節(jié)點的左下方，那么該節(jié)點將會初步選定其右方、上方以及右上方的柵格作為中繼；否則如果該節(jié)點位于中心節(jié)點的右下方，那么該節(jié)點將會初步選定其左方、上方以及左上方的柵格作為中繼。
具體實施方式
七下面結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式為對實施方式一所述的一種基于鏈路穩(wěn)定性估算的無線柵格傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法的進一步說明，本實施方式中，所述的網(wǎng)絡中的柵格尺寸小于或等于i /V^。從投資的角度出發(fā)，柵格的尺寸不應該太小，否則就會需要放置更多的傳感器節(jié)點和中繼節(jié)點，從而會大大增加網(wǎng)絡的成本。因此在滿足網(wǎng)絡連通性的前提下，網(wǎng)絡的柵格尺寸應該接近并小于i /V^。
具體實施方式
八下面結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式為對實施方式一所述的一種基于鏈路穩(wěn)定性估算的無線柵格傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法的進一步說明，本實施方式中，所述的網(wǎng)絡中的柵格均為正方形。本實施方式中，選擇網(wǎng)絡中的柵格均為正方形，能夠實現(xiàn)高效地進行鏈路估算。
權利要求
1. 一種基于鏈路穩(wěn)定性估算的無線柵格傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法，其特征在于它的實現(xiàn)步驟為步驟一、將無線傳感器網(wǎng)絡劃分為柵格，每個柵格中存在若干個傳感器節(jié)點，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，在同一個柵格里面，在任意時刻，只有一個傳感器節(jié)點作為中繼節(jié)點；步驟二、中心節(jié)點通過洪泛廣播的方式配置網(wǎng)絡的幾何坐標、子網(wǎng)ID、中心節(jié)點坐標及其ID、垂直方向柵格數(shù)目m和水平方向柵格數(shù)目η ；所述中心節(jié)點的ID為0，所在的位置為 (χ0' y0)；步驟三、第一次接收到該配置分組廣播數(shù)據(jù)的每個中繼節(jié)點，依據(jù)網(wǎng)絡參數(shù)計算出網(wǎng)絡的水平方向長度H和垂直方向長度L，并記錄這些配置信息，然后繼續(xù)中繼廣播該配置分組；接收過該配置分組的中繼節(jié)點，將不再轉發(fā)，直接丟棄該分組廣播數(shù)據(jù)；此時，如果傳感節(jié)點接收到該配置分組廣播數(shù)據(jù)，將依據(jù)網(wǎng)絡參數(shù)調(diào)整它的配置信息后直接丟棄該分組廣播數(shù)據(jù)；步驟四、當某一個傳感節(jié)點或中繼節(jié)點有數(shù)據(jù)分組信息需要發(fā)送給中心節(jié)點時，它將會依據(jù)它與中心節(jié)點間的相對位置信息來初步選擇分組將發(fā)送的方向，并列出所有備選中繼節(jié)點；步驟五、該發(fā)送節(jié)點依據(jù)它與所選定方向相鄰柵格間的相對位置信息，利用發(fā)送節(jié)點與各柵格中心間的距離來估算鏈路穩(wěn)定度，估算出該發(fā)送節(jié)點與這些柵格中的中繼節(jié)點鏈路穩(wěn)定性信息來估算在該方向上所有備選中繼節(jié)點的鏈路穩(wěn)定性信息，具體方法如下首先通過坐標變換將備選柵格映射到網(wǎng)絡的右上方，并將坐標原點置于該發(fā)送節(jié)點所在柵格的右下角；更進一步將發(fā)送節(jié)點在其柵格中的位置以節(jié)點的無線通信距離R為半徑，劃定為四個區(qū)域，分別是多邊形B⑶、EFGCB, FGHIJ和IJK ；劃分原則首先以備選柵格右上方的頂?shù)譇點為圓心，以節(jié)點的無線通信距離R為半徑畫圓，圓與發(fā)送節(jié)點所在柵格相交，將發(fā)送節(jié)點i所在柵格劃分出第一個區(qū)域多邊形B⑶； 再以備選柵格的左上方的頂點M點為圓心，以節(jié)點的無線通信距離R為半徑畫圓，圓與發(fā)送節(jié)點所在柵格相交，將發(fā)送節(jié)點i所在柵格劃分出第二個區(qū)域多邊形ErecB ；再以備選柵格的右上方的頂點N點為圓心，以節(jié)點的無線通信距離R為半徑畫圓，圓與發(fā)送節(jié)點所在柵格相交，將發(fā)送節(jié)點i所在柵格劃分出第三個區(qū)域多邊形FGHIJ ；最后以發(fā)送節(jié)點i所在柵格的第四個區(qū)域KIJ內(nèi)的任一點為圓心，以節(jié)點的無線通信距離R為半徑畫圓，該圓所覆蓋的面積，覆蓋了包括備選柵格左下方的頂點的區(qū)域LTS;下面分別利用積分公式就可以計算出該發(fā)送節(jié)點i所覆蓋各個柵格的面積與該柵格實際面積的比值，即柵格面積比；該比值越大，節(jié)點i與該所覆蓋柵格中中繼節(jié)點間的鏈路越可能存在并且穩(wěn)定；如果節(jié)點i位于多邊形BCD中，那么它所能覆蓋的最右上角柵格面積比為1 ；如果節(jié)點 i位于多邊形EreCB中，那么它所能覆蓋的最右上角柵格面積為
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于鏈路穩(wěn)定性估算的無線柵格傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法， 其特征在于所述的步驟一中配置參數(shù)的目的是將中心節(jié)點將網(wǎng)絡分割成m行η列的柵格結構，并且為每個柵格指定一個唯一的中繼ID號，由于共有mXn個柵格，所以中繼節(jié)點的 ID號為1到mXn，每個中繼節(jié)點的編號規(guī)則為從網(wǎng)絡的左下角柵格開始沿水平方向向右側編號，然后上移一行，繼續(xù)從左側開始順序向右側編號，直到編號到網(wǎng)絡右上角的柵格為止；因此網(wǎng)絡最下方一行柵格的中繼ID號從左到右依次為1到η、下方倒數(shù)第二行中繼ID 號從左至右為η+1到2η，最終網(wǎng)絡右上角的中繼節(jié)點ID即為mXn。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于鏈路穩(wěn)定性估算的無線柵格傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法，其特征在于所述的步驟二中的計算出網(wǎng)絡的水平方向長度H和垂直方向長度L是為了確保網(wǎng)絡的柵格密度或中繼節(jié)點數(shù)量必須滿足公式(L/n)2+OH/m)2彡R2或QL/n)2+(H/ m)2 ^ R2,以保證網(wǎng)絡的連通性；其中，R是節(jié)點的無線通信距離。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于鏈路穩(wěn)定性估算的無線柵格傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法， 其特征在于所述的步驟四中選擇分組將發(fā)送的方向的具體方法如下若該發(fā)送節(jié)點i的坐標為(Xi, Yi)，當(Xi-X0)^(Yi-Y0)2 ( R2時，則節(jié)點i可以與中心節(jié)點直接通信，直接將分組發(fā)送給中心節(jié)點；否則，如果該節(jié)點位于中心節(jié)點的左上方，那么該節(jié)點將會初步選定其右方、下方以及右下方的柵格作為中繼；否則如果該節(jié)點位于中心節(jié)點的右上方，那么該節(jié)點將會初步選定其左方、下方以及左下方的柵格作為中繼；否則如果該節(jié)點位于中心節(jié)點的左下方，那么該節(jié)點將會初步選定其右方、上方以及右上方的柵格作為中繼；否則如果該節(jié)點位于中心節(jié)點的右下方，那么該節(jié)點將會初步選定其左方、 上方以及左上方的柵格作為中繼。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于鏈路穩(wěn)定性估算的無線柵格傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法， 其特征在于所述的網(wǎng)絡中的柵格尺寸小于或等于。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種基于鏈路穩(wěn)定性估算的無線柵格傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法， 其特征在于所述的網(wǎng)絡中的柵格均為正方形。
全文摘要
一種基于鏈路穩(wěn)定性估算的無線柵格傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法，涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法。為了解決原始的傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)技術不能夠利用本地節(jié)點自身的地理位置信息來進行鏈路估算，導致的網(wǎng)絡吞吐量低、網(wǎng)絡時延高和協(xié)議開銷高的問題。將無線傳感器網(wǎng)絡劃分為柵格，當某一個傳感節(jié)點或中繼節(jié)點有數(shù)據(jù)分組需要發(fā)送給中心節(jié)點時，它將會依據(jù)它與中心節(jié)點間的相對位置信息來初步選擇分組將發(fā)送的方向，并列出所有備選中繼節(jié)點；該發(fā)送節(jié)點依據(jù)它與所選定方向相鄰柵格間的相對位置信息，估算出該發(fā)送節(jié)點與這些柵格中的中繼節(jié)點鏈路穩(wěn)定性信息來估算在該方向上所有備選中繼節(jié)點的鏈路穩(wěn)定性信息。用于組建網(wǎng)絡。
文檔編號H04W84/18GK102413471SQ20121000458
公開日2012年4月11日 申請日期2012年1月9日 優(yōu)先權日2012年1月9日
發(fā)明者劉紅芹, 吳少川, 張佳巖, 張文彬, 李文昊, 白旭, 高玉龍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學