一種數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和跳數(shù)受限的Sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)路徑分布式選擇方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及移動(dòng)無(wú)線傳感網(wǎng)領(lǐng)域，尤其涉及的是一種數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和跳數(shù)受限的 Sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)路徑分布式選擇方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線傳感網(wǎng)（wireless sensor networks, WSNs)由具有電池、微型處理器和無(wú)線 電收發(fā)器等組件的傳感節(jié)點(diǎn)、Sink節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成。每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)感知信息，并發(fā)送 給Sink節(jié)點(diǎn)。Sink節(jié)點(diǎn)作為匯聚節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步處理接收到的信息后轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān) 節(jié)點(diǎn)收集所有傳感節(jié)點(diǎn)的信息，并提供給用戶參考和應(yīng)用。無(wú)線傳感網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域可分為 兩大類：監(jiān)控應(yīng)用（如動(dòng)物棲息地監(jiān)控、樓宇監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、溫室監(jiān)控等）和跟蹤應(yīng)用（如 動(dòng)物跟蹤、車輛跟蹤、供應(yīng)鏈中貨物跟蹤等）。目前無(wú)線傳感網(wǎng)受到政府的高度重視，已成為 學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的熱門研究領(lǐng)域。
[0003] 目前在危險(xiǎn)環(huán)境（如火山、放射區(qū)、有毒化工區(qū)等）監(jiān)測(cè)、災(zāi)難搜救、軍事領(lǐng)域等應(yīng) 用領(lǐng)域中，通常采用傳感節(jié)點(diǎn)周期性上報(bào)數(shù)據(jù)且節(jié)點(diǎn)位置固定不變的靜態(tài)無(wú)線傳感網(wǎng)。但 是靜態(tài)無(wú)線傳感網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)如下問(wèn)題：離Sink節(jié)點(diǎn)近的傳感節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送較多其它傳感節(jié) 點(diǎn)的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致這些傳感節(jié)點(diǎn)能量消耗較快，且過(guò)早失效。這個(gè)問(wèn)題通常被稱為無(wú)線通信的 熱點(diǎn)問(wèn)題或Sink節(jié)點(diǎn)的空穴問(wèn)題。為了處理這個(gè)問(wèn)題，引入Sink節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)。Sink節(jié)點(diǎn) 的移動(dòng)不僅能平衡傳感節(jié)點(diǎn)之間的能量消耗，而且能連接網(wǎng)絡(luò)中的分裂區(qū)域。
[0004] 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)Sink節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)路徑選擇方法進(jìn)行了一些研究，取得一些 成果。有些學(xué)者研究Sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)路徑的集中式方法。如M. Emre Keskin等考慮Sink節(jié)點(diǎn) 的靜態(tài)收集和移動(dòng)收集，建立網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的優(yōu)化模型。采用最優(yōu)化方法，將優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化 成線性模型，通過(guò)商業(yè)軟件求解最優(yōu)解。郭劍等將監(jiān)測(cè)區(qū)域分成若干個(gè)圓盤，在每一個(gè)圓盤 中尋找一個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)的采集點(diǎn)，并采用量子遺傳算法求解能遍歷所有采集點(diǎn)的最短路徑。 Wang Liu等采用理論推導(dǎo)的方法研究Sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到若干個(gè)RP點(diǎn)（Rendezvous Point) 時(shí)的最優(yōu)方案。Arun K. Kumar等提出一種分簇方法。即根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置將網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié) 點(diǎn)分成多個(gè)簇，采用TSP求解算法計(jì)算Sink節(jié)點(diǎn)遍歷所有簇中心的最短路徑。王章權(quán)等將 Sink節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為若干個(gè)網(wǎng)格，建立數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延受限下Sink節(jié)點(diǎn)1跳數(shù)據(jù)收集 的優(yōu)化函數(shù)，采用遺傳算法求解Sink節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)路徑。Hamidreza Salarian等提出一種加 權(quán)集合規(guī)劃方法（weighted rendezvous planning, WRP),即根據(jù)到最近RP點(diǎn)的跳數(shù)和子 節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，計(jì)算所有傳感節(jié)點(diǎn)的權(quán)值，選擇若干個(gè)權(quán)值較大的節(jié)點(diǎn)作為RP點(diǎn)，采用TSP求 解算法計(jì)算Sink節(jié)點(diǎn)遍歷所有RP點(diǎn)的最短路徑。但是這些集中式方法假設(shè)Sink節(jié)點(diǎn)能 收集和分析其監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)所有傳感節(jié)點(diǎn)的信息，其時(shí)間復(fù)雜度隨傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多而急 劇變大，因此這些方法比較適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量和數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)較少的移動(dòng)無(wú)線傳感網(wǎng)。
[0005] 另一些學(xué)者研究Sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)路徑的分布式選擇方法，如Keontaek Lee等考慮 Sink節(jié)點(diǎn)的起初地址、數(shù)據(jù)收集路由和停留時(shí)間等因素，建立混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，提出 貪婪最大剩余能量方法（Greedy Maximum Residual Energy, GMRE)。當(dāng)鄰居位置周圍的節(jié) 點(diǎn)剩余能量比當(dāng)前位置上的大，則移動(dòng)到該鄰居節(jié)點(diǎn)。Stefano Basagni等考慮節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格 分布和Manhattan路由，建立Sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的線性優(yōu)化模型，提出一種啟發(fā)式方法。即根 據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量和方差，計(jì)算變異系數(shù)。當(dāng)變異系數(shù)小于指定閾值時(shí)，Sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到下 一個(gè)停留位置上收集數(shù)據(jù)。Chufu Wang等提出移動(dòng)Sink節(jié)點(diǎn)的能量感知迀移方法（EASR， energy-aware sink relocation) 〇EASR使用最大容量路徑（MCP，maximum capacity path) 協(xié)議收集數(shù)據(jù)。當(dāng)兩個(gè)搬迀條件滿足時(shí)，啟動(dòng)Sink的移動(dòng)，找到下一個(gè)具有最大權(quán)值的移 動(dòng)位置。但是這些分布式選擇方法沒(méi)有考慮實(shí)際無(wú)線傳感網(wǎng)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和跳數(shù)受 限情況。
[0006] 總之，Sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)路徑的集中式方法時(shí)間復(fù)雜度較大。而且在實(shí)際的無(wú)線傳感 網(wǎng)系統(tǒng)中，具有較小數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)的傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)不容易丟包，具有過(guò)大數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)的 傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)容易丟包，甚至不能傳輸?shù)絊ink節(jié)點(diǎn)。同時(shí)由于硬件成本的限制，傳感節(jié)點(diǎn) 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間有限，傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延不宜過(guò)大，否則會(huì)造成大量數(shù)據(jù)的丟失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服已有無(wú)線傳感網(wǎng)Sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)路徑選擇方式的時(shí)間復(fù)雜度較大、數(shù)據(jù) 收集量和節(jié)點(diǎn)覆蓋率較低、數(shù)據(jù)丟棄量較大的不足，本發(fā)明提供一種有效降低時(shí)間復(fù)雜度、 提高數(shù)據(jù)收集量和節(jié)點(diǎn)覆蓋率和降低傳感器節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)的丟棄量的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和跳 數(shù)受限的Sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)路徑分布式選擇方法。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0009] -種數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和跳數(shù)受限的Sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)路徑分布式選擇方法，所述選擇 方法包括如下步驟：
[0010] 第一步Sink節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)路徑計(jì)算，過(guò)程如下：
[0011] 1.1) Sink節(jié)點(diǎn)廣播信息查詢包，接收其數(shù)據(jù)通信范圍內(nèi)的傳感節(jié)點(diǎn)的地址、位置 坐標(biāo)、剩余能量和到Sink節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信跳數(shù)信息，接收到Sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)為最大數(shù)據(jù)傳 輸跳數(shù)的傳感節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)地址、位置坐標(biāo)、剩余能量和到Sink節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信跳數(shù)信 息，根據(jù)接收到的傳感節(jié)點(diǎn)信息更新Sink節(jié)點(diǎn)的傳感節(jié)點(diǎn)信息表；
[0012] 1.2) Sink節(jié)點(diǎn)分析當(dāng)前位置周圍的邊界、障礙物和空洞情況，計(jì)算邊界虛擬斥力、 障礙物虛擬斥力、空洞虛擬斥力、到Sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)為最大數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)加1的傳感節(jié)點(diǎn) 虛擬引力，計(jì)算虛擬力的合力；
[0013] 1. 3)根據(jù)合力大小計(jì)算Sink節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前停留網(wǎng)格中心的停留時(shí)間，計(jì)算公式如 下
[0015] 其中，tg表示Sink節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)格中心g的停留時(shí)間，F(xiàn)th表示判斷閾值，pi表示合力 大小，V表示Sink節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速率，dgiH表示相鄰網(wǎng)格中心的距離，Sink節(jié)點(diǎn)廣播包含自 身地址和位置坐標(biāo)信息的路由信息包，接收其數(shù)據(jù)通信范圍內(nèi)傳感節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)；
[0016] I. 4) Sink節(jié)點(diǎn)分析當(dāng)前停留網(wǎng)格中心的鄰居網(wǎng)格中心，刪除不可移動(dòng)的邊界和障 礙物所在的網(wǎng)格中心和空洞區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格中心，并根據(jù)Sink節(jié)點(diǎn)的停留次數(shù)，建立停留次 數(shù)最小的網(wǎng)格中心集合，分別計(jì)算合力F與從Sink節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前停留網(wǎng)格中心到集合中每 一個(gè)網(wǎng)格中心的距離向量的夾角δ
[0018] 其中，abs〇表示取絕對(duì)值函數(shù)，acosO表示反余弦函數(shù)，??表示從Sink節(jié)點(diǎn)的 當(dāng)前停留網(wǎng)格中心到網(wǎng)格中心g的距離向量，表示向量的大小，根據(jù)向量夾角δ，選擇 使夾角最小的網(wǎng)格中心作為Sink節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)停留網(wǎng)格中心；
[0019] 1. 5)經(jīng)過(guò)Sink節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前停留網(wǎng)格中心的停留時(shí)間tg后，Sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到下一 個(gè)停留網(wǎng)格中心，如果已選擇的所有網(wǎng)格中心的停留時(shí)間和不超過(guò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延最大值， 則返回步驟I. 1)，否則，Sink節(jié)點(diǎn)尋找到一條移動(dòng)路徑，并沿著該移動(dòng)路徑循環(huán)收集數(shù)據(jù)；
[0020] 第二步傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信，包括如下過(guò)程：
[0021] 2. 1)基于節(jié)點(diǎn)剩余能量的數(shù)據(jù)路由方法；