CN101702834A - 一种基于等边三角形剖分模型的无线传感器网络中路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等边三角形剖分模型的无线传感器网络中路由方法，该路由方法采用等边三角形剖分模型对区域网络进行剖分，然后为源节点选取一个三角形顶点作为路由路径获取中的虚拟源节点。在剖分后的网络中，对虚拟源节点和其他三角形顶点采用贪婪策略进行路由计算从而获取虚拟路由路径，最后为每个虚拟中间节点选择一个代表节点，从而得到实际的路由路径。本发明采用等边三角形剖分模型可以对区域网络实现全覆盖剖分，而且在全覆盖条件下相对于正方形剖分模型提高了8％～15％的覆盖率。

Description

一种基于等边三角形剖分模型的无线传感器网络中路由方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络的路由方法，更特别地说，是指一种基于等边三角形剖分模型的无线传感器网络的路由方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，简称WSN)是由部署在监测区域内大量微型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地实时监测、感知和采集网络监测区域内的各种环境或被监测对象的信息，并将信息发送给使用者。

外界环境的不确定性经常导致需要布置成百上千这样的传感器协同工作，由于传感器节点一般通过电池驱动，节点数量众多，且通常部署在敌意或恶劣环境中，从而使得替换节点电池或者对电池进行充电都是不可行的。对无线传感器节点而言，数据传输对电量的消耗最大。当建立了一条从源节点到目的节点的数据传输路径时，如果频繁使用该路径传输数据，就可能造成该路径上的节点因能量消耗过快而过早失效，而需要重新选择路由路径，更严重的情况下甚至会导致整个网络分割成互不相联的孤立部分，使得网络的连通性和覆盖性得不到保证，从而减少了整个网络的生存期。

目前，业界所广泛使用的休眠策略就是希望在一定程度上能够解决上述问题。休眠策略的主要思路是在保证网络连通和覆盖的前提下，使部分节点处于工作状态，其余节点进入休眠状态，并通过一定策略周期性的让节点在工作状态和休眠状态中切换，这样可以在一定程度上延长网络整体寿命。休眠策略中，如何选择被唤醒节点，当被唤醒节点开始工作后网络中的路由路径是否需要更改以及应当如何更改，都是当前休眠策略所必须要考虑的问题。

在路由路径获取方法中，有一类方法采用正方形剖分模型，将区域网络剖分为若干个大小相等的正方形，为每一个正方形选择一个传感器节点作为代表节点，然后通过路由获取找到一条从源节点所在正方形到目的节点所在正方形的最短路径。该类方法中，正方形剖分模型的覆盖率较低，尤其是在全覆盖条件下覆盖率不甚理想，因此该覆盖模型有待改善。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于等边三角形剖分模型的无线传感器网络中路由方法，该路由方法采用等边三角形剖分模型对区域网络进行剖分，然后为源节点选取一个三角形顶点作为路由路径获取中的虚拟源节点。在剖分后的网络中，对虚拟源节点和其他三角形顶点采用贪婪策略进行路由计算从而获取虚拟路由路径，这样一条虚拟路由路径由虚拟源节点和其他一些三角形顶点(记为虚拟中间节点)构成，最后为每个虚拟中间节点选择一个传感器节点作为代表节点，从而得到实际的路由路径，该路由路径的节点由源节点，虚拟中间节点的代表节点，目的节点构成。

本发明是一种基于等边三角形剖分模型的无线传感器网络中路由方法，该路由是为了将信息从源节点经过多个中间节点发送到目标节点的过程，该路由方法包括有下列路由步骤：

步骤一：基于等边三角形剖分模型的区域网络剖分

在一个由大量无线传感器节点构成的无线传感区域网络中，令每个传感器的感知半径记为r；采用边长为来构成等边三角形，并利用该等边三角形对所述的无线传感区域网络进行剖分；

步骤二：选取虚拟源节点

在步骤一剖分后的区域网络中，以源节点为圆心，

为半径做第一圆；选择落在该第一圆内的等边三角形顶点作为虚拟源节点；

步骤三：虚拟路由路径获取

虚拟路由路径的获取包括有下列解析步骤：

解析步骤A)，把虚拟源节点与目的节点连接成一条直线，选取虚拟源节点所在的等边三角形中与该直线夹角最小的三角形的边，并把该边的另一顶点作为虚拟路由路径的虚拟中间节点；

解析步骤B)，将当前选择的虚拟中间节点与目的节点连接成一条直线，选取与该虚拟中间节点所在的等边三角形中与该直线夹角最小的三角形边，并把该边的另一顶点作为虚拟路由路径的下一个虚拟中间节点；

解析步骤C)，判断最后选取的虚拟中间节点与目的节点是否在同一三角形中，若是，则转到解析步骤D)；若不是，重复执行解析步骤B)；

解析步骤D)，由于虚拟路由路径中的当前虚拟中间节点与目的节点同处同一等边三角形中，直接将目的节点作为路由路径的下一跳；

步骤四：选取代表节点

(a)依据步骤三中所获取的虚拟路由路径中的虚拟中间节点为等边三角形的顶点，并以该虚拟中间节点为圆心，

为半径做第二圆；

(b)选取出落在该第二圆内的剩余电量最多的一个传感器节点作为代表节点RPT，且该代表节点RPT处于工作状态；

(c)该第二圆内的其它传感器节点各自选取一个随机时间t(单位：s)进入休眠状态；

步骤五：实际路由路径获取

从源节点开始，连接各个代表节点至目的节点构成了实际路由路径；

步骤六：数据传输及实际路由路径维护

在数据传输的过程中，处于工作状态的传感器节点的能量逐渐消耗，同时区域网络中有大量节点处于休眠状态；在此种状态下，采用如下休眠策略来对步骤五获取的实际路由路径进行维护：

过程a)，对任一处于休眠状态的节点记为SLP，SLP选定的随机时间记为t_i，在t_i结束后，该节点自我唤醒进入工作状态；

过程b)，SLP自我唤醒后，通过检测RPT的电量，若RPT的电量高于设定电量，则SLP重新进入休眠状态；若RPT的电量低于设定电量，则SLP替代RPT作为新代表节点，执行代表节点的工作；而RPT进入退休状态不再使用。

本发明的无线传感器网络中一种基于等边三角形剖分模型的路由方法优点在于：

①采用等边三角形剖分模型可以对区域网络实现全覆盖剖分，而且在全覆盖条件下相对于正方形剖分模型提高了8％～15％的覆盖率。

②本发明得到的一条虚拟路由路径由三角形顶点的连线构成，然后为其虚拟中间节点选择传感器节点作为代表节点。这些代表节点与源节点、目的节点组成实际路由路径。这样使得当某代表节点电量较低时，无线传感器网络能够重新为该代表节点相应的虚拟中间节点选取另外一个传感器节点作为代表节点。因为虚拟路由路径没有改变，实际路由路径只更改了某一虚拟中间节点的代表节点，无需重新进行路由路径的获取，提高了路由的灵活性。

附图说明

图1是本发明的基于等边三角形剖分模型的路由的结构示意图。

图2是本发明中路由路径获取的过程图。

图2A是本发明中虚拟路由路径示意图。

图2B是本发明中实际路由路径示意图。

图3是本发明中另一路由路径示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种适用于无线传感器网络中，基于等边三角形剖分模型的路由方法，该路由方法包括有下列路由步骤：

步骤一：基于等边三角形剖分模型的区域网络剖分

在一个由大量无线传感器节点(如A节点、B节点、C节点、D节点、E节点……Z节点)构成的无线传感区域网络中，令每个传感器的感知半径记为r(单位为m)。在本发明中，采用边长为

来构成等边三角形，并利用该等边三角形对所述的区域网络进行剖分，剖分结果如图1所示。剖分后的区域网络，每一个等边三角形的顶点称为虚拟节点，并在路由路径获取中的作为虚拟源节点或虚拟中间节点。

图1中，V₁顶点、V₂顶点和V₃顶点构成一个等边三角形。同理可得，V₂顶点、V₃顶点和V₄顶点构成另一个等边三角形。V₂顶点、V₄顶点和V₈顶点构成再一个等边三角形。

本发明中采用的等边三角形剖分模型对区域网络进行剖分，能够对被剖分的区域网络实现全覆盖剖分，而且在全覆盖条件下相对于正方形剖分模型覆盖率提高了8％～15％。

步骤二：选取虚拟源节点

在步骤一剖分后的区域网络中，以源节点为圆心，

为半径做圆。选择落在该圆内的等边三角形顶点作为虚拟源节点。该虚拟源节点与其他三角形顶点一起进行步骤三的虚拟路由路径获取。

在本发明中，以源节点为圆心，

为半径做圆，若有多个三角形顶点均落在圆边界上，则选取离目的节点较近的这个三角形顶点作为虚拟源节点。

在本发明中，将区域网络中的A节点称作源节点，Z节点称作目的节点。图7中，以A顶点为圆心，

为半径做圆(虚线)，该圆中有V₁顶点，于是选该顶点作为虚拟源顶点。

步骤三：虚拟路由路径获取

为得到实际路由路径，本发明首先获取一条虚拟路由路径，虚拟路由路径的中间节点是由网络中三角形的顶点所构成，获取虚拟路由路径就是从网络中选取三角形的顶点，具体步骤如下：

解析A)，把虚拟源节点与目的节点连接成一条直线，选取虚拟源节点所在的等边三角形中与该直线夹角最小的三角形的边，并把该边的另一顶点作为虚拟路由路径的下一跳，即为虚拟中间节点。

如图2所示，图中虚拟源节点V₁顶点与目的节点(Z节点)连接形成直线V₁→Z，该直线V₁→Z与等边三角形中的V₁-V₂边形成的夹角α最小，并以该V₁-V₂边的V₂顶点作为虚拟路由路径中V₁节点点的下一跳。

解析B)，将最新选择的虚拟中间节点与目的节点连接成一条直线，选取与该虚拟中间节点所在的等边三角形中与该直线夹角最小的三角形边，并把该边的另一顶点作为虚拟路由路径的下一跳，从而获得了一个新的虚拟中间节点。

解析C)，判断最新选取的虚拟中间节点与目的节点是否在同一三角形中，若是，则转到解析D)；若不是，重复执行解析B)。

如图2所示，图中V₂顶点与目的节点(Z节点)连接形成直线V₂→Z，该直线V₂→Z与等边三角形中的V₂-V₄边形成的夹角β最小，并以该V₂-V₄边的V₄顶点作为路由路径中的V₂顶点下一跳。因为V₄顶点与Z节点并不在同一三角形内，所以重复执行解析B)；

如图2所示，图中V₄顶点与目的节点(Z节点)连接形成直线V₄→Z，该直线V₄→Z与等边三角形中的V₄-V₇边形成的夹角χ最小，并以该V₄-V₇边的V₇顶点作为路由路径中的V₄顶点下一跳。因为V₇顶点与Z节点在同一三角形内，所以不再重复执行解析B)，而执行解析D)。

解析D)，由于虚拟路由路径中的当前虚拟中间节点与目的节点同处同一等边三角形中，可直接将目的节点作为路由路径的下一跳。

如图2所示，图中V₇顶点与目的节点(Z节点)同处同一等边三角形中，可直接将目的节点(Z节点)作为路由路径中V₇顶点的下一跳，至此，从A源节点至目的节点(Z节点)的虚拟路电路径获取完成，即V₁→V₂→V₄→V₇→Z，如图2A中的虚线所示。

步骤四：选取代表节点

(a)依据步骤三中所获取的虚拟路由路径中的虚拟中间节点为等边三角形的顶点，以其中每一个顶点为圆心，

为半径做圆；

(b)选取出落在该圆内的剩余电量最多的一个传感器节点作为该顶点(圆心)的代表节点，令该代表节点(记为RPT)处于工作状态；

(c)该圆内的其它节点各自选取一个随机时间t(单位：s)进入休眠状态。

例如图1中，以V₄顶点为圆心，

为半径做圆(虚线)，该圆中有D节点和E节点两个节点，V₄顶点为D节点和E节点的相应三角形顶点，假设E节点的电量高于D节点，那么选取E节点作为V₄顶点的代表节点。而D节点则选取一个随机时间(t＝5s)进入休眠状态。同理可得，C节点是V₂顶点的代表节点，F节点是V₇顶点的代表节点。

步骤五：实际路由路径获取

选择虚拟路由路径中虚拟中间节点的代表顶点作为实际路由路径的中间节点，与源节点和目的节点构成实际路由路径。在本发明中路由路径为A→C→E→F→Z，如图2B中的粗实线所示。

步骤六：数据传输及实际路由路径维护

数据按照步骤五获取的实际路由路径A→C→E→F→Z进行传输；

在数据传输的过程中，处于工作状态的传感器节点的能量逐渐消耗，同时区域网络中有大量节点处于休眠状态。在此种状态下，本发明通过对每个处于休眠状态的传感器节点使用如下休眠策略来进行实际路由路径维护：

过程a)，对任一处于休眠状态的节点记为SLP，SLP选定的随机时间记为t_i(单位：s)，在t_i结束后，该节点自我唤醒进入工作状态；

过程b)，SLP自我唤醒后，通过检测RPT的电量，若RPT的电量高于设定电量，则SLP重新进入休眠状态；若RPT的电量低于设定电量，则SLP替代RPT作为新代表节点，执行代表节点的工作；而RPT进入退休状态不再使用。

在本发明中，设定电量为总电量的5％。

本发明的一种基于等边三角形剖分模型的路由方法中，在实际路由路径的维护过程中，在D节点休眠结束后，该节点自我唤醒进入工作状态；D节点自我唤醒后，发现实际路由路径(如图2B中的粗实线所示)中其对应的虚拟中间节点(V₄顶点)的代表节点(E节点)电量低于设定电量，则将代表节点(E节点)标记为退休状态不再使用，D节点将自身设定为相应虚拟中间节点(V₄顶点)新的代表节点，实际路由路径发生改变(如图3粗实线所示)，使用新的实际路由经路径进行数据传输。本发明方法采用休眠策略对实际路由路径进行维护，当实际路由路径中某节点电量过低时，本方法既可以选取新的节点来维持数据的继续传输，又无需重新计算从源节点到目的节点的路由路径，从而具有可靠性与灵活性的双重优点。

Claims (3)

1.一种基于等边三角形剖分模型的无线传感器网络中路由方法，该路由是为了将信息从源节点经过多个中间节点发送到目标节点的过程，其特征在于该路由方法包括有下列路由步骤：

步骤一：基于等边三角形剖分模型的区域网络剖分

在一个由大量无线传感器节点构成的无线传感区域网络中，令每个传感器的感知半径记为r；采用边长为

来构成等边三角形，并利用该等边三角形对所述的无线传感区域网络进行剖分；

步骤二：选取虚拟源节点

在步骤一剖分后的区域网络中，以源节点为圆心，

为半径做第一圆；选择落在该第一圆内的等边三角形顶点作为虚拟源节点；

步骤三：虚拟路由路径获取

虚拟路由路径的获取包括有下列解析步骤：

解析步骤A)，把虚拟源节点与目的节点连接成一条直线，选取虚拟源节点所在的等边三角形中与该直线夹角最小的三角形的边，并把该边的另一顶点作为虚拟路由路径的虚拟中间节点；

解析步骤B)，将当前选择的虚拟中间节点与目的节点连接成一条直线，选取与该虚拟中间节点所在的等边三角形中与该直线夹角最小的三角形边，并把该边的另一顶点作为虚拟路由路径的下一个虚拟中间节点；

解析步骤C)，判断最后选取的虚拟中间节点与目的节点是否在同一三角形中，若是，则转到解析步骤D)；若不是，重复执行解析步骤B)；

解析步骤D)，由于虚拟路由路径中的当前虚拟中间节点与目的节点同处同一等边三角形中，直接将目的节点作为路由路径的下一跳；

步骤四：选取代表节点

(a)依据步骤三中所获取的虚拟路由路径中的虚拟中间节点为等边三角形的顶点，并以该虚拟中间节点为圆心，

为半径做第二圆；

(b)选取出落在该第二圆内的剩余电量最多的一个传感器节点作为代表节点RPT，且该代表节点RPT处于工作状态；

(c)该第二圆内的其它传感器节点各自选取一个随机时间t(单位：s)进入休眠状态；

步骤五：实际路由路径获取

从源节点开始，连接各个代表节点至目的节点构成了实际路由路径；

步骤六：数据传输及实际路由路径维护

在数据传输的过程中，处于工作状态的传感器节点的能量逐渐消耗，同时区域网络中有大量节点处于休眠状态；在此种状态下，采用如下休眠策略来对步骤五获取的实际路由路径进行维护：

过程a)，对任一处于休眠状态的节点记为SLP，SLP选定的随机时间记为t_i，在t_i结束后，该节点自我唤醒进入工作状态；

过程b)，SLP自我唤醒后，通过检测RPT的电量，若RPT的电量高于设定电量，则SLP重新进入休眠状态；若RPT的电量低于设定电量，则SLP替代RPT作为新代表节点，执行代表节点的工作；而RPT进入退休状态不再使用。

2.根据权利要求1所述的基于等边三角形剖分模型的无线传感器网络中路由方法，其特征在于：在步骤一的剖分后的区域网络中，每一个等边三角形的顶点称为虚拟节点。

3.根据权利要求1所述的基于等边三角形剖分模型的无线传感器网络中路由方法，其特征在于：无线传感区域网络中的任意传感器节点的设定电量为总电量的5％。

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