CN101715201B - 无线传感器网络中汇聚节点在移动时采集信息的方法 - Google Patents

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Abstract

一种无线传感器网络中Sink在移动时采集信息的方法：先在全网建立一个两层网格，并基于该两层网格执行分级监测，对环境中的兴趣事件分别进行事件驱动或查询驱动的监测应用；在Sink移动时，利用代理机制重新选择直接代理和主代理，以确保Sink能持续收集来自事件源或查询源的节点的数据。其操作步骤包括初始化、网格构建、建立代理机制、分级监测或查询、以及在Sink移动时，利用代理机制重新选择直接代理和主代理后，继续执行事件驱动或查询驱动的监测应用的各阶段。本发明适用于以环境监测为目的、节点部署密集且规模较大的传感器网络，解决了Sink在移动状态时采集信息，以及TTDD路由协议中能量消耗大、监测突发事件的能力差等问题。

Description

无线传感器网络中汇聚节点在移动时采集信息的方法
技术领域
本发明涉及一种无线传感器网络的新技术，确切地说，涉及一种无线传感器网络中汇聚节点Sink在移动时采集信息的方法，属于无线自组织网络系统技术领域。
背景技术
无线传感器网络(WSNs)是由大量传感器节点构成的、用于收集物理空间环境相关信息的多跳的网络。其路由协议的主要目的是保证感知数据能够正确地传递到传感器网络中的网关节点，即汇聚节点Sink。Sink是在无线传感器网络中，负责与各个传感器节点进行无线通信，同时采用其他通信方式接入外部总线或网络以进行信息交换的装置。Sink可以是固定设备，也可以是移动终端，如笔记本、PDA或手机等。WSNs路由协议与应用紧密相关，考虑无线传感器网络中的一类典型的环境监测应用，例如森林防火、毒气泄漏、环境监测等。以森林防火为例，Sink可由巡视人员在巡视时随身携带而处于移动状态。而Sink的移动给WSNs路由协议带来新的挑战。目前，支持移动Sink的路由协议有TTDD、EARM、SEAD等，其中最为典型的就是双层数据分发TTDD(TWO-TIER DATA DISSEMINATION)路由协议。
TTDD路由协议是一种适用于大规模网络的基于地理位置的通信协议。其核心思想是把整个网络分成多个虚拟的网格，每个网格的四个顶点都成为数据传输点，并保存数据信息。当某个Sink需要查询数据时，该Sink先在其所在的网格单元内洪泛查询请求，当该查询请求到达Sink相邻的传输节点后，传输节点就利用基于地理位置的贪婪算法沿传输节点把请求传送给源节点，然后，源节点以同样的方式把数据传回Sink。
虽然TTDD路由协议能解决Sink移动的问题，但是，它有以下几点不足：
1、消耗能量多：每个源节点都是以在全网洪泛数据信息的方式构建网格，增加了能量开销。
2、监测突发事件的能力差：兴趣事件发生后，虽然该事件源节点立即主动发起建立网格，但是，必须等待Sink的查询消息到达网格格点后，Sink才能接收到相关数据信息，因此，它不能有效地应对突发事件的发生和监测。
3、兴趣事件发生后，保证只有一个传感器节点成为源节点来建立网格的机制至今未被详细论述。如果对于同一事件，多个传感器节点都作为事件源节点，并发起在全网建立网格结构的命令时，不仅会使节点处理过程复杂化，造成大量冗余开销，更会导致网络通信量的急剧增加，造成难以估算的严重后果。
然而，考虑到环境监测类应用，所监测的事件大多是突发事件，需要事件源直接将消息数据传送给Sink，以便能够及时地监测到事件的发生和进展情况。同时，很多时候人们还需要主动获取某些特定区域的环境数据。所以，如何提出一种更有效地支持Sink在移动情况下采集信息的方法，就成为业内科技人员一项迫切需要解决的新课题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种无线传感器网络中汇聚节点Sink在移动时采集信息的方法，该方法适用于以环境监测为目的、节点部署密集且规模较大的传感器网络，它既解决了Sink在移动状态时如何采集信息的问题，又解决了TTDD路由协议中能量消耗大、监测突发事件的能力差的多种问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种无线传感器网络中汇聚节点Sink在移动时采集信息的方法，其特征在于：先在全网建立一个两层结构的网格，并基于该两层结构的网格执行分级监测机制，对环境中的兴趣事件分别进行事件驱动或查询驱动的监测应用；并在Sink发生移动时，利用代理机制重新选择直接代理和主代理，以确保Sink能够持续收集来自事件源或查询源的节点的数据：该方法包括下列操作步骤：
(1)初始化阶段：在传感器网络中设置各个传感器节点，并对其执行初始化，然后为该传感器网络选择一个全局代理节点；该步骤包括下述操作内容：
(11)初始化：无线传感器网络中的全部传感器节点都设置好后，各个传感器节点分别进行初始化过程，得到自己及邻居节点的物理位置及各自节点标识信息；
(12)选择全局代理节点：Sink在网络中指定一个传感器节点作为全局代理节点，在网络的整个生命周期内，该全局代理节点始终存在而不被更换，且其相关信息随着网格构建过程中发送的网格构建消息被洪泛到整个网络的所有格点，每个格点都保存该信息留待使用；
(2)网格构建阶段：由Sink发起在全网构建一个两层的网格结构，每个网格单元用于定位Sink和事件源或查询源的位置，网格格点用于传输数据；该步骤包括下述操作内容：
(21)构建虚拟基准网格：Sink选择一个邻居节点作为网格的第一个格点，即标识为BaseGP的基本格点；再以该基本格点为基准，根据地理位置贪婪算法发起网格构建消息，把全网划分成一个设定格长为α的虚拟基准网格，虚拟基准网格的格点标识为vGP；
(22)构建实际基准网格：为每个虚拟格点寻找一个最近的传感器节点做代理，这些用作实际代理的传感器节点构成实际基准网格架构，实际基准网格节点的传感器节点称为传输节点；建立实际基准网格后，每个传输节点都知道相邻传输节点的位置信息，任意传输节点之间均能通过多跳方式进行通信；
(23)划分两层网格：把实际基准网格划分为两层架构：底层网格和高层网格，其中底层网格是所述步骤(22)构建的实际基准网格，即网格单元边长为α的细粒度网格；底层网格的格点称为GP0节点；高层网格是建立在底层网格基础上、抽取底层网格的部分格点所形成的网格单元边长为2α的粗粒度网格，高层网格的格点称为GP1节点；
(3)建立代理机制：Sink在其所在的网格单元内选择两个代理节点：直接代理节点和主代理节点，该两个代理节点负责Sink在移动时能够持续收集来自事件源或查询源的源节点的数据；此时，如果所述方法是执行事件驱动，则顺序执行步骤(4)；如果所述方法是执行查询驱动，则跳转执行步骤(5)；该步骤包括下述操作内容：
(31)Sink进入网络后，通过hello消息获取其邻近的各传感器节点信息，并从中选取距离自己一跳、直接与Sink通信的一个传感器节点作为自己的直接代理节点；并在其所在的网格内，Sink选择一个传感器节点作为其主代理节点；
(32)Sink把直接代理节点信息发送给主代理节点，使主代理节点作为Sink在其所在的网格单元内的代表，与该直接代理节点进行通信，保证数据传递的连贯性；而对于主代理节点，直接代理节点代表Sink，主代理节点与直接代理节点进行通信；但是，如果此时的直接代理节点与主代理节点为同一个传感器节点时，省略该步骤操作；
(33)Sink的主代理节点在其所在的网格范围内洪泛其自身的信息，并把自身信息传送给全局代理节点；收到该信息的各个传输节点存储该信息备用，以便当监测数据传送到Sink所在网格的各个传输节点时，这些传输节点只要将数据通过地理位置贪婪算法转发给主代理节点，再由主代理节点将数据发送到直接代理节点，由后者广播到Sink；对于全局代理节点来说，主代理节点的物理位置信息表示Sink目前所在的地理位置，全局代理节点只需将数据发送给其自己当前存储的主代理节点；
(34)如果Sink需要发送信息时，则先将该信息发送给直接代理节点，再由直接代理节点转发给主代理节点，由后者转发到所建立的有效路径上的第一个传输节点；
(4)分级监测阶段：在两层网格结构基础上进行分级监测，其中初级监测负责监测事件信息，并把事件信息上传给Sink；紧密监测负责监测事件信息及其周围环境的具体数据，并将事件信息和监测数据传输到Sink；该步骤包括下述操作内容：
(41)两层网格构建成功后，所有高层网格格点、即GP1节点作为初级监测点，开始监测以其本身为中心、面积为2α×2α的初级监测区域：高层网格格点先在自己的监测区域内洪泛初级监测启动信息，通知监测区域内的所有传感器节点，一旦发生兴趣事件，就将该事件信息以多跳方式传递到该GP1节点；
(42)该GP1节点接收到该事件信息后，在将该事件信息向Sink传递的同时，向其相邻的四个传输节点发送紧密监测启动信息，开始紧密监测；
(43)收到紧密监测启动信息的四个传输节点在给该GP1节点发送回复信息的同时，根据GP1节点的方向和自己相邻的传输节点位置，向另一个相邻的传输节点发送紧密监测启动信息；如此传递，就由多个底层网格格点、即GP0节点作为紧密监测点建立一个监测树，每个GP0节点收集以其本身为中心，面积为α×α的紧密监测区域内的周围环境详细信息，监测树上的各个GP0节点所收集到的紧密监测数据，都沿着树传送给作为事件源的根节点，即GP1节点；
(44)事件源的根节点将紧密监测的所有数据都上传到Sink；
(5)查询阶段：Sink接收到应用层的查询命令后，向全网络下发该查询命令，建立查询路径，执行查询命令，最后得到查询信息；该步骤中，查询任务是根据不同应用而定制的，查询命令则是根据查询任务而设定的，其中建立查询路径的过程包括下列操作内容：
(51)Sink接收到来自应用层的查询命令后，存储该查询命令，并通过查询命令中的查询范围字段计算出查询范围的中心，即虚拟查询数据源vSource；
(52)因vSource是虚拟的查询数据源，实际网络中该位置不一定存在一个节点，所以要寻找离vSource位置最近的一个传感器节点作为实际查询数据源Source；
(53)该Source收集查询区域内的各项查询数据，并把所有查询数据传送给Sink；
(6)当Sink发生移动时，利用代理机制重新选择直接代理和主代理后，返回相应的步骤(4)或步骤(5)，执行事件驱动或查询驱动的监测应用。
本发明是以环境监测应用为背景提出的一种支持Sink在移动情况下收集信息的方法。本发明的技术创新之处是：将构建网格的任务分配给Sink节点，避免了原来的网格是由事件源发起构建而可能造成大量不必要的开销的弊病。而且，该方法采用基于两层网格结构的分级监测机制，能更加有效地监测周围环境中的兴趣事件。此外，还为Sink设立一个全局代理，随时跟踪Sink，提高了事件监测的灵敏度。尤其是为了满足实际应用中众多用户要求主动查询环境信息的需求，本发明首创提出一种支持Sink主动查询某一地理范围内的环境信息的具体操作方法，使得无线传感器网络的监测功能大大增强。因此，本发明在环境监测领域具有很好的应用前景。
附图说明
图1是本发明无线传感器网络中汇聚节点在移动时采集信息的方法操作步骤方框图。
图2是本发明构建的两层网格结构示意图。
图3是本发明分级监测示意图。
图4是本发明0～8号节点之间组成的通信关系树示意图。
图5是本发明的事件驱动路径的建立示意图。
图6是本发明的查询路径的建立示意图。
图7是本发明Sink移动后的路径变化示意图
图8(A)、(B)、(C)、(D)分别是本发明实施例在网络规模变化时的吞吐量、数据成功接收率、端到端时延和首次数据时延的性能比较图。
图9(A)、(B)、(C)、(D)分别是本发明实施例在Sink速度变化时的吞吐量、数据成功接收率、端到端时延和首次数据时延的性能比较图。
图10(A)、(B)、(C)、(D)分别是本发明实施例在数据源数目变化时的吞吐量、数据成功接收率、端到端时延和首次数据时延的性能比较图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1，介绍本发明无线传感器网络中Sink在移动时采集信息的方法，该方法是先在全网建立一个两层结构的网格，并基于该两层结构的网格执行分级监测机制，对环境中的兴趣事件分别进行事件驱动或查询驱动的监测应用；并在Sink发生移动时，利用代理机制重新选择直接代理和主代理，以确保Sink能够持续收集来自事件源或查询源的节点的数据。该方法包括下列操作步骤：
步骤1、初始化阶段：在传感器网络中设置各个传感器节点，并对其执行初始化，然后为该传感器网络选择一个全局代理(GA-Global Agent)节点。
该步骤包括下述具体操作内容：
(11)初始化：无线传感器网络中的全部传感器节点都设置好后，各传感器分别进行初始化过程，得到自己及邻居节点的物理位置及各自节点ID信息；
(12)选择全局代理：Sink在网络中指定一个传感器节点作为全局代理，在网络的整个生命周期内，该全局代理始终存在而不被更换，而且其相关信息随着网格构建过程中发送的网格构建消息被洪泛到整个网络的所有格点，每个格点都保存该信息留待使用。
步骤2、网格构建阶段：由Sink发起在全网构建一个两层的网格结构，每个网格单元用于定位Sink和事件源或查询源的位置，网格格点用于传输数据。
该步骤包括下述具体操作内容：
(21)构建虚拟基准网格：Sink选择一个邻居节点作为网格的第一个格点(该格点称作基本格点，标识为BaseGP)；再以该基本格点为基准，根据地理位置贪婪算法发起网格构建消息，把全网划分成一个设定格长为α的虚拟基准网格(虚拟基准网格的格点标识为vGP)；
(22)构建实际基准网格：为每个虚拟格点寻找一个最近的传感器节点做代理，这些用作实际代理的传感器节点构成实际基准网格架构，实际基准网格节点的传感器节点称为传输节点(简称DN)；实际基准网格成功建立后，每个传输节点都知道相邻传输节点的位置信息，任意传输节点之间均能通过多跳的方式进行通信；
(23)划分两层网格：把实际基准网格划分为底层网格和高层网格的两层架构，其中底层网格是前述步骤(22)构建的实际基准网格，即网格单元边长为α的细粒度网格；底层网格的格点称为GP0节点；高层网格是建立在底层网格基础上、抽取底层网格的部分格点所形成的网格单元边长为2α的粗粒度网格，高层网格的格点称为GP1节点(参见图2所示的两层网格结构示意图，该图及后面的各个附图中的五角星代表GP1节点，三角代表GP0节点，小圆圈为普通传感器节点)。
步骤3、建立代理机制：Sink在其所在的网格单元内选择两个代理：一个直接代理和一个主代理，该两个代理负责Sink在移动时能够持续收集来自源节点(事件源或查询源)的数据。
该步骤包括下述具体操作内容：
(31)Sink进入网络后，通过hello消息获取其邻近的各传感器节点信息，并从中选取距离自己一跳、直接与Sink通信的一个传感器节点作为自己的直接代理；并在其所在的网格内，Sink选择一个传感器节点作为其主代理；
(32)Sink把直接代理信息发送给主代理，使主代理作为Sink在其所在的网格单元内的代表，与该直接代理进行通信，保证数据传递的连贯性；而对于主代理，直接代理代表Sink，主代理与直接代理进行通信；但是，如果此时的直接代理与主代理为同一个传感器节点时，省略该步骤操作；
(33)Sink的主代理在其所在的网格范围内洪泛其自身的信息，并把自身信息传送给全局代理；收到该信息的各个传输节点存储该信息备用，以便当监测数据传送到Sink所在网格的各个传输节点时，这些传输节点只要将感测数据通过地理位置贪婪算法转发给主代理，再由主代理将数据发送到直接代理，由后者广播到Sink；对于全局代理来说，主代理的物理位置信息表示Sink目前所在的地理位置，全局代理只需将数据发送给其自己当前存储的主代理；
(34)如果Sink需要发送信息时，则先将该信息发送给直接代理，再由直接代理转发给主代理，由后者转发到所建立的有效路径上的第一个传输节点。
此时，如果所述方法是执行事件驱动，则顺序执行步骤4；如果所述方法是执行查询驱动，则跳转执行步骤5。
步骤4、分级监测阶段：在两层网格结构基础上进行分级监测，其中初级监测负责监测事件信息，并把事件信息上传给Sink；紧密监测负责监测事件信息及其周围环境的具体数据，并将事件信息和监测数据传输到Sink。
该步骤包括下述具体操作内容：
(41)两层网格构建成功后，所有高层网格格点(即GP1节点)作为初级监测点，开始监测以其本身为中心、面积为2α×2α的初级监测区域：高层网格格点先在自己的监测区域内洪泛初级监测启动信息，通知监测区域内的所有传感器节点，一旦发生兴趣事件，就将该事件信息以多跳方式传递到该GP1节点；
(42)该GP1节点接收到该事件信息后，在将该事件信息向Sink点传递的同时，向其相邻的四个传输节点发送紧密监测启动信息，开始紧密监测；
其中，GP1节点将事件信息传送到Sink点的过程包括下述操作内容：
(421)接收到事件信息的GP1节点成为事件源，该事件源GP1节点执行全局代理转发：先利用地理位置贪婪算法把事件信息传送给Sink的全局代理，再由全局代理把事件信息分别通过Sink的主代理和直接代理传送给Sink；
(422)Sink接收到来自事件源的事件信息后，根据事件源的地理位置信息，按照下述操作步骤沿传输节点建立一条到事件源的有效传输路径：
Sink先寻找直接代理和主代理，再在与Sink相邻的4个传输节点中，选择一个距离事件源最近的传输节点作为此时Sink的第一个传输节点；
该第一个传输节点在其本身的4个邻居传输节点中寻找一个距离事件源最近的传输节点作为该第一个传输节点的下游传输节点而继续传输相关信息；如此不断操作，直到找到事件源节点，就建立了一条由Sink到事件源的有效传输路径；该路径上的每个传输节点都记录其上游传输节点和下游传输节点的位置及其标识信息。
(43)收到紧密监测启动信息的四个传输节点在给该GP1节点发送回复信息的同时，根据GP1节点的方向和自己相邻的传输节点位置，向另一个相邻的传输节点发送紧密监测启动信息。如此传递，就由多个底层网格格点(GP0节点)作为紧密监测点建立一个监测树(参见图4)，每个GP0节点收集以其本身为中心，面积为α×α的紧密监测区域内的周围环境详细信息，监测树上的各个GP0节点所收集到的紧密监测数据，都沿着树传送给作为事件源的根节点(GP1节点)；
(44)事件源节点将紧密监测的所有数据都上传到Sink点；该步骤中的紧密监测数据的上传都是经由前述步骤(422)建立的有效传输路径完成的。
参见图3，介绍该步骤4的具体操作内容：图中的0号节点为GP1点，它负责监测阴影区域是否发生兴趣事件或其它事件(即执行初级监测)。当监测到事件时(此时的E节点是事件发生点)，这个事件点就把事件信息通知给0号节点。此时作为GP1节点的0号节点就变成一个事件源。然后，0号节点就启动它周围的8个GP0节点，即1～8号节点执行紧密监测，1～8号节点分别从各自阴影区域内收集环境的详细信息。在0号节点启动1～8号节点的过程中，该9个节点构成一棵以0号节点为根节点的紧密监测树(如图4所示)。在这个树中，父节点与子节点之间是通过多跳的方式完成通信。0号根节点收到紧密监测节点的监测数据，就会将监测数据和对应监测区域的其它信息发送到Sink。
参见图5，介绍事件驱动中的路径建立的具体过程(各个附图中的字符涵义相同)：S为Sink，I为直接代理，P为主代理，G为全局代理，E为事件源，N为Sink对应事件E的第一个传输节点；虚线是事件信息从事件源传到全局代理，再通过主代理和直接代理传到Sink的过程；实线是Sink沿格点到事件源的传输路径。
步骤5、查询阶段：Sink接收到应用层的查询命令后，向全网络下发该查询命令，建立查询路径，执行查询命令，最后得到查询信息。
该查询驱动的操作步骤是本发明的首创，也就是完成前述相应步骤后，在监测网络状态的同时，Sink可以向网络下发查询命令，主动获取网络中的数据。查询任务是根据不同应用而定制的，查询命令则是根据查询任务而设定的，
此时建立查询路径的过程包括下述具体操作内容：
(51)Sink接收到来自应用层的查询命令后，存储该查询命令，并通过查询命令中的查询范围字段计算出查询范围的中心，即虚拟查询数据源vSource；
(52)因vSource是虚拟的查询数据源，实际网络中的该位置不一定存在一个节点，所以要寻找离vSource位置最近的一个传感器节点作为实际查询数据源Source；此时，寻找Source的过程就是建立查询路径过程，操作步骤如下：
(521)Sink计算出vSource位置后，通过自己位置及网络的基本格点的位置寻找第一个传输节点，由该第一个传输节点发送路径建立消息，该消息沿网格寻找至离vSource最近的节点，该节点就成为实际查询数据源Source；
(522)该Source发送路径回应消息给Sink，该回应消息中包含该Source的物理位置信息；
(523)Sink收到回应消息后，把查询消息发送至实际数据源节点Source。
(53)该Source收集查询区域内的各项查询数据，并把所有查询数据传送给Sink。
参见图6，简要介绍查询路径的具体建立过程：图中的阴影区域为查询区域Query field，Q为查询数据源Source，1、2、3分别表示查询路径上的各个传输节点；图中的实线即为Sink通过直接代理和主代理找到第一个传输节点1，然后再顺序通过传输节点2和3到达查询数据源Q的路径。
上面所介绍的事件驱动和查询驱动的过程都是在Sink未发生移动的情况下进行的，当Sink发生移动时，为确保Sink能持续收集来自源节点(事件源或查询源)的数据，需要执行步骤6的操作：
步骤6、当Sink发生移动时，利用代理机制重新选择直接代理和主代理后，返回相应的步骤4或步骤5，执行事件驱动或查询驱动的监测应用。
在该步骤中，当Sink移动到一个新的网格单元时，若网络中存在有效的数据源，即事件源或查询源仍然在发送数据，则要重新建立一条Sink到达该有效数据源的传输路径，即重新选择直接代理和主代理后，再选择第一个传输节点，并由该第一个传输节点沿着网格建立一条到达有效数据源的传输路径。
该步骤至少包括下述具体操作内容：
(61)当Sink移动出直接代理的覆盖范围，但还在原来的网格单元内时，不要重新选择主代理，只需重新选择直接代理，保证该直接代理和Sink之间的距离是一跳，并把该直接代理的位置通知给主代理，保证主代理能与该直接代理通信；或
(62)当Sink移动到一个新的网格单元，要重新分别选择直接代理和主代理，并且，Sink要将更换了的主代理的信息发送到全局代理节点。
参见图7，该图展示了Sink由S移动到S’时查询路径的变化情况：1，2，3，4分别表示路径上的各个传输节点，S’表示Sink移动之后的位置，I’表示Sink移动后重新选择的直接代理，P’表示Sink移动后重新选择的主代理；Sink未发生移动时，查询路径为S通过直接代理I、主代理P、传输节点1、2、3，到达查询源Q。而在Sink移动后，新的查询路径为S’通过新的直接代理I’、主代理P’、传输节点4、3到达查询源Q。
本发明已经进行了仿真实施试验，下面介绍本发明方法的仿真实施情况。
为了体现本发明方法的优点，申请人在相同情况下对现有技术的TTDD协议的方法和本发明方法分别进行仿真实施试验，以方便对比。
在仿真中，测量了四个参数：网络吞吐量、数据成功接受率、端到端时延和首次数据时延。网络吞吐量定义为每秒内网络发送和接收包的个数；由于传感器网络的能量消耗主要取决于节点间的通信，因此这个参数可以用来测量网络的能量消耗。数据成功接受率是Sink接收的数据包数量与源节点发送的数据包总数的比例；该参数表明数据传输的有效性。端到端时延是数据产生时刻到Sink接收到该数据时刻的时间间隔的平均值；该参数表明接收的数据包的新鲜度。首次数据时延是指事件发生时刻到Sink第一次收到时间信息时刻的时间间隔；该参数在监测类应用中非常重要，它表明事件监测的灵敏度。
在仿真实施试验中，通过变换网络规模、Sink移动速度以及网络中源节点的个数来设定三组不同的场景，并且在设定仿真场景时，做如下假设：所有传感器节点具有相同的传输半径(30米)。监测区域为二维平面，传感器节点均匀分布在该平面内，且相邻节点之间的距离为27米(略小于通信半径)。两种方法中的网格边长α相同，都设置为60米。Sink以监测区域中心为圆心沿区域边缘做圆周运动。
参见图8，介绍在五种不同网络规模时进行测试得到的仿真结果。
在这组性能测验中，通过改变网络的规模，同时设定Sink的传输速度为3米/秒，网络中的数据源个数为1。5组不同的网络规模情况是：50个节点分布在180×180m2的区域，75个节点分布在200×250m2的区域，100个节点分布在270×270m2的区域，125个节点分布在300×320m2的区域，以及150个节点分布在320×350m2的区域。从仿真结果来看，本发明方法比TTDD方法更有效。
参见图9，介绍在Sink速度变化时进行测试得到的仿真结果。
在这组仿真测试中，通过改变Sink的移动速度来测试两种方法的性能。设定网络中的数据源个数为1，网络规模为100个节点分布在270×270m2的区域，Sink节点的移动速度分别为：0米/秒，3米/秒，6米/秒，9米/秒和12米/秒。仿真结果表明在Sink速度增加情况下，本发明方法比TTDD方法性能更佳。
参见图10，介绍在数据源数目不同情况时进行测试得到的仿真结果。
在传感器网络中，同一时刻的数据源数目不同也会对路由的性能造成影响。实施例对数据源数目变化时的路由性能也进行了仿真。同样，选择100个节点的网络规模，并把Sink的速度设定为3米/秒。然后，在分别设定了4组仿真场景，数据源的数目分别为：1，2，3，4。
仿真结果表明：随着数据源的增加，两种方法的路由性能都会降低。但在相同情况下，本发明方法的性能要优于TTDD方法。
经过以上仿真试验的实施结果可看出，在相同场景下，本发明方法要比TTDD的方法的能量消耗更少、时延更小、数据成功接受率更高，并且本发明方法对突发事件监测的灵敏度也要高于TTDD方法。
总之，仿真实施试验的结果是成功的，实现了发明目的。

Claims (6)

1.一种无线传感器网络中汇聚节点Sink在移动时采集信息的方法，其特征在于：先在全网建立一个两层结构的网格，并基于该两层结构的网格执行分级监测机制，对环境中的兴趣事件分别进行事件驱动或查询驱动的监测应用；并在Sink发生移动时，利用代理机制重新选择直接代理和主代理，以确保Sink能够持续收集来自事件源或查询源的节点的数据：该方法包括下列操作步骤：
(1)初始化阶段：在传感器网络中设置各个传感器节点，并对其执行初始化，然后为该传感器网络选择一个全局代理节点；该步骤包括下述操作内容：
(11)初始化：无线传感器网络中的全部传感器节点都设置好后，各个传感器节点分别进行初始化过程，得到自己及邻居节点的物理位置及各自节点标识信息；
(12)选择全局代理节点：Sink在网络中指定一个传感器节点作为全局代理节点，在网络的整个生命周期内，该全局代理节点始终存在而不被更换，且其相关信息随着网格构建过程中发送的网格构建消息被洪泛到整个网络的所有格点，每个格点都保存该信息留待使用；
(2)网格构建阶段：由Sink发起在全网构建一个两层的网格结构，每个网格单元用于定位Sink和事件源或查询源的位置，网格格点用于传输数据；该步骤包括下述操作内容：
(21)构建虚拟基准网格：Sink选择一个邻居节点作为网格的第一个格点，即标识为BaseGP的基本格点；再以该基本格点为基准，根据地理位置贪婪算法发起网格构建消息，把全网划分成一个设定格长为α的虚拟基准网格，虚拟基准网格的格点标识为vGP；
(22)构建实际基准网格：为每个虚拟格点寻找一个最近的传感器节点做代理，这些用作实际代理的传感器节点构成实际基准网格架构，实际基准网格节点的传感器节点称为传输节点；建立实际基准网格后，每个传输节点都知道相邻传输节点的位置信息，任意传输节点之间均能通过多跳方式进行通信；
(23)划分两层网格：把实际基准网格划分为两层架构：底层网格和高层网格，其中底层网格是所述步骤(22)构建的实际基准网格，即网格单元边长为α的细粒度网格；底层网格的格点称为GP0节点；高层网格是建立在底层网格基础上、抽取底层网格的部分格点所形成的网格单元边长为2α的粗粒度网格，高层网格的格点称为GP1节点；
(3)建立代理机制：Sink在其所在的网格单元内选择两个代理节点：直接代理节点和主代理节点，该两个代理节点负责Sink在移动时能够持续收集来自事件源或查询源的源节点的数据；此时，如果所述方法是执行事件驱动，则顺序执行步骤(4)；如果所述方法是执行查询驱动，则跳转执行步骤(5)；
该步骤包括下述操作内容：
(31)Sink进入网络后，通过hello消息获取其邻近的各传感器节点信息，并从中选取距离自己一跳、直接与Sink通信的一个传感器节点作为自己的直接代理节点；并在其所在的网格内，Sink选择一个传感器节点作为其主代理节点；
(32)Sink把直接代理节点信息发送给主代理节点，使主代理节点作为Sink在其所在的网格单元内的代表，与该直接代理节点进行通信，保证数据传递的连贯性；而对于主代理节点，直接代理节点代表Sink，主代理节点与直接代理节点进行通信；但是，如果此时的直接代理节点与主代理节点为同一个传感器节点时，省略该步骤操作；
(33)Sink的主代理节点在其所在的网格范围内洪泛其自身的信息，并把自身信息传送给全局代理节点；收到该信息的各个传输节点存储该信息备用，以便当监测数据传送到Sink所在网格的各个传输节点时，这些传输节点只要将数据通过地理位置贪婪算法转发给主代理节点，再由主代理节点将数据发送到直接代理节点，由后者广播到Sink；对于全局代理节点来说，主代理节点的物理位置信息表示Sink目前所在的地理位置，全局代理节点只需将数据发送给其自己当前存储的主代理节点；
(34)如果Sink需要发送信息时，则先将该信息发送给直接代理节点，再由直接代理节点转发给主代理节点，由后者转发到所建立的有效路径上的第一个传输节点；
(4)分级监测阶段：在两层网格结构基础上进行分级监测，其中初级监测负责监测事件信息，并把事件信息上传给Sink；紧密监测负责监测事件信息及其周围环境的具体数据，并将事件信息和监测数据传输到Sink；该步骤包括下述操作内容：
(41)两层网格构建成功后，所有高层网格格点、即GP1节点作为初级监测点，开始监测以其本身为中心、面积为2α×2α的初级监测区域：高层网格格点先在自己的监测区域内洪泛初级监测启动信息，通知监测区域内的所有传感器节点，一旦发生兴趣事件，就将该事件信息以多跳方式传递到该GP1节点；
(42)该GP1节点接收到该事件信息后，在将该事件信息向Sink传递的同时，向其相邻的四个传输节点发送紧密监测启动信息，开始紧密监测；
(43)收到紧密监测启动信息的四个传输节点在给该GP1节点发送回复信息的同时，根据GP1节点的方向和自己相邻的传输节点位置，向另一个相邻的传输节点发送紧密监测启动信息；如此传递，就由多个底层网格格点、即GP0节点作为紧密监测点建立一个监测树，每个GP0节点收集以其本身为中心，面积为α×α的紧密监测区域内的周围环境详细信息，监测树上的各个GP0节点所收集到的紧密监测数据，都沿着树传送给作为事件源的根节点，即GP1节点；
(44)事件源的根节点将紧密监测的所有数据都上传到Sink；
(5)查询阶段：Sink接收到应用层的查询命令后，向全网络下发该查询命令，建立查询路径，执行查询操作，最后得到查询信息；该步骤中，查询任务是根据不同应用而定制的，查询命令则是根据查询任务而设定的，其中建立查询路径的过程包括下列操作内容：
(51)Sink接收到来自应用层的查询命令后，存储该查询命令，并通过查询命令中的查询范围字段计算出查询范围的中心，即虚拟查询数据源vSource；
(52)因vSource是虚拟的查询数据源，实际网络中该位置不一定存在一个节点，所以要寻找离vSource位置最近的一个传感器节点作为实际查询数据源Source；
(53)该Source收集查询区域内的各项查询数据，并把所有查询数据传送给Sink；
(6)当Sink发生移动时，利用代理机制重新选择直接代理和主代理后，返回相应的步骤(4)或步骤(5)，执行事件驱动或查询驱动的监测应用。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(42)中，GP1节点将接收到的事件信息传送到Sink的过程包括下述操作内容：
(42a)接收到事件信息的GP1节点成为事件源，该事件源GP1节点执行全局代理节点转发：先利用地理位置贪婪算法把事件信息传送给Sink的全局代理节点，再由全局代理节点把事件信息分别通过Sink的主代理和直接代理传送给Sink；
(42b)Sink接收到来自事件源的事件信息后，根据事件源的地理位置信息，按照下述操作步骤沿传输节点建立一条到事件源的有效传输路径：
Sink先寻找直接代理节点和主代理节点，再在与Sink相邻的4个传输节点中，选择一个距离事件源最近的传输节点作为此时Sink的第一个传输节点；
该第一个传输节点在其本身的4个邻居传输节点中寻找一个距离事件源最近的传输节点作为该第一个传输节点的下游传输节点而继续传输相关信息；如此不断操作，直到找到事件源节点，就建立了一条由Sink到事件源的有效传输路径；该路径上的每个传输节点都记录其上游传输节点和下游传输节点的位置及其标识信息。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(44)中的紧密监测数据的上传都是经由所述步骤(42b)建立的有效传输路径完成的。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(52)中，所述寻找Source的过程就是建立查询路径的过程，该过程包括下列操作内容：
(52a)Sink计算出vSource位置后，通过自己位置及网络的基本格点的位置寻找第一个传输节点，由该第一个传输节点发送路径建立消息，该消息沿网格寻找至离vSource最近的节点，该节点就成为实际查询数据源Source；
(52b)该Source发送路径回应消息给Sink，该回应消息中包含该Source的物理位置信息；
(52c)Sink收到回应消息后，把查询消息发送至实际数据源节点Source。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(6)中，Sink移动到一个新的网格单元时，若网络中存在有效的数据源，即事件源或查询源仍然在发送数据，则要重新建立一条Sink到达该有效数据源的传输路径，即重新选择直接代理节点和主代理节点后，再选择第一个传输节点，并由该第一个传输节点沿着网格建立一条到达有效数据源的传输路径。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(6)至少包括下列操作内容；
(61)当Sink移动出直接代理节点的覆盖范围，但在原来的网格单元内时，不要重新选择主代理节点，只需重新选择直接代理节点，保证该直接代理节点和Sink之间的距离是一跳，并把该直接代理节点的位置通知给主代理节点，保证主代理节点能与该直接代理节点通信；或
(62)当Sink移动到一个新的网格单元，要重新分别选择直接代理节点和主代理节点，并且，Sink要将更换了的主代理节点的信息发送到全局代理节点。
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