CN101951659A - 传感器网络自组织方法及基于该方法的移动终端系统 - Google Patents

Abstract

本发明中公开传感器网络自组织方法及基于该方法的移动终端系统。传感器网络自组织方法通过基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议使各节点能够组成一个传感器自组织网络，节点与在该节点通信范围内的节点能够进行直接通信，而与不在该节点通信范围内的节点能够通过其它节点的中转实现多跳方式的通信。移动终端系统包括三个以上的终端，各终端利用传感器网络自组织方法组成一个传感器网络，该系统能够通过位置获取获取其它终端的位置、速度、运动方向信息；发生异常现象的终端能够把异常信息通知其余终端；能够实现多跳的语音视频双向传输。本发明的传感器网络自组织方法及基于该方法的移动终端系统网络性能好，功能多样，具有广阔的应用前景。

Description

传感器网络自组织方法及基于该方法的移动终端系统

技术领域

本发明涉及传感器网络技术，具体涉及一种传感器网络自组织方法及多功能移动终端系统。

背景技术

随着信息技术的不断发展，人们对传感器网络的研究持续升温，传感器网络实质就是一种Ad hoc网络。目前绝大多数移动通信系统是集中控制的(有中心的)，网络的运行要依赖于预先部署的网络基础设施，例如：蜂窝移动通信系统，无线局域网。然而对于某些特殊场合，如：战场上部队的协同通信，地震或突发事故的灾后营救，车辆间通信网络，野外科学考察、临时会议等，这些场合的通信不能依赖于任何预先架设的网络设施，这就需要一种能够临时快速自动组网的移动通信技术，这就形成了另一类移动通信技术，即Ad Hoc网络通信技术。Ad hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动节点组成的一个自治系统，不依赖于预设的基础。设施而临时组建。网络中的各个节点能够以任意可能的速度和移动模式移动，加上无线收发设备类型多种多样、发送功率的变化、无线信道间的相互干扰、地形和天气等综合因素的影响，节点间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测。因此，在Ad hoc网络中选择一条稳定的路径进行路由，避免频繁的重路由操作，降低网络拓扑动态变化对路由协议性能的影响，成为Ad hoc网络路由协议研究的热点，尤其是网络应用需要稳定的连接来保证一定的通信质量的时候。

虽然目前对于传感器网络的研究已经有了一定的基础，但是现有的研究成果大多数是集中在路由协议和MAC协议方面的研究，市面上还没有真正意义上的基于传感器网络的多功能移动终端系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有传感器网络技术中路由协议的不足，提供传感器网络自组织方法及基于该方法的移动终端系统。本发明通过以节点的移动性以及节点间的链路预测生存时间作为度量是否参与到路由发现，以排除掉那些移动速度快，链路不稳定的节点，这样既大大减少了选择不稳定路径的可能性，又明显的减少了网络控制消息开销；源节点和目的节点之间的路由选择不仅仅是根据路由跳数，更重要的是根据路径预测生存时间，这样保证了路径断开的可能性大大减少，也大大减少了重新寻找路由的次数，降低了丢包率。本发明通过如下技术方案实现：

一种传感器网络自组织方法，该方法通过采用基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议，各个节点能够组成一个传感器网络，节点与在该节点通信范围内的节点能够进行直接通信，而与不在该节点通信范围内的节点能够通过其它节点的中转实现多跳方式的通信。

上述的基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议包括：

邻居表和自适应hello信标：节点周期广播包含节点位置和速度矢量信息的hello信标，接收到该hello信标的节点会根据该hello信标上的节点位置和速度矢量以及自己的位置和速度矢量计算本节点与发送该hello信标节点的链路预测生存时间并更新自己的邻居表；所述链路预测生存时间是两个节点之间通信链路存在的持续时间

$\mathrm{TL}=\frac{({\mathrm{YV}}_V-{\mathrm{XV}}_H)\±\sqrt{({V_H}^2+{V_V}^2)R_{\max }^2-{({\mathrm{XV}}_V+V_{H}Y)}^2}}{{V_H}^2+{V_V}^2}$

其中X＝x_u-x_d，V_H＝v_u cosθ_u-v_d cosθ_d，Y＝y_u-y_d，V_V＝v_u sinθ_u-v_d sinθ_d，TL为链路预测生存时间，(x_u，y_u)，(x_d，y_d)分别为两个节点当前的位置，(v_u，θ_u)，(v_d，θ_d)分别为两个节点的速度矢量，R_max为节点间的最大有效通信距离；所述邻居表包括邻居节点地址和链路预测生存时间，当链路预测生存时间到达时，该邻居表项将被删除；hello信标的发送时隙是根据邻居节点数目自适应的，与邻居节点数目成正比；在有用户数据发送的时候，hello信标会加到用户数据包中发送，不再单独发送；

路由发现：源节点通过广播方式发送路由请求报文RREQ来发现目的节点和到目的节点的路由；路由请求报文RREQ中包含源节点地址、源节点序列号、广播ID、目的地址、目的序列号、跳数、节点位置及速度矢量和路径预测生存时间；所述源节点序列号由源节点维护，用于表示到源节点的反向路由的新旧，序列号越大表示越新；所述目的序列号由目的节点产生，表示到目的节点的前向路由的新旧，序列号越大表示越新，路由请求报文RREQ中的目的序列号等于源节点过去收到的关于目的节点的最大序列号；所述路径预测生存时间是路由请求报文RREQ从源节点到目的节点所经过的路径上全部相邻节点之间的链路预测生存时间的最小值；

路由维护：在链路预测生存时间即将到达之前或链路即将断开之前，在即将断开点发起路由修复，重新获得新的路由，以代替旧的路由。

上述的基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议中，所述路由发现包括如下步骤：

(1)路由发现过程：需要发送用户数据的源节点首先检查自己的路由表是否具有到目的节点的路由，没有则启动路由发现过程，广播路由请求报文RREQ；接收到路由请求报文RREQ的节点根据自己的移动性指标M决定是否参与该路由发现过程；所述移动性指标M表明节点的移动性高低，计算公式为：

$M=\frac{V}{V_{\max }}\×100\%$

其中V为节点的当前速度，V_max为节点可能的最大速度；如果节点的移动性指标M等于或超过设置的阈值M_thread，则节点不参与路由发现并丢弃该路由请求报文RREQ；否则计算本节点与转发该路由请求报文RREQ节点间的链路预测生存时间，更新邻居表和路由请求报文RREQ，在路由表中建立或更新反向路由表项；所述路由表包括目的节点、下一跳节点、路径预测生存时间、跳数和序列号；所述反向路由表项就是指向源节点的路由表项，记录了路由请求报文RREQ经过路由的反向路由；如果当前节点存在到目的节点的路由表项或是目的节点，则向源节点发送路由响应报文RREP，否则转发更新后的路由请求报文RREQ到链路预测生存时间超过阈值TL_thread的邻居节点；如果当前节点为目的节点，则等待设定的时间Tout，从时间Tout内获得的到达源节点的路由集合中选择具有最大路径生存时间的、并且具有最小跳数的可行路径作为最优路径，如果该路径不是第1次应答的路径，则重新向源节点发送一个路由响应报文RREP；否则什么也不做；

(2)路由响应过程：节点沿着路由请求报文RREQ的反向路由发送路由响应报文RREP，路由响应报文RREP包括跳数、目的序列号、目的地址、源节点地址、节点位置及速度矢量和路径预测生存时间；收到路由响应报文RREP的节点更新邻居表和路由响应报文RREP中的路径预测生存时间，根据目的序列号、跳数和路径预测生存时间建立或更新相应的前向路由表项，直到路由响应报文RREP到达源节点，建立起源节点到达目的节点的前向路由，就能使用该路由进行数据传输；所述前向路由表项就是指向目的节点的路由表项。

上述的基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议中，所述路由维护具体步骤包括：传输路径上的节点根据数据包头部携带的节点位置和速度矢量信息更新自己和传输路径上的邻居节点的链路预测生存时间，检测到链路预测生存时间低于某一危险时间TLdan时，预先启动路由修复过程，在路由真正失效之前获得新的路由，完成新旧路由的切换；或者传输路径上的节点利用链路层反馈的链路质量检测到链路即将断开时，启动到目的节点的路由修复过程。

上述的路由维护中，所述路由修复过程是启动所述路由发现，发现修复点到目标节点的新路由，替换旧的路由；如果路由修复过程失败则修复点发送路由错误报文RRER，沿着反向路径直到源节点，路径上的节点收到路由错误报文RRER就清除出错路由；源节点收到路由错误报文RRER后如仍需发送数据到目的节点则重新发起到目的节点的路由发现。

本发明的一种基于传感器网络自组织方法的移动终端系统包括三个以上的终端，各终端利用所述传感器网络自组织方法组成一个传感器网络，并利用所述基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议进行数据传输；所述终端能够通过位置获取获取其它终端的位置、速度、运动方向信息，并能够所述传感器网络自组织方法进行多跳的语音视频双向传输。终端发生异常现象时，终端能够把异常信息通知其余终端，所述异常现象包括终端故障。

上述的多功能移动终端系统中，所述位置获取过程包括：首先终端会以周期广播的方式发送TEIN报文，TEIN报文封装了包标识FI、终端位置、速度矢量、源终端IP、广播ID和时间戳、设定的最大跳数Hmax；接收到TEIN报文的终端根据TEIN报文上的源终端IP和时间戳来决定是丢弃还是更新自己的位置表并转发出去，TEIN报文每被转发一次则Hmax-1，直到Hmax等于0则停止转发。

上述的多功能移动终端系统中，在于终端发生异常现象时，发生异常现象的终端向邻居终端广播异常告警报文ACAL，接收到异常告警报文ACAL的终端进行报警并根据与异常终端的距离判断是否把异常告警报文ACAL广播到邻居终端。

上述的多功能移动终端系统中，每个终端包括嵌入式处理器、无线通信模块、电源模块、GPS定位模块、摄像头和话筒耳麦以及人机交互模块；所述嵌入式处理器是终端的中央处理器，用于运行基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议；无线通信模块通过USB接口连接到嵌入式处理器，能够在一定通信范围内与其他无线通信模块通过无线通信方式进行通信；电源模块为终端的各个部分提供电力；GPS定位模块为所述传感器网络自组织方法提供节点位置和速度矢量信息，节点位置和速度矢量信息通过串口传送到嵌入式处理器；摄像头使用USB嵌入式处理器相连，用于采集所需的图像视频等信息，话筒耳麦通过标准音频接口接到嵌入式处理器，用于语音通话；人机交互模块通过友好的图形界面和触摸屏与用户进行交互。

与现有技术相比，本发明的优点与积极效果在于：

1、通过以节点的移动性以及节点间的链路预测生存时间作为度量是否参与到路由发现，以排除掉那些移动速度快，链路不稳定的节点，这样既大大减少了选择不稳定路径的可能性，又明显的减少了网络控制消息开销；

2、源节点和目的节点之间的路由选择不仅仅是根据路由跳数，更重要的是根据路径的链路预测生存时间，这样保证了路径断开的可能性大大减少，也大大减少了重新寻找路由的次数，提高了路由稳定性和降低了丢包率。

3、通过位置获取，能够获取周边邻域终端的位置、速度、方向信息，运用在车载网络中可以通过位置获取实时得到邻域车辆交通信息，驾驶员可以据此选择合适路径出行；运用在应急救援中，可以通过位置获取及时获取遇险人员的位置等信息，救援人员可以据此合理安排救援。

4、采用本发明的基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议技术，实现了一个能够自组网，功能多样的基于传感器网络自组织方法的多功能移动终端系统装置，具体功能有：各终端能够组成一个传感器网络，终端与不在该终端通信范围的终端能够通过多跳通信；终端能够通过位置获取获取其它终端的位置、速度、运动方向信息；发生异常现象的终端节点能够把异常信息通知其余节点；能够实现多跳的语音视频双向传输。

附图说明

图1是本发明实施方式中基于传感器网络自组织方法的多功能移动终端构成框图。

图2是本发明实施方式中传感器网络自组织方法的组网示意图。

图3是本发明实施方式中基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议的路由请求示意图。

图4是本发明实施方式中基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议的路由响应示意图。

图5是本发明实施方式中基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议的路由维护示意图。

图6是本发明实施方式中位置获取过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。

如图1所示，基于传感器网络自组织方法的多功能移动终端系统中，每个终端包括嵌入式处理器、无线通信模块、电源模块、GPS定位模块、摄像头和话筒耳麦以及人机交互模块；所述嵌入式处理器是终端的中央处理器，用于运行基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议；无线通信模块通过USB接口连接到嵌入式处理器，能够在一定通信范围内与其他无线通信模块通过无线通信方式进行通信；电源模块为终端的各个部分提供电力；GPS定位模块为传感器网络自组织方法提供节点位置和速度矢量信息，节点位置和速度矢量信息通过串口传送到嵌入式处理器；摄像头使用USB嵌入式处理器相连，用于采集所需的图像视频等信息，话筒耳麦通过标准音频接口接到嵌入式处理器，用于语音通话；人机交互模块通过友好的图形界面和触摸屏与用户进行交互。

本发明的一个实施例，如图2所示，在本传感器网络自组织方法中，各个节点采用基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议能够组成一个传感器网络，节点与在该节点通信范围内的节点能够进行直接通信，而与不在该节点通信范围内的节点能够通过其它节点的中转实现多跳方式的通信。节点可以随时加入或退出网络，节点也可以在网络中随意移动。

在本实施方式中，基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议利用节点的位置和速度矢量信息估算链路的生存时间，来选择一条链路质量最好的路径进行信息传输，以适应网络节点的高速移动性，提高分组投递率。

具体协议如下所示：

1、邻居表和自适应hello信标：

各节点周期广播包含节点位置和速度矢量信息的hello信标。接收到该hello信标的节点会根据该hello信标上的节点位置和速度矢量以及自己的位置和速度矢量计算本节点与发送该hello信标节点的链路预测生存时间TL，TL的计算公式如下：

$\mathrm{TL}=\frac{({\mathrm{YV}}_V-{\mathrm{XV}}_H)\±\sqrt{({V_H}^2+{V_V}^2)R_{\max }^2-{({\mathrm{XV}}_V+V_{H}Y)}^2}}{{V_H}^2+{V_V}^2}$     ①

其中X＝x_u-x_d，V_H＝v_u cosθ_u-v_d cosθ_d，Y＝y_u-y_d，V_V＝v_u sinθ_u-v_d sinθ_d，(x_u，y_u)，(x_d，y_d)分别为两个节点当前的位置，(v_u，θ_u)，(v_d，θ_d)分别为两个节点的速度矢量，R_max为节点间的最大有效通信距离。

接收到hello信标的节点如果邻居表中没有该邻居，则在邻居表中添加该邻居表项，邻居表项包括该邻居的地址和计算所得的链路预测生存时间TL，否则更新邻居表中相应内容。

hello信标的发送时隙τ是根据邻居节点数目自适应的，与邻居节点数目成正比：

$\mathrm{\τ}={\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fix}}\×\frac{N}{N_{\max }}$

其中τ_fix为固定时隙，可以设置；N为节点当前的邻居数目；N_max为节点的最大邻居数目。

在有用户数据发送的时候，hello信标会加到用户数据包中发送，不再单独发送；

2、路由发现

源节点通过广播方式发送路由请求报文RREQ来发现目的节点和到目的节点的路由，其具体步骤包括：

(1)路由发现过程：需要发送用户数据的源节点首先检查自己的路由表是否具有到目的节点的路由，存在则直接使用可用的路由，否则把数据报文放入报文缓存队列中，广播路由请求报文RREQ。路由请求报文RREQ中包含源节点地址，源节点序列号，广播ID，目的地址，目的序列号，跳数，节点位置和速度矢量，路径预测生存时间。所述源节点序列号由源节点维护，用于表示到源节点的反向路由的新旧，序列号越大表示越新；所述目的序列号由目的节点产生，表示到目的节点的前向路由的新旧，序列号越大表示越新，路由请求报文RREQ中的目的序列号等于源节点过去收到的关于目的节点的最大序列号；所述路径预测生存时间是路由请求报文RREQ从源节点到目的节点所经过的路径上全部相邻节点之间的链路预测生存时间的最小值；

中间节点接收该路由请求报文RREQ的处理步骤是：

(a)首先在路由请求队列中检查是否已收到过相同源节点地址和广播ID的路由请求报文RREQ，如果为第1次收到，则节点根据自己的移动性指标M决定是否参与该路由发现过程，节点的移动性指标M表明节点的移动性高低，M的计算公式为：

$M=\frac{V}{V_{\max }}\×100\%$

其中V为节点当前速度；V_max为节点可能的最大速度。M等于或超过设置的阈值M_thread，则不参与路由发现并丢弃路由请求报文RREQ；M低于阈值M_thread则将其插入路由请求队列。然后利用路由请求报文RREQ中的节点位置和速度矢量根据公式①计算自己与转发该路由请求报文RREQ节点间的链路预测生存时间TL_ud，并更新邻居表和路由请求报文RREQ中的路径预测生存时间为TL_sd＝min(TL_sd，TL_ud)，用本节点位置和速度矢量更新路由请求报文RREQ中的节点位置和速度矢量。在三种情况下建立或更新反向路由表项：①没有到源节点的路由；②路由请求报文RREQ中的源节点序列号大于反向路由表项中的序列号；③路由请求报文RREQ中的源节点序列号等于反向路由表项中的序列号，但是跳数更少或是路径预测生存时间TL_sd更长。路由表包括目的节点、下一跳节点、路径预测生存时间、跳数和序列号；上述反向路由表项就是指向源节点的路由表项，记录了路由请求报文RREQ经过路由的反向路由。如果当前节点具有到目的节点的路由表项，则向源节点发送路由响应报文RREP，否则转发更新后的路由请求报文RREQ到链路预测生存时间超过设置的链路生存时间阈值TL_thread的邻居节点；

(b)如果路径预测生存时间不是第1次收到，则不再转发该路由请求报文RREQ，利用路由请求报文RREQ中的节点位置和速度矢量根据公式①计算自己与转发该路由请求报文RREQ节点间的链路预测生存时间TL_ud，并更新邻居表以及路由请求报文中的路径预测生存时间为TL_sd＝min(TL_sd，TL_ud)，如果更新后的TL_sd大于与路由请求报文RREQ相应的反向路由表项中的路径预测生存时间，则更新反向路由表项；如果更新后的TL_sd等于与路由请求报文RREQ相应的反向路由表项中的路径预测生存时间，距离源节点的新跳数小于原有的跳数，则更新反向路由表项；如果更新后的TL_sd小于与路由请求报文RREQ相应的反向路由表项中的路径预测生存时间，则丢弃该路由请求报文RREQ。

如果接收到路由请求报文RREQ的节点是目的节点，处理步骤如下：

(a)利用路由请求报文RREQ中的节点位置和速度矢量根据公式①计算自己与转发该路由请求报文RREQ节点间的链路预测生存时间TL_ud，并更新邻居表以及路由请求报文RREQ中的路径预测生存时间为TL_sd＝min(TL_sd，TL_ud)；根据更新的路由请求报文RREQ建立反向路由表项，设置下一跳节点为该路由请求报文RREQ的转发节点。

(b)按照反向路由表项发送路由响应报文RREP，路由响应报文RREP包括跳数、目的序列号、目的地址、源节点地址、节点的位置及速度矢量和路径预测生存时间。

(c)等待设定的时间Tout，目的节点可能会接收到更多的路由请求报文RREQ，目的节点根据这些接收到的路由请求报文RREQ建立一个到达源节点的路由集合，并从这个路由集合中选择具有最大路径预测生存时间的、并且具有最小跳数的可行路径作为最优路径，如果该路径不是第1次应答的路径，则更新反向路由表项，重新向源节点发送一个路由响应报文RREP；否则什么也不做；

如图3为一个具体的路由发现过程，S为源节点，D为目的节点，A、B、C、D、E、F、G为中间节点，箭头上数字为相邻节点间的链路预测生存时间。S发起路由发现过程，发送路由请求报文RREQ给A和B，A和B更新路由请求报文RREQ，根据路由请求报文RREQ建立反向路由表项，分别如表1和表2；由于A和D之间的链路预测生存时间低于或等于设定的阈值故A不转发路由请求报文RREQ给D，而只转发给E；B则转发路由请求报文RREQ给C和E；E先后收到A和B转发来的路由请求报文RREQ，E根据两个路由请求报文RREQ中的跳数和路径预测生存时间建立反向路由表项，如表3；由于C的移动性指标M大于或等于设定的阈值，故C不参与路由发现过程，C不转发路由请求报文RREQ；F和G按照同样的过程处理和转发路由请求报文RREQ和建立反向路由表项，直到路由请求报文RREQ到达D，F、G和D建立的反向路由表项分别如表4、表5和表6。

表1表2

表3表4

表5表6

(2)路由响应过程：节点沿着路由请求报文RREQ建立的反向路由发送路由响应报文RREP，收到路由响应报文RREP的节点，利用路由响应报文RREP中的节点位置和速度矢量根据公式①计算自己与上一跳节点的链路预测生存时间TL_ud，并更新邻居表以及路由响应报文RREP的路径预测生存时间为TL_sd＝min(TL_sd，TL_ud)；根据以下三种情况建立或更新前向路由表项：①没有到目的节点的路由；②路由响应报文RREP中的目的序列号大于前向路由表项中的序列号；③路由响应报文RREP中的目的序列号等于前向路由表项中的序列号，但是跳数更少或路径预测生存时间更长。所述前向路由表项就是指向目的节点的路由表项。如果当前节点为源节点，则使用建立起的前向路由发送数据，否则，按照反向路由表项转发路由响应报文RREP，直到到达源节点为止。

如图4为一个具体的路由响应过程，S为源节点，D为目的节点，A、B、C、D、E、F、G为中间节点，箭头上数字为相邻节点间的链路预测生存时间。D接收到路由请求报文RREQ后，根据反向路由表项发送路由响应报文RREP给F；F接收到路由响应报文RREP后，更新路由响应报文RREP，根据路由响应报文RREP建立前向路由表项，如表7，并根据自己的反向路由表项转发路由响应报文RREP给E；E和A按照相同的过程处理和转发路由响应报文RREP，直到路由响应报文RREP到达S，E、A和S建立的前向路由表项分别如表8、表9和表10。D发送第一个路由响应报文RREP后等待设定的时间Tout，等待过程中接收到从G转发来的路由请求报文RREQ，但该路由请求报文RREQ的路径预测生存时间是5，小于第1次应答路径的路径预测生存时间8，故D不再发送路由响应报文RREP。

表7表8

表9表10

3、路由维护：由于节点的移动或者无线通信干扰等原因有可能导致在路由发现中建立的路由路径断开，为了防止因为路由路径断开造成用户数据包的传输丢失或者中断，基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议采用了以下两种措施：

(1)在传输路径上的各个节点在转发的用户数据包头部添加自己的位置和速度矢量，接收到用户数据包的节点会提取出用户数据包头部的位置和速度矢量，根据公式①计算自己和转发用户数据包节点的链路预测生存时间TL_ud，如果TL_ud小于路由表项中的路径预测生存时间，则更新该路径预测生存时间和邻居表；如果等于或小于某一链路生存危险时间TL_dan时，并且根据在路由表中记录的本节点到源节点和目的节点的跳数进行判断：(a)如果到目的节点的跳数更少，则发送一个路由修复报文RREC给该路径的上一跳节点，上一跳节点收到RREC报文就预先启动到目的节点的路由修复过程；(b)如果到源节点的跳数更少，则预先启动到源节点的路由修复过程。

(2)在传输路径上的各个节点利用链路层反馈的链路质量持续地监测与该传输路径上的下一跳节点的链路连通性，如果监测到链路质量低于链路连通阈值，则启动到目的节点的路由修复过程，在路由真正失效之前获得新的路由，完成新旧路由的切换；

上述的路由修复过程是启动所述路由发现，发现修复点到目标节点的新路由，替换旧的路由；如果路由修复过程失败则修复点发送路由错误报文RRER，沿着反向路径直到源节点；路径上的节点收到路由错误报文RRER就清除出错路由；源节点收到路由错误报文RRER后如仍需发送数据到目的节点则重新发起到目的节点的路由发现。

如图5为一个具体的路由维护，S为源节点，D为目的节点，A、B、C、D、E、F、G为中间节点，箭头上数字为相邻节点间的链路预测生存时间。在沿着传输路径S→A→E→F→D传送用户数据包的过程中，相邻节点之间的链路预测生存时间和路由表中的路径预测生存时间不断地得到更新；当检测到A和E之间的链路预测生存时间TL_ud小于或等于链路生存危险时间TL_dan，则A预先启动到D的路由修复过程，即A发起到D的路由发现，经过路由发现，发现了一条从A到D的新路由A→B→C→G→F→D，从而可以使用新的路由代替即将断开的旧路由，继续传送用户数据包。

在本实施方式中，所述位置获取过程包括：

(1)首先终端会以周期广播的方式发送报文TEIN报文，TEIN报文封装了包标识FI、终端位置、速度矢量、源终端IP、广播ID和时间戳，设定的最大跳数Hmax；

(2)接收到TEIN报文的终端对TEIN报文的处理步骤如图6所示是：(a)根据包标识FI确定是否为TEIN报文，是就进行下一步，否则退出；(b)提取TEIN报文的源终端IP并在位置数据库中查找该源终端是否已经存在，如果存在进行下一步，如果不存在则在位置数据库中加入该源终端及其位置和速度矢量并退出；(c)比较TEIN报文和位置数据库中的时间戳，如果TEIN报文的时间戳更新，则更新相应的位置数据库项目，进行下一步，否则丢弃TEIN报文并退出；(d)更新TEIN报文的最大跳数Hmax为Hmax-1，如果Hmax等于0则不转发TEIN报文并退出，否则广播TEIN报文到邻居终端。

在本实施方式中，发生异常现象的终端把异常信息通知其余终端的实施步骤包括：

(1)发生异常现象的终端节点封装一个异常告警报文ACAL，包含了数据包标识，异常终端IP，异常终端位置和异常类型，并通过广播的方式把异常告警报文发送给邻居终端；

(2)邻居终端收到异常告警报文ACAL包后按如下步骤进行处理：(a)根据数据包标识判断是否为异常告警报文ACAL，是则进行下一步，否则退出；(b)记录下异常终端IP和位置，根据意外类型做出相应异常告警或提示；(c)根据异常终端位置(x_a，y_a)和本终端位置(x_m，y_m)，计算两终端的距离

$L=\sqrt{{(x_m-x_a)}^2+{(y_m-y_a)}^2}$

如果L小于设定的最大警告距离Lmax，则广播异常告警报文ACAL包到邻居终端，否则丢弃异常告警报文ACAL并退出。

Claims (10)

1.一种传感器网络自组织方法，其特征在于采用基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议，各个节点能够组成一个传感器网络，节点与在该节点通信范围内的节点能够进行直接通信，而与不在该节点通信范围内的节点能够通过其它节点的中转实现多跳方式的通信。

2.根据权利要求1所述的一种传感器网络自组织方法，其特征在于所述基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议包括如下内容：

邻居表和自适应hello信标：节点周期广播包含节点位置和速度矢量信息的hello信标，接收到该hello信标的节点会根据该hello信标上的节点位置和速度矢量以及自己的位置和速度矢量计算本节点与发送该hello信标节点的链路预测生存时间并更新自己的邻居表；所述链路预测生存时间是两个节点之间通信链路存在的持续时间

$\mathrm{TL}=\frac{({\mathrm{YV}}_V-{\mathrm{XV}}_H)\±\sqrt{({V_H}^2+{V_V}^2)R_{\max }^2-{({\mathrm{XV}}_V+V_{H}Y)}^2}}{{V_H}^2+{V_V}^2}$

其中X＝x_u-x_d，V_H＝v_u cosθ_u-v_d cosθ_d，Y＝y_u-y_d，V_V＝v_u sinθ_u-v_d sinθ_d，TL为链路预测生存时间，(x_u，y_u)，(x_d，y_d)分别为两个节点当前的位置，(v_u，θ_u)，(v_d，θ_d)分别为两个节点的速度矢量，R_max为节点间的最大有效通信距离；所述邻居表包括邻居节点地址和链路预测生存时间，当链路预测生存时间到达时，该邻居表项将被删除；hello信标的发送时隙是根据邻居节点数目自适应的，与邻居节点数目成正比；在有用户数据发送的时候，hello信标会加到用户数据包中发送，不再单独发送；

路由发现：源节点通过广播方式发送路由请求报文RREQ来发现目的节点和到目的节点的路由；路由请求报文RREQ中包含源节点地址、源节点序列号、广播ID、目的地址、目的序列号、跳数、节点位置及速度矢量和路径预测生存时间；所述源节点序列号由源节点维护，用于表示到源节点的反向路由的新旧，序列号越大表示越新；所述目的序列号由目的节点产生，表示到目的节点的前向路由的新旧，序列号越大表示越新，路由请求报文RREQ中的目的序列号等于源节点过去收到的关于目的节点的最大序列号；所述路径预测生存时间是路由请求报文RREQ从源节点到目的节点所经过的路径上全部相邻节点之间的链路预测生存时间的最小值；

路由维护：在链路预测生存时间即将到达之前或链路即将断开之前，在即将断开点发起路由修复，重新获得新的路由，以代替旧的路由。

3.根据权利要求2所述的一种传感器网络自组织方法，其特征在于所述路由发现包括如下步骤：

(1)路由发现过程：需要发送用户数据的源节点首先检查自己的路由表是否具有到目的节点的路由，没有则启动路由发现过程，广播路由请求报文RREQ；接收到路由请求报文RREQ的节点根据自己的移动性指标M决定是否参与该路由发现过程；所述移动性指标M表明节点的移动性高低，计算公式为：

$V=\frac{V}{V_{\max }}\×100\%$

其中V为节点的当前速度，V_max为节点可能的最大速度；如果节点的移动性指标M等于或超过设置的阈值M_thread，则节点不参与路由发现并丢弃该路由请求报文RREQ；否则计算本节点与转发该路由请求报文RREQ节点间的链路预测生存时间，更新邻居表和路由请求报文RREQ，在路由表中建立或更新反向路由表项；所述路由表包括目的节点、下一跳节点、路径预测生存时间、跳数和序列号；所述反向路由表项就是指向源节点的路由表项，记录了路由请求报文RREQ经过路由的反向路由；如果当前节点存在到目的节点的路由表项或是目的节点，则向源节点发送路由响应报文RREP，否则转发更新后的路由请求报文RREQ到链路预测生存时间超过阈值TL_thread的邻居节点；如果当前节点为目的节点，则等待设定的时间Tout，从时间Tout内获得的到达源节点的路由集合中选择具有最大路径生存时间的、并且具有最小跳数的可行路径作为最优路径，如果该路径不是第1次应答的路径，则重新向源节点发送一个路由响应报文RREP；否则什么也不做；

(2)路由响应过程：节点沿着路由请求报文RREQ的反向路由发送路由响应报文RREP，路由响应报文RREP包括跳数、目的序列号、目的地址、源节点地址、节点位置及速度矢量和路径预测生存时间；收到路由响应报文RREP的节点更新邻居表和路由响应报文RREP中的路径预测生存时间，根据目的序列号、跳数和路径预测生存时间建立或更新相应的前向路由表项，直到路由响应报文RREP到达源节点，建立起源节点到达目的节点的前向路由，就能使用该路由进行数据传输；所述前向路由表项就是指向目的节点的路由表项。

4.根据权利要求2所述的一种传感器网络自组织方法，其特征在于所述路由维护具体步骤包括：传输路径上的节点根据数据包头部携带的节点位置和速度矢量信息更新自己和传输路径上的邻居节点的链路预测生存时间，检测到链路预测生存时间低于某一危险时间TL_dan时，预先启动路由修复过程，在路由真正失效之前获得新的路由，完成新旧路由的切换；或者传输路径上的节点利用链路层反馈的链路质量检测到链路即将断开时，启动到目的节点的路由修复过程。

5.根据权利要求4所述的一种传感器网络自组织方法，其特征在于所述路由修复过程是启动所述路由发现，发现修复点到目标节点的新路由，替换旧的路由；如果路由修复过程失败则修复点发送路由错误报文RRER，沿着反向路径直到源节点，路径上的节点收到路由错误报文RRER就清除出错路由；源节点收到路由错误报文RRER后如仍需发送数据到目的节点则重新发起到目的节点的路由发现。

6.一种基于传感器网络自组织方法的移动终端系统，其特征在于该系统包括三个以上的终端，各终端利用权利要求1所述传感器网络自组织方法组成一个传感器网络，各终端之间利用权利要求2所述基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议进行数据传输；所述终端能够通过位置获取获取其它终端的位置、速度、运动方向信息，并能够利用权利要求1所述传感器网络自组织方法进行多跳的语音视频双向传输。

7.根据权利要求6所述的移动终端系统，其特征在于所述终端发生异常现象时，终端能够把异常信息通知其余终端，所述异常现象包括终端故障。

8.根据权利要求6所述的移动终端系统，其特征在于所述位置获取过程包括：首先终端会以周期广播的方式发送TEIN报文，TEIN报文封装了包标识FI、终端位置、速度矢量、源终端IP、广播ID和时间戳、设定的最大跳数Hmax；接收到TEIN报文的终端根据TEIN报文上的源终端IP和时间戳来决定是丢弃还是更新自己的位置表并转发出去，TEIN报文每被转发一次则Hmax-1，直到Hmax等于0则停止转发。

9.根据权利要求6所述的移动终端系统，其特征在于所述终端发生异常现象时，发生异常现象的终端向邻居终端广播异常告警报文ACAL，接收到异常告警报文ACAL的终端进行报警并根据与异常终端的距离判断是否把异常告警报文ACAL广播到邻居终端。

10.根据权利要求6所述的移动终端系统，其特征在于每个终端包括嵌入式处理器、无线通信模块、电源模块、GPS定位模块、摄像头和话筒耳麦以及人机交互模块；所述嵌入式处理器是终端的中央处理器，用于运行基于链路预测生存时间的按需多跳路由协议；无线通信模块通过USB接口连接到嵌入式处理器，能够在一定通信范围内与其他无线通信模块通过无线通信方式进行通信；电源模块为终端的各个部分提供电力；GPS定位模块为权利要求1所述传感器网络自组织方法提供节点位置和速度矢量信息，节点位置和速度矢量信息通过串口传送到嵌入式处理器；摄像头使用USB嵌入式处理器相连，用于采集所需的图像视频等信息，话筒耳麦通过标准音频接口接到嵌入式处理器，用于语音通话；人机交互模块通过友好的图形界面和触摸屏与用户进行交互。

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