CN102238687A - 基于地理位置的伪三维无线传感器网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于地理位置的伪三维无线传感器网络路由方法。包括如下具体步骤：步骤1：建立网格从电子地图上获取离散点；步骤2：确定从电子地图上获取的空间交点之间的相邻关系并计算相邻交点之间的距离；步骤3：将三维点分布及相邻点之间的距离图转化为二维图并建立邻接矩阵；步骤4：利用图论寻找最短路径；步骤5：用实际的无线传感器节点的地理位置映射到对应离散点并获取最短路径。本发明的有益效果是：首次提出了综合利用网格化电子地图和Dijkstra最短路径算法准确计算起伏地势上发射节点和目的节点的最佳路由。

Description

基于地理位置的伪三维无线传感器网络路由方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及无线传感器网络技术领域。

背景技术

随着传感器技术、嵌入式计算技术、低功耗无线通讯技术的飞速发展，具备感应、无线通讯以及信息处理能力的微型无线传感器开始出现，成百上千个廉价的、低功率的传感器组织成无线传感器网络(Wireless Sensor Network)能够协作地监测、感应其网络覆盖区域内的多种环境信息如声、光、电，并传送到远处的基站进行处理。这些传感器有着双重功能，既作为数据的采集者又作为数据的转发者，而基站收集到这些数据之后进行一定处理再通过有线或无线网络发送给远方的用户，无线传感器网络能够在恶劣的环境条件下获取大量详实而可靠的信息，可以广泛应用于国防军事、工业控制、环境监测、交通管理等领域。

由于无线传感器网络中的节点能量、带宽等资源十分匮乏，因此传统的无线网络如移动自组网中的路由协议大多不能很好地应用到无线传感器网络中来，针对传感器网络的特点，传感器网络中的路由协议应能有效地利用节点有限的资源。

基于地理位置路由方法由于只利用节点的位置信息就能实现路由，不需要维护路由表，因此具有算法简单，可扩展性好等优点，在无线传感器网络中具有广泛的应用前景。GPSR路由方法是典型的基于地理位置路由方法，该方法根据节点地理位置信息利用贪婪算法来建立路由。如图1所示，S为发送节点，D为目地节点，虚线圆为节点S的发射范围，在这圆内的节点都为S的邻居节点。虚线圆弧为节点C到节点D的欧式距离为半径绘制的圆弧。当节点S需要向节点D转发数据分组的时候，它首先在自己的所有邻居节点中选择一个距节点D最近的节点作为数据分组的下一跳，然后将数据传送给它，图上节点C是距离节点D欧式距离最近的节点，因此S的下一节点为C。该过程一直重复，直到数据分组到达目的节点D。

GPSR路由方法中产生或收到数据的节点向以欧氏距离计算出的最靠近目的节点的邻节点转发数据。但由于数据会到达没有比该节点更接近目的点的区域(称为空洞)，导致数据无法传输。当出现这种情况时，空洞周围的节点能够探测到，并利用右手法则沿空洞周围传输来解决此问题。该路由方法避免了在节点中建立、维护、存储路由表，只依赖直接邻节点进行路由选择，几乎是一个无状态的协议；且使用接近于最短欧氏距离的路由，数据传输时延小；并能保证只要网络连通性不被破坏，一定能够发现可达路由。

现有的GPSR路由方法虽然存在上述优点，但是也存在不足之处。对于一个随机分布的无线传感器网络，网络中存在的空洞一般相对于整个网络来说非常小，因此端到端的路径大体上接近于源节点到目的节点的连线。在很多实际应用当中，无线传感器节点往往分布在具有地势起伏的山地、丘陵等环境中，因此节点通常是分布在高地不平的曲面上。由于节点发射功率有限，因此在地势起伏环境下，实际的信号是沿着起伏地势表面进行传播。在图1当中，按照GPSR的路由算法，节点C是节点S所有邻居节点中距离目地节点欧式距离最近的节点。我们取节点C到节点D的纵向剖面，如图2所示，计算出来的节点C到节点D的欧式距离CD由CA、AB和BD三部分组成。其中CA和BD这两部分是悬空的路径，AB是穿越障碍的路径。由于节点都分布于地形表面，实际的传播路径应该如图2中虚线所示，沿起伏曲面上进行传播。因此GPSR所用的欧氏距离CD与信号的实际传输路径相去甚远，因此在起伏地势上用欧氏距离用来作为判断选择下一节点的依据并不合理，而以沿起伏地势表面的路径计算结果作为判断依据更为合理。以上分析表明，虽然图1中节点C到目的节点的欧式距离最短，但是沿着起伏地势表面上的路径长度可能大于其他邻居节点到目的节点的路径。为适应实际应用的需要，我们需要提出起伏地形环境下的新的距离计算方法，以获得更为优化的端到端最短路径长度。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的GPSR路由方法针对起伏地势上用欧式距离作为选取下一节点的判断依据的不合理性，提供了基于地理位置的伪三维无线传感器网络路由方法。

本发明的技术方案是：基于地理位置的伪三维无线传感器网络路由方法，包括如下具体步骤：

步骤1：建立网格从电子地图上获取离散点；

步骤2：确定从电子地图上获取的空间交点之间的相邻关系并计算相邻交点之间的距离；

步骤3：将三维点分布及相邻点之间的距离图转化为二维图并建立邻接矩阵；

步骤4：利用图论寻找最短路径；

步骤5：用实际的无线传感器节点的地理位置映射到对应离散点并获取最短路径。

上述步骤3中的邻接矩阵的行数和列数都为空间点个数或都投影点个数，i和j为点的序号，矩阵元素a_ij表示投影点i到投影点j的距离，如果i与j相邻，则a_ij表示邻接距离，若不邻接，则a_ij为-1。

上述步骤4中利用图论寻找最短路径的具体方法为Dijkstra最短路径算法。

本发明的有益效果是：针对在很多实际应用当中，无线传感器节点往往分布在具有地势起伏的山地、丘陵等环境中，因此节点通常是分布在高地不平的曲面上，并且实际的信号是沿着起伏地势表面进行传播这一实际情况，首次提出了综合利用网格化电子地图和Dijkstra最短路径算法准确计算起伏地势上发射节点和目的节点的最佳路由。

附图说明

图1是GPSR路由方法的原理示意图。

图2是图1中的发送节点和目标节点在二维剖面中的起伏地势上的传播路径示意图。

图3是本发明的主流程图。

图4是本发明实施例所采用的一幅电子地图。

图5是针对图4的电子地图的投影面上的网格图。

图6是将图4所示的电子地图放入图5中的网格后建立的三维坐标示意图。

图7是将图6的投影面上的网格交点沿垂直方向获取与电子地图的交点的三维坐标示意图。

图8是本发明实施例的空间点投影到XY平面点显示的示意图。

图9是图8在投影面上相邻点之间计算邻接距离的示意图。

图10是在本实施例的电子地图上两种不同的计算最短距离的方法的结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

本发明的基于地理位置的伪三维无线传感器网络路由方法，利用空间取点的方式，在电子地图表面上选取一些离散点，这些离散点能整体反映了电子地图的表面起伏趋势。通过计算相邻离散点之间的欧式距离且通过相邻关系映射到二维平面上的投影点，并运用图论中最短路径计算方法(如Dijkstra算法)，可以计算出在电子地图表面的某个离散点的投影点到另一个离散点的投影点之间的最短路径。因为这条路径是在电子地图上选取的离散点的投影点中产生，所以能很好的逼近沿电子地图表面上的最短路径。当传感器节点撒在电子地图所描绘的区域时，传感器节点可以根据自身的地理位置坐标找到与自身最近的那个投影点，根据投影点之间的最短距离可以用来逼近在实际起伏地势状况下的最短路径。而且当我们在电子地图上获取的离散点越密时，计算出来的最短路径就越和实际相接近。通过本发明的方法，在起伏地势状况下，我们可以得知发送节点的邻居节点到目的节点之间的沿起伏地势表面的近似路径长度，而不是简单的两点之间的欧式距离，使计算结果更符合实际情况。

本发明的基于地理位置的伪三维无线传感器网络路由方法，如图3所示，包括如下具体步骤：

步骤1：建立网格从电子地图上获取离散点。

电子地图作为现有技术已经相当普遍，首先截取需要建立传感器网络区域的电子地图，如图4所示，电子地图记录了这个区域的地理位置信息。根据获取的电子地图的大小，如图5和图6所示，在电子地图垂直投影的面上按照X方向和Y方向建立正方形网格。然后将这些网格交点沿垂直方向获取与电子地图的交点，每个获取的交点的X坐标和Y坐标都在投影面上建立网格时确定，按照电子地图的长和宽来等间隔获取。而Z坐标则由网格交点的垂线和电子地图相交时确定。如图7所示，这些与电子地图的交点可以反映出电子地图的基本形状。当在投影面上建立的网格越密时，从空间电子地图上获取的点也就越多，这些点也就越能反映电子地图的整体趋势。

本实施例中，电子地图是通过卫星遥感技术，对某一地区的地形信息以数字的形式存储在介质上，其精度能够达到厘米级。在电子地图上，位置信息是通过一串x、y、z坐标表示位置。它包含的信息非常多、如道路、河流、建筑物标记、等高线等。假设点p是电子地图上的一个点，在x、y坐标已知的情况下，我们可以通过电子地图得到点p的z坐标。

z＝f(x，y)

在本实施例中，电子地图是对起伏地势的数字化描述，在起伏地势上所分布的传感器的节点可以根据现有的无线传感器网节点定位算法获取地理位置坐标，因此在这不做详细说明。我们假设本文中的传感器节点都为已获得自身的地理位置坐标。

步骤2：确定从电子地图上获取的空间交点之间的相邻关系并计算相邻交点之间的距离。

在电子地图上获取的交点投影到XY面是一些按正方形网格的离散交点，如图8所示。在投影的平面图上，每个点只与其周围的8的邻居为相邻点。而且规定每个点只计算与其相邻点之间的距离，例如投影点a只与投影点d、b、f、c、e、g、h、I存在相邻关系；那么在计算与电子地图交点的空间点a′的相邻点之间的距离时，只计算空间点a′与空间点d′、b′、f′、c′、e′、g′、h′、I′之间的空间距离(欧式距离)。

步骤3：将三维点分布及相邻点之间的距离图转化为二维图并建立邻接矩阵。

通过步骤2计算出相邻点之间的空间的距离。在投影面上，每个相邻投影点之间记录对应空间相邻点之间的欧式距离。如图9所示。这样把空间的各个相邻点之间的距离问题转化为二维图上的点与点之间的距离以及邻接问题。根据相邻点之间的距离，我们建立邻接矩阵---矩阵的行数和列数都为空间点个数或都投影点个数，i和j为点的序号，矩阵元素a_ij表示投影点i到投影点j的距离，如果i与j相邻，则a_ij表示邻接距离，若不邻接，则a_ij为-1。这一邻接矩阵不仅反映了投影点之间的相邻关系，而且记录的每相邻点之间的空间距离。例如以节点a为例，除了与之相邻的点b、d、f、c、e、g、h、I的邻接距离L₃、L₂、L₁、L₄、L₈、L₅、L₆、L₇除外，与其他点之间的邻接距离都为-1。

步骤4：利用图论寻找最短路径。

通过步骤3将三维点分布状况转化为二维的分布来处理，并建立由所有投影点或空间点构成的邻接矩阵。通过以上准备工作，可以运用图论中的Dijkstra最短路径算法(简称Dijkstra算法)来计算投影面上任意两点之间的最短路径，且这一计算结果就是在空间电子地图上选取的对应两交点之间在起伏地势上近似的最短路径。因此，通过转化到平面图上计算某个投影点到另一个投影点之间平面的最短路径，也从本质上对空间中这两个对应空间点之间的沿电子地图表面趋势上的最短路径进行了逼近。

Dijkstra(迪杰斯特拉)算法是典型的单源最短路径算法，用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径。主要特点是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止。(这里描述的是从节点1开始到各点的Dijkstra算法，其中W_a-＞b表示a-＞b的边的权值，d(i)即为最短路径值)

1.置集合S＝{2，3，...n}，数组d(1)＝0，d(i)＝W_1-＞i(1，i之间存在边)or+无穷大(1，i之间不存在边)；

2.在集合S中，令d(j)＝min{d(i)，i属于S}，令集合S＝S-{j}，若集合S为空集则算法结束，否则转3；

3.对全部i属于集合S，如果存在边j-＞i，那么置d(i)＝min{d(i)，d(j)+W_j-＞i}，转2；

Dijkstra算法思想为：设G＝(V，E)是一个带边权值的图，把图中顶点集合V分成两组，第一组为已求出最短路径的顶点集合(用S表示，初始时S中只有一个源点，以后每求得一条最短路径，就将加入到集合S中，直到全部顶点都加入到S中，算法就结束了)，第二组为其余未确定最短路径的顶点集合(用U表示)，按最短路径长度的递增次序依次把第二组的顶点加入S中。在加入的过程中，总保持从源点v到S中各顶点的最短路径长度不大于从源点v到U中任何顶点的最短路径长度。此外，每个顶点对应一个距离，S中的顶点的距离就是从v到此顶点的最短路径长度，U中的顶点的距离，是从v到此顶点只包括S中的顶点为中间顶点的当前最短路径长度。

由于Dijkstra算法在本发明中作为公知算法因此未做进一步的详细描述，但是这不影响本步骤的实施。

步骤5：用实际的无线传感器节点的地理位置映射到对应离散点并获取最短路径。

通过步骤4根据得到投影面上任意两点之间的最短路径可以建立一个最短路径矩阵---矩阵的行数和列数都为空间点个数或都投影点个数，i和j为点的序号，矩阵元素b_ij表示投影点i到投影点j的最短路径。因此实际的传感器节点根据已知的自身地理位置坐标，依靠节点的X坐标和Y坐标来定位到与自身最为相近的投影点。直到目的传感器节点对应的投影点和当前传感器节点对应的投影点，起伏地势上的最短路径就可以用投影点之间的最短路径来逼近。

通过以上步骤，可以计算出源、目传感器节点在电子地图上的近似最短路径，如图10所示，虚线为在电子地图上获取的空间交点之间的欧式距离，而实线为通过以上方法在电子地图上计算出来的近似最短路路径。可以看出，实线的传播路径更符合实际的需求。

运用此方法，当在空间取点较密时，所计算的空间离散交点之间的沿起伏地势的最短路径就越精确，从而计算出来的一个点到另一个点之间的最短距离就越和电子地图表面上寻找的最短路径相近似。但是，当取点较密时，在用Dijkstra最短路径算法寻找最短路径时带来的计算量也就越大；当取点较稀时，虽然简化了计算量，但是计算出来的结果与实际的最短路径的差距也就越大。

以上取点及计算最短路径的过程都可在在计算机上实现，避免了传感器节点的计算开销，同时将所有计算出来的所有投影点之间的最短路径矩阵存储到每一个传感器中，为传感器节点根据邻居节点坐标及目地节点坐标寻找它们之间的近似最短路径，为其选择下一结点提供查找依据。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.基于地理位置的伪三维无线传感器网络路由方法，包括如下具体步骤：

步骤1：建立网格从电子地图上获取离散点；

步骤2：确定从电子地图上获取的空间交点之间的相邻关系并计算相邻交点之间的距离；

步骤3：将三维点分布及相邻点之间的距离图转化为二维图并建立邻接矩阵；

步骤4：利用图论寻找最短路径；

步骤5：用实际的无线传感器节点的地理位置映射到对应离散点并获取最短路径。

2.根据权利要求1所述的基于地理位置的伪三维无线传感器网络路由方法，其特征在于，所述步骤3中的邻接矩阵的行数和列数都为空间点个数或都投影点个数，i和j为点的序号，矩阵元素a_ij表示投影点i到投影点j的距离，如果i与j相邻，则a_ij表示邻接距离，若不邻接，则a_ij为-1。

3.根据权利要求1所述的基于地理位置的伪三维无线传感器网络路由方法，其特征在于，上述步骤4中利用图论寻找最短路径的具体方法为Dijkstra最短路径算法。

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