CN102256325A - 双sink互备份WSN中基于费马点的路由方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向双sink互备份环境下的，降低目前无线传感器网络双sink互备份应用下的能耗开销过高的路由方法以及实现该方法的无线传感器网络系统。将源sensor节点到两个sink节点的路由结合起来，建立基于路由锚点的联合节能路由，即先沿一条公共路径传输，到达路由锚点之后，再分别向两个sink节点分发。并且，路由锚点与费马点结合，利用费马点离三角形三个顶点距离之和最小的特征，这样使得源sensor节点通过路由锚点传递数据到2个sink节点的距离总和最短、能量开销最小，相比现有的路由方法，本发明能够降低传输逻辑距离，减少能量开销。

Description

双sink互备份WSN中基于费马点的路由方法及系统

技术领域

本发明涉及无线传感器网络和物联网技术领域，尤其涉及双sink互备份无线传感器网络中的路由技术。

背景技术

在无线传感器网络(WSN)的某些应用环境下(如滑坡/泥石流监测、军事监测等)，环境复杂、变化性大、设备受损可能性高。为了保证可靠性，通常对sensor节点(传感器节点)进行密集冗余部署，而对于sink节点(汇聚节点)，为了避免单点故障，采用双sink冗余部署、每个sink节点都维护完整的数据、两个sink节点互为备份的方式，同时，两个sink节点也会保持一定的空间距离，从而避免同时受损。文中将以上方式简称为双sink互备份方式，sensor节点的感知数据需要同时发送给两个在空间上不相邻的sink节点。如图1所示，一种双sink互备份WSN环境，由若干密集、均匀部署的sensor节点和两个sink节点组成。这些节点可能是固定部署的，可以提前设置好位置信息和拓扑信息；也可能是移动节点，则需要节点携带GPS设备，从而获得位置信息。sensor节点为提供通信的可靠性保证，每次通信过程中作为源的sensor节点会将数据上传到两个互备份的sink节点，在数据传输过程中，除源sensor节点之外的sensor节点为中间sensor节点。如果该sensor节点与sink节点不直接相邻，则由其他若干个中间sensor节点充当中继节点，进行透明转发。当其中一个sink节点失效时，另一个sink节点能独立完成全部数据传输工作。

为了实现这一目的，按照传统机制，可以采用组播路由或者单播路由。目前典型的路由算法可以分为两大类：基于洪泛的路由算法和非洪泛的路由算法。这些算法为了减少能量、带宽等资源的开销，也会结合使用一些辅助算法，如位置、数据协商等。但是，基于洪泛的算法通常为了传输一个数据，需要大量不相关的节点参与，增加了资源开销，尤其是能量开销；即使配合使用一些定位、协商等辅助算法，也只是在程度上减轻，并不能从根本上降低能量开销。非洪泛路由算法避免了这方面的问题，但是这类算法会为两个目标sink节点各自计算一条路由，如图2所示。这意味着双sink带来的能量开销将会达到单sink的两倍左右，能耗急剧增加。

随着无线传感器网络在各种领域应用的不断推广，双sink互备份的路由能否在灵活可靠和绿色节能间取得一个合适的解决方案，成为一个迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种面向双sink互备份环境下的，降低目前无线传感器网络双sink互备份应用下的能耗开销过高的路由方法以及实现该方法的无线传感器网络系统。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，双sink互备份WSN中基于费马点的路由方法，包括：

源sensor节点计算本节点与网络中2个sink节点组成的三角形的费马点；再选择与费马点位置相同或相邻的节点作为路由锚点；所述费马点为到所述三角形的3个顶点距离之和最小的点；

源sensor节点向2个sink节点传输数据时，在数据到达路由锚点前，数据沿一条路径进行传输，到达路由锚点后，路由锚点将数据分发至sink节点。

本发明针对双sink互备份环境，突破传统路由方式，将源sensor节点到两个sink节点的路由结合起来，建立基于路由锚点的联合节能路由，即先沿一条公共路径传输，到达路由锚点之后，再分别向两个sink节点分发。并且，路由锚点与费马点结合，利用费马点离三角形三个顶点距离之和最小的特征，将“路由锚点”与“源sensor、两个sink节点”之间的关系，模型化为“费马点”与“三角形三个顶点”之间的关系，这样使得源sensor节点通过路由锚点传递数据到2个sink节点的距离总和最短、能量开销最小，相比现有的路由方法，本发明能够降低传输逻辑距离，减少能量开销。

具体的，当源sensor节点与网络中2个sink节点组成的三角形有一个内角大于120度时，费马点就是该钝角所对应的顶点，以该费马点作为路由锚点；当路由锚点为源sensor节点，源sensor节点直接向两个sink节点分发数据；当路由锚点为一个sink节点，则源sensor节点的数据先发送到该sink节点，再由该sink节点发送数据至另一个sink节点；

当源sensor节点与网络中2个sink节点组成的三角形所有内角都小于120度时，费马点在所述三角形内部，源sensor节点选择与费马点位置相同或相邻的节点作为路由锚点，源sensor节点先将数据沿一条路径传输至路由锚点，路由锚点将数据分发至2个sink节点。

具体的，源sensor节点选择与费马点位置相同或相邻的节点作为路由锚点的方法是：源sensor节点根据费马点位置，建立以费马点坐标为圆心，以r为半径的r-费马域，收集r-费马域内的所有sensor节点形成r-费马域路由锚点表；当源sensor节点需要发送数据至sink节点时，从本地的r-费马域路由锚点表中任意选择或按照预定规则(如轮转)选择一个sensor节点作为路由锚点。

无线传感器网络系统，包括3个以上的sensor节点、2个互为备份的sink节点，所述sensor节点，作为源sensor节点时，用于计算本节点与网络中2个sink节点组成的三角形的费马点坐标；选择与费马点位置相同或相邻的节点作为路由锚点，所述费马点为到三角形3个顶点距离之和最小的点；

sensor节点作为中间sensor节点时，用于转发源sensor节点向sink节点传输的数据；在数据到达路由锚点前，中间sensor节点沿一条路径传输向2个sink节点发送的数据；到达路由锚点之后，中间sensor节点沿一条路径传输向1个sink节点发送的数据；

sensor节点作为路由锚点时，且该sensor节点为中间sensor节点，将接收到的数据分发至2个sink节点；

sensor节点作为路由锚点时，且该sensor节点为源sensor节点，将数据直接分发至2个sink节点；

所述sink节点，用于接收并存储来自于源sensor节点的数据；

sink节点作为路由锚点时，作为路由锚点的sink节点接收到数据后，再发送数据至另一个sink节点。

本发明的有益效果是，在保证数据备份效果的同时，降低数据传输的逻辑距离，减少网络内能量开销。并且，本发明基于费马点的路由技术不与现有路由技术冲突，可以基于现有的各种无线传感器路由协议进行实施和部署，避免了和现有各种协议和规范的兼容性问题。

附图说明

图1是双sink互备份传感器网络组网架构示意图；

图2是现有双sink互备份传感器网络的路由示意图；

图3是基于费马点的路由模型；

图4是不同情况下费马点的示意图；

图5是基于费马点的r-费马域示意图；

图6实施例中交互报文格式示意；

图7实施例中路由锚点表的生成过程；

图8实施例中数据报文的封装示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

如图3所示，WSN中任一个sensor节点的位置(X_sensor，Y_sensor)和两个sink节点的位置(X_sink1，Y_sink1)、(X_sink2，Y_sink2)近似形成一个三角形。根据几何理论，每个三角形都存在一个点，使得这个点到三角形三个顶点间的距离之和最短。这个点称为费马点。在源sensor节点将数据传输到两个sink节点时，如果能够先沿一条公共路径传到该费马点，再从该费马点分别向两个sink节点传输，相比现有的路由，基于费马点的路由方法的总传输距离更短，路径开销也可以达到或者接近最优的效果。

建立寻找三角形费马点的计算方法以及路由方法：

1、三角形中有一个内角大于120度时，费马点就是该内角所对应的顶点。

对于费马点就是三角形中某一顶点的情况，如果该顶点即为源sensor节点，源sensor节点作为路由锚点，源sensor节点直接向两个sink节点分发数据；如果该顶点为一个sink节点，该sink节点作为路由锚点，则源sensor节点的数据先发送到该sink节点，再由该sink节点转发到另一个sink节点。

如图4-(a)、(b)、(c)所示，当WSN中任一个sensor节点、sink1节点、sink2节点组成的三角形中，有一个内角大于120度的钝角时，则根据是该钝角做相应处理：

1)如图4-(a)，钝角∠sink1-sensor-sink2≥120度，费马点的位置为该sensor点的位置，源sensor节点分别选择到目的节点sink1和sink2的路径sensor-sink1和sensor-sink2。

2)如图4-(b)，∠sensor-sink1-sink2≥120度，费马点的位置为sink1节点的位置，源sensor节点先将数据发送给sink1节点，再由sink1节点转发给sink2节点。

3)如图4-(c)，∠sensor-sink2-sink1≥120度，费马点的位置为sink2节点的位置，源sensor节点先将数据发送给sink2节点，再由sink2节点转发给源sensor节点。

2、三角形中所有内角都小于120度时，费马点在三角形内部：

源sensor节点先将数据通过一条公共路径发送到路由锚点，再由路由锚点分发到两个sink节点。

如图4-(d)所示，当sensor-sink1-sink2组成的三角形三个内角都小于120度时，费马点位于三角形内。sensor节点、sink1节点、sink2节点的坐标分别是：(X_sensor，Y_sensor)、(X_sink1，Y_sink1)和(X_sink2，Y_sink2)。费马点的坐标为(X_Fermat，X_Fermat)。则费马点到sensor、sink1、sink2的距离之和L_total-dis为：

$L_{\mathrm{total}-\mathrm{dis}}=L_{\mathrm{sensor}-\mathrm{Fermat}}+L_{\mathrm{Fermat}-\sin k1}+L_{\mathrm{Fermat}-\sin k2}$

$=\sqrt{{(X_{\mathrm{sensor}}-X_{\mathrm{Fermat}})}^2+{(Y_{\mathrm{sensor}}-Y_{\mathrm{Fermat}})}^2}+$

$\sqrt{{(X_{\sin k1}-X_{\mathrm{Fermat}})}^2+{(Y_{\sin k1}-Y_{\mathrm{Fermat}})}^2}+$

$\sqrt{{(X_{\sin k2}-X_{\mathrm{Fermat}})}^2+{(Y_{\sin k2}-Y_{\mathrm{Fermat}})}^2}$

令L_total-dis取最小值，可计算得出费马点的坐标(X_Fermat，Y_Fermat)。

由上式计算出的费马点是数学概念上一个理想的逻辑点，在实际环境中，该逻辑点恰好部署有一个sensor节点的概率很低，因此必须依据费马点位置，选择费马点周围某特定区域内的近似费马点作为路由锚点。

对于费马点在三角形内部的情况，根据费马点位置，以r为半径，建立r-费马域，如图5所，该r-费马域内的sensor节点，视为近似费马点(与费马点相邻的sensor节点)都可作为源sensor节点的路由锚点看待。近似费马点的选择过程如下：

建立了费马点位置确定后，以(X_Fermat，Y_Fermat)为圆心，r为半径，将在该圆内的所有Sensor节点看成一个近似费马点集，称之为r-费马域。经r-费马域路由锚点的协议交互流程，每个源sensor节点形成r-费马域路由锚点表。

每次传输时，Sensor节点在该r-费马域中随机选择或采用一定的机制(如轮转)从r-费马域路由锚点表中选择一个节点作为路由锚点。

当路由锚点数量过少时，单点能量消耗过大，故半径r的值不能设置过小。又当半径r过大时，与费马点的偏移过大，失去利用价值。在实际场景中，半径r的值可动态选择，根据实验效果，以系统中所有节点间平均距离的2/3作为半径r为优选。

经r-费马域路由锚点的协议交互流程，每个源sensor节点形成r-费马域路由锚点表。协议交互的数据格式如图6所示，路由锚点请求报文包括目的地址、源地址、控制信息、节点信息、费马域半径r、费马点位置(X_Fermat，Y_Fermat)；路由锚点响应报文包括目的地址、源地址、控制信息、节点信息。

各源sensor节点形成r-费马域路由锚点表的具体过程如图7所示：

某sensor节点A欲建立基于费马点的路由时，根据地理位置信息(如GPSR路由技术)发送路由锚点请求报文，向目标区域扩散。此报文中带有源sensor节点信息，费马域半径r值及费马点坐标值，控制信息中填入报文类型(路由锚点请求报文)、转发标志(转发标志为1或0，源sensor节点初设转发标志为1，1表示收到该报文的节点在其他判断条件满足时，需要继续转发该请求报文；0表示收到后不再转发该请求报文)。收到此路由锚点请求报文的中间sensor节点检查转发标志：

1)转发标志为“1”，则根据费马点坐标信息计算本节点与费马点距离D，若D大于费马域半径r，表示本节点不能作为路由锚点，则继续在费马点方向上进行转发；若D小于r则说明本节点可作为源节点的路由锚点，同时将控制信息中的“转发标志”设为0，再发送重新设置了转发标志的路由锚点请求报文，并向源sensor节点回复路由锚点响应报文，路由锚点响应报文中包含本锚点的节点信息(节点信息包括节点标识Ferm、节点的网络地址Addr、节点的位置信息Loc)；

2)转发标志为“0”，则根据费马点坐标信息计算本节点与费马点距离D，若D大于r，表示本节点不能作为路由锚点，丢弃该请求报文；若D小于r则说明本节点可作为源节点的路由锚点，丢弃该请求报文并向源sensor节点回复路由锚点响应报文，路由锚点响应报文中包含本锚点的节点信息。

当源sensor节点A每收到一个锚点响应报文，验证报文有效性及节点有效性，若有效，则向本地r-费马域路由锚点表中添加一条带选路由锚点的节点信息。

源sensor节点欲向系统中2个目标sink节点发送数据报文时，数据报文的封装形式如图8所示。

源sensor节点在本地r-费马域路由锚点表中选择一个路由锚点，将路由锚点的标识(Ferm_i)和两个sink节点的网络地址(Dst1&2)包含在数据报文(DATA)中发送。源sensor节点的路由锚点可能不只一个，一种方式是通过轮询的方式进行选择。这样可以避免单点能量消耗过快，均衡网络负载。中继sensor节点透明转发这些报文。路由锚点收到此报文后，将报文头部的锚点标识(Ferm_i)去掉，对数据信息重新进行封装成2个含有不同目的地址(Dst1、Dst2)的数据报文，将重新封装的数据信息向两个目标sink节点分别进行转发。

当路由锚点为源sensor节点时，源sensor节点则直接将数据信息封装成2个含有不同目的地址(Dst1、Dst2)的数据报文，并向两个目标sink节点分别发送。

当路由锚点为一个sink节点(网络地址为Dst1)时，源sensor节点将两个sink节点的网络地址(Dst1&2)包含在数据报文(DATA)中发送。路由锚点收到此报文后，对数据信息重新进行封装，将网络地址(Dst2)作为目的地址封装在数据报文中，发送至另一个sink节点。

Claims (10)

1.双sink互备份WSN中基于费马点的路由方法，其特征在于，包括：

源sensor节点计算本节点与网络中2个sink节点组成的三角形的费马点；再选择与费马点位置相同或相邻的节点作为路由锚点；所述费马点为到所述三角形的3个顶点距离之和最小的点；

源sensor节点向2个sink节点传输数据时，在数据到达路由锚点前，数据沿一条路径进行传输，到达路由锚点后，路由锚点将数据分发至sink节点。

2.如权利要求1所述双sink互备份WSN中基于费马点的路由方法，其特征在于，当源sensor节点与网络中2个sink节点组成的三角形有一个内角大于120度时，费马点就是该钝角所对应的顶点，以该费马点作为路由锚点；当路由锚点为源sensor节点，源sensor节点直接向两个sink节点分发数据；当路由锚点为一个sink节点，则源sensor节点的数据先发送到该sink节点，再由该sink节点发送数据至另一个sink节点；

当源sensor节点与网络中2个sink节点组成的三角形所有内角都小于120度时，费马点在所述三角形内部，源sensor节点选择与费马点位置相同或相邻的节点作为路由锚点，源sensor节点先将数据沿一条路径传输至路由锚点，路由锚点将数据分发至2个sink节点。

3.如权利要求1或2所述双sink互备份WSN中基于费马点的路由方法，其特征在于，源sensor节点选择与费马点位置相同或相邻的节点作为路由锚点的方法是：

源sensor节点根据费马点位置，建立以费马点坐标为圆心，以r为半径的r-费马域，收集r-费马域内的所有sensor节点形成r-费马域路由锚点表；

当源sensor节点需要发送数据至sink节点时，从本地的r-费马域路由锚点表中任意选择或按照预定规则选择一个sensor节点作为路由锚点。

4.如权利要求3所述双sink互备份WSN中基于费马点的路由方法，其特征在于，源sensor节点收集r-费马域内的所有sensor节点形成r-费马域路由锚点表的方法是：

源sensor节点计算出费马点坐标后，设置路由锚点请求报文中的转发标识为1，并发出路由锚点请求报文；

当中间sensor节点收到路由锚点请求报文，查看收到路由锚点请求报文的转发标识，当转发标识为1时，中间sensor节点计算本节点与源sensor节点以及费马点的位置关系，如本节点脱离源sensor节点到费马点的方向，该中间sensor节点丢弃路由锚点请求报文，不再继续处理；如本节点在源sensor节点到费马点的方向上，该中间sensor节点再比较本节点与费马点的距离是否大于费马域半径r，如是，保持路由锚点请求报文中的转发标识并转发路由锚点请求报文，如否，设置路由锚点请求报文中的转发标识为0，并转发路由锚点请求报文，同时向源sensor节点返回路由锚点响应报文；

当中间sensor节点收到路由锚点请求报文的节点，查看收到路由锚点请求报文的转发标识，当转发标识为0时，中间sensor节点比较本节点与费马点的距离是否大于费马域半径r，如是，丢弃路由锚点请求报文，不再继续处理，如否，向源sensor节点返回路由锚点响应报文，并丢弃路由锚点请求报文；

源sensor节点接收到路由锚点响应报文后，从锚点响应报文中提取出发出该响应报文的节点的信息，并将该节点信息加入r-费马域路由锚点表。

5.如权利要求4所述双sink互备份WSN中基于费马点的路由方法，其特征在于，源sensor节点选取所有节点间平均距离的2/3作为费马域半径r。

6.无线传感器网络系统，包括3个以上的sensor节点、2个互为备份的sink节点，其特征在于，

所述sensor节点，作为源sensor节点时，用于计算本节点与网络中2个sink节点组成的三角形的费马点坐标；选择与费马点位置相同或相邻的节点作为路由锚点，所述费马点为到三角形3个顶点距离之和最小的点；

sensor节点作为中间sensor节点时，用于转发源sensor节点向sink节点传输的数据；在数据到达路由锚点前，中间sensor节点沿一条路径传输向2个sink节点发送的数据；到达路由锚点之后，中间sensor节点沿一条路径传输向1个sink节点发送的数据；

sensor节点作为路由锚点时，且该sensor节点为中间sensor节点，将接收到的数据分发至2个sink节点；

sensor节点作为路由锚点时，且该sensor节点为源sensor节点，将数据直接分发至2个sink节点；

所述sink节点，用于接收并存储来自于源sensor节点的数据；

sink节点作为路由锚点时，作为路由锚点的sink节点接收到数据后，再发送数据至另一个sink节点。

7.如权利要求6所述无线传感器网络系统，其特征在于，所述sensor节点，作为源sensor节点时，用于判断本节点与网络中2个sink节点组成的三角形，当源sensor节点与网络中2个sink节点组成的三角形有一个内角大于120度时，费马点就是该钝角所对应的顶点，以该费马点作为路由锚点；当源sensor节点与网络中2个sink节点组成的三角形所有内角都小于120度时，费马点在所述三角形内部，源sensor节点选择与费马点位置相同或相邻的节点作为路由锚点。

8.如权利要求7所述无线传感器网络系统，其特征在于，所述sensor节点，作为源sensor节点时，用于源sensor节点根据费马点位置，建立以费马点坐标为圆心，以r为半径的r-费马域，收集r-费马域内的所有sensor节点形成r-费马域路由锚点表；当源sensor节点需要发送数据至sink节点时，从本地的r-费马域路由锚点表中任意选择或按照预定规则选择一个sensor节点作为路由锚点。

9.如权利要求8所述无线传感器网络系统，其特征在于，所述sensor节点，作为源sensor节点时，用于源sensor节点计算出费马点坐标后，设置路由锚点请求报文中的转发标识为1，并发出路由锚点请求报文；源sensor节点接收到路由锚点响应报文后，从锚点响应报文中提取出发出该报文的中间sensor节点的信息，并将该节点信息加入r-费马域路由锚点表；

所述sensor节点，作为中间sensor节点时，用于当中间sensor节点收到路由锚点请求报文，查看收到路由锚点请求报文的转发标识，当转发标识为1时，中间sensor节点计算本节点与源sensor节点以及费马点的位置关系，如本节点脱离源sensor节点到费马点的方向，该中间sensor节点丢弃路由锚点请求报文，不再继续处理；如本节点在源sensor节点到费马点的方向上，该中间sensor节点再比较本节点与费马点的距离是否大于费马域半径r，如是，保持路由锚点请求报文中的转发标识并转发路由锚点请求报文，如否，设置路由锚点请求报文中的转发标识为0，并转发路由锚点请求报文，同时向源sensor节点返回路由锚点响应报文；

当中间sensor节点收到路由锚点请求报文，查看收到路由锚点请求报文的转发标识，当转发标识为0时，中间sensor节点比较本节点与费马点的距离是否大于费马域半径r，如是，丢弃路由锚点请求报文，不再继续处理，如否，向源sensor节点返回路由锚点响应报文，并丢弃路由锚点请求报文。

10.如权利要求9所述无线传感器网络系统，其特征在于，所述sensor节点，作为源sensor节点时，用于选取系统内所有节点间平均距离的2/3作为费马域半径r。

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