CN102413471A - 一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法 - Google Patents

Abstract

一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法，涉及一种无线传感器网络组网方法。为了解决原始的传感器网络组网技术不能够利用本地节点自身的地理位置信息来进行链路估算，导致的网络吞吐量低、网络时延高和协议开销高的问题。将无线传感器网络划分为栅格，当某一个传感节点或中继节点有数据分组需要发送给中心节点时，它将会依据它与中心节点间的相对位置信息来初步选择分组将发送的方向，并列出所有备选中继节点；该发送节点依据它与所选定方向相邻栅格间的相对位置信息，估算出该发送节点与这些栅格中的中继节点链路稳定性信息来估算在该方向上所有备选中继节点的链路稳定性信息。用于组建网络。

Description

一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络组网方法。

背景技术

本发明申请所采用的背景技术可以概括为以下几点：1)多跳无线中继技术；2)低开销网络传输技术；3)基于链路稳定性的容错技术；4)基于ID寻址技术；5)静态网络高效组网技术。

无线传感器网络中的节点由于成本和体积等方面的限制，通常都是由通信性能十分有限的无线收发设备组成。这些设备通过将采集的各种监测信号利用多跳中继传输的方式传递给远端中心节点，以此来共同完成对某一特定环境参数的监测任务，常见的监测对象有大气污染物、湿度、温度和电磁频谱等。无线传感器网络节点普遍具有以下技术特点：

1)通信距离有限；由于成本和体积的限制，无线传感器节点的通信距离十分有限，通常只有几十米甚至几米。因此，在大规模组网应用时，许多无线传感器节点都不能和中心节点直接通信，而必须通过其它无线传感器节点进行中继多跳通信。此时，如何有效的进行路由选择就会在很大程度上影响网络的性能。

2)能量有限；由于无线传感器节点通常都采用电池供电，所以它们的电量十分有限。并且在绝大部分应用场合，都无法对电池及时进行充电。因此，在无线传感器网络中如何进行有效的能量管理也是关键的技术问题。

3)故障率高；由于无线传感器节点成本较低，因此在软硬件性能上也十分有限，并不具备复杂的容错技术和及时修复的条件。因此一旦设备发生故障，就将会永久失效。这种高故障率，导致了整个传输系统的路由可靠性大大降低。

4)数量庞大；由于节点的通信能力和处理能力都非常有限，并且还具有高故障率的特点，因此为了使网络能够长期稳定运行，无线传感器网络都会放置大量的节点，以达到分布式处理和容错备份的目的。此时传统的基于IP寻址的通信技术由于效率较低并且地址数量的限制通常无法使用，所以无线传感器网络就大量使用ID或参数寻址的方式。

5)位置相对固定；由于成本和体积的限制，无线传感器节点通常功能简单，不具备移动能力，因此网络的拓扑结构相对稳定。

除以上所述的五个特点外，从传感器网络本身的监测背景出发，传感器节点通常需要获知自己的位置信息，以便使中心节点在获知各个节点上传的数据时能够同时获知信息所采集的地理位置。通过这种方法，中心节点就能够有效利用监测数据及位置信息来形成整个网络的态势图，从而为决策提供数值依据。目前最常用的定位技术就是基于全球定位系统(GPS)的定位方式，但是这种方式通常耗电量较大并且成本较高，所以在精度要求不高的场合也可以通过到达角估计等信号处理技术来估算出节点的地理位置。

由此可见以往的传感器网络组网技术不能够利用本地节点自身的地理位置信息来进行链路估算，导致网络吞吐量低、网络时延高和协议开销高。

发明内容

本发明的目的是针对原始的传感器网络组网技术不能够利用本地节点自身的地理位置信息来进行链路估算，导致的网络吞吐量低、网络时延高和协议开销高的问题，提出了一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法。

一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法，该方法的实现步骤为：

步骤一、将无线传感器网络划分为栅格，每个栅格中存在若干个传感器节点，在数据传输过程中，在同一个栅格里面，在任意时刻，只有一个传感器节点作为中继节点；

步骤二、中心节点通过洪泛广播的方式配置网络的几何坐标、子网ID、中心节点坐标及其ID、垂直方向栅格数目m和水平方向栅格数目n；

步骤三、第一次接收到该配置分组广播数据的每个中继节点，依据网络参数计算出网络的水平方向长度H和垂直方向长度L，并记录这些配置信息，然后继续中继广播该配置分组；接收过该配置分组的中继节点，将不再转发，直接丢弃该分组广播数据；此时，如果传感节点接收到该配置分组广播数据，将依据网络参数调整它的配置信息后直接丢弃该分组广播数据；

步骤四、当某一个传感节点或中继节点有数据分组信息需要发送给中心节点时，它将会依据它与中心节点间的相对位置信息来初步选择分组将发送的方向，并列出所有备选中继节点；

步骤五、该发送节点依据它与所选定方向相邻栅格间的相对位置信息，利用发送节点与各栅格中心间的距离来估算链路稳定度，估算出该发送节点与这些栅格中的中继节点链路稳定性信息来估算在该方向上所有备选中继节点的链路稳定性信息，具体方法如下：

首先通过坐标变换将备选栅格映射到网络的右上方，并将坐标原点置于该发送节点所在栅格的右下角；更进一步将发送节点在其栅格中的位置以节点的无线通信距离R为半径，划定为四个区域，分别是多边形BCD、EFGCB、FGHIJ和IJK；

区域的划分原则：

首先以备选栅格右上方的顶底A点为圆心，以节点的无线通信距离R为半径画圆，圆与发送节点所在栅格相交，将发送节点i所在栅格划分出第一个区域多边形BCD；

再以备选栅格的左上方的顶点M点为圆心，以节点的无线通信距离R为半径画圆，圆与发送节点所在栅格相交，将发送节点i所在栅格划分出第二个区域多边形EFGCB；

再以备选栅格的右上方的顶点N点为圆心，以节点的无线通信距离R为半径画圆，圆与发送节点所在栅格相交，将发送节点i所在栅格划分出第三个区域多边形FGHIJ；

最后以发送节点i所在栅格的第四个区域KIJ内的任一点为圆心，以节点的无线通信距离R为半径画圆，该圆所覆盖的面积，覆盖了包括备选栅格左下方的顶点的区域LTS；

下面分别利用积分公式就可以计算出该发送节点i所覆盖各个栅格的面积与该栅格实际面积的比值，即栅格面积比；该比值越大，节点i与该所覆盖栅格中中继节点间的链路越可能存在并且稳定；

如果节点i位于多边形BCD中，那么它所能覆盖的最右上角栅格面积比为1；

如果节点i位于多边形EFGCB中，那么它所能覆盖的最右上角栅格面积为：

$S=d^2-{\∫}_{x_i+\sqrt{R^2-{(3d-y_i)}^2}}^{2d}(3d-y_i-\sqrt{R^2-{(x-x_i)}^2})\mathrm{dx}$

$=d^2-(3d-y_i)(2d-x_i-\sqrt{R^2-{(3d-y_i)}^2})$

$+\frac{2d-x_i}{2}\sqrt{R^2-{(2d-x_i)}^2}-\frac{3d-y_i}{2}\sqrt{R^2-{(3d-y_i)}^2}$

$+\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{2d-x_i}{R}-\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{\sqrt{R^2-{(3d-y_i)}^2}}{R}$

如果节点i位于多边形FGHIJ中，那么它所能覆盖的最右上角栅格面积S为：

$S=\underset{d}{\overset{2d}{\∫}}(y_i-2d+\sqrt{R^2-{(x-x_i)}^2})\mathrm{dx}$

$=d(y_i-2d)+\frac{2d-x_i}{2}\sqrt{R^2-{(2d-x_i)}^2}-\frac{d-x_i}{2}\sqrt{R^2-{(d-x_i)}^2}$

$+\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{2d-x_i}{R}-\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{d-x_i}{R}$

如果节点i位于多边形IJK中，那么它所能覆盖的最右上角栅格面积S为：

$S={\∫}_d^{x_i+\sqrt{R^2-{(2d-y_i)}^2}}(y_i-2d+\sqrt{R^2-{(x-x_i)}^2})\mathrm{dx}$

$=(d-x_i)(2d-y_i)-\frac{2d-y_i}{2}\sqrt{R^2-{(2d-y_i)}^2}-\frac{d-x_i}{2}\sqrt{R^2-{(d-x_i)}^2}$

$+\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{\sqrt{R^2-{(2d-y_i)}^2}}{R}-\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{d-x_i}{R}$

其中，x为节点相对于其所在栅格原点的水平距离，d为栅格的长度，同理，该节点所能覆盖的所有栅格的面积均可以利用这种积分方式获得，然后将这些面积除以单位栅格面积d²，即为所求的栅格面积比；

λ为链路稳定性的门限，R是节点的无线通信距离，所有满足到栅格中心距离不大于λR的栅格均为符合链路稳定度的路由，随后发送节点从这些栅格中按照最短路径准则选择中继节点；

在满足链路稳定性门限要求的所有备选栅格中，依据最短路径算法选择最佳的中继节点作为下一跳中继节点，并将数据分组发送给该节点；

步骤七、当下一跳中继节点在接收到该数据分组后，将会继续按照步骤四至步骤六的方法继续转发数据分组，直到该分组到达中心节点为止。

所述的传感器节点只负责数据采集和数据发送，而不为其它节点提供中继服务。

所述的中继节点可以是特殊设计的节点也可以是从传感器节点中选出的节点。

所述的步骤一中配置参数的目的是将中心节点将网络分割成m行n列的栅格结构，并且为每个栅格指定一个唯一的中继ID号，由于共有m×n个栅格，所以中继节点的ID号为1到m×n，每个中继节点的编号规则为：从网络的左下角栅格开始沿水平方向向右侧编号，然后上移一行，继续从左侧开始顺序向右侧编号，直到编号到网络右上角的栅格为止；因此网络最下方一行栅格的中继ID号从左到右依次为1到n、下方倒数第二行中继ID号从左至右为n+1到2n，最终网络右上角的中继节点ID即为m×n。

所述的步骤二中的计算出网络的水平方向长度H和垂直方向长度L是为了确保网络的栅格密度或中继节点数量必须满足公式：

(L/n)²+(2H/m)²≤R²或(2L/n)²+(H/m)²≤R²，

以保证网络的连通性；其中，R是节点的无线通信距离。

所述的步骤四中选择分组将发送的方向的具体方法如下：

若该发送节点i的坐标为(x_i，y_i)，当

(x_i-x₀)²+(y_i-y₀)²≤R²

时，则节点i可以与中心节点直接通信，直接将分组发送给中心节点；否则，如果该节点位于中心节点的左上方，那么该节点将会初步选定其右方、下方以及右下方的栅格作为中继；否则如果该节点位于中心节点的右上方，那么该节点将会初步选定其左方、下方以及左下方的栅格作为中继；否则如果该节点位于中心节点的左下方，那么该节点将会初步选定其右方、上方以及右上方的栅格作为中继；否则如果该节点位于中心节点的右下方，那么该节点将会初步选定其左方、上方以及左上方的栅格作为中继。

所述的网络中的栅格尺寸应该接近并小于

所述的网络中的栅格均为正方形。

本发明的优点是：

本发明仅利用节点在其自身栅格内的位置信息，来计算它所能覆盖的相邻栅格面积比，该面积比代表所覆盖的栅格面积与栅格实际面积之间的比值。该比值越高，节点与该栅格中中继节点的链路越稳定。通过这个链路估算信息，可以更有效的提高通信质量。由于仅需要本地节点利用它自身的地理位置信息来进行链路估算，而不需要其它节点的位置信息，所以该算法不需要节点间的分组交互就能进行链路估算，从而能在提高网络通信能力的前提下，最大程度的降低协议开销，并具有快速可靠和适应高速移动无线传感器网络的能力。本发明的组网方法可以有效的提高网络吞吐量、降低网络时延和协议开销。

附图说明

图1是本发明实施的网络拓扑示意图；图中●表示中继节点；图中★表示中心节点；图中■表示传感节点；

图2是本发明的链路稳定度计算所采用的坐标图，当发送节点i位于BCD内时，传输范围覆盖整个右上角的备选栅格；

图3是本发明的链路稳定度计算所采用的坐标图，发送节点i位于EFGCB内时，传输范围覆盖右上角正方形的MSTNL区域；

图4是本发明的链路稳定度计算所采用的坐标图，发送节点位i于FGHIJ内时，传输范围覆盖右上角正方形的STNL区域；

图5是本发明的链路稳定度计算所采用的坐标图，发送节点i位于JIK时，传输范围覆盖右上角的STL区域；

图6是本发明的链路稳定度计算结果示例图，该图示例了一个典型的节点i所覆盖全部栅格的栅格面积比，该图中每一个栅格都对应了一组数字(k，l)，这里k代表以发送节点为势场0参考点时，各栅格与发送节点的势差，一个栅格在水平或者垂直方向每远离发送节点一个栅格距离，势差将会加1，而l即代表该栅格被发送节点所覆盖的面积比，即本专利定义的链路稳定性的度量值；

图7是本发明与现有无线传感器网络中其它路由协议在分组投递成功率上的性能比较，主要是基于链路稳定性栅格路由协议VGDR-E(增强型虚拟栅格动态路由协议)与静态AODV(自组织网络按需距离矢量路由协议)路由协议AODV-S(稳定型自组织网络按需距离矢量路由协议)、动态AODV(自组织网络按需距离矢量路由协议)路由协议AODV-M(移动型自组织网络按需距离矢量路由协议)、静态虚拟栅格路由协议VGDR-S(稳定型虚拟栅格动态路由协议)和动态虚拟栅格路由协议VGDR-M(移动型虚拟栅格动态路由协议)的性能比较；

图8是平均端到端时延性能比较；

其中图7和图8中的各种图形所分别代表的含义如下：

图中-■-表示AODV-S(稳定型自组织网络按需距离矢量路由协议)；

图中-●-表示AODV-M(移动型自组织网络按需距离矢量路由协议)；

图中-▲-表示静态虚拟栅格路由协议VGDR-S(稳定型虚拟栅格动态路由协议)；

图中-▼-表示动态虚拟栅格路由协议VGDR-M(移动型虚拟栅格动态路由协议)；

图中-◆-表示链路稳定性栅格路由协议VGDR-E(增强型虚拟栅格动态路由协议)。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法的步骤为：

步骤一、将无线传感器网络划分为栅格，每个栅格中存在若干个传感器节点，在数据传输过程中，在同一个栅格里面，在任意时刻，只有一个传感器节点作为中继节点；

步骤二、中心节点通过洪泛广播的方式配置网络的几何坐标、子网ID、中心节点坐标及其ID、垂直方向栅格数目m和水平方向栅格数目n；

步骤三、第一次接收到该配置分组的每个中继节点，依据网络参数计算出网络的水平方向长度H和垂直方向长度L，并记录这些配置信息，然后继续中继广播该配置分组；接收过该配置分组的中继节点，将不再转发，直接丢弃该分组；此时，如果传感节点接收到该配置分组，将依据网络参数调整它的配置信息后直接丢弃该分组；

步骤四、当某一个传感节点或中继节点有数据分组需要发送给中心节点时，它将会依据它与中心节点间的相对位置信息来初步选择分组将发送的方向，并列出所有备选中继节点；

步骤五、该发送节点依据它与所选定方向相邻栅格间的相对位置信息，利用发送节点与各栅格中心间的距离来估算链路稳定度，估算出该发送节点与这些栅格中的中继节点链路稳定性信息来估算在该方向上所有备选中继节点的链路稳定性信息，具体方法如下：

首先通过坐标变换将备选栅格映射到网络的右上方，并将坐标原点置于该发送节点所在栅格的右下角；更进一步将发送节点在其栅格中的位置以节点的无线通信距离R为半径，划定为四个区域，分别是多边形BCD、EFGCB、FGHIJ和IJK；

划分原则：首先以备选栅格右上方的顶底A点为圆心，以节点的无线通信距离R为半径画圆，圆与发送节点所在栅格相交，将发送节点i所在栅格划分出第一个区域多边形BCD；

再以备选栅格的左上方的顶点M点为圆心，以节点的无线通信距离R为半径画圆，圆与发送节点所在栅格相交，将发送节点i所在栅格划分出第二个区域多边形EFGCB；

再以备选栅格的右上方的顶点N点为圆心，以节点的无线通信距离R为半径画圆，圆与发送节点所在栅格相交，将发送节点i所在栅格划分出第三个区域多边形FGHIJ；

最后以发送节点i所在栅格的第四个区域KIJ内的任一点为圆心，以节点的无线通信距离R为半径画圆，该圆所覆盖的面积，覆盖了包括备选栅格左下方的顶点的区域LTS；

下面分别利用积分公式就可以计算出该发送节点i所覆盖各个栅格的面积与该栅格实际面积的比值，即栅格面积比；该比值越大，节点i与该所覆盖栅格中中继节点间的链路越可能存在并且稳定；

如果节点i位于多边形BCD中，那么它所能覆盖的最右上角栅格面积比为1；如果节点i位于多边形EFGCB中，那么它所能覆盖的最右上角栅格面积为：

$S=d^2-{\∫}_{x_i+\sqrt{r^2-{(3d-y_i)}^2}}^{2d}(3d-y_i-\sqrt{R^2-{(x-x_i)}^2})\mathrm{dx}$

$=d^2-(3d-y_i)(2d-x_i-\sqrt{R^2-{(3d-y_i)}^2})$

$+\frac{2d-x_i}{2}\sqrt{R^2-{(2d-x_i)}^2}-\frac{3d-y_i}{2}\sqrt{R^2-{(3d-y_i)}^2}$

$+\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{2d-x_i}{R}-\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{\sqrt{R^2-{(3d-y_i)}^2}}{R}$

如果节点i位于多边形FGHIJ中，那么它所能覆盖的最右上角栅格面积S为：

$S=\underset{d}{\overset{2d}{\∫}}(y_i-2d+\sqrt{R^2-{(x-x_i)}^2})\mathrm{dx}$

$=d(y_i-2d)+\frac{2d-x_i}{d}\sqrt{R^2-{(2d-x_i)}^2}-\frac{d-x_i}{2}\sqrt{R^2-{(d-x_i)}^2}$

$+\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{2d-x_i}{R}-\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{d-x_i}{R}$

如果节点i位于多边形IJK中，那么它所能覆盖的最右上角栅格面积S为：

$S={\∫}_d^{x_i+\sqrt{R^2-{(2d-y_i)}^2}}(y_i-2d+\sqrt{R^2-{(x-x_i)}^2})\mathrm{dx}$

$=(d-x_i)(2d-y_i)-\frac{2d-y_i}{2}\sqrt{R^2-{(2d-y_i)}^2}-\frac{d-x_i}{2}\sqrt{R^2-{(d-x_i)}^2}$

$+\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{\sqrt{R^2-{(2d-y_i)}^2}}{R}-\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{d-x_i}{R}$

其中，x为节点相对于其所在栅格原点的水平距离，d为栅格的长度，与此类似，该节点所能覆盖的所有栅格的面积均可以利用这种积分方式获得，然后将这些面积除以单位栅格面积d²，即为所求的栅格面积比；

λ为链路稳定性的门限，R是节点的无线通信距离，所有满足到栅格中心距离不大于λR的栅格均为符合链路稳定度的路由，随后发送节点从这些栅格中按照最短路径准则选择中继节点；

在满足链路稳定性门限要求的所有备选栅格中，依据最短路径算法选择最佳的中继节点作为下一跳中继节点，并将数据分组发送给该节点；

需要说明的是，为了简化计算的复杂度，在实际应用中可以利用发送节点与各栅格中心间的距离来近似估算链路稳定度，即

‖P_i-C_j‖₂≤λR，

这里P_i为发送节点i的坐标，C_j为所覆盖某栅格j的中心点坐标，λ为门限值。直观上来看，如果一个节点与某个栅格中心点的距离越近，那么该节点就能覆盖该栅格更大的面积。通过这种方式，可以将复杂的积分运算化简为一个欧几里得距离运算，从而可以在满足系统性能的前提下，极大简化算法的复杂度。通过实际的算法验证，本专利推荐使用参数值λ＝0.8作为门限值。所有满足到栅格中心距离不大于0.8R的栅格均为符合链路稳定度的路由，随后发送节点从这些栅格中按照最短路径准则选择中继节点，即可以达到与采用积分算法类似的性能。

门限值越小，链路稳定性越高，但是代价就是从源节点到目的节点的路径跳数会增加。反之，这个值越高，那么链路稳定性越差，但是源节点到目的节点的路径跳数会减少。因此，这个值只能给出一个折中的选择，具体优化与网络中节点的布设位置和所追求的具体指标有关。比如，对于某些周期发送监控数据的传感器网络来说，某一次发送数据的丢失，不会影响到最终的监测结果，那么这个门限可以设置的小一些，这样可以减少跳数，从而减少参与路由的节点数，达到降低功耗的目的。而对于一些紧急突发的应用，由于数据很重要，因此可以将门限设置的高一些，这样可以保证传输的可靠性。

步骤七、当下一跳中继节点在接收到该数据分组后，将会继续按照步骤四至步骤六的方法继续转发数据分组，直到该分组到达中心节点为止。

具体实施方式二：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一所述的一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法的进一步说明，

所述的传感器节点只负责数据采集和数据发送，而不为其它节点提供中继服务。

具体实施方式三：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一所述的一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法的进一步说明，

所述的中继节点可以是特殊设计的节点也可以是从传感器节点中选出的节点。

具体实施方式四：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一所述的一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法的进一步说明，

所述的步骤一中配置参数的目的是将中心节点将网络分割成m行n列的栅格结构，并且为每个栅格指定一个唯一的中继ID号，由于共有m×n个栅格，所以中继节点的ID号为1到m×n，每个中继节点的编号规则为：从网络的左下角栅格开始沿水平方向向右侧编号，然后上移一行，继续从左侧开始顺序向右侧编号，直到编号到网络右上角的栅格为止；因此网络最下方一行栅格的中继ID号从左到右依次为1到n、下方倒数第二行中继ID号从左至右为n+1到2n，最终网络右上角的中继节点ID即为m×n。

具体实施方式五：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一所述的一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法的进一步说明，

所述的步骤二中的计算出网络的水平方向长度H和垂直方向长度L是为了确保网络的栅格密度或中继节点数量必须满足公式：

(L/n)²+(2H/m)²≤R²

或

(2L/n)²+(H/m)²≤R²，

以保证网络的连通性；其中，R是节点的无线通信距离。

具体实施方式六：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一所述的一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法的进一步说明，

若该发送节点i的坐标为(x_i，y_i)，当

(x_i-x₀)²+(y_i-y₀)²≤R²

时，则节点i可以与中心节点直接通信，直接将分组发送给中心节点；

否则，如果该节点位于中心节点的左上方，那么该节点将会初步选定其右方、下方以及右下方的栅格作为中继；

否则如果该节点位于中心节点的右上方，那么该节点将会初步选定其左方、下方以及左下方的栅格作为中继；

否则如果该节点位于中心节点的左下方，那么该节点将会初步选定其右方、上方以及右上方的栅格作为中继；

否则如果该节点位于中心节点的右下方，那么该节点将会初步选定其左方、上方以及左上方的栅格作为中继。

具体实施方式七：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一所述的一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法的进一步说明，本实施方式中，所述的网络中的栅格尺寸小于或等于

从投资的角度出发，栅格的尺寸不应该太小，否则就会需要放置更多的传感器节点和中继节点，从而会大大增加网络的成本。因此在满足网络连通性的前提下，网络的栅格尺寸应该接近并小于

具体实施方式八：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一所述的一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法的进一步说明，本实施方式中，所述的网络中的栅格均为正方形。

本实施方式中，选择网络中的栅格均为正方形，能够实现高效地进行链路估算。

Claims (6)

1.一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法，其特征在于它的实现步骤为：

步骤一、将无线传感器网络划分为栅格，每个栅格中存在若干个传感器节点，在数据传输过程中，在同一个栅格里面，在任意时刻，只有一个传感器节点作为中继节点；

步骤二、中心节点通过洪泛广播的方式配置网络的几何坐标、子网ID、中心节点坐标及其ID、垂直方向栅格数目m和水平方向栅格数目n；所述中心节点的ID为0，所在的位置为(x₀，y₀)；

步骤三、第一次接收到该配置分组广播数据的每个中继节点，依据网络参数计算出网络的水平方向长度H和垂直方向长度L，并记录这些配置信息，然后继续中继广播该配置分组；接收过该配置分组的中继节点，将不再转发，直接丢弃该分组广播数据；此时，如果传感节点接收到该配置分组广播数据，将依据网络参数调整它的配置信息后直接丢弃该分组广播数据；

步骤四、当某一个传感节点或中继节点有数据分组信息需要发送给中心节点时，它将会依据它与中心节点间的相对位置信息来初步选择分组将发送的方向，并列出所有备选中继节点；

步骤五、该发送节点依据它与所选定方向相邻栅格间的相对位置信息，利用发送节点与各栅格中心间的距离来估算链路稳定度，估算出该发送节点与这些栅格中的中继节点链路稳定性信息来估算在该方向上所有备选中继节点的链路稳定性信息，具体方法如下：

首先通过坐标变换将备选栅格映射到网络的右上方，并将坐标原点置于该发送节点所在栅格的右下角；更进一步将发送节点在其栅格中的位置以节点的无线通信距离R为半径，划定为四个区域，分别是多边形BCD、EFGCB、FGHIJ和IJK；

划分原则：首先以备选栅格右上方的顶底A点为圆心，以节点的无线通信距离R为半径画圆，圆与发送节点所在栅格相交，将发送节点i所在栅格划分出第一个区域多边形BCD；

再以备选栅格的左上方的顶点M点为圆心，以节点的无线通信距离R为半径画圆，圆与发送节点所在栅格相交，将发送节点i所在栅格划分出第二个区域多边形EFGCB；

再以备选栅格的右上方的顶点N点为圆心，以节点的无线通信距离R为半径画圆，圆与发送节点所在栅格相交，将发送节点i所在栅格划分出第三个区域多边形FGHIJ；

最后以发送节点i所在栅格的第四个区域KIJ内的任一点为圆心，以节点的无线通信距离R为半径画圆，该圆所覆盖的面积，覆盖了包括备选栅格左下方的顶点的区域LTS；

下面分别利用积分公式就可以计算出该发送节点i所覆盖各个栅格的面积与该栅格实际面积的比值，即栅格面积比；该比值越大，节点i与该所覆盖栅格中中继节点间的链路越可能存在并且稳定；

如果节点i位于多边形BCD中，那么它所能覆盖的最右上角栅格面积比为1；如果节点i位于多边形EFGCB中，那么它所能覆盖的最右上角栅格面积为：

$S=d^2-{\∫}_{x_i+\sqrt{R^2-{(3d-y_i)}^2}}^{2d}(3d-y_i-\sqrt{R^2-{(x-x_i)}^2})\mathrm{dx}$

$=d^2-(3d-y_i)(2d-x_i-\sqrt{R^2-{(3d-y_i)}^2})$

$+\frac{2d-x_i}{2}\sqrt{R^2-{(2d-x_i)}^2}-\frac{3d-y_i}{2}\sqrt{R^2-{(3d-y_i)}^2}$

$+\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{2d-x_i}{R}-\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{\sqrt{R^2-{(3d-y_i)}^2}}{R}$

如果节点i位于多边形FGHIJ中，那么它所能覆盖的最右上角栅格面积S为：

$S=\underset{d}{\overset{2d}{\∫}}(y_i-2d+\sqrt{R^2-{(x-x_i)}^2})\mathrm{dx}$

$=d(y_i-2d)+\frac{2d-x_i}{2}\sqrt{R^2-{(2d-x_i)}^2}-\frac{d-x_i}{2}\sqrt{R^2-{(d-x_i)}^2}$

$+\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{2d-x_i}{R}-\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{d-x_i}{R}$

如果节点i位于多边形IJK中，那么它所能覆盖的最右上角栅格面积S为：

$S={\∫}_d^{x_i+\sqrt{R^2-{(2d-y_i)}^2}}(y_i-2d+\sqrt{R^2-{(x-x_i)}^2})\mathrm{dx}$

$=(d-x_i)(2d-y_i)-\frac{2d-y_i}{2}\sqrt{R^2-{(2d-y_i)}^2}-\frac{d-x_i}{2}\sqrt{R^2-{(d-x_i)}^2}$

$+\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{\sqrt{R^2-{(2d-y_i)}^2}}{R}-\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{d-x_i}{R}$

其中，x为节点相对于其所在栅格原点的水平距离，d为栅格的长度，同理，该节点所能覆盖的所有栅格的面积均可以利用这种积分方式获得，然后将这些面积除以单位栅格面积d²，即为所求的栅格面积比；

λ为链路稳定性的门限，R是节点的无线通信距离，所有满足到栅格中心距离不大于λR的栅格均为符合链路稳定度的路由，随后发送节点从这些栅格中按照最短路径准则选择中继节点；

在满足链路稳定性门限要求的所有备选栅格中，依据最短路径算法选择最佳的中继节点作为下一跳中继节点，并将数据分组发送给该节点；

步骤七、当下一跳中继节点在接收到该数据分组后，将会继续按照步骤四至步骤六的方法继续转发数据分组，直到该分组到达中心节点为止。

2.根据权利要求1所述的一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法，其特征在于所述的步骤一中配置参数的目的是将中心节点将网络分割成m行n列的栅格结构，并且为每个栅格指定一个唯一的中继ID号，由于共有m×n个栅格，所以中继节点的ID号为1到m×n，每个中继节点的编号规则为：从网络的左下角栅格开始沿水平方向向右侧编号，然后上移一行，继续从左侧开始顺序向右侧编号，直到编号到网络右上角的栅格为止；因此网络最下方一行栅格的中继ID号从左到右依次为1到n、下方倒数第二行中继ID号从左至右为n+1到2n，最终网络右上角的中继节点ID即为m×n。

3.根据权利要求1所述的一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法，其特征在于所述的步骤二中的计算出网络的水平方向长度H和垂直方向长度L是为了确保网络的栅格密度或中继节点数量必须满足公式：(L/n)²+(2H/m)²≤R²或(2L/n)²+(H/m)²≤R²，以保证网络的连通性；其中，R是节点的无线通信距离。

4.根据权利要求1所述的一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法，其特征在于所述的步骤四中选择分组将发送的方向的具体方法如下：

若该发送节点i的坐标为(x_i，y_i)，当(x_i-x₀)²+(y_i-y₀)²≤R²时，则节点i可以与中心节点直接通信，直接将分组发送给中心节点；否则，如果该节点位于中心节点的左上方，那么该节点将会初步选定其右方、下方以及右下方的栅格作为中继；否则如果该节点位于中心节点的右上方，那么该节点将会初步选定其左方、下方以及左下方的栅格作为中继；否则如果该节点位于中心节点的左下方，那么该节点将会初步选定其右方、上方以及右上方的栅格作为中继；否则如果该节点位于中心节点的右下方，那么该节点将会初步选定其左方、上方以及左上方的栅格作为中继。

5.根据权利要求1所述的一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法，其特征在于所述的网络中的栅格尺寸小于或等于

6.根据权利要求1所述的一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法，其特征在于所述的网络中的栅格均为正方形。

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