CN102625401A

CN102625401A - 基于三角剖分的传感网数据传输系统及传输方法

Info

Publication number: CN102625401A
Application number: CN201210051280XA
Authority: CN
Inventors: 罗俊海; 于秦; 王英
Original assignee: Maipu Communication Technology Co Ltd
Current assignee: Maipu Communication Technology Co Ltd
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2012-08-01

Abstract

本发明涉及无线通信领域，其公开了一种基于三角剖分的传感网数据传输系统及方法，解决传统技术中的传感网数据传输存在的节点间的网络稳定性差，不能满足链路的QoS、节点计算复杂的问题。该系统包括：邻居节点信息采集模块，用于收集邻居节点周期性广播的包括邻居节点信息的Hello报文，形成邻居节点信息表，并通过监听邻居节点的状态更新邻居节点信息表；数据处理模块，用于通过三角剖分法建立本节点间与邻居节点之间的几何空间模型，形成节点间数据传输路由，当邻居节点信息表发生变化时，更新三角剖分，形成新的数据传输路由；数据传输模块，用于根据节点间的数据传输路由进行数据传输及管理。本发明适用于节点移动因素影响下的数据传输。

Description

基于三角剖分的传感网数据传输系统及传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及无线通信领域中的一种基于三角剖分的传感网数据传输系统及传输方法。

背景技术

传感网是由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，通过自组织的方式构成的无线网络。传感网具有大规模、自组织、动态性、以数据为中心和应用为牵引等特性。其通过节点中内置的传感器测量周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波等信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等物质现象，进行实时数据采集、监督控制和信息共享与存储管理等功能。它使目前的网络技术的功能得到极大的拓展，使通过网络实时监听各种环境、设施及内部运行机理等成为可能。也就是说，原来与网络相距甚远的家电、交通管理、农业生产、建筑物安全、旱涝预警等，都能够得到有效的网络监测，有的甚至能够通过网络进行远程控制。因此，传感网技术被美国《技术评论》评为未来改变世界十大技术之首，并指出信息时代将从“网络就是计算机时代”进入到“网络就是传感器时代”。传感网可以广泛应用于军事、制造业、环境科学、安全、交通管理、医疗卫生、灾害预测和城市信息化建设等领域。

传感网节点能够感知周边环境信息，并以多跳转发的方式将数据传递到目的节点。节点扮演着即是中间节点又是目的节点的双重身份。节点动态的移动性，造成传感网拓扑动态变化，引起节点数据传输路由发生改变，因此路由的可靠性对传感网的数据传输起着至关重要的作用。然而，无线通信环境下传感网数据传输会受到多种因素影响，包括无线信道质量、节点物理间距、信号衰减程度、网络传输模式，特别是节点的自主移动和动态拓扑变化。另外，在不同时间和空间上对节点间数据传输的影响程度也不同，这使得在传感网环境下节点间的数据传输设计更加复杂。

现有相关的传感网数据传输方法均存在一些问题，具体总结表现在以下两点：

1、很多都是在假设节点静态的情况下，进行传感网数据传输计算，忽略了节点的自主移动，造成传感网拓扑结构动态变化，使得数据传输链路失效，丢包和数据重传现象严重，从而造成节点间的网络稳定性差，不能够满足链路的QoS(服务质量)；

2、一些数据传输方法虽然考虑了节点的自主移动，但没有考虑计算的复杂性，计算开销大和时延长，增加了节点的计算量，造成节点能量损耗大和降低了节点和传感网的生存期。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种基于三角剖分的传感网数据传输系统及传输方法，解决传统技术中的传感网数据传输存在的节点间的网络稳定性差，不能满足链路的QoS、节点计算复杂而造成节点能量损耗大的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：基于三角剖分的传感网数据传输系统，包括：

邻居节点信息采集模块，用于收集邻居节点周期性广播的包括邻居节点信息的Hello报文，形成邻居节点信息表，并通过监听邻居节点的状态更新邻居节点信息表；

数据处理模块，用于通过三角剖分法建立本节点间与邻居节点之间的几何空间模型，形成节点间数据传输路由，当邻居节点信息表发生变化时，更新三角剖分，形成新的数据传输路由；

数据传输模块，用于根据节点间的数据传输路由进行数据传输及管理。

进一步，所述邻居节点信息包括邻居节点的地理信息及节点ID号。

进一步，所述三角剖分是假设V是二维实数域上的有限点集，边e是由点集中的点作为端点构成的封闭线段，E为e的集合；那么该点集V的一个三角剖分T＝(V，E)是一个平面图G，则平面图G满足条件：1、除了端点，平面图中的边不包含点集中的任何点；2、没有相交边；3、平面图中所有的面都是三角面，且所有三角面的合集是散点集V的凸包。

进一步，所述监听邻居节点的状态是指监听处于邻居节点信息表中的邻居节点是否处于离开状态及是否有新的节点加入。

进一步，监听处于邻居节点信息表中的邻居节点是否处于离开状态及是否有新的节点加入的方法是：本节点对处于邻居节点信息表中的邻居节点进行检测，如果有邻居节点不在本节点的无线通信半径范围内，则表明该邻居节点处于离开状态；如果本节点接收到新的节点的ID号，且该新的节点进入本节点的无线通信半径范围内，则表明有新的节点加入。

本发明的另一目的在于，提出一种基于三角剖分的传感网数据传输方法，包括以下步骤：

a.进行网络初始化；

b.本节点对邻居节点信息进行采集，形成邻居节点信息表；

c.本节点构造三角剖分，形成与邻居节点之间的数据传输路由；

d.本节点与邻居节点之间通过数据传输路由进行数据传输；

e.本节点对邻居节点信息表中的邻居节点状态进行监听，判断是否有邻居节点处于离开状态或有新的节点加入，如果有，则进入步骤f，否则返回步骤e；

f.本节点更新邻居节点信息表和三角剖分计算，更新本节点与邻居节点之间的数据传输路由，返回步骤d。

进一步，步骤e中，判断是否有邻居节点处于离开状态或有新的节点加入的方法是：如果有邻居节点不在本节点的无线通信半径范围内，则表明该邻居节点处于离开状态；如果本节点接收到新的节点的ID号，且该新的节点进入本节点的无线通信半径范围内，则表明有新的节点加入。

进一步，步骤f具体包括：

f1.如果有邻居节点处于离开状态，则从邻居节点信息表中删除该邻居节点信息，进入步骤f3；

f2.如果有新的节点加入，则向邻居节点信息表中添加该新的节点信息，进入步骤f3；

f3.进行三角剖分优化及数据传输路由更新，返回步骤d。

进一步，所述数据均以一组数据包序列作为一次转发单位。

本发明的有益效果是：节点具备智能更新功能，可以智能规避由于节点的自主移动造成的传感网动态拓扑变化的影响，保障在节点间稳定的数据传输和提高链路的QoS，同时减小了节点的计算复杂度，更好的满足传感网对可靠性和实时性的要求，适用于节点移动因素影响下的数据传输。

附图说明

图1为本发明中的传感网数据传输系统结构框图；

图2为邻居节点处于离开状态的示意图；

图3为有新节点加入时的示意图；

图4为三角剖分示意图；

图5为传感网数据传输方法实施例的流程图。

具体实施方式

为解决传统技术中的传感网数据传输存在的节点间的网络稳定性差，不能满足链路的QoS、节点计算复杂而造成节点能量损耗大的问题，本发明提出一种基于三角剖分的传感网数据传输系统及传输方法，可以智能规避由于节点的自主移动造成的传感网动态拓扑变化的影响，保障在节点间稳定的数据传输和提高链路的QoS，同时减小了节点的计算复杂度，更好的满足传感网对可靠性和实时性的要求。

参见图1，该传感网数据传输系统包括：

上述邻居节点信息包括邻居节点的地理信息及节点ID号，地理信息可以通过全球定位系统(GPS)或者其它定位设备获得；

监听邻居节点的状态是指监听处于邻居节点信息表中的邻居节点是否处于离开状态及是否有新的节点加入。

动态判定节点的离开或新节点加入，是通过节点监测无线通信半径判断，当邻居点列表中的节点不在通信半径范围内，表示该节点离开；当该节点接受到另外节点新的ID，并进入它的无线通信半径内时，表示新的节点加入。

参照图2，节点b的邻居节点c，随着时间推移，朝着v方向移动，在某时刻到达位置c₁，此时节点c已经不在节点b的通信范围之内；节点b监听后，进行邻居节点列表更新。

参照图3，t₁时刻，节点d不是节点b的邻居节点，在t2时刻(t₂＞t₁)，节点d以上速度v运动到d₁位置，位于b的通信范围之内；节点b监听后，，发现新的节点d加入到它的邻居节点，进行邻居节点列表更新。

三角剖分即是假设V是二维实数域上的有限点集，边e是由点集中的点作为端点构成的封闭线段，E为e的集合。那么该点集V的一个三角剖分T＝(V，E)是一个平面图G，该平面图满足条件：1、除了端点，平面图中的边不包含点集中的任何点。2、没有相交边。3、平面图中所有的面都是三角面，且所有三角面的合集是散点集V的凸包；

参照图4，三角剖分T＝(V，E)，其中，集合V＝{A，B，C}和E＝{a，b，c}并且ΔABC的顶点结合V的外接圆内不包含其他任何节点形成的剖分；

对于三角剖分来说，满足两个准则，即最大空园准则及最大化最小角准则：

最大空圆准则，即第四个顶点是不在三角形的外接圆之内；

最大化最小角准则，即在散点集可能形成的三角剖分中所形成的三角形的最小角最大，具体的说是指在两个相邻的三角形构成凸四边形的对角线，在相互交换后，六个内角的最小角不再增大。

下面以一个实施例来具体说明本发明的传感网传输系统具体实现方式：

参见图5，该例包括如下步骤：

步骤1：在数据传输的前，首先需要进行网络的初始化，形成自组网络环境。

步骤2：网络中的节点进行广播包括地理信息和节点ID号的Hello报文，本节点在收到报文后，建立邻居列表。

步骤3：将邻居列表中的节点依次插入，在列表中找出其外接圆包含插入点的三角形(称为该点的影响三角形)，删除影响三角形的公共边，将插入点同影响三角形的全部顶点连接起来。

步骤4：根据最大化最小角特性准则对局部新形成的三角形进行优化。

步骤5：循环执行上述2-4步，直到邻居列表中的所有节点集插入完毕，形成三角剖分，构成节点数据传输路由。

步骤6：根据节点数据传输路由进行数据传输。

步骤7：节点继续监听，另外节点广播的Hello数据包，动态判定节点的离开或新节点加入，是通过节点监测无线通信半径判断。当邻居点列表中的节点不在通信半径范围内，表示该节点离开，然后更新邻居列表，执行步骤9；当该节点接受到另外节点新的ID，并进入它的无线通信半径内时，表示新的节点加入，然后更新邻居列表，执行步骤8。

步骤8，根据内切圆测试，判读新加入节点d是否是位于节点a，b，c的Δabc的外接圆是外，进行更新三角剖分。

其中，为了减少计算开销，假设节点序列<a，b，c，d>，形成逆时针凸多边形，那么内切圆测试为：

inCircle (a, b, c, d) = \det (\begin{matrix} a_{x} & a_{y} & a_{x}^{2} + a_{y}^{2} & 1 \\ b_{x} & b_{y} & b_{x}^{2} + b_{y}^{2} & 1 \\ c_{x} & c_{y} & c_{x}^{2} + c_{y}^{2} & 1 \\ d_{x} & d_{y} & d_{x}^{2} + d_{y}^{2} & 1 \end{matrix})

假如四个节点同圆，那么必然成长一个中心点q(q_x，q_y)和外接圆的半径R。根据欧式空间得出：

(a_x-q_x)²+(a_y-q_y)²＝r²

(a_{x}^{2} + a_{y}^{2}) - 2 a_{x} q_{x} - 2 a_{y} q_{y} + (q_{x}^{2} + q_{y}^{2} - r^{2}) = 0

对于节点b，c，d以此类推。根据矩阵论上面的公式，可以表示为：

inCircle (a, b, c, d) = - 2 X_{1} q_{x} - 2 X_{2} q_{y} + X_{3} + (q_{x}^{2} + q_{y}^{2} - r^{2}) X_{4}

其中，(a_x，a_y)，(b_x，b_y)，(c_x，c_y)，(d_x，d_y)和(q_x，q_y)是分别表示节点a，b，c，d和q通过GPS或其他定位装置得到的节点空间坐标。

其中，X₁，X₂，X₃，X₄为上面所述矩阵对应的列。

如果inCircle(a，b，c，d)＜0时，表示新加入节点d是否是位于节点a，b，c的Δabc的外接圆是外，否则，节点d位于节点a，b，c的Δabc的外接圆是内或者同圆。返回步骤9

步骤9：从三角剖分中删除该节点后，然后进行三角优化和数据传输路由更新，执行步骤6。

本发明所要求保护的技术方案包含但不仅限于上述实施方式中的内容，在不脱离本发明的精神实质的情况下，本领域技术人员根据上述实施方式所记载的内容对本发明的方案作出的等同替换均在本发明的保护范围内。

Claims

1.基于三角剖分的传感网数据传输系统，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的基于三角剖分的传感网数据传输系统，其特征在于，所述邻居节点信息包括邻居节点的地理信息及节点ID号。

3.如权利要求1或2所述的基于三角剖分的传感网数据传输系统，其特征在于，所述三角剖分是假设V是二维实数域上的有限点集，边e是由点集中的点作为端点构成的封闭线段，E为e的集合；那么该点集V的一个三角剖分T＝(V，E)是一个平面图G，则平面图G满足条件：1、除了端点，平面图中的边不包含点集中的任何点；2、没有相交边；3、平面图中所有的面都是三角面，且所有三角面的合集是放点集V的凸包。

4.如权利要求3所述的基于三角剖分的传感网数据传输系统，其特征在于，所述监听邻居节点的状态是指监听处于邻居节点信息表中的邻居节点是否处于离开状态及是否有新的节点加入。

5.如权利要求4所述的基于三角剖分的传感网数据传输系统，其特征在于，监听处于邻居节点信息表中的邻居节点是否处于离开状态及是否有新的节点加入的方法是：本节点对处于邻居节点信息表中的邻居节点进行检测，如果有邻居节点不在本节点的无线通信半径范围内，则表明该邻居节点处于离开状态；如果本节点接收到新的节点的ID号，且该新的节点进入本节点的无线通信半径范围内，则表明有新的节点加入。

6.基于三角剖分的传感网数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.进行网络初始化；

b.本节点对邻居节点信息进行采集，形成邻居节点信息表；

d.本节点与邻居节点之间通过数据传输路由进行数据传输；

7.如权利要求6所述的基于三角剖分的传感网数据传输方法，其特征在于，所述邻居节点信息包括邻居节点的地理信息及节点ID号。

8.如权利要求6所述的基于三角剖分的传感网数据传输方法，其特征在于，步骤e中，判断是否有邻居节点处于离开状态或有新的节点加入的方法是：如果有邻居节点不在本节点的无线通信半径范围内，则表明该邻居节点处于离开状态；如果本节点接收到新的节点的ID号，且该新的节点进入本节点的无线通信半径范围内，则表明有新的节点加入。

9.如权利要求8所述的基于三角剖分的传感网数据传输方法，其特征在于，步骤f具体包括：

f3.进行三角剖分优化及数据传输路由更新，返回步骤d。

10.如权利要求6-9任意一项所述的基于三角剖分的传感网数据传输方法，其特征在于，所述数据均以一组数据包序列作为一次转发单位。