CN103476088B - 一种下一代无线传感器网络路由通信的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种下一代无线传感器网络路由通信的实现方法，所述无线传感器网络包括全功能节点和部分功能节点两类传感器节点；所述无线传感器网络划分为两个以上二维的正方形逻辑区域，每个逻辑区域的面积为l×l平方米，每个逻辑区域由坐标（x,y）标识，其中l为正整数，x，y为非负整数；传感器节点通过它的定位坐标(Lx,Ly)计算它所在逻辑区域的坐标（x,y）。本发明中传感器节点具有体积小、价格低廉、易于布置、易于维护等特点，而互联网具有地理位置覆盖广泛，使用方便，界面友好、费用低廉等特点，因此，本发明具有很高的推广价值。

Description

一种下一代无线传感器网络路由通信的实现方法

技术领域

本发明涉及一种路由通信的实现系统，尤其涉及的是一种下一代无线传感器网络路由通信的实现方法。

背景技术

随着无线传感器网络的广泛应用及基于IPv6互联网络的成熟和发展，下一代无线传感器网络已成为未来发展的必然趋势。随着用户对移动业务需求的不断增长，下一代无线传感器网络只有提供良好的移动性支持，才能使其获得更大地应用空间。目前，IPv6中典型的路由通信协议应用到下一代无线传感器网络中还存在一些问题，主要原因为如下：

1）现有路由通信中，移动传感器节点需要发送和接收大量的控制信息来确保移动过程中的通信畅通，减少数据包的丢失，而传输控制信息会消耗大量的能量，这会大幅度缩减传感器节点的寿命；

2）现有路由通信协议都是基于网络层实现的，即每个控制信息数据包都需要包括IPv6包头，这对资源有限的传感器节点来说会造成不小的开销，同样会缩短传感器节点的寿命。

因此针对资源有限的下一代无线传感器网络需要建立一种低开销的路由通信方法。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种下一代无线传感器网络路由通信的实现方法。

技术方案：本发明公开了一种下一代无线传感器网络路由通信的实现方法，其特征在于，所述无线传感器网络包括全功能节点和部分功能节点两类传感器节点；所述无线传感器网络划分为两个以上二维的正方形逻辑区域，每个逻辑区域的面积为l×l平方米，每个逻辑区域由坐标（x,y）标识，其中l为正整数，x，y为非负整数；传感器节点通过它的定位坐标(Lx,Ly)计算它所在逻辑区域的坐标（x,y），如公式（1）和公式（2）所示；

位于一个逻辑区域内的传感器节点组成一个簇，其中，簇首节点为固定的全功能节点，簇内节点为可移动的部分功能节点，同一时刻，一个逻辑区域内只有一个簇首节点；簇首节点具有两个通信半径，一个是用于与本簇簇内节点进行通信的半径r，另一个是用于与其他簇首节点进行通信的半径R，其中，l，r和R的关系如公式(3)和（4）所示，n为正整数；无线传感器网络通过接入路由器与下一代互联网相连，接入路由器与逻辑区域(0,0)的簇首节点直接通信；采用两个通信半径的原因在于，由于簇首节点为全功能节点，因此资源较丰富，采用R进行通信以降低通信延迟，而簇内节点为部分功能节点，资源受限，因此采用r进行通信以节省能量。

$r=\frac{\sqrt{2}}{2}\·l---\left(3\right)$

R=n·r（4）

n²个逻辑区域组成的正方形构建成一个簇域，其面积为n²×l×l，每个簇域有一个簇域首节点，簇域首节点同时也是簇首节点。

上述体系结构具有如下优点：

1）簇内节点只与当前所在簇簇首节点进行通信，由于簇内节点与所在簇簇首节点为邻居节点，因此无需建立路由，从而降低了通信代价；

2）簇按照逻辑区域进行划分，由于逻辑区域由二维坐标标识且逻辑区域的二维坐标在整个无线传感器网络区域具有唯一性，因此簇首节点根据簇所在逻辑区域的二维坐标自动配置的IPv6地址无需进行重复地址检测，降低了传感器网络功耗；

3）根据簇首节点的IPv6地址包含所在逻辑区域的二维坐标，因此簇首之间通信无需建立路由，通过地址坐标即可实现通信，从而降低了通信代价；

4）当簇内节点在一个簇内移动时，无需进行移动切换操作，在一个簇域内移动时，只需在簇域内完成移动切换，其他簇域无需参与移动切换操作，从而降低了移动切换代价和延迟。

所述无线传感器网络传感器节点的IPv6地址由两部分组成，第一部分是全局路由前缀，一个无线传感器网络中所有传感器节点的全局路由前缀都相同，其值等于与无线传感器网络相连的接入路由器的全局路由前缀；第二部分为传感器节点ID，它由横坐标、纵坐标及簇内ID三个部分组成，其中，横坐标为传感器节点所在逻辑区域的横坐标，纵坐标为传感器节点所在逻辑区域的纵坐标，一个簇中所有传感器节点的横坐标和纵坐标都相同；簇内ID唯一地标识一个簇的簇内节点，簇内ID在一个簇内具有唯一性；传感器节点ID在一个无线传感器网络中具有唯一性。

接入路由器的传感器节点ID为0，簇首节点的簇内ID为1；传感器节点ID是传感器节点的链路地址。

上述地址结构中，簇首节点的IPv6地址包含定位信息，因此簇首节点可通过目的地址中的定位信息直接建立到达目的节点的路由，无需路由发现和建立过程即可实现移动切换过程，从而降低了移动代价和延迟，从而降低了丢包率。

簇首节点定期在一跳范围内广播信标帧，信标帧的源链路地址为簇首节点的传感器节点ID，信标帧负载为所在簇域的簇域首节点的链路地址；如果簇首节点没有加入任何簇域，其信标帧负载为空；簇首节点通过侦听邻居簇首节点的信标帧获取邻居簇首节点所在逻辑区域的坐标。

如果簇首节点H1所在逻辑区域的坐标为（x1,y1），簇首节点H2所在逻辑区域的坐标为（x2,y2），那么簇首节点H1和簇首节点H2的权值比较方法如下：

1)如果x1小于x2，那么簇首节点H1的权值小于簇首节点H2；

2)如果x1大于x2，那么簇首节点H1的权值大于簇首节点H2；

3)如果x1等于x2且y1小于y2，那么簇首节点H1的权值小于簇首节点H2；

4)如果x1等于x2且y1大于y2，那么簇首节点H1的权值大于簇首节点H2；

每个簇首节点所在逻辑区域的坐标具有唯一性，任何两个簇首节点的权值都不相同。

如果簇首节点H收到了簇域首节点的信标帧，则加入到该簇域首节点的簇域；否则，簇首节点H比较自己与其他所有没有加入到簇域的邻居簇首节点的权值，如果簇首节点H的权值最小，那么簇首节点H发起簇域建立过程：

步骤101：开始；

步骤102：簇首节点H向邻居簇首节点发送加入簇域命令帧；

步骤103：没有加入到簇域的邻居簇首节点收到加入簇域命令帧后，判断自己的权值是否比发送加入簇域命令帧的簇首节点的权值小，如果是，进行步骤104，否则进行步骤105；

步骤104：没有加入到簇域的邻居簇首节点向簇首节点H丢弃加入簇域命令帧，进行步骤109；

步骤105：没有加入到簇域的邻居簇首节点向簇首节点H返回一个加入簇域响应命令帧；

步骤106：簇首节点H判断收到的加入簇域响应命令帧的数量是否等于其他所有没有加入到簇域的邻居簇首节点的总数，如果是，进行步骤107，否则进行步骤109；

步骤107：簇首节点H向所有返回加入簇域响应命令帧的邻居簇首节点发送一个加入簇域确认命令帧，同时将自己标识为簇域首节点H；

步骤108：邻居簇首节点收到加入簇域确认命令帧后，记录所在簇域的簇域首节点H的链路地址；

步骤109：结束。

如果簇首节点H建立簇域失败，那么簇首节点H等待邻居簇首节点发送新一轮的信标帧；如果簇首节点H仍然没有收到任何簇域首节点的信标帧且它的权值比所有没有加入到簇域的邻居簇首节点的权值都小，那么簇首节点H则重新发起簇域建立过程。

本发明所述方法中，簇首节点采用定位算法（例如RSSI和AoA）判断邻居簇首节点和簇内节点与自己的相对角度和距离；当簇首节点检测到簇内节点要离开自己的通信范围时（例如簇内节点与自己的距离大于通信半径的80%时），通过该簇内节点与自己的距离以及角度来判断与该簇内节点距离最近的邻居簇首节点，从而获取该簇内节点所要进入的下一个簇的簇首节点。

本发明所述方法中，簇域首节点保存一个簇内节点关联表，每个表项包括两个域：簇内节点域以及簇首节点域，其中簇内节点域记录簇内节点的链路地址，簇首节点域记录簇内节点所在簇的簇首节点的链路地址；

假设簇内节点M所在簇的簇首节点为簇首节点H1，簇内节点M即将进入的簇的簇首节点为簇首节点H2，簇首节点H1和簇首节点H2属于同一个簇域且该簇域的簇域首节点为H0，那么簇首节点H1进行下述移动切换操作：

步骤201：开始；

步骤202：簇首节点H1向簇域首节点H0发送一条转交消息，消息负载为簇内节点M和簇首节点H2的链路地址；

步骤203：簇域首节点H0收到转交消息后，判断簇内节点M和簇首节点H2的横坐标和纵坐标是否相同，如果是，进行步骤204，否则进行步骤205；

步骤204：簇域首节点H0从簇内节点关联表中删除簇内节点M的表项，进行步骤208；

步骤205：簇域首节点H0判断簇内节点关联表中是否有簇内节点M的表项，如果是，进行步骤207，否则进行步骤206；

步骤206：簇域首节点H0建立簇内节点M的表项，簇首节点域为簇首节点H2的链路地址，进行步骤208；

步骤207：簇域首节点H0将簇内节点M的簇首节点从簇首节点H1更新为簇首节点H2；

步骤208：结束。

上述移动切换过程，网络层移动切换和链路层移动切换同时进行，因此大幅度降低了移动切换延迟和丢包率，在三层移动切换过程中，移动节点在移动过程中无需配置转交地址，也无需参与移动切换过程，因此避免了由于节点移动以及地址变更而引起的丢包率。

本发明所述方法中，接入路由器保存一个簇域关联表，每个表项包括两个域：簇内节点域以及簇域首节点域，其中簇内节点域记录簇内节点的链路地址，簇域首节点域记录簇内节点所在簇域的簇域首节点的链路地址；如果一个簇首节点或者簇内节点的IPv6地址的横坐标为x，纵坐标为y，那么根据公式（5）和公式（6）计算该簇首节点或者簇内节点所在簇域的簇域首节点的IPv6地址的横坐标x’以及纵坐标y’：

假设簇内节点M所在簇的簇首节点为簇首节点H1，簇内节点M即将进入的簇的簇首节点为簇首节点H2，簇首节点H1属于簇域CD1，其簇域首节点为H01，簇首节点H2属于簇域CD2，其簇域首节点为H02，簇内节点M所在无线传感器网络通过接入路由器AR1接入互联网，那么簇首节点H1进行下述移动切换操作：

步骤301：开始；

步骤302：簇首节点H1向簇域首节点H01和簇域首节点H02分别发送一条转交消息，每条消息的负载都为簇内节点M和簇首节点H2的链路地址；

步骤303：簇域首节点H01收到转交消息后，从簇内节点关联表中删除簇内节点M的表项；

步骤304：簇域首节点H02收到转交消息后，判断簇内节点M和簇首节点H2的横坐标和纵坐标是否相同，如果是，进行步骤309，否则进行步骤305；

步骤305：簇域首节点H02在簇内节点关联表中建立簇内节点M的表项，簇首节点域为簇首节点H2的链路地址，然后向接入路由器AR1发送一条转交消息，消息负载为簇内节点M的链路地址；

步骤306：接入路由器AR1收到转交消息后，判断簇内节点M是否属于簇域首节点H02所在的簇域，如果是，进行步骤308，否则进行步骤307；

步骤307：接入路由器AR1在簇域关联表中增加或者更新簇内节点M的表项，表项中簇域首节点的地址为簇域首节点H02的链路地址，进行步骤309；

步骤308：接入路由器AR1从簇域关联表中删除簇内节点M对应的表项；

步骤309：结束。

上述移动切换过程，网络层移动切换和链路层移动切换同时进行，因此大幅度降低了移动切换延迟和丢包率，在三层移动切换过程中，移动节点在移动过程中无需配置转交地址，也无需参与移动切换过程，因此避免了由于节点移动以及地址变更而引起的丢包率。

本发明所述方法中，所述无线传感器网络中数据帧格式由Mesh头部、MAC头部和数据负载构成，Mesh头部的长度为1个字节，其中，前两个比特值为固定值10，第三个比特位设置为目的地址的类型，该比特位0表示目的地址长度为2个字节，该比特位1表示目的地址长度为8个字节；第四个比特位设置为最终地址的类型，该比特位0表示最终地址长度为2个字节，该比特位1表示最终地址长度为8个字节；

假设在簇内节点M与IPv6互联网节点通信过程中，簇内节点M从簇首节点H1所在的簇移动到簇首节点H2所在的簇，在移动过程中的通信过程为：

步骤401：开始；

步骤402：IPv6互联网节点向簇内节点M发送数据请求消息，该数据请求消息首先到达与簇内节点M所在无线传感器网络相连的接入路由器AR1；

步骤403：接入路由器AR1查看簇域关联表中是否有簇内节点M的表项，如果是，进行步骤404，否则进行步骤405；

步骤404：接入路由器将Mesh头部中的目的地址设置为簇内节点M对应表项中的簇域首节点的链路地址，进行步骤406；

步骤405：接入路由器AR1计算簇内节点M当前所在簇域的簇域首节点的链路地址，并将Mesh头部中的目的地址设置为簇内节点M当前所在簇域的簇域首节点的链路地址；

步骤406：接入路由器AR1用MAC头部和Mesh头部对数据请求消息封装为数据帧，其中Mesh头部中最终地址设置为簇内节点M的链路地址；

步骤407：接入路由器AR1将数据帧发送到距离簇内节点M所在簇域的簇域首节点最近的簇首节点；

步骤408：收到数据帧的簇首节点判断自己的链路地址是否等于数据帧中Mesh头部中的目的地址，如果否，进行步骤409，否则进行步骤410；

步骤409：收到数据帧的簇首节点将数据帧发送到距离簇内节点M所在簇域的簇域首节点最近的簇首节点，进行步骤408；

步骤410：簇域首节点收到数据请求消息后，查看簇内节点关联表中是否有簇内节点M的表项，如果是，进行步骤411，否则进行步骤412；

步骤411：簇域首节点将Mesh头部中的目的地址设置为簇内节点M对应表项的簇首节点的链路地址，进行步骤413；

步骤412：簇域首节点计算簇内节点M当前所在簇的簇首节点的链路地址，并将Mesh头部中的目的地址设置为簇内节点M当前所在簇的簇首节点的链路地址；

步骤413：簇域首节点将数据帧转发给簇内节点M当前所在簇的簇首节点；

步骤414：簇首节点收到数据帧后，将数据帧转发给簇内节点M，然后簇内节点M处理数据帧后，将响应信息封装为响应数据帧，该数据帧不包含Mesh头部，然后将数据帧发送给当前所在簇簇首节点；

步骤415：簇首节点将数据帧发送到距离接入路由器AR1距离最近的簇首节点，簇首节点收到数据帧后再将数据帧发送到距离接入路由器AR1最近的簇首节点，最终数据帧到达接入路由器AR1；

步骤416：接入路由器AR1将数据帧中的响应信息封装为IPv6数据包，将其发送到IPv6网络上，最终此数据包按照IPv6路由方式到达目的IPv6互联网节点；

步骤417：结束。

上述过程，确保了移动节点在移动过程中路由的正确性和通信的连续性。

有益效果：本发明提供了一种下一代无线传感器网络路由通信的实现方法，所述无线传感器网络中的移动传感器节点通过本发明所提供的路由通信的实现方法，可保持移动过程中通信的连续性和路由的正确性，由于路由通过地址坐标自动实现，因此节省了建立路由带来的功耗和延迟时间。本发明可应用于农业设施现代化及医疗健康等诸多领域，具有广泛的应用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明所述无线传感器网络结构示意图。

图2为本发明所述的无线传感器网络IPv6地址的结构示意图。

图3为本发明所述的簇域建立流程示意图。

图4为本发明所述的簇内节点关联表结构示意图。

图5为本发明所述的簇域内移动切换流程示意图。

图6为本发明所述的簇域关联表结构示意图。

图7为本发明所述的簇域间移动切换流程示意图。

图8为本发明所述的通信流程示意图。

具体实施方式：

本发明提供了本发明提供了一种下一代无线传感器网络路由通信的实现方法，所述无线传感器网络中的移动传感器节点通过本发明所提供的路由通信的实现方法，可保持移动过程中通信的连续性和路由的正确性，由于路由通过地址坐标自动实现，因此节省了建立路由带来的功耗和延迟时间。本发明可应用于农业设施现代化及医疗健康等诸多领域，具有广泛的应用前景。

图1为本发明所述无线传感器网络结构示意图。所述无线传感器网络包括全功能节点和部分功能节点两类传感器节点；所述无线传感器网络划分为两个以上二维的正方形逻辑区域1，每个逻辑区域1的面积为l×l平方米，每个逻辑区域1由坐标（x,y）标识，其中l为正整数，x，y为非负整数；传感器节点通过它的定位坐标(Lx,Ly)计算它所在逻辑区域1的坐标（x,y），如公式（1）和公式（2）所示；

位于一个逻辑区域1内的传感器节点组成一个簇2，其中，簇首节点3为固定的全功能节点，簇内节点4为可移动的部分功能节点，同一时刻，一个逻辑区域1内只有一个簇首节点3；簇首节点3具有两个通信半径，一个是用于与本簇簇内节点4进行通信的半径r，另一个是用于与无线传感器网内的其他簇首节点3进行通信的半径R，其中，l，r和R的关系如公式（3）和（4）所示，n为正整数；无线传感器网络通过接入路由器5与下一代互联网相连，接入路由器5与逻辑区域(0,0)的簇首节点3直接通信；采用两个通信半径的原因在于，由于簇首节点3为全功能节点，因此资源较丰富，采用R进行通信以降低通信延迟，而簇内节点4为部分功能节点，资源受限，因此采用r进行通信以节省能量。

$r=\frac{\sqrt{2}}{2}\·l---\left(3\right)$

R=n·r（4）

n²个逻辑区域组成的正方形构建成一个簇域6，其面积为n²×l×l，每个簇域6有一个簇域首节点7，簇域首节点同时也是簇首节点。

上述体系结构具有如下优点：

1）簇内节点只与当前所在簇簇首节点进行通信，由于簇内节点与所在簇簇首节点为邻居节点，因此无需建立路由，从而降低了通信代价；

2）簇按照逻辑区域进行划分，由于逻辑区域由二维坐标标识且逻辑区域的二维坐标在整个无线传感器网络区域具有唯一性，因此簇首节点根据簇所在逻辑区域的二维坐标自动配置的IPv6地址无需进行重复地址检测，降低了传感器网络功耗；

3）根据簇首节点的IPv6地址包含所在逻辑区域的二维坐标，因此簇首之间通信无需建立路由，通过地址坐标即可实现通信，从而降低了通信代价；

4）当簇内节点在一个簇内移动时，无需进行移动切换操作，在一个簇域内移动时，只需在簇域内完成移动切换，其他簇域无需参与移动切换操作，从而降低了移动切换代价和延迟。

图2为本发明所述的无线传感器网络IPv6地址的结构示意图。所述无线传感器网络传感器节点的IPv6地址由两部分组成，第一部分是全局路由前缀，一个无线传感器网络中所有传感器节点的全局路由前缀都相同，其值等于与无线传感器网络相连的接入路由器的全局路由前缀；第二部分为传感器节点ID，它由横坐标、纵坐标及簇内ID三个部分组成，其中，横坐标为传感器节点所在逻辑区域的横坐标，纵坐标为传感器节点所在逻辑区域的纵坐标，一个簇中所有传感器节点的横坐标和纵坐标都相同；簇内ID唯一地标识一个簇的簇内节点，簇内ID在一个簇内具有唯一性；传感器节点ID在一个无线传感器网络中具有唯一性。

接入路由器的传感器节点ID为0，簇首节点的簇内ID为1；传感器节点ID是传感器节点的链路地址。

上述地址结构中，簇首节点的IPv6地址包含定位信息，因此簇首节点可通过目的地址中的定位信息直接建立到达目的节点的路由，无需路由发现和建立过程即可实现移动切换过程，从而降低了移动代价和延迟，从而降低了丢包率。

图3为本发明所述的簇域建立流程示意图。簇首节点定期在一跳范围内广播信标帧，信标帧的源链路地址为簇首节点的传感器节点ID，信标帧负载为所在簇域的簇域首节点的链路地址；如果簇首节点没有加入任何簇域，其信标帧负载为空；簇首节点通过侦听邻居簇首节点的信标帧获取邻居簇首节点所在逻辑区域的坐标。

如果簇首节点H1所在逻辑区域的坐标为（x1,y1），簇首节点H2所在逻辑区域的坐标为（x2,y2），那么簇首节点H1和簇首节点H2的权值比较方法如下：

5)如果x1小于x2，那么簇首节点H1的权值小于簇首节点H2；

6)如果x1大于x2，那么簇首节点H1的权值大于簇首节点H2；

7)如果x1等于x2且y1小于y2，那么簇首节点H1的权值小于簇首节点H2；

8)如果x1等于x2且y1大于y2，那么簇首节点H1的权值大于簇首节点H2；

每个簇首节点所在逻辑区域的坐标具有唯一性，任何两个簇首节点的权值都不相同。

如果簇首节点H收到了簇域首节点的信标帧，则加入到该簇域首节点的簇域；否则，簇首节点H比较自己与其他所有没有加入到簇域的邻居簇首节点的权值，如果簇首节点H的权值最小，那么簇首节点H发起簇域建立过程：

步骤101：开始；

步骤102：簇首节点H向邻居簇首节点发送加入簇域命令帧；

步骤103：没有加入到簇域的邻居簇首节点收到加入簇域命令帧后，判断自己的权值是否比发送加入簇域命令帧的簇首节点的权值小，如果是，进行步骤104，否则进行步骤105；

步骤104：没有加入到簇域的邻居簇首节点向簇首节点H丢弃加入簇域命令帧，进行步骤109；

步骤105：没有加入到簇域的邻居簇首节点向簇首节点H返回一个加入簇域响应命令帧；

步骤106：簇首节点H判断收到的加入簇域响应命令帧的数量是否等于其他所有没有加入到簇域的邻居簇首节点的总数，如果是，进行步骤107，否则进行步骤109；

步骤107：簇首节点H向所有返回加入簇域响应命令帧的邻居簇首节点发送一个加入簇域确认命令帧，同时将自己标识为簇域首节点H；

步骤108：邻居簇首节点收到加入簇域确认命令帧后，记录所在簇域的簇域首节点H的链路地址；

步骤109：结束。

如果簇首节点H建立簇域失败，那么簇首节点H等待邻居簇首节点发送新一轮的信标帧；如果簇首节点H仍然没有收到任何簇域首节点的信标帧且它的权值比所有没有加入到簇域的邻居簇首节点的权值都小，那么簇首节点H则重新发起簇域建立过程。

图4为本发明所述的簇内节点关联表结构示意图。簇首节点采用定位算法（例如RSSI和AoA）判断邻居簇首节点和簇内节点与自己的相对角度和距离；当簇首节点检测到簇内节点要离开自己的通信范围时（例如簇内节点与自己的距离大于通信半径的80%时），通过该簇内节点与自己的距离以及角度来判断与该簇内节点距离最近的邻居簇首节点，从而获取该簇内节点所要进入的下一个簇的簇首节点。

簇域首节点保存一个簇内节点关联表，每个表项包括两个域：簇内节点域以及簇首节点域，其中簇内节点域记录簇内节点的链路地址，簇首节点域记录簇内节点所在簇的簇首节点的链路地址。

图5为本发明所述的簇域内移动切换流程示意图。假设簇内节点M所在簇的簇首节点为簇首节点H1，簇内节点M即将进入的簇的簇首节点为簇首节点H2，簇首节点H1和簇首节点H2属于同一个簇域且该簇域的簇域首节点为H0，那么簇首节点H1进行下述移动切换操作：

步骤201：开始；

步骤202：簇首节点H1向簇域首节点H0发送一条转交消息，消息负载为簇内节点M和簇首节点H2的链路地址；

步骤203：簇域首节点H0收到转交消息后，判断簇内节点M和簇首节点H2的横坐标和纵坐标是否相同，如果是，进行步骤204，否则进行步骤205；

步骤204：簇域首节点H0从簇内节点关联表中删除簇内节点M的表项，进行步骤208；

步骤205：簇域首节点H0判断簇内节点关联表中是否有簇内节点M的表项，如果是，进行步骤207，否则进行步骤206；

步骤206：簇域首节点H0建立簇内节点M的表项，簇首节点域为簇首节点H2的链路地址，进行步骤208；

步骤207：簇域首节点H0将簇内节点M的簇首节点从簇首节点H1更新为簇首节点H2；

步骤208：结束。

上述移动切换过程，网络层移动切换和链路层移动切换同时进行，因此大幅度降低了移动切换延迟和丢包率，在三层移动切换过程中，移动节点在移动过程中无需配置转交地址，也无需参与移动切换过程，因此避免了由于节点移动以及地址变更而引起的丢包率。

图6为本发明所述的簇域关联表结构示意图。接入路由器保存一个簇域关联表，每个表项包括两个域：簇内节点域以及簇域首节点域，其中簇内节点域记录簇内节点的链路地址，簇域首节点域记录簇内节点所在簇域的簇域首节点的链路地址；如果一个簇首节点或者簇内节点的IPv6地址的横坐标为x，纵坐标为y，那么根据公式（5）和公式（6）计算该簇首节点或者簇内节点所在簇域的簇域首节点的IPv6地址的横坐标x’以及纵坐标y’：

图7为本发明所述的簇域间移动切换流程示意图。假设簇内节点M所在簇的簇首节点为簇首节点H1，簇内节点M即将进入的簇的簇首节点为簇首节点H2，簇首节点H1属于簇域CD1，其簇域首节点为H01，簇首节点H2属于簇域CD2，其簇域首节点为H02，簇内节点M所在无线传感器网络通过接入路由器AR1接入互联网，那么簇首节点H1进行下述移动切换操作：

步骤301：开始；

步骤302：簇首节点H1向簇域首节点H01和簇域首节点H02分别发送一条转交消息，每条消息的负载都为簇内节点M和簇首节点H2的链路地址；

步骤303：簇域首节点H01收到转交消息后，从簇内节点关联表中删除簇内节点M的表项；

步骤304：簇域首节点H02收到转交消息后，判断簇内节点M和簇首节点H2的横坐标和纵坐标是否相同，如果是，进行步骤309，否则进行步骤305；

步骤305：簇域首节点H02在簇内节点关联表中建立簇内节点M的表项，簇首节点域为簇首节点H2的链路地址，然后向接入路由器AR1发送一条转交消息，消息负载为簇内节点M的链路地址；

步骤306：接入路由器AR1收到转交消息后，判断簇内节点M是否属于簇域首节点H02所在的簇域，如果是，进行步骤308，否则进行步骤307；

步骤307：接入路由器AR1在簇域关联表中增加或者更新簇内节点M的表项，表项中簇域首节点的地址为簇域首节点H02的链路地址，进行步骤309；

步骤308：接入路由器AR1从簇域关联表中删除簇内节点M对应的表项；

步骤309：结束。

上述移动切换过程，网络层移动切换和链路层移动切换同时进行，因此大幅度降低了移动切换延迟和丢包率，在三层移动切换过程中，移动节点在移动过程中无需配置转交地址，也无需参与移动切换过程，因此避免了由于节点移动以及地址变更而引起的丢包率。

图8为本发明所述的通信流程示意图。所述无线传感器网络中数据帧格式由Mesh头部、MAC头部和数据负载构成，Mesh头部的长度为1个字节，其中，前两个比特值为固定值10，第三个比特位设置为目的地址的类型，该比特位0表示目的地址长度为2个字节，该比特位1表示目的地址长度为8个字节；第四个比特位设置为最终地址的类型，该比特位0表示最终地址长度为2个字节，该比特位1表示最终地址长度为8个字节；

假设在簇内节点M与IPv6互联网节点通信过程中，簇内节点M从簇首节点H1所在的簇移动到簇首节点H2所在的簇，在移动过程中的通信过程为：

步骤401：开始；

步骤402：IPv6互联网节点向簇内节点M发送数据请求消息，该数据请求消息首先到达与簇内节点M所在无线传感器网络相连的接入路由器AR1；

步骤403：接入路由器AR1查看簇域关联表中是否有簇内节点M的表项，如果是，进行步骤404，否则进行步骤405；

步骤404：接入路由器将Mesh头部中的目的地址设置为簇内节点M对应表项中的簇域首节点的链路地址，进行步骤406；

步骤405：接入路由器AR1计算簇内节点M当前所在簇域的簇域首节点的链路地址，并将Mesh头部中的目的地址设置为簇内节点M当前所在簇域的簇域首节点的链路地址；

步骤406：接入路由器AR1用MAC头部和Mesh头部对数据请求消息封装为数据帧，其中Mesh头部中最终地址设置为簇内节点M的链路地址；

步骤407：接入路由器AR1将数据帧发送到距离簇内节点M所在簇域的簇域首节点最近的簇首节点；

步骤408：收到数据帧的簇首节点判断自己的链路地址是否等于数据帧中Mesh头部中的目的地址，如果否，进行步骤409，否则进行步骤410；

步骤409：收到数据帧的簇首节点将数据帧发送到距离簇内节点M所在簇域的簇域首节点最近的簇首节点，进行步骤408；

步骤410：簇域首节点收到数据请求消息后，查看簇内节点关联表中是否有簇内节点M的表项，如果是，进行步骤411，否则进行步骤412；

步骤411：簇域首节点将Mesh头部中的目的地址设置为簇内节点M对应表项的簇首节点的链路地址，进行步骤413；

步骤412：簇域首节点计算簇内节点M当前所在簇的簇首节点的链路地址，并将Mesh头部中的目的地址设置为簇内节点M当前所在簇的簇首节点的链路地址；

步骤413：簇域首节点将数据帧转发给簇内节点M当前所在簇的簇首节点；

步骤414：簇首节点收到数据帧后，将数据帧转发给簇内节点M，然后簇内节点M处理数据帧后，将响应信息封装为响应数据帧，该数据帧不包含Mesh头部，然后将数据帧发送给当前所在簇簇首节点；

步骤415：簇首节点将数据帧发送到距离接入路由器AR1距离最近的簇首节点，簇首节点收到数据帧后再将数据帧发送到距离接入路由器AR1最近的簇首节点，最终数据帧到达接入路由器AR1；

步骤416：接入路由器AR1将数据帧中的响应信息封装为IPv6数据包，将其发送到IPv6网络上，最终此数据包按照IPv6路由方式到达目的IPv6互联网节点；

步骤417：结束。

上述过程，确保了移动节点在移动过程中路由的正确性和通信的连续性。

综上所述，本发明提供了下一代无线传感器网络路由通信的实现方法，此项技术可以应用于医疗健康、军事国防等诸多领域，例如，在医疗健康领域中，可在患者身体上安装多个传感器节点监测患者的身体健康参数。在患者移动过程中，医生仍然可以通过访问传感器节点实时了解患者身体的健康参数以进行及时治疗。由于传感器节点具有体积小、价格低廉、易于布置、易于维护等特点，而互联网具有地理位置覆盖广泛，使用方便，界面友好、费用低廉等特点，因此，本技术具有很高的推广价值。

本发明提供了下一代无线传感器网络路由通信的实现方法的思路，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部份均可用现有技术加以实现。

实施例1

基于表1的仿真参数，本实施例模拟了本发明中方法，性能分析如下：随着传移动速度的增加，当传输范围为50m时，路由通信过程中的丢包率也随之增加，平均丢包率为3%。随着通信范围的增加，当移动速度为10m/s时，路由通信过程中的丢包率也随之降低，平均丢包率为2.3%。

表1仿真参数

Claims (5)

1.一种下一代无线传感器网络路由通信的实现方法，其特征在于，所述无线传感器网络包括全功能节点和部分功能节点两类传感器节点；所述无线传感器网络划分为两个以上二维的正方形逻辑区域，每个逻辑区域的面积为l×l平方米，每个逻辑区域由坐标(x,y)标识，其中l为正整数，x，y为非负整数；传感器节点通过它的定位坐标(Lx,Ly)计算它所在逻辑区域的坐标(x,y)，如公式(1)和公式(2)所示；

位于一个逻辑区域内的传感器节点组成一个簇，其中，簇首节点为固定的全功能节点，簇内节点为可移动的部分功能节点，同一时刻，一个逻辑区域内只有一个簇首节点；簇首节点具有两个通信半径，一个是用于与本簇簇内节点进行通信的半径r，另一个是用于与其他簇首节点进行通信的半径R，其中，l，r和R的关系如公式(3)和(4)所示，n为正整数；无线传感器网络通过接入路由器与下一代互联网相连，接入路由器与逻辑区域(0,0)的簇首节点直接通信；

$r=\frac{\sqrt{2}}{2}\·l---\left(3\right)$

R＝n·r(4)

n²个逻辑区域组成的正方形构建成一个簇域，其面积为n²×l×l，每个簇域有一个簇域首节点，簇域首节点同时也是簇首节点；

所述无线传感器网络传感器节点的IPv6地址由两部分组成，第一部分是全局路由前缀，一个无线传感器网络中所有传感器节点的全局路由前缀都相同，其值等于与无线传感器网络相连的接入路由器的全局路由前缀；第二部分为传感器节点ID，它由横坐标、纵坐标及簇内ID三个部分组成，其中，横坐标为传感器节点所在逻辑区域的横坐标，纵坐标为传感器节点所在逻辑区域的纵坐标，一个簇中所有传感器节点的横坐标和纵坐标都相同；簇内ID唯一地标识一个簇的簇内节点，簇内ID在一个簇内具有唯一性；传感器节点ID在一个无线传感器网络中具有唯一性；

接入路由器的传感器节点ID为0，簇首节点的簇内ID为1；传感器节点ID是传感器节点的链路地址；

簇首节点定期在一跳范围内广播信标帧，信标帧的源链路地址为簇首节点的传感器节点ID，信标帧负载为所在簇域的簇域首节点的链路地址；如果簇首节点没有加入任何簇域，其信标帧负载为空；簇首节点通过侦听邻居簇首节点的信标帧获取邻居簇首节点所在逻辑区域的坐标；

如果簇首节点H1所在逻辑区域的坐标为(x1,y1)，簇首节点H2所在逻辑区域的坐标为(x2,y2)，那么簇首节点H1和簇首节点H2的权值比较方法如下：

1)如果x1小于x2，那么簇首节点H1的权值小于簇首节点H2；

2)如果x1大于x2，那么簇首节点H1的权值大于簇首节点H2；

3)如果x1等于x2且y1小于y2，那么簇首节点H1的权值小于簇首节点H2；

4)如果x1等于x2且y1大于y2，那么簇首节点H1的权值大于簇首节点H2；

每个簇首节点所在逻辑区域的坐标具有唯一性，任何两个簇首节点的权值都不相同；

如果簇首节点H收到了簇域首节点的信标帧，则加入到该簇域首节点的簇域；否则，簇首节点H比较自己与其他所有没有加入到簇域的邻居簇首节点的权值，如果簇首节点H的权值最小，那么簇首节点H发起簇域建立过程：

步骤101：开始；

步骤102：簇首节点H向邻居簇首节点发送加入簇域命令帧；

步骤103：没有加入到簇域的邻居簇首节点收到加入簇域命令帧后，判断自己的权值是否比发送加入簇域命令帧的簇首节点的权值小，如果是，进行步骤104，否则进行步骤105；

步骤104：没有加入到簇域的邻居簇首节点丢弃加入簇域命令帧，进行步骤109；

步骤105：没有加入到簇域的邻居簇首节点向簇首节点H返回一个加入簇域响应命令帧；

步骤106：簇首节点H判断收到的加入簇域响应命令帧的数量是否等于其他所有没有加入到簇域的邻居簇首节点的总数，如果是，进行步骤107，否则进行步骤109；

步骤107：簇首节点H向所有返回加入簇域响应命令帧的邻居簇首节点发送一个加入簇域确认命令帧，同时将自己标识为簇域首节点H；

步骤108：邻居簇首节点收到加入簇域确认命令帧后，记录所在簇域的簇域首节点H的链路地址；

步骤109：结束；

如果簇首节点H建立簇域失败，那么簇首节点H等待邻居簇首节点发送新一轮的信标帧；如果簇首节点H仍然没有收到任何簇域首节点的信标帧且它的权值比所有没有加入到簇域的邻居簇首节点的权值都小，那么簇首节点H则重新发起簇域建立过程。

2.根据权利要求1所述的下一代无线传感器网络路由通信的实现方法，其特征在于，簇首节点采用定位算法判断邻居簇首节点和簇内节点与自己的相对角度和距离；当簇首节点检测到簇内节点要离开自己的通信范围时，通过该簇内节点与自己的距离以及角度来判断与该簇内节点距离最近的邻居簇首节点，从而获取该簇内节点所要进入的下一个簇的簇首节点。

3.根据权利要求2所述的下一代无线传感器网络路由通信的实现方法，其特征在于，簇域首节点保存一个簇内节点关联表，每个表项包括两个域：簇内节点域以及簇首节点域，其中簇内节点域记录簇内节点的链路地址，簇首节点域记录簇内节点所在簇的簇首节点的链路地址；

假设簇内节点M所在簇的簇首节点为簇首节点H1，簇内节点M即将进入的簇的簇首节点为簇首节点H2，簇首节点H1和簇首节点H2属于同一个簇域且该簇域的簇域首节点为H0，那么簇首节点H1进行下述移动切换操作：

步骤201：开始；

步骤202：簇首节点H1向簇域首节点H0发送一条转交消息，消息负载为簇内节点M和簇首节点H2的链路地址；

步骤203：簇域首节点H0收到转交消息后，判断簇内节点M和簇首节点H2的横坐标和纵坐标是否相同，如果是，进行步骤204，否则进行步骤205；

步骤204：簇域首节点H0从簇内节点关联表中删除簇内节点M的表项，进行步骤208；

步骤205：簇域首节点H0判断簇内节点关联表中是否有簇内节点M的表项，如果是，进行步骤207，否则进行步骤206；

步骤206：簇域首节点H0建立簇内节点M的表项，簇首节点域为簇首节点H2的链路地址，进行步骤208；

步骤207：簇域首节点H0将簇内节点M的簇首节点从簇首节点H1更新为簇首节点H2；

步骤208：结束。

4.根据权利要求2所述的下一代无线传感器网络路由通信的实现方法，其特征在于，接入路由器保存一个簇域关联表，每个表项包括两个域：簇内节点域以及簇域首节点域，其中簇内节点域记录簇内节点的链路地址，簇域首节点域记录簇内节点所在簇域的簇域首节点的链路地址；如果一个簇首节点或者簇内节点的IPv6地址的横坐标为x，纵坐标为y，那么根据公式(5)和公式(6)计算该簇首节点或者簇内节点所在簇域的簇域首节点的IPv6地址的横坐标x’以及纵坐标y’：

假设簇内节点M所在簇的簇首节点为簇首节点H1，簇内节点M即将进入的簇的簇首节点为簇首节点H2，簇首节点H1属于簇域CD1，其簇域首节点为H01，簇首节点H2属于簇域CD2，其簇域首节点为H02，簇内节点M所在无线传感器网络通过接入路由器AR1接入互联网，那么簇首节点H1进行下述移动切换操作：

步骤301：开始；

步骤302：簇首节点H1向簇域首节点H01和簇域首节点H02分别发送一条转交消息，每条消息的负载都为簇内节点M和簇首节点H2的链路地址；

步骤303：簇域首节点H01收到转交消息后，从簇内节点关联表中删除簇内节点M的表项；

步骤304：簇域首节点H02收到转交消息后，判断簇内节点M和簇首节点H2的横坐标和纵坐标是否相同，如果是，进行步骤309，否则进行步骤305；

步骤305：簇域首节点H02在簇内节点关联表中建立簇内节点M的表项，簇首节点域为簇首节点H2的链路地址，然后向接入路由器AR1发送一条转交消息，消息负载为簇内节点M的链路地址；

步骤306：接入路由器AR1收到转交消息后，判断簇内节点M是否属于簇域首节点H02所在的簇域，如果是，进行步骤308，否则进行步骤307；

步骤307：接入路由器AR1在簇域关联表中增加或者更新簇内节点M的表项，表项中簇域首节点的地址为簇域首节点H02的链路地址，进行步骤309；

步骤308：接入路由器AR1从簇域关联表中删除簇内节点M对应的表项；

步骤309：结束。

5.根据权利要求1所述的下一代无线传感器网络路由通信的实现方法，其特征在于，所述无线传感器网络中数据帧格式由Mesh头部、MAC头部和数据负载构成，Mesh头部的长度为1个字节，其中，前两个比特值为固定值10，第三个比特位设置为目的地址的类型，该比特位0表示目的地址长度为2个字节，该比特位1表示目的地址长度为8个字节；第四个比特位设置为最终地址的类型，该比特位0表示最终地址长度为2个字节，该比特位1表示最终地址长度为8个字节；

假设在簇内节点M与IPv6互联网节点通信过程中，簇内节点M从簇首节点H1所在的簇移动到簇首节点H2所在的簇，在移动过程中的通信过程为：

步骤401：开始；

步骤402：IPv6互联网节点向簇内节点M发送数据请求消息，该数据请求消息首先到达与簇内节点M所在无线传感器网络相连的接入路由器AR1；

步骤403：接入路由器AR1查看簇域关联表中是否有簇内节点M的表项，如果是，进行步骤404，否则进行步骤405；

步骤404：接入路由器将Mesh头部中的目的地址设置为簇内节点M对应表项中的簇域首节点的链路地址，进行步骤406；

步骤405：接入路由器AR1计算簇内节点M当前所在簇域的簇域首节点的链路地址，并将Mesh头部中的目的地址设置为簇内节点M当前所在簇域的簇域首节点的链路地址；

步骤406：接入路由器AR1用MAC头部和Mesh头部对数据请求消息封装为数据帧，其中Mesh头部中最终地址设置为簇内节点M的链路地址；

步骤407：接入路由器AR1将数据帧发送到距离簇内节点M所在簇域的簇域首节点最近的簇首节点；

步骤408：收到数据帧的簇首节点判断自己的链路地址是否等于数据帧中Mesh头部中的目的地址，如果否，进行步骤409，否则进行步骤410；

步骤409：收到数据帧的簇首节点将数据帧发送到距离簇内节点M所在簇域的簇域首节点最近的簇首节点，进行步骤408；

步骤410：簇域首节点收到数据请求消息后，查看簇内节点关联表中是否有簇内节点M的表项，如果是，进行步骤411，否则进行步骤412；

步骤411：簇域首节点将Mesh头部中的目的地址设置为簇内节点M对应表项的簇首节点的链路地址，进行步骤413；

步骤412：簇域首节点计算簇内节点M当前所在簇的簇首节点的链路地址，并将Mesh头部中的目的地址设置为簇内节点M当前所在簇的簇首节点的链路地址；

步骤413：簇域首节点将数据帧转发给簇内节点M当前所在簇的簇首节点；

步骤414：簇首节点收到数据帧后，将数据帧转发给簇内节点M，然后簇内节点M处理数据帧后，将响应信息封装为响应数据帧，该数据帧不包含Mesh头部，然后将数据帧发送给当前所在簇簇首节点；

步骤415：簇首节点将数据帧发送到距离接入路由器AR1距离最近的簇首节点，簇首节点收到数据帧后再将数据帧发送到距离接入路由器AR1最近的簇首节点，最终数据帧到达接入路由器AR1；

步骤416：接入路由器AR1将数据帧中的响应信息封装为IPv6数据包，将其发送到IPv6网络上，最终此数据包按照IPv6路由方式到达目的IPv6互联网节点；

步骤417：结束。