CN103491594A

CN103491594A - 基于区域划分与虚拟目的节点的可靠机会路由方法及装置

Info

Publication number: CN103491594A
Application number: CN201310471219.5A
Authority: CN
Inventors: 刘晨; 金梦; 陈晓江; 房鼎益; 崔文; 陈昊; 黄骏杰; 段任; 尹小燕; 王薇; 张远
Original assignee: Northwest University
Current assignee: Northwest University
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-10-09
Also published as: CN103491594B

Abstract

本发明公开了一种基于区域划分与虚拟目的节点的可靠机会路由方法及装置，该方法包括的步骤有：网络区域划分、虚拟目的节点位置确定、节点区域等级及层次编号判定、转发候选集确定、选择转发节点与信息转发。本算法在选择转发候选集时考虑到了方向性问题，在复杂网络结构下，比起盲目的全方位广播的传统机会路由算法，很大程度上提高了传输成功率；该算法减少了传输延迟，实时性强，解决了传统地理位置路由在复杂区域下容易选错方向的问题。

Description

基于区域划分与虚拟目的节点的可靠机会路由方法及装置

技术领域

本发明涉及无线网络技术领域，具体涉及一种基于网络层次划分以及传输方向的无线传感器网络的路由方法，该方法适用于长城等大规模带状区域监测的无线传感器网络。

背景技术

数据收集是环境监测应用中的首要任务，感知节点需要将采集到的信息可靠地传输到目的节点，这对无线传感网的节点质量、网络生命周期、传输延迟、通信代价、传输成功率等方面提出要求。由于路由策略对这些性能有至关重要的影响，所以，有效的路由机制是一个关键性问题。

经历了2000多年历史的长城，正面临消失的境地。保护长城，刻不容缓。长城属于线性文化遗产，线性文化遗产是新兴的一种全新的遗产保护理念，主要是指在拥有特殊文化资源集合的线形或带状区域内的物质和非物质的文化遗产族群，运河、长城以及铁路线等都是重要表现形式。将无线传感网用于长城健康监测的关键在于，如何在以长城为中心所形成的大规模带状无线传感网（如图3所示的网络结构）中，建立可靠的路由策略，以保障长城各项监测数据实时、可靠、高效的传回目的节点，从而为长城健康监测、生存模型建立提供有效的数据支持。现有技术中，为了保证路由机制的高效性以及可靠性，在无线传感器网络中已经有许多路由策略：

第一类：机会路由；该方法的缺点是没有考虑节点的地理位置。特殊的带状区域中，路由策略候选集的选择有区别于通常的区域。这是受带状区域垂直方向和拐弯处的宽度限制的。因此，传统的全方位广播的路由策略在这种特殊网络环境下并不适用，传输方向在选择带状区域的转发候选集（即节点的合适的下一跳节点组）的时候就应该被考虑。

第二类：基于地理位置的路由；这种路由方法存在的缺陷有：1）仅仅通过比较各个邻居节点与目的节点之间的欧氏距离来选择下一跳节点的策略，在一些较为复杂的区域中并不适用。例如在拐角较多的带状区域内，如图2所示，由于盲目的选择了距离目的节点更近的节点，从而导致这种方法并不能有效的减少跳步数，反而容易造成传播方向选择的错误，最终导致丢包。2）每个节点只选择一个最优的下一跳节点，极容易导致丢包。降低了可靠性。

第三类：基于地理位置的机会路由

这种路由结合了机会路由“多个接收节点”的特点以及基于地理位置路由的“距离最优”特点，对普通的机会路由进行了改进。该方法与机会路由相同，选取其一跳范围内的所有邻居节点作为信息接收节点，同时，采取基于地理位置的路由策略，在所有成功接收信息的节点中，选取距离目的节点最近的节点作为下一跳转发节点。由该节点继续信息的广播，如此重复直到目的节点。GeRaf路由算法是基于地理位置的机会路由的一个典型算法。

与传统机会路由与基于地理位置的路由算法相同，该方法存在的缺陷有：1）仅仅通过比较各个邻居节点与目的节点之间的欧氏距离来选择下一跳节点的策略，在一些较为复杂的区域中并不适用。例如在拐角较多的带状区域内，如图2所示，由于盲目的选择了距离目的节点更近的节点，从而导致这种方法并不能有效的减少跳步数，反而容易造成传播方向选择的错误，最终导致丢包。2）节点在选择转发节点时，需要其所有的邻居节点通过大量的数据包交换来协调选择出一个最优（即距离目的节点最近的）节点作为转发节点，增大了通信开销。3）特殊的带状区域中，路由策略候选集的选择有区别于通常的区域。这是受带状区域垂直方向和拐弯处的宽度限制的。因此，传统的全方位广播的路由策略在这种特殊网络环境下并不适用，传输方向在选择带状区域的转发候选集（即节点的合适的下一跳节点组）的时候就应该被考虑。

本发明提出了一种基于地理位置信息，同时考虑网络结构和方向性，并且由转发候选集来代替转发节点的机会路由策略。

发明内容

带状网络结构的路由与通常的环境显著不同，针对现有的路由方法不能适用于带状网络结构路由的现状，本发明提出一种基于网络层次划分的带方向的可靠机会路由，使无线传感器网络在复杂的网络结构下，能够达到较高的传输成功率。

为了实现上述任务，本发明采用的技术方案是：

一种基于区域划分与虚拟目的节点的可靠机会路由方法，该方法通过不断调整路由节点的传输方向实现当前发送节点到目的节点信息的传输，包括以下步骤：

步骤一，网络区域划分：

步骤S10，在无线传感器网络中建立坐标系，使每个无线传感器节点具有唯一坐标值；

步骤S11，将无线传感器网络划分为编号为1至N（N>2）个区域，使每个区域的结构为直线型带状网络，且相邻的两个带状网络的端部有重叠部分；

步骤S12，对各区域进行等级划分：目的节点所在的区域等级值为1，与目的节点所在区域相邻的区域等级值为2，以此类推，与目的节点所在区域越远的区域等级值越高；

步骤二，虚拟目的节点位置确定：

步骤S20，对于任意相邻的两个区域，在其重叠部分的中心位置设置一个虚拟节点，作为这两个相邻区域中等级值较高的区域的虚拟目的节点，其坐标记为(x_m,y_m)，其中m为这相邻的两个区域中较大的等级值；

步骤三，节点区域等级及层次编号判定：

步骤S30，按照下面的公式计算每一个节点w所在区域的等级值P_w：

\{\begin{matrix} x_{s_{1}} \leq x_{w} \leq x_{e_{1}}, \\ y_{s_{1}} \leq y_{w} \leq y_{e_{1}}, P_{w} = a_{1} \\ x_{s_{2}} \leq x_{w} \leq x_{e_{2}}, \\ y_{s_{2}} \leq y_{w} \leq y_{e 2}, p_{w} = a_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ x_{s_{n}} \leq x_{w} \leq x_{e_{n}}, \\ y_{s_{n}} \leq y_{w} \leq y_{e_{n}}, p_{w} = a_{n} \end{matrix}

上式中，

分别代表区域1到区域N的横坐标的边界值，

分别代表区域编号为1到区域编号为N的纵坐标的边界值；a₁,a₂,...a_n分别表示区域1到区域N的等级值；x_w，y_w分别表示节点w的横坐标和纵坐标值；

步骤S31，对每一个区域中的节点进行分层，按照下面公式计算每一个节点w的层编号q_w，并将节点层编号相同的节点划分为同一层；

式中，

为节点w所在区域的虚拟目的节点的坐标值，r为无线传感器节点的通信半径；x_w，y_w为节点w的坐标值；

步骤S32，对步骤S32划分的每一个层次再次进行划分，每一个层次均划分为high和low两个扩展层，对于每一个节点w，其所在扩展层编号q_ex_w按照以下公式计算：

上式中，

为节点w所在区域的虚拟目的节点的坐标值，x_w，y_w为节点w的坐标值；r为无线传感器节点的通信半径；

步骤S33，判断每一个节点w属于扩展层high和low的哪一个部分中，判断方法如下：

上式中，

为节点w所在区域的虚拟目的节点的坐标值，r为无线传感器节点的通信半径；x_w，y_w为节点w的坐标值，mod为求余符号；

如果上式中①成立，则该节点w位于扩展层high中，②成立则节点w位于扩展层low中；

步骤四，转发候选集确定：

步骤S40，确定当前发送节点p的转发候选集，判断方法为：若当前发送节点p的所有邻居节点中，某邻居节点i满足下式条件，则将该节点i加入当前发送节点p的转发候选集中：

\sqrt{{(x_{p} - x_{i})}^{2} + {(y_{p} - y_{i})}^{2}} \leq r

上式中，x_p,y_p为当前发送节点p的坐标值，x_i,y_i为邻居节点i的坐标值，r为无线传感器节点的通信半径；

步骤S41，在当前发送节点p的转发候选集的所有节点中，若一个节点j不满足下式中任意一个条件，则将该节点j从转发候选集中删除：

\{\begin{matrix} p_{j} < p_{p} \\ q_{j} < q_{p} \end{matrix}

上式中，p_j,q_j分别为节点j的所在区域的等级值和节点j的层编号；p_p,q_p分别为当前发送节点p所在区域的等级值和p的层编号；

步骤S42，判断当前发送节点p的转发候选集是否为空，如果是空的则执行步骤S43，否则执行步骤五；

步骤S43，判断当前发送节点p是否位于扩展层high中，如果在扩展层high中，则执行步骤S44，否则数据包传输失败；

步骤S44，在当前发送节点p的转发候选集的所有节点中，若一个节点k不满足下式条件中任意一个条件，则将该节点k从转发候选集中删除：

\{\begin{matrix} p_{k} < p_{p} \\ q_{ex}_{k} < q_{ex}_{p} \end{matrix}

上式中，p_k,q_ex_k分别为节点k所在区域的等级值和节点k所在扩展层编号；p_p,q_ex_p分别为当前发送节点p所在区域的等级值和p所在扩展层编号；

步骤S45，判断当前发送节点p的转发候选集是否为空，如果是空的则数据包传输失败，否则执行步骤五；

步骤五，选择转发节点与信息转发：

步骤S50，当前发送节点p根据转发候选集中候选节点的坐标值，求出每个候选节点与当前区域虚拟目的节点之间的距离，按照距离由小到大的进行排序并编号；

步骤S51，选择转发候选集中编号为1的候选节点作为转发节点，当前发送节点p将数据包发送给该转发节点，如果数据包发送不成功，则选择编号为2的候选节点作为转发节点发送数据包，依次类推直至数据包成功发送给转发节点；

步骤S52，计算转发节点与目的节点间的距离d，若d小于无线传感器节点的通信半径r，则将数据包发送给目的节点，否则将转发节点作为新的当前发送节点，返回步骤四继续执行，直至数据包传送到目的节点。

所述的无线传感器网络中，无线网络传感器节点密度大于0.013个/m²。

一种用于实现基于区域划分与虚拟目的节点的可靠机会路由方法的装置，该装置包括网络区域划分模块、虚拟目的节点位置确定模块、节点区域等级及层次编号判定模块、转发候选集确定模块和选择转发节点与信息转发模块，其中网络区域划分模块、虚拟目的节点位置确定模块、节点区域等级及层次编号判定模块、转发候选集确定模块和选择转发节点与信息转发模块依次连接。

所述的网络区域划分模块按照下述步骤实现其功能：

步骤S12，对各区域进行等级划分：目的节点所在的区域等级值为1，与目的节点所在区域相邻的区域等级值为2，以此类推，与目的节点所在区域越远的区域等级值越高。

所述的虚拟目的节点位置确定模块按照下述步骤实现其功能：

步骤S20，对于任意相邻的两个区域，在其重叠部分的中心位置设置一个虚拟节点，作为这两个相邻区域中等级值较高的区域的虚拟目的节点，其坐标记为(x_m,y_m)，其中m为这相邻的两个区域中较大的等级值。

所述的节点区域等级及层次编号判定模块按照下述步骤实现其功能：

步骤三，节点区域等级及层次编号判定：

\{\begin{matrix} x_{s_{1}} \leq x_{w} \leq x_{e_{1}}, \\ y_{s_{1}} \leq y_{w} \leq y_{e_{1}}, P_{w} = a_{1} \\ x_{s_{2}} \leq x_{w} \leq x_{e_{2}}, \\ y_{s_{2}} \leq y_{w} \leq y_{e 2}, p_{w} = a_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ x_{s_{n}} \leq x_{w} \leq x_{e_{n}}, \\ y_{s_{n}} \leq y_{w} \leq y_{e_{n}}, p_{w} = a_{n} \end{matrix}

上式中，

分别代表区域1到区域N的横坐标的边界值，分别代表区域编号为1到区域编号为N的纵坐标的边界值；a₁,a₂,...a_n分别表示区域1到区域N的等级值；x_w，y_w分别表示节点w的横坐标和纵坐标值；

式中，

上式中，

上式中，

如果上式中①成立，则该节点w位于扩展层high中，②成立则节点w位于扩展层low中。

所述的转发候选集确定模块按照下述步骤实现其功能：

\sqrt{{(x_{p} - x_{i})}^{2} + {(y_{p} - y_{i})}^{2}} \leq r

\{\begin{matrix} p_{j} < p_{p} \\ q_{j} < q_{p} \end{matrix}

\{\begin{matrix} p_{k} < p_{p} \\ q_{ex}_{k} < q_{ex}_{p} \end{matrix}

所述的选择转发节点与信息转发模块按照下述步骤实现其功能：

本发明与现有技术相比有以下的优点：

1.缩小了转发候选集；

由于节点在选择其转发候选集时，考虑到了方向性的问题，比起盲目的全方位广播的传统机会路由算法，很大程度上减少了接收能耗。

2.减少了传输时延，实时性强；

由于该策略充分考虑了网络的结构，能保证转发候选集中的节点均在正确的传播方向上，从而保证了从源节点到目的节点的最短路径，比起盲目的全方位广播的传统机会路由算法，减少了传输时延。

3.解决了传统地理位置路由在复杂区域下容易选错方向的问题；

本方法考虑了网络本身的结构，根据网络分层结果，在确定转发候选集时选择正确的邻居节点作为转发候选节点，解决了复杂区域下方向选择错误的问题。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明装置的流程图；

图3是背景技术中所述的4种带状结构示例图；

图4是复杂区域中传统地理位置路由失效示意图；

图5是对复杂网络进行区域划分示意图；

图6是对直线型网络进行层次划分以及子层次划分示意图；

图7是按照网络层次划分结果进行候选集确定示意图；

图8是候选集选择失效示意图；

图9是按照网络层次划分结果进行候选集确定示意图；

图10是研究通信半径r对算法性能的影响以及r范围的确定实验结果图；

图11是研究源节点与目的节点之间的距离d对算法性能的影响以及d范围的确定实验结果图；

图12是研究网络节点密度ρ对算法性能的影响以及ρ范围的确定实验结果图；

图13是对比实验仿真网络结构图；

图14是两种算法传输成功率随网络密度变化对比实验结果图；

图15a是GeRaf算法传输失败分布图；

图15b是ROR算法传输失败分布图；

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

申请人在长城等大规模带状区域结构健康监测中，为了获得长城等大规模区域中土遗址的健康状态并及时针对其面对的各种病害（如坍塌、形变、裂缝等）采取相应措施，需要建立可靠的路由策略，以保障长城各项监测数据实时、可靠、高效的传回目的节点。现有的无线传感器网络大规模带状区域结构如图3所示，可分为直线带状区域和带拐角的带状区域；针对直线带状区域和带拐角带状区域结合的复杂带状网络结构，提出基于传输方向的无线传感器网络路由方法。

带状网络结构的路由与通常的环境显著不同，针对现有的路由方法不能适用于带状网络结构路由的现状，本发明提出一种带方向的可靠机会路由，使无线传感器网络在复杂的网络结构下，能够达到较高的传输成功率；本方法在无线网络传感器节点密度大于0.013个/m²时性能最佳。

在整个传感器网络部署时，由于每个传感器位置是固定的，因此根据传感器部署情况，建立一个坐标系，每个传感器节点对应坐标系中的一个固定的坐标，并且当前发送节点中存储有目的节点SINK的坐标值，每个区域的边界坐标值，每个区域的等级值，以及每个区域虚拟目的节点sink的坐标值。

一、本发明方法详细步骤

本发明提出一种基于区域划分与虚拟目的节点的可靠机会路由方法，根据分层结果不断调整路由节点的传输方向，以此实现当前发送节点到目的节点信息的传输，包括以下步骤，如图1：

本发明采用的技术方案是：

一种基于传输方向的无线传感器网络路由方法，该方法通过不断调整路由节点的传输方向实现当前发送节点到目的节点信息的传输，包括以下步骤：

步骤一，网络区域划分：

步骤S11，无线传感器网络均为复杂的带状结构，如图5所示，为了解决之前所述的，由复杂区域带来的路由失效问题，首先将无线传感器网络划分为编号为1至N（N>2）个区域，由于复杂的带状网络结构可以看做是一段段直线型网络拼接而成，因此可以将整个传感器网络划分为N个区域，使每个区域的结构为直线型带状网络，每个区域整体可以看做矩形结构，且相邻的两个带状网络的端部有重叠部分；所述的重叠部分是指，如图5当中，划分后一个区域为ABCD，另一个与其相邻的区域为EGHD，而EFCD即为两个区域重叠的部分；

步骤S12，为了表示各个区域与SINK节点（即目的节点）的位置关系，为每个区域进行等级排序，如图5所示，SINK节点所在的区域等级值为1，与SINK节点所在区域相邻的区域等级值为2，以此类推，越靠近SINK节点的区域等级值越小；

步骤二，虚拟目的节点位置确定：

步骤S20，为了使每个区域有单独的层编号序列，对于任意相邻的两个区域，在其重叠部分的中心位置设定一个虚拟节点，作为这两个相邻区域中等级值较高的区域的虚拟目的节点，如图5所示，其坐标记为(x_m,y_m)，其中m为这相邻的两个区域中较大的等级值；除了目的节点所在区域外的每个区域，需根据其虚拟sink位置进行层次划分。

步骤三，节点区域等级及层次编号判定：

步骤S30，由于每个节点已知自己与SINK节点的地理位置信息（即坐标值），同时，已知各个区域的边界坐标值和各区域的等级值，因此可以根据其自身坐标值以及各区域边界坐标值来判定每个节点所属的区域，从而确定节点所属区域的等级值，对于任意一个节点w，其区域等级值P_w的判定方法如下式：

\{\begin{matrix} x_{s_{1}} \leq x_{w} \leq x_{e_{1}}, \\ y_{s_{1}} \leq y_{w} \leq y_{e_{1}}, P_{w} = a_{1} \\ x_{s_{2}} \leq x_{w} \leq x_{e_{2}}, \\ y_{s_{2}} \leq y_{w} \leq y_{e 2}, p_{w} = a_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ x_{s_{n}} \leq x_{w} \leq x_{e_{n}}, \\ y_{s_{n}} \leq y_{w} \leq y_{e_{n}}, p_{w} = a_{n} \end{matrix} - - - (1)

上式（1）中，分别代表区域1到区域N的横坐标的边界值，

分别代表区域编号为1到区域编号为N的纵坐标的边界值；a₁,a₂,...a_n分别表示区域1到区域N的等级值；x_w，y_w分别表示节点w的横坐标和纵坐标值；即，如果一个节点w同时满足

和

那么其等级值P_w＝a₁。

步骤S31，对每一个区域中的节点进行分层，如图6所示，由于每个节点已知自己所属区域的虚拟节点地里位置信息，因此，对于任意一个节点w，可以根据其自身坐标以及自己所属区域虚拟目的节点的坐标来计算其层编号q_w，并将节点层编号相同的节点划分为同一层，计算方法如下：

式（2）中，

为节点w所在区域的虚拟目的节点的坐标值，r为无线传感器节点的通信半径；x_w，y_w为节点w的坐标值，公式2中的数学符号

表示向上取整，以使得到的层编号为整数；下同。

步骤S32，如图6所示，为了避免候选节点失效问题，需要将每个层次再次划分为high和low两个扩展层，对于每一个节点w，其所在扩展层编号q_ex_w按照以下公式计算：

上式（3）中，

上式中，

步骤四，转发候选集确定：

步骤S40，对当前发送节点p，确定初始转发候选集InitSet，即节点p的邻居节点集合；判断方法为，若当前发送节点p的所有邻居节点中，某邻居节点i满足下式条件，则将该节点i加入当前发送节点p的转发候选集中：

\sqrt{{(x_{p} - x_{i})}^{2} + {(y_{p} - y_{i})}^{2}} \leq r - - - (5)

上式（5）中，x_p,y_p为当前发送节点p的坐标值，x_i,y_i为邻居节点i的坐标值，r为无线传感器节点的通信半径；

步骤S41，如图7所示，在当前发送节点p的转发候选集InitSet的所有节点中，若任意一个节点j，满足以下条件中任意一个，则将节点j保留在转发候选集InitSet中，否则，从发候选集InitSet中删除该节点。图7中，最右侧的圆代表当前发送节点p一跳可达范围，圆中节点即为当前发送节点p的邻居节点，其中白色节点（即处于层编号为j-1的层中的节点），由于层编号为j-1小于p节点的层次号j，因此留在InitSet集合中。其余节点，即黑色节点由于不满足下列条件，则被删除。

\{\begin{matrix} p_{j} < p_{p} \\ q_{j} < q_{p} \end{matrix} - - - (6)

上式（6）中，p_j,q_j分别为节点j的所在区域的等级值和节点j的层编号；p_p,q_p分别为当前发送节点p所在区域的等级值和p的层编号；

步骤S42，判断当前发送节点p的转发候选集InitSet是否为空，即

size(InitSet)＝NULL （7）

如果是空的则执行步骤S43，否则执行步骤五；

步骤S43，判断当前发送节点p是否位于扩展层high中，如果在扩展层high中，则认为是由于p所在子层为其所在层次的high部分，即p节点靠近其所在区域的上边界，从而导致了候选节点失效问题，即p节点所在层次的下一层节点没有一个落在p节点的一跳范围内，如图8中source1所示，当前发送节点的邻居节点中（见右侧的圆），并没有满足公式（6）的节点（即邻居节点中没有层次号小于当前发送节点p层号的节点），导致了候选节点失效问题。因此，执行步骤S44，根据子层次划分结果确定候选集，否则数据包传输失败。

步骤S44，如图9所示，在当前发送节点p的转发候选集InitSet的所有节点中，若一个节点k不满足下式条件中任意一个条件，则将该节点k从转发候选集InitSet中删除；由于划分了子层，图8中所示的候选节点失效问题可以被解决。图9与图8相对应的圆中，白色节点（即子层编号为2j-1的节点）由于划分了子层而被留在InitSet中。而这两个节点在步骤S43（图8）中为黑色（即被删除）。

\{\begin{matrix} p_{k} < p_{p} \\ q_{ex}_{k} < q_{ex}_{p} \end{matrix} - - - (8)

步骤S45，判断当前发送节点p的转发候选集是否为空：即：

size(InitSet)＝NULL （9）

如果是空的则数据包传输失败，否则执行步骤五；

步骤五，选择转发节点与信息转发：

步骤S51，选择转发候选集中编号为1的候选节点作为转发节点，当前发送节点p将数据包发送给该转发节点，如果数据包发送不成功，则选择编号为2的候选节点作为转发节点发送数据包，依次类推直至数据包成功发送给转发节点；若候选节点中所有节点均不能成功接收数据包，则数据包传输失败；

本发明还提供一种用于实现基于区域划分与虚拟目的节点的可靠机会路由方法的装置，如图2所示，该装置包括网络区域划分模块、虚拟目的节点位置确定模块、节点区域等级及层次编号判定模块、转发候选集确定模块和选择转发节点与信息转发模块，其中网络区域划分模块、虚拟目的节点位置确定模块、节点区域等级及层次编号判定模块、转发候选集确定模块和选择转发节点与信息转发模块依次连接。

所述的网络区域划分模块按照下述步骤实现其功能：

步骤三，节点区域等级及层次编号判定：

\{\begin{matrix} x_{s_{1}} \leq x_{w} \leq x_{e_{1}}, \\ y_{s_{1}} \leq y_{w} \leq y_{e_{1}}, P_{w} = a_{1} \\ x_{s_{2}} \leq x_{w} \leq x_{e_{2}}, \\ y_{s_{2}} \leq y_{w} \leq y_{e 2}, p_{w} = a_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ x_{s_{n}} \leq x_{w} \leq x_{e_{n}}, \\ y_{s_{n}} \leq y_{w} \leq y_{e_{n}}, p_{w} = a_{n} \end{matrix}

上式中，

分别代表区域1到区域N的横坐标的边界值，

式中，为节点w所在区域的虚拟目的节点的坐标值，r为无线传感器节点的通信半径；x_w，y_w为节点w的坐标值；

上式中，

上式中，

所述的转发候选集确定模块按照下述步骤实现其功能：

\sqrt{{(x_{p} - x_{i})}^{2} + {(y_{p} - y_{i})}^{2}} \leq r

\{\begin{matrix} p_{j} < p_{p} \\ q_{j} < q_{p} \end{matrix}

\{\begin{matrix} p_{k} < p_{p} \\ q_{ex}_{k} < q_{ex}_{p} \end{matrix}

二、本发明方法中各相关参数的确定：

实验一：节点通信半径r对候选集选择成功率的影响以及r范围确定

步骤一：仿真实验场景初始化

申请人模拟出一个长度（L）为600m，宽度（w）为10m的带状网络区域，并在此区域内随机部署了N=200个源节点按照本发明方法进行信息采集，目的节点（SINK）位于带状网络的中央。

步骤二：取节点通信半径r=30,40,50,60,70(单位：m)（30～70m为一般节点的通信范围），总共进行了5组评估，为了保证实验结果真实性，每组评估进行2000次测试，每一次测试随机从区域中选择节点作为发送节点，按照本发明方法进行仿真实验（即当前发送节点到目的节点SINK的距离d的取值是随机的）。我们观察其候选集选择成功率。

步骤三：分析与处理实验数据

图10示出了候选集选择成功率随着节点通信半径r的变化趋势。可以看出，在一般节点通信范围内，无论r值如何变化，都能保证候选集选择成功率为100%。因此，本发明对节点通信半径r没有限制。

实验二：源节点到目的节点SINK的距离d对候选集选择成功率的影响以及网络长度L范围确定：

步骤一：仿真实验场景初始化

步骤二：取当前发送节点到SINK的距离d=20,40,60,80,100（单位：m），对于每一个d值，取r=30,40,60（m），因此，总共进行了5×3组评估。为了保证实验结果真实性，每组评估进行2000次测试，观察其候选集选择成功率。

步骤三：分析与处理实验数据

图11示出了在不同的r取值下，候选集选择成功率随着d的变化趋势。图中，不同的线型代表了不同的d值。根据实验结果可以看出：在一般节点通信范围内，在任何r取值情况下，无论d值如何变化，都能保证候选集选择成功率为100%，因此，可以说明无论源节点（当前发送节点）与SINK节点的距离为何值，均能保证候选集成功选择。这也间接证明了本发明对网络长度L没有限制

实验三：网络节点密度ρ对候选集选择成功率的影响以及ρ范围确定：

步骤一：仿真实验场景初始化

申请人模拟出一个长度（L）为600m，宽度（W）为10m的带状网络区域，并在此区域内随机部署了N（N为实验变化参数）个源节点按照本发明方法进行信息采集。节点通信半径r=60m。目的节点（SINK）位于带状网络的中央。

步骤二：取节点密度ρ=0.007,0.009，0.011,0.013,0.016,0.018,0.021,0.023(单位：个/m²)，总共进行了8组评估。为了保证实验结果真实性，每组评估进行2000次测试，每一次测试随机从区域中选择节点作为发送节点，按照本发明方法进行仿真实验。我们观察其候选集选择成功率。

步骤三：分析与处理实验数据

图12示出了候选集选择成功率随着网络节点密度ρ的变化趋势。根据实验结果可以看出，节点密度大于0.013个/m²时，算法的候选集选择成功率趋近于1。因此，可以看出本算法在节点密度大于0.013个/m²的情况下性能最佳，即当节点密度大于0.013个/m²时，一定能保证数据包的传输成功率为1。因此为了保证算法的稳定性以及鲁棒性，本方法在无线网络传感器节点密度大于0.013个/m²时性能最佳。

三、本发明方法与其他算法的对比实验

下面我们通过一组实验来验证该方法相对于其他方法的优势，实验主要对以下两种算法的性能进行比较：

(1)ROR算法：即本发明提出的算法

(2)GeRaf算法：该算法是一种基于地理位置信息的机会路由。与DOR不同之处在于，当前发送节点的所有邻居节点（即一跳范围内的所有节点）都可以作为转发候选节点。而转发节点的选择方法则是在转发候选集中选取一个距离目的节点最近的节点作为转发节点。

在实验过程中，我们首先以节点密度ρ为变化参数来证明本发明的优势；其次以节点密度为例，展示了两种算法的传输失效分布。

仿真网络初始化：

我们模拟出如图13所示的复杂型带状网络区域，该区域的宽度为10m，分为4个区域（两个水平方向区域1,3，两个垂直方向区域2,4），在此区域内随机部署了N（N会随着节点密度的变化而变化）个源节点进行信息采集，目的节点（SINK）位于区域1的中央，如图12中三角形所示。在该实验中，我们限定节点的通信范围（r）为60m。按照本发明方法进行数据转发。

仿真实验过程：

在该实验中，取ρ从0.03到0.1之间，按0.01的梯度变化，总共进行了8组评估。为了保证实验结果真实性，针对每个算法，每组评估进行2000次测试，每次测试随机选取源节点。我们观察其传输成功率以及传输失败分布。

实验结果：

（1）图14显示了随着节点密度ρ增大，ROR算法和GeRaf算法中传输成功率的变化趋势。根据实验结果可以看出：本文的方法ROR路由策略的数据包传输成功率接近100%，而传统的GeRaf算法的传输成功率不到80%。证明了在复杂区域下，ROR算法由于考虑了方向性，成功率远远高于GeRaf。

（2）图15a和图15b显示了节点密度ρ=0.03时GeRaf算法和ROR算法的传输失效分布，被方框框出来的节点为传输失效节点。根据实验结果可以看出：1）ROR算法传输失效情况远远少于GeRaf算法；2）在复杂区域中，GeRaf算法使区域4中的节点传输失效率很高。这是由于GeRaf算法没有考虑传输的方向性，导致传输方向偏离SINK节点。

Claims

1.一种基于区域划分与虚拟目的节点的可靠机会路由方法，其特征在于，该方法通过不断调整路由节点的传输方向实现当前发送节点到目的节点信息的传输，包括以下步骤：

步骤一，网络区域划分：

步骤二，虚拟目的节点位置确定：

步骤三，节点区域等级及层次编号判定：

上式中，

分别代表区域1到区域N的横坐标的边界值，

式中，

上式中，

上式中，为节点w所在区域的虚拟目的节点的坐标值，r为无线传感器节点的通信半径；x_w，y_w为节点w的坐标值，mod为求余符号；

步骤四，转发候选集确定：

步骤五，选择转发节点与信息转发：

2.如权利要求1所述的基于区域划分与虚拟目的节点的可靠机会路由方法，其特征在于，所述的无线传感器网络中，无线网络传感器节点密度大于0.013个/m²。

3.一种用于实现权利要求1所述的基于区域划分与虚拟目的节点的可靠机会路由方法的装置，其特征在于，该装置包括网络区域划分模块、虚拟目的节点位置确定模块、节点区域等级及层次编号判定模块、转发候选集确定模块和选择转发节点与信息转发模块，其中网络区域划分模块、虚拟目的节点位置确定模块、节点区域等级及层次编号判定模块、转发候选集确定模块和选择转发节点与信息转发模块依次连接。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的网络区域划分模块按照下述步骤实现其功能：

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的虚拟目的节点位置确定模块按照下述步骤实现其功能：

6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的节点区域等级及层次编号判定模块按照下述步骤实现其功能：

步骤三，节点区域等级及层次编号判定：