CN103596239A - 一种基于传输方向的无线传感器网络路由方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于传输方向的无线传感器网络路由方法及装置，该方法包括的步骤有：确定转发候选集方向夹角，确定转发候选集、选择转发节点与信息转发以及带拐角的带状网络转发候选集的确定。本算法在选择转发候选集时考虑到了方向性问题，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；该算法减少了传输延迟，实时性强，通信开销少，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和能量不均衡问题。

Description

一种基于传输方向的无线传感器网络路由方法及装置

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4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。3）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。 

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3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，本发明提出一种带方向的可靠机会路由，使无线传感器网络在期望的网络负载平衡下总的通信代价最小，网络生命周期最大同时收敛速度高。 

为了实现上述任务，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，转发候选集方向夹角确定： 

步骤S10，以目的节点的坐标点为圆心，以R为半径确定一个圆，所述的R为20m； 

步骤S11，从当前发送节点向步骤S10确定的圆做两条切线，两条切线之间的夹角记为α， 

步骤S12，记当前发送节点与目的节点之间的距离为d，根据几何原理可得到：  $\frac{\mathrm{\α}}{2}=\arcsin \frac{R}{d},$ 则 $\mathrm{\α}=2\arcsin \frac{R}{d};$

步骤二，转发候选集确定： 

步骤S20，计算当前发送节点的所有一跳范围内的邻居节点是否在两条切线的夹角内，计算方法如下： 

每一个邻居节点按照下面的公式1计算与当前发送节点之间的连线、当前发送节点与目的节点之间的连线组成的夹角β： 

$\mathrm{\β}=\arccos \frac{d_{\mathrm{sc}}^2+d^2-d_{c\sin k}^2}{2\×d_{\mathrm{sc}}\×d}$ （公式1） 

其中，d_sc是邻居节点和当前发送节点之间的距离，d是当前发送节点和目的节点的距离，d_csink是邻居节点和目的节点的距离；若

则将该邻居节点加入转发候选集中作为候选节点；若候选节点的个数不为零，则执行步骤三，否则执行步骤四； 

步骤三，选择转发节点与信息转发： 

步骤S30，当前发送节点从转发候选集中随机选择一个候选节点作为转发节点，当前发送节点将数据包发送给转发节点，然后将转发节点作为当前发送节点，计算该节点与目的节点之间的距离，如果该距离小于当前发送节点一跳的距离，则将数据包转发至目的节点，算法结束；否则返回步骤一重复执行步骤，直至数据包转发至目的节点； 

步骤四，带拐角的带状网络转发候选集确定； 

步骤S40，若候选节点的个数为零，则当前发送节点与目的节点之间存在拐角，记拐角的角度为θ；在当前发送节点和目的节点的连线靠近拐角外侧的一侧取一条参考直线，使该参考直线与目的节点所在的带状区域边线的角度η满足以下公式2： 

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{\mathrm{\θ}}{2}$ （公式2） 

并且使当前发送节点距离该直线的距离l满足公式4： 

0＜l＜r（公式4） 

式中，r为当前发送节点一跳的距离；将该参考直线沿垂直于传感器节点所在的路面的方向延伸形成参考面； 

步骤S41，从目的节点向参考面做垂线并延伸至参考面的另一侧，在参考面另一侧的 垂线上取一参考点，使该参考点距离参考面的距离与目的节点距离参考面的距离相同； 

步骤S42，以参考点的坐标点为圆心，以R为半径做一个圆，R取20m；从当前发送节点向该圆引两条切线，两条切线之间的夹角为α₁，记当前发送节点与参考点之间的距离为d₁，根据几何原理可得： $\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}=\arcsin \frac{R}{d_1,},$ 则 ${\mathrm{\α}}_1=2\arcsin \frac{R}{d_1};$

步骤S43，在参考面的另一侧取当前发送节点所有一跳范围内的邻居节点的虚拟节点，使当前发送节点一跳范围内的邻居节点与其对应的虚拟节点到参考面的距离相等； 

步骤S44，计算当前发送节点的所有一跳范围内的邻居节点和与邻居节点对应的虚拟节点是否在两条切线的夹角内，计算方法如下： 

每一个邻居节点按照公式5计算该邻居节点与当前发送节点之间的连线、当前发送节点与参考点之间的连线组成的夹角β₁： 

每一个邻居节点对应的虚拟节点按照公式6计算该虚拟节点与当前发送节点之间的连线、当前发送节点与参考点之间的连线组成的夹角β₂： 

${\mathrm{\β}}_1=\arccos \frac{d_{\mathrm{sc}1}^2+{d_1}^2-d_{c\sin k1}^2}{2\×d_{\mathrm{sc}1}\×d}$ （公式5） 

${\mathrm{\β}}_2=\arccos \frac{d_{\mathrm{sc}2}^2+{d_1}^2-d_{c\sin k2}^2}{2\×d_{\mathrm{sc}2}\×d}$ （公式6） 

在公式5和公式6中，d_sc1为邻居节点和当前发送节点间的距离，d_sc2为虚拟节点和当前发送节点间的距离，d₁为当前发送节点和参考点间的距离，d_csink1为邻居节点和参考点之间的距离，d_csink2为虚拟节点和当前发送节点间的距离； 

步骤S45，判断当前发送节点的一跳范围内的每一个邻居节点和该邻居节点对应的虚拟节点是否满足

和

两个条件，如果至少满足两个条件中的一个，则将该邻居节点加入当前发送节点的转发候选集中，然后转到步骤三继续执行。 

所述的无线传感器网络中，无线网络传感器节点密度大于0.222个/m²

一种用于实现基于传输方向的无线传感器网络路由方法的装置，该装置包括转发候选集方向夹角确定模块、转发候选集确定模块、选择转发节点与信息转发模块和带拐角的带状 网络转发候选集确定模块，其中，转发候选集方向夹角确定模块、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，带拐角的带状网络转发候选集确定模块与选择转发节点与信息转发模块连接。 

所述的转发候选集方向夹角确定模块按下述步骤实现其功能： 

步骤S10，以目的节点的坐标点为圆心，以R为半径确定一个圆，所述的R为20m； 

步骤S11，从当前发送节点向步骤S10确定的圆做两条切线，两条切线之间的夹角记为α， 

步骤S12，记当前发送节点与目的节点之间的距离为d，根据几何原理可得到：  $\frac{\mathrm{\α}}{2}=\arcsin \frac{R}{d},$ 则 $\mathrm{\α}=2\arcsin \frac{R}{d}.$

所述的转发候选集确定模块按下述步骤实现其功能： 

步骤S20，计算当前发送节点的所有一跳范围内的邻居节点是否在两条切线的夹角内，计算方法如下： 

每一个邻居节点按照下面的公式1计算与当前发送节点之间的连线、当前发送节点与目的节点之间的连线组成的夹角β： 

$\mathrm{\β}=\arccos \frac{d_{\mathrm{sc}}^2+d^2-d_{c\sin k}^2}{2\×d_{\mathrm{sc}}\×d}$ （公式1） 

其中，d_sc是邻居节点和当前发送节点之间的距离，d是当前发送节点和目的节点的距离，d_csink是邻居节点和目的节点的距离；若则将该邻居节点加入转发候选集中作为候选节点；若候选节点的个数不为零，则跳转至选择转发节点与信息转发模块继续执行，否则跳转至带拐角的带状网络转发候选集确定继续执行。 

所述的选择转发节点与信息转发模块按下述步骤实现其功能： 

步骤S30，当前发送节点从转发候选集中随机选择一个候选节点作为转发节点，当前发送节点将数据包发送给转发节点，然后将转发节点作为当前发送节点，计算该节点与目的节点之间的距离，如果该距离小于当前发送节点一跳的距离，则将数据包转发至目的节点，算法结束；否则跳转至转发候选集方向夹角确定模块继续执行，直至数据包转发至目的节点。 

所述的带拐角的带状网络转发候选集确定模块按下述步骤实现其功能： 

步骤S40，若候选节点的个数为零，则当前发送节点与目的节点之间存在拐角，记拐角的角度为θ；在当前发送节点和目的节点的连线靠近拐角外侧的一侧取一条参考直线，使该 参考直线与目的节点所在的带状区域边线的角度η满足以下公式2： 

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{\mathrm{\θ}}{2}$ （公式2） 

并且使当前发送节点距离该直线的距离l满足公式4： 

0＜l＜r（公式4） 

式中，r为当前发送节点一跳的距离；将该参考直线沿垂直于传感器节点所在的路面的方向延伸形成参考面； 

步骤S41，从目的节点向参考面做垂线并延伸至参考面的另一侧，在参考面另一侧的垂线上取一参考点，使该参考点距离参考面的距离与目的节点距离参考面的距离相同； 

步骤S42，以参考点的坐标点为圆心，以R为半径做一个圆，R取20m；从当前发送节点向该圆引两条切线，两条切线之间的夹角为α₁，记当前发送节点与参考点之间的距离为d₁，根据几何原理可得： $\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}=\arcsin \frac{R}{d_1,},$ 则 ${\mathrm{\α}}_1=2\arcsin \frac{R}{d_1};$

步骤S43，在参考面的另一侧取当前发送节点所有一跳范围内的邻居节点的虚拟节点，使当前发送节点一跳范围内的邻居节点与其对应的虚拟节点到参考面的距离相等； 

步骤S44，计算当前发送节点的所有一跳范围内的邻居节点和与邻居节点对应的虚拟节点是否在两条切线的夹角内，计算方法如下： 

每一个邻居节点按照公式5计算该邻居节点与当前发送节点之间的连线、当前发送节点与参考点之间的连线组成的夹角β₁： 

每一个邻居节点对应的虚拟节点按照公式6计算该虚拟节点与当前发送节点之间的连线、当前发送节点与参考点之间的连线组成的夹角β₂： 

${\mathrm{\β}}_1=\arccos \frac{d_{\mathrm{sc}1}^2+{d_1}^2-d_{c\sin k1}^2}{2\×d_{\mathrm{sc}1}\×d}$ （公式5） 

${\mathrm{\β}}_2=\arccos \frac{d_{\mathrm{sc}2}^2+{d_1}^2-d_{c\sin k2}^2}{2\×d_{\mathrm{sc}2}\×d}$ （公式6） 

在公式5和公式6中，d_sc1为邻居节点和当前发送节点间的距离，d_sc2为虚拟节点和当前发送节点间的距离，d₁为当前发送节点和参考点间的距离，d_csink1为邻居节点和参考 点之间的距离，d_csink2为虚拟节点和当前发送节点间的距离； 

步骤S45，判断当前发送节点的一跳范围内的每一个邻居节点和该邻居节点对应的虚拟节点是否满足

和

两个条件，如果至少满足两个条件中的一个，则将该邻居节点加入当前发送节点的转发候选集中，然后跳转至选择转发节点与信息转发模块继续执行。 

本发明的优点主要有以下几点： 

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.通信开销少； 

节点仅仅使用其自身的以及目的节点的地理位置信息来决定自己是否应该在转发候选集中，能够在很大程度上减少通信开销，从而节约能耗。 

4.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，根据网络结构计算出正确的传播方向，并在选择转发候选集时规定了传输方向，解决了复杂区域下方向选择错误的问题。 

5.解决了能量不均衡问题； 

在传统的机会路由中，在转发候选集中选择转发节点时通常以候选节点与目的节点之间的距离作为依据来决定转发优先级。这使得靠近目的节点的候选节点频繁被选中，而，从而承担较多的转发任务，因此能量很快会消耗，最终造成更多的丢包。本方法为平衡网络负载，在选择转发节点时，不断的随机从候选集里选择一个节点作为高优先级的转发节点，直到数据被转发成功。 

附图说明

图1是本发明方法的流程图； 

图2是本发明装置的结构连接图； 

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是转发候选集方向夹角确定示意图； 

图6a是带拐角的带状网络转发候选集确定示意图； 

图6b是带拐角的带状网络转发候选集确定示意图的部分放大图； 

图7是研究R对算法性能的影响以及R值的确定实验结果图； 

图8是研究网络中节点个数N对算法性能的影响实验结果图； 

图9是带状网络区域宽度d对各算法性能的影响实验结果图； 

图10是全网节点数目N对各算法性能的影响实验结果图； 

图11是参数R对各算法性能的影响实验结果图； 

图12是个案研究实验部署图； 

图13是个案研究实验结果图； 

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： 

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其一跳范围内所有邻居节点的坐标值，和目的节点的坐标值。本方法在无线网络传感器节点密度大于0.222个/m²时性能最佳。 

一、本发明方法详细步骤 

一种基于传输方向的无线传感器网络路由方法，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，如图1： 

步骤一，确定转发候选集方向夹角： 

步骤S10，如图5所示，以目的节点的坐标点为圆心，以R为半径确定一个圆，在这里 R选择20m，该圆为一个虚拟的圆； 

步骤S11，从当前发送节点向虚拟圆做两条切线，两条切线之间的夹角记为α，这两条切线所构成的锐角α，即为正确的数据传输方向； 

步骤S12，夹角计算；由于每个节点已知自己与目的节点的地理位置信息（即坐标值），因此当前发送节点可以得到自身与目的节点之间的距离d，又已知步骤S10中确定的圆的半径R为20m，根据几何原理可得到： $\frac{\mathrm{\α}}{2}=\arcsin \frac{R}{d},$ 则 $\mathrm{\α}=2\arcsin \frac{R}{d};$

步骤二，确定转发候选集： 

步骤S20，计算每一个当前发送节点的所有一跳范围内的邻居节点自己是否在两条切线的夹角内，计算方法如下： 

每一个邻居节点按照下面的公式1计算与当前发送节点之间的连线、当前发送节点与目的节点之间的连线组成的夹角β： 

$\mathrm{\β}=\arccos \frac{d_{\mathrm{sc}}^2+d^2-d_{c\sin k}^2}{2\×d_{\mathrm{sc}}\×d}$ （公式1） 

其中，如图5所示，d_sc是邻居节点和当前发送节点之间的距离，d是当前发送节点和目的节点的距离，d_csink是邻居节点和目的节点的距离；若

则将该邻居节点加入转发候选集中作为候选节点；若候选节点的个数不为零，则认为当前发送节点与目的节点之间为直线带状网络结构，即两者之间没有拐角，则执行步骤三，否则认为两者之间有拐角，因为拐角的影响使得当前发送节点向目的节点的虚拟圆上做切线时，切线穿过拐角使得在切线区域内没有传感器节点，因此执行步骤四，针对有拐角的带状网络结构进行转发候选集的确定； 

步骤三，选择转发节点与信息转发： 

根据步骤二中转发候选集的选择结果，由于保证了在当前网络设置（网络节点密度以及参数R等对转发候选集选择成功率有一定影响的参数）下，直线带状区域中的当前发送节点一定能在其邻居节点中找到转发候选集； 

步骤S30，当前发送节点从转发候选集中随机选择一个候选节点作为转发节点，当前发送节点将数据包发送给转发节点，然后将转发节点作为当前发送节点，计算该节点与目的节点之间的距离，如果该距离小于当前发送节点一跳的距离，说明目的节点在当前发送节点一跳范围内，则直接将数据包转发至目的节点，算法结束；否则返回步骤一重复执行步骤，直 至当前发送节点与目的节点之间的距离小于节点的一跳距离，即数据包转发至目的节点； 

步骤四，确定带拐角的带状网络转发候选集； 

步骤S40，若候选节点的个数为零，则当前发送节点与目的节点之间存在拐角，记拐角的角度为θ。这种情况下如果继续沿用步骤一和步骤二直线带状网络选择转发候选集的方法，会存在通信盲区的问题，即所选择的夹角范围根本不在节点的部署范围内。因此需要在转折点处设置一个虚拟的参考面，这个参考面相当于一个平面镜，来辅助确定转发候选集的方向，如图6a所示。具体方法如下： 

由于是带状网络结构，因此拐角也是双层拐角；参考面应该设置在当前发送节点与目的节点的连线靠近外侧的一侧；该虚拟的参考面的设置如下： 

在当前发送节点和目的节点的连线靠近拐角外侧的一侧取一条参考直线，使该参考直线与目的节点所在的带状区域边线的角度η满足以下公式2： 

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{\mathrm{\θ}}{2}$ （公式2） 

并且使当前发送节点距离该直线的距离l满足公式4： 

0＜l＜r（公式4） 

式中，r为当前发送节点一跳的距离；这样就唯一确定了这条参考直线，参考直线距离当前发送节点的距离是随机的，只要在当前发送节点一条的最大距离r之内即可；将该参考直线沿垂直于传感器节点所在的路面的方向延伸形成参考面，参考面在这里的相当于一个平面镜；用于辅助确定节点选择方向、 

步骤S41，从目的节点向参考面做垂线并延伸至参考面的另一侧，在参考面另一侧的垂线上取一参考点，如图6b所示，使该参考点距离参考面的距离与目的节点距离参考面的距离相同；该参考点即为目的节点在“平面镜”另一侧的虚像； 

步骤S42，以参考点的坐标点为圆心，以R为半径做一个圆，此处R取值与步骤一的R值相同，R取20m；从当前发送节点向该圆引两条切线，两条切线之间的夹角为α₁，记当前发送节点与参考点之间的距离为d₁，根据几何原理可得：

则可得：  ${\mathrm{\α}}_1=2\arcsin \frac{R}{d_1};$

步骤S43，在参考面的另一侧取当前发送节点所有一跳范围r内的邻居节点的虚拟节 点，使当前发送节点一跳范围内的邻居节点与其对应的虚拟节点到参考面的距离相等；见图6b，在这个图示中，当前发送节点一跳范围r内的一个邻居节点为nb，nb在参考面另一侧的对应的虚拟节点为nb’； 

步骤S44，根据余弦定理，计算当前发送节点的所有一跳范围内的邻居节点和与邻居节点对应的虚拟节点是否在两条切线的夹角内，计算方法如下： 

每一个邻居节点按照公式5计算该邻居节点与当前发送节点之间的连线、当前发送节点与参考点之间的连线组成的夹角β₁： 

每一个邻居节点对应的虚拟节点按照公式6计算该虚拟节点与当前发送节点之间的连线、当前发送节点与参考点之间的连线组成的夹角β₂： 

${\mathrm{\β}}_1=\arccos \frac{d_{\mathrm{sc}1}^2+{d_1}^2-d_{c\sin k1}^2}{2\×d_{\mathrm{sc}1}\×d}$ （公式5） 

${\mathrm{\β}}_2=\arccos \frac{d_{\mathrm{sc}2}^2+{d_1}^2-d_{c\sin k2}^2}{2\×d_{\mathrm{sc}2}\×d}$ （公式6） 

在公式5和公式6中，d_sc1为邻居节点和当前发送节点间的距离，d_sc2为虚拟节点和当前发送节点间的距离，d₁为当前发送节点和参考点间的距离，d_csink1为邻居节点和参考点之间的距离，d_csink2为虚拟节点和当前发送节点间的距离； 

步骤S45，判断当前发送节点的一跳范围内的每一个邻居节点和该邻居节点对应的虚拟节点是否满足

和

两个条件，如果至少满足两个条件中的一个，说明该邻居节点或者该邻居节点对应的虚拟节点在两条切线的范围内，则将该邻居节点加入当前发送节点的转发候选集中，然后转到步骤三继续执行。 

见图6a，将参考面看做是平面镜，参考点在平面镜另一侧的对应点即为目的节点，以参考点为中心R为半径的圆，即以目的节点为圆心半径为R的圆；则从当前发送节点向参考点引出的两条切线，相当于经过了平面反射，与以目的节点为圆心半径为R的圆相交；在当前发送节点的邻居节点中，有点na、nc既满足在当前发送节点一条范围内，又满足在两条切线的范围内；这个原理与直线型带状网络一致，即在这两个条件约束下，选择的邻居节点符合本方法要求，使整个系统有最小的开销，也缩小了转发候选集；在当前节点一跳范围内的节点nb，其也可以作为转发节点放入转发候选集，但其不在两条切线的范围内，为 了避免漏选这类节点，则在拐角带状网络节点转发时，依次计算当前发送节点的所有一跳范围内的邻居节点和与邻居节点对应的虚拟节点是否在两条切线的夹角内，如果两个条件满足其中一个，则说明该邻居节点符合要求，可以加入当前转发候选集中。 

本发明还提供一种用于实现基于传输方向的无线传感器网络路由方法的装置，如图2所示，该装置包括转发候选集方向夹角确定模块、转发候选集确定模块、选择转发节点与信息转发模块和带拐角的带状网络转发候选集确定模块，其中，转发候选集方向夹角确定模块、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，带拐角的带状网络转发候选集确定模块与选择转发节点与信息转发模块连接。 

所述的转发候选集方向夹角确定模块按下述步骤实现其功能： 

步骤S10，以目的节点的坐标点为圆心，以R为半径确定一个圆，所述的R为20m； 

步骤S11，从当前发送节点向步骤S10确定的圆做两条切线，两条切线之间的夹角记为α， 

步骤S12，记当前发送节点与目的节点之间的距离为d，根据几何原理可得到：  $\frac{\mathrm{\α}}{2}=\arcsin \frac{R}{d},$ 则 $\mathrm{\α}=2\arcsin \frac{R}{d}.$

所述的转发候选集确定模块按下述步骤实现其功能： 

步骤S20，计算当前发送节点的所有一跳范围内的邻居节点是否在两条切线的夹角内，计算方法如下： 

每一个邻居节点按照下面的公式1计算与当前发送节点之间的连线、当前发送节点与目的节点之间的连线组成的夹角β： 

$\mathrm{\β}=\arccos \frac{d_{\mathrm{sc}}^2+d^2-d_{c\sin k}^2}{2\×d_{\mathrm{sc}}\×d}$ （公式1） 

其中，d_sc是邻居节点和当前发送节点之间的距离，d是当前发送节点和目的节点的距离，d_csink是邻居节点和目的节点的距离；若则将该邻居节点加入转发候选集中作为候选节点；若候选节点的个数不为零，则跳转至选择转发节点与信息转发模块继续执行，否则跳转至带拐角的带状网络转发候选集确定继续执行。 

所述的选择转发节点与信息转发模块按下述步骤实现其功能： 

步骤S30，当前发送节点从转发候选集中随机选择一个候选节点作为转发节点，当前发送节点将数据包发送给转发节点，然后将转发节点作为当前发送节点，计算该节点与目的节 点之间的距离，如果该距离小于当前发送节点一跳的距离，则将数据包转发至目的节点，算法结束；否则跳转至转发候选集方向夹角确定模块继续执行，直至数据包转发至目的节点。 

所述的带拐角的带状网络转发候选集确定模块按下述步骤实现其功能： 

步骤S40，若候选节点的个数为零，则当前发送节点与目的节点之间存在拐角，记拐角的角度为θ；在当前发送节点和目的节点的连线靠近拐角外侧的一侧取一条参考直线，使该参考直线与目的节点所在的带状区域边线的角度η满足以下公式2： 

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{\mathrm{\θ}}{2}$ （公式2） 

并且使当前发送节点距离该直线的距离l满足公式4： 

0＜l＜r（公式4） 

式中，r为当前发送节点一跳的距离；将该参考直线沿垂直于传感器节点所在的路面的方向延伸形成参考面； 

步骤S41，从目的节点向参考面做垂线并延伸至参考面的另一侧，在参考面另一侧的垂线上取一参考点，使该参考点距离参考面的距离与目的节点距离参考面的距离相同； 

步骤S42，以参考点的坐标点为圆心，以R为半径做一个圆，R取20m；从当前发送节点向该圆引两条切线，两条切线之间的夹角为α₁，记当前发送节点与参考点之间的距离为d₁，根据几何原理可得： $\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}=\arcsin \frac{R}{d_1,},$ 则 ${\mathrm{\α}}_1=2\arcsin \frac{R}{d_1};$

步骤S43，在参考面的另一侧取当前发送节点所有一跳范围内的邻居节点的虚拟节点，使当前发送节点一跳范围内的邻居节点与其对应的虚拟节点到参考面的距离相等； 

步骤S44，计算当前发送节点的所有一跳范围内的邻居节点和与邻居节点对应的虚拟节点是否在两条切线的夹角内，计算方法如下： 

每一个邻居节点按照公式5计算该邻居节点与当前发送节点之间的连线、当前发送节点与参考点之间的连线组成的夹角β₁： 

每一个邻居节点对应的虚拟节点按照公式6计算该虚拟节点与当前发送节点之间的连线、当前发送节点与参考点之间的连线组成的夹角β₂： 

${\mathrm{\β}}_1=\arccos \frac{d_{\mathrm{sc}1}^2+{d_1}^2-d_{c\sin k1}^2}{2\×d_{\mathrm{sc}1}\×d}$ （公式5） 

${\mathrm{\β}}_2=\arccos \frac{d_{\mathrm{sc}2}^2+{d_1}^2-d_{c\sin k2}^2}{2\×d_{\mathrm{sc}2}\×d}$ （公式6） 

在公式5和公式6中，d_sc1为邻居节点和当前发送节点间的距离，d_sc2为虚拟节点和当前发送节点间的距离，d₁为当前发送节点和参考点间的距离，d_csink1为邻居节点和参考点之间的距离，d_csink2为虚拟节点和当前发送节点间的距离； 

步骤S45，判断当前发送节点的一跳范围内的每一个邻居节点和该邻居节点对应的虚拟节点是否满足

和

两个条件，如果至少满足两个条件中的一个，则将该邻居节点加入当前发送节点的转发候选集中，然后跳转至选择转发节点与信息转发模块继续执行。 

二、本发明方法中各相关参数的确定： 

实验一：研究R对算法性能的影响以及R值的确定； 

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（d）为30m的带状网络区域，并在此区域内随机部署了N=400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。在该实验中，当前发送节点的通信范围，即节点一跳范围（r）采用一般无线网络传感器一跳的距离即60m，根据该带状网络区域的长度可以看出，当前发送节点（源节点）与目的节点之间的距离（d）的取值范围在0m-300m。 

步骤二，取R=5,10,15…,50,55，对于每一个R的值，取d=60,80,100,120,…260,280，因此，总共进行了11×132组评估。为了保证实验结果真实性，每组评估进行1000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7示出了在不同的d取值下，候选集选择成功率随着R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：（1）当d的值小于180m时，无论R取任何值，算法的候选集选择成功率都趋近于1。（2）当R的值大于20时，无论d的值如何变化，算法的候选集选择成功率都趋近于1。这两条观察结果意味着，当R的值小于20时，对于d大于180m的节点（即与sink节点之间的距离大于180m的节点）将出现候选集选择成功率过低的情况。这是由于传播角度（α）依赖于R和d的值

然而， 若R的取值过大又会导致传播角度过大，从而导致候选区域中节点过多的问题，加大了通信开销。因此，在保证算法可靠性的前提下，为了将通信开销降到最低，我们将R的值固定为20； 

实验二：研究网络中节点个数N对算法性能的影响及节点密度的确定； 

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（d）为30m的带状网络区域，目标节点（sink）位于带状网络的中央。在该实验中，我们限定节点的通信范围（r）为60m。为排除R带来的影响，我们将其限定在实验一中确定的最佳状态R=20m。 

步骤二：取N从100到600，按照100的梯度变化，总共进行了6组评估，为了保证实验结果真实性，每组评估进行1000次测试，每一次测试随机从区域中选择节点作为发送节点（即d的取值是随机的）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8示出了R和r值固定的情况下，候选集选择成功率随着全网节点个数（N）的变化趋势。节点个数存N在一个临界阈值使转发候选集选择成功的可能性接近于1。如图9所示，当N的值大于400，即节点密度大于0.222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0.222个/m²的情况下性能最佳，即当节点密度大于0.222个/m²时，无论算法其余参数（例如当前发送节点与目的节点之间的距离d）如何变化，都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0.222个/m²时性能最佳。 

三、本发明方法与其他算法的对比实验 

下来我们通过一组实验来验证该方法相对于其他方法的优势。实验主要对以下四种算法的性能进行比较： 

（1）ODR算法：即本发明提出的方法。 

（2）ODR-modify算法：该算法转发候选集的选择方法与ODR相同，唯一不同的是在选择转发者时，ODR算法是在候选集中随机选取一个节点作为转发者，而ODR-modify算法则是在转发候选集中选取了一个距离目的节点最近的节点作为转发节点。 

（3）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。 

（4）GeRaf_modify算法：该算法转发候选集的选择方法与GeRaf算法相同，唯一不同的是在选择转发者时，GeRaf_modify算法是在转发候选集中随机选取一个节点作为转发者。因此，GeRaf_modify算法可以看做是一个基本算法。 

实验主要从以下几方面来证明本发明的优势： 

①带状网络区域宽度d对算法性能的影响，②全网节点数目对算法性能的影响，③参数R对算法性能的影响； 

（1）带状网络区域宽度d对算法性能的影响： 

仿真网络初始化： 

我们模拟出一个长度（L）为600m，宽度为d的带状网络区域，并在此区域内随机部署了N=400个源节点进行信息采集，目标节点（sink）位于带状网络的中央。在该实验中，我们限定节点的通信范围（r）为60m。根据之前试验结果，我们设定参数R取其最优值20m，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d从20m到70m之间，按10m的梯度变化，总共进行了6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1000次测试，每次测试随机选取源节点。我们观察其包交换次数。 

实验结果： 

图9示出了各个算法全网数据包交换次数与带状网络区域宽度d的关系。从图中可以看出，与GeRaf算法相比，ODR算法的通信开销减少了50%。这是由于ODR算法在选择转发候选集时考虑了方向性，减少了转发候选节点的个数。 

（2）全网节点数目N对算法性能的影响 

仿真网络初始化： 

我们模拟出一个长度（L）为600m，宽度为（d）为30m的带状网络区域，并在此区域内随机部署了N个源节点进行信息采集，目标节点（sink）位于带状网络的中央。在该实验中，我们限定节点的通信范围（r）为60m。根据之前试验结果，我们设定参数R取其最优值20m。 

仿真实验过程： 

在该实验中，取N从100到600之间，按100的梯度变化，总共进行了6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1000次测试，每次测试随机选取源节点。我们观察其包交换次数。 

实验结果： 

图10示出了各个算法全网数据包交换次数与全网节点个数N的关系。从图中可以看出，随着节点个数N的增长，GeRaf算法和GeRaf_modify算法的包交换次数增长迅速，而ODR算法和ODR_modify算法的增长较为平缓。这同样是由于ODR算法和ODR_modify算法在选择转发候选集时考虑了方向性，减少了转发候选节点的个数。 

（3）参数R对算法性能的影响： 

仿真网络初始化： 

我们模拟出一个长度（L）为600m，宽度为（d）为30m的带状网络区域，并在此区域内随机部署了N=400个源节点进行信息采集，目标节点（sink）位于带状网络的中央。在该实验中，我们限定节点的通信范围（r）为60m。 

仿真实验过程： 

在该实验中，取R从5m到30m之间，按5m的梯度变化，总共进行了6组评估。为了保证实验结果真实性，针对每个算法（由于GeRaf算法和GeRaf_modify并不涉及参数R，因此本实验仅仅针对ODR算法和ODR_modify算法），每组评估进行1000次测试，每次测试随机选取源节点。我们观察其包交换次数。 

实验结果： 

图11示出了两个算法全网数据包交换次数与参数R的关系。从图中可以看出，随着参数R的变大，ODR算法和ODR_modify算法的包交换次数增大。这是由于R的增大导致了转发候选节点的增多，造成了一定的信息接收开销。同时，ODR_modify算法的包交换次数明显多于ODR算法，这是由于ODR_modify算法不仅需要考虑转发候选节点带来的信息接收开销，同时还有选择转发者过程中各个节点之间的协调开销。 

四、个案研究： 

仿真网络初始化： 

在对长城进行监测的过程中，被监测区域通常形状非常复杂。为了对这种复杂的带状网络进行模拟，我们截取了榆林长城镇北台的一小段复杂区域作为例子进行研究。该区域的形状如图12所示。目的节点（sink）位于该区域最左边。在该实验中，我们限定节点的通信范围（r）为60m。根据之前试验结果，我们设定参数R取其最优值20m。该实验仅对ODR 算法和GeRaf算法的性能进行比较。 

仿真实验过程： 

在该实验中，取全网节点密度从0.01个/m²到0.028个/m²之间，按0.002的梯度变化，总共进行了10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1000次测试，每次测试随机选取源节点。我们观察传输成功率。 

实验结果： 

如图13所示，DOR算法的传输成功率很明显高于GeRaf。这主要是由于在复杂的带状网络区域内，GeRaf算法仅仅考虑了转发候选节点到与sink节点之间的距离，而并没有考虑方向，从而导致转发节点选择错误，进而导致丢包。 

Claims (7)

1.一种基于传输方向的无线传感器网络路由方法，其特征在于，该方法通过不断调整无线传感器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，转发候选集方向夹角确定： 

步骤S10，以目的节点的坐标点为圆心，以R为半径确定一个圆，所述的R为20m； 

步骤S11，从当前发送节点向步骤S10确定的圆做两条切线，两条切线之间的夹角记为α， 

步骤S12，记当前发送节点与目的节点之间的距离为d，根据几何原理可得到： 

则

步骤二，转发候选集确定： 

步骤S20，计算当前发送节点的所有一跳范围内的邻居节点是否在两条切线的夹角内，计算方法如下： 

每一个邻居节点按照下面的公式1计算与当前发送节点之间的连线、当前发送节点与目的节点之间的连线组成的夹角β： 

（公式1） 

其中，d_sc是邻居节点和当前发送节点之间的距离，d是当前发送节点和目的节点的距离，d_csink是邻居节点和目的节点的距离；若

则将该邻居节点加入转发候选集中作为候选节点；若候选节点的个数不为零，则执行步骤三，否则执行步骤四； 

步骤三，选择转发节点与信息转发： 

步骤S30，当前发送节点从转发候选集中随机选择一个候选节点作为转发节点，当前发送节点将数据包发送给转发节点，然后将转发节点作为当前发送节点，计算该节点与目的节点之间的距离，如果该距离小于当前发送节点一跳的距离，则将数据包转发至目的节点，算法结束；否则返回步骤一重复执行步骤，直至数据包转发至目的节点； 

步骤四，带拐角的带状网络转发候选集确定； 

步骤S40，若候选节点的个数为零，则当前发送节点与目的节点之间存在拐角，记拐角的角度为θ；在当前发送节点和目的节点的连线靠近拐角外侧的一侧取一条参考直线，使该参考直线与目的节点所在的带状区域边线的角度η满足以下公式2： 

（公式2） 

并且使当前发送节点距离该直线的距离l满足公式4： 

0＜l＜r（公式4） 

式中，r为当前发送节点一跳的距离；将该参考直线沿垂直于传感器节点所在的路面的方向延伸形成参考面； 

步骤S41，从目的节点向参考面做垂线并延伸至参考面的另一侧，在参考面另一侧的垂线上取一参考点，使该参考点距离参考面的距离与目的节点距离参考面的距离相同； 

步骤S42，以参考点的坐标点为圆心，以R为半径做一个圆，R取20m；从当前发送节点向该圆引两条切线，两条切线之间的夹角为α₁，记当前发送节点与参考点之间的距离为d₁，根据几何原理可得：

则

步骤S43，在参考面的另一侧取当前发送节点所有一跳范围内的邻居节点的虚拟节点，使当前发送节点一跳范围内的邻居节点与其对应的虚拟节点到参考面的距离相等； 

步骤S44，计算当前发送节点的所有一跳范围内的邻居节点和与邻居节点对应的虚拟节点是否在两条切线的夹角内，计算方法如下： 

每一个邻居节点按照公式5计算该邻居节点与当前发送节点之间的连线、当前发送节点与参考点之间的连线组成的夹角β₁： 

每一个邻居节点对应的虚拟节点按照公式6计算该虚拟节点与当前发送节点之间的连线、当前发送节点与参考点之间的连线组成的夹角β₂： 

（公式5） 

（公式6） 

在公式5和公式6中，d_sc1为邻居节点和当前发送节点间的距离，d_sc2为虚拟节点和当前发送节点间的距离，d₁为当前发送节点和参考点间的距离，d_csink1为邻居节点和参考点之间的距离，d_csink2为虚拟节点和当前发送节点间的距离； 

步骤S45，判断当前发送节点的一跳范围内的每一个邻居节点和该邻居节点对应的虚拟节点是否满足

和

两个条件，如果至少满足两个条件中的一个，则将该邻居节点加入当前发送节点的转发候选集中，然后转到步骤三继续执行。 

2.如权利要求1所述的基于传输方向的无线传感器网络路由方法，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0.222个/m²。 

3.一种用于实现权利要求1所述的基于传输方向的无线传感器网络路由方法的装置，其特征在于，该装置包括转发候选集方向夹角确定模块、转发候选集确定模块、选择转发节点与信息转发模块和带拐角的带状网络转发候选集确定模块，其中，转发候选集方向夹角确定模块、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，带拐角的带状网络转发候选集确定模块与选择转发节点与信息转发模块连接。 

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的转发候选集方向夹角确定模块按下述步骤实现其功能： 

步骤S10，以目的节点的坐标点为圆心，以R为半径确定一个圆，所述的R为20m； 

步骤S11，从当前发送节点向步骤S10确定的圆做两条切线，两条切线之间的夹角记为α， 

步骤S12，记当前发送节点与目的节点之间的距离为d，根据几何原理可得到： 

则

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的转发候选集确定模块按下述步骤实现其功能： 

步骤S20，计算当前发送节点的所有一跳范围内的邻居节点是否在两条切线的夹角内，计算方法如下： 

每一个邻居节点按照下面的公式1计算与当前发送节点之间的连线、当前发送节点与目的节点之间的连线组成的夹角β： 

（公式1） 

其中，d_sc是邻居节点和当前发送节点之间的距离，d是当前发送节点和目的节点的距离，d_csink是邻居节点和目的节点的距离；若

则将该邻居节点加入转发候选集中 作为候选节点；若候选节点的个数不为零，则跳转至选择转发节点与信息转发模块继续执行，否则跳转至带拐角的带状网络转发候选集确定继续执行。 

6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的选择转发节点与信息转发模块按下述步骤实现其功能： 

步骤S30，当前发送节点从转发候选集中随机选择一个候选节点作为转发节点，当前发送节点将数据包发送给转发节点，然后将转发节点作为当前发送节点，计算该节点与目的节点之间的距离，如果该距离小于当前发送节点一跳的距离，则将数据包转发至目的节点，算法结束；否则跳转至转发候选集方向夹角确定模块继续执行，直至数据包转发至目的节点。 

7.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的带拐角的带状网络转发候选集确定模块按下述步骤实现其功能： 

步骤S40，若候选节点的个数为零，则当前发送节点与目的节点之间存在拐角，记拐角的角度为θ；在当前发送节点和目的节点的连线靠近拐角外侧的一侧取一条参考直线，使该参考直线与目的节点所在的带状区域边线的角度η满足以下公式2： 

（公式2） 

并且使当前发送节点距离该直线的距离l满足公式4： 

0＜l＜r（公式4） 

式中，r为当前发送节点一跳的距离；将该参考直线沿垂直于传感器节点所在的路面的方向延伸形成参考面； 

步骤S41，从目的节点向参考面做垂线并延伸至参考面的另一侧，在参考面另一侧的垂线上取一参考点，使该参考点距离参考面的距离与目的节点距离参考面的距离相同； 

步骤S42，以参考点的坐标点为圆心，以R为半径做一个圆，R取20m；从当前发送节点向该圆引两条切线，两条切线之间的夹角为α₁，记当前发送节点与参考点之间的距离为d₁，根据几何原理可得：

则

步骤S43，在参考面的另一侧取当前发送节点所有一跳范围内的邻居节点的虚拟节点，使当前发送节点一跳范围内的邻居节点与其对应的虚拟节点到参考面的距离相等； 

步骤S44，计算当前发送节点的所有一跳范围内的邻居节点和与邻居节点对应的虚拟节点是否在两条切线的夹角内，计算方法如下： 

每一个邻居节点按照公式5计算该邻居节点与当前发送节点之间的连线、当前发送节点与参考点之间的连线组成的夹角β₁： 

每一个邻居节点对应的虚拟节点按照公式6计算该虚拟节点与当前发送节点之间的连线、当前发送节点与参考点之间的连线组成的夹角β₂： 

（公式5） 

（公式6） 

在公式5和公式6中，d_sc1为邻居节点和当前发送节点间的距离，d_sc2为虚拟节点和当前发送节点间的距离，d₁为当前发送节点和参考点间的距离，d_csink1为邻居节点和参考点之间的距离，d_csink2为虚拟节点和当前发送节点间的距离； 

步骤S45，判断当前发送节点的一跳范围内的每一个邻居节点和该邻居节点对应的虚拟节点是否满足

和

两个条件，如果至少满足两个条件中的一个，则将该邻居节点加入当前发送节点的转发候选集中，然后跳转至选择转发节点与信息转发模块继续执行。 

Images