CN104010335B - 一种基于蜂窝结构和坐标定向的rfid路由算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于蜂窝结构和坐标定向的RFID路由算法，其包括蜂窝结构的划分、数据转发域的确定、确定最优下一跳和转发数据过程；所述蜂窝结构的划分以节点S为中心，向周围扩展，以正六边形的蜂窝结构覆盖整个网络区域；所述数据转发域为以源节点S为顶点，两条外切线所辖的角度为α的扇形区域；所述确定最优下一跳的过程包括：源节点S处在正三角形△ABS中，在△ABS的泛相邻三角形中分别用优化函数f(L,W)算出各泛相邻三角形中下一跳的最优点，最终在这些最优点中选择f(L,W)值最小者作为下一跳节点；以此类推实现数据的中间转发过程。本发明综合考虑地理位置信息和簇结构，结合优化函数，能很好地提高数据的转发效率。

Description

一种基于蜂窝结构和坐标定向的RFID路由算法

技术领域

本发明涉及RFID无线传感器网络技术领域，具体涉及一种基于蜂窝结构和坐标定向的RFID路由算法。

背景技术

物联网RFID节点(具有WSN功能的RFID阅读器)在工作过程中，为了使数据能在无线RFID节点间高效地向目标汇集，路由问题是其首要考虑的问题。

现有的WSN路由不等同于RFID路由，二者之间既有相似之处，也有差异之别。其相同点是：均为无线多跳的通信协议。其差异之处为：①RFID节点的主要任务是对区域内物品标签的碰撞识别、读写，其次才是作为中间节点将数据面向目标节点汇集转发，其区域内标签数对其作为中间节点能用于数据转发的工作带宽有影响；②WSN的节点大量散布在无人区，而多个sensor采集同一片区域的重叠数据在从sensor节点到sink的过程中极易消耗能量，其供电电池的替换缺乏可操作性，节能是其考虑的首要因素，故WSN路由协议主要是从如何提高能量利用率的角度来考虑路由的优化；而在物联网环境下RFID节点主要处在供应链领域，能量只是其考虑的因素之一，而不是主要因素。且现有的某些路由协议(如DREAM)还是存在一些缺陷的。

目前现有的WSN路由协议很多，其中具有代表性的平面型路由协议有：洪泛(Flooding)路由协议、信息协商传感器协议SPIN、定向扩散(Directed Diffusion)路由协议、谣传(Rumor)路由协议、闲聊(Gossiping)路由协议和前向主动查询ACQUIRE路由协议。典型的基于地理位置信息的路由协议有LAR(Location-Aided Routing)路由协议、GAF(Geographical Adaptive Fidelity)路由协议、GPSR(Greedy Perimeter StatelessRouting)路由协议、能量位置意识路由GEAR等。基于簇的路由协议主要有：低能量自适应聚类分层LEACH、能量有效性数据收集协议PEGASIS、敏感阈值能量有效TEEN、周期性自适应敏感闭值能量有效路由APTEEN、HeeD协议、TTDD路由协议、多层聚类算法等。

定向区域泛洪路由协议DREAM，该协议中源节点和每个中间节点分别计算自己到目标节点的方向，确定期望域和转发域后，源节点和中间节点均将数据分组转发给转发域的所有一跳邻节点，直到数据分组成功递交给目标节点。

物联网RFID路由研究很少，卢旭认为RFID路由等同于WSN路由(卢旭，基于簇的RFID传感器网络路由协议研究，广东工业大学工学硕士学位论文，2009年5月)；Cabrera提出的基于WSN和RFID的智能家居中其无线路由仍采用WSN的简单多跳通信协议(CabreraAltamirano Ivan,Rodriguez Henriquez Francisco,A scalable intelligent roombased on wireless sensor networks and RFIDs,Program and Abstract Book-20107th International Conference on Electrical Engineering,Computing Science andAutomatic Control,CCE 2010,p434-439)。

以上各种方法的缺点分别在于：

(1)基于地理位置信息的路由协议，侧重于单从地理位置信息的角度出发研究路由问题；基于簇的路由协议，则侧重于单从簇的角度研究路由问题，未能将地理位置信息和簇等因素整合起来，综合地考虑路由问题。

(2)大多数研究人员所研究的是WSN路由而非真正意义上的物联网RFID路由。

理由如下：两者均为一种无线多跳的通信协议；但其差异之处为：①RFID节点的主要任务是对区域内物品标签的碰撞识别、读写，其次才是作为中间节点将数据面向目标节点汇集转发，其区域内标签数对其作为中间节点能用于数据转发的工作带宽有影响；②WSN的节点大量散布在无人区，而多个sensor采集同一片区域的重叠数据在从sensor节点到sink的过程中极易消耗能量，其供电电池的替换缺乏可操作性，节能是其考虑的首要因素，故WSN路由协议主要是从如何提高能量利用率的角度来考虑路由的优化；而在物联网环境下RFID节点主要处在供应链领域，能量只是其考虑的因素之一，而不是主要因素。

由此可见，RFID节点与WSN节点主要任务、工作环境及上下文因素等有不同，两者路由仍存在很大差异，RFID路由不能简单地等同于WSN路由，目前此领域的研究仍处于待开拓状态。

(3)现有的定向区域泛洪路由协议DREAM中，对到达目标节点的泛洪范围进行了限制，但在节点数目多、数据量大的网络中，数据分组在转发区域内进行泛洪，将会消耗大量的能量。本提案中的算法采用一种优化函数来具体确定数据包该转发给某一最优节点，从而避免盲目泛洪和能量的大量消耗。

发明内容

本发明为了避免片面考虑单种因素(如地理位置信息、簇结构等)和避免盲目泛洪消耗大量能量，本发明综合考虑地理位置信息和簇结构并结合优化函数，提出了一种基于蜂窝结构和坐标定向的RFID路由算法，具体技术方案如下。

一种基于蜂窝结构和坐标定向的RFID路由算法，其特征在于包括蜂窝结构的划分、数据转发域的确定、确定最优下一跳和转发数据过程；

所述蜂窝结构的划分过程包括：将所有RFID阅读器作为节点，节点S为源节点，节点D为目标节点，在目标节点D处以D为圆心、以目标节点D通信半径Rc≥2R为半径画圆D，则圆D所在区域为目标节点D期望域；以节点S为中心，向周围扩展，以正六边形的蜂窝结构覆盖整个网络区域，R为所述正六边形的边长；

所述数据转发域的确定过程包括：在源节点S处向圆D引两条外切线，形成的可转发角度为α，其中距离|SD|通过源节点S和目标节点D的已知坐标求得，故数据转发域即为以源节点S为顶点，两条外切线所辖的角度为α的扇形区域；

所述确定最优下一跳的过程包括：

令起始节点即源节点S处在正三角形△ABS中，正三角形边长为R，在源节点转发角度α所辖的范围内的△ABS的泛相邻三角形均能作为源节点S的下一跳的落点，在所述△ABS的泛相邻三角形中分别用优化函数f(L,W)算出各泛相邻三角形中下一跳的最优点，最终在这些最优点中选择f(L,W)值最小者作为下一跳节点；

所述转发数据的过程包括：

以源节点S的下一跳节点作为新的起始节点，该新的起始节点确定新的下一跳节点的方法与上述确定最优下一跳的方法一致，以此类推实现数据的中间转发过程；当转发至其中一节点S5时，若以点S5为圆心，通信半径Rc＝2R为半径进行扫描，该扫描区域圆S5与目标期望域圆D有重叠，则在重叠区域内任选一个空闲节点进行转发至目标节点D。

进一步优化的，若数据转发的过程中，某一个中间节点按照下所述确定最优下一跳的过程在邻节点中找不到下一跳节点时，采用回溯法，将数据包回溯转发给上一个节点，再由上一节点选择另外的次优邻节点进行转发。

进一步优化的，所述优化函数f(L,W)＝Rc/L-1+W，其中W为RFID阅读器的通道利用率；L为节点转发一次的距离，L小于或等于Rc；定义通道可容纳的最大数据包数为N个，通道的数据包为n个，0≤n≤N，则该节点的带宽利用率为当f(L,W)的值越接近0时，则该节点就越优；当n＝N时，则该节点的带宽利用率已饱和，不能作为下一跳的节点。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明针对现有的WSN路由与RFID路由存在的差异，提出了一种基于蜂窝结构和坐标定向的RFID路由算法。其主要内容包括：蜂窝结构的划分、数据转发方向的确定、确定最优下一跳、转发数据。该方案中坐标定向避免了转发方向的随意性(如全面泛洪)，优化函数的运用避免了能量的大量消耗，簇范畴的蜂窝结构内的正三角形划分使遴选最优下一跳节点能在一定的小范围内考虑问题，从而化繁为简。总之，该方法综合考虑地理位置信息和簇结构，结合优化函数，能很好地提高数据的转发效率。

附图说明

图1为实例中泛相邻三角形的划分示意图。

图2为RFID系统模拟场景及蜂窝结构的划分示意图。

图3为实例中确定最优下一跳及数据转发的流程示意图。

具体实施方式

以上内容已经对本发明作了清楚完整的说明，以下再结合附图对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。若有未特别说明的判断或计算过程，可参照常规技术进行。

一种基于蜂窝结构和坐标定向的RFID路由算法，主要内容包括：蜂窝结构的划分、数据转发方向的确定、确定最优下一跳、转发数据。

关于泛相邻正三角形的定义，如图1。

泛相邻正三角形用于将一片区域分成多个由6个正三角形组成的正六边形后，便于描述与某个正三角形有共同顶点的正三角形，其如图1所示：若一个RFID节点O处在正三角形ABC中，则分别以A、B、C三点为中心的正六边形内的所有正三角形都是正三角形ABC的泛相邻三角形。如图1所示，正三角形ABC周边的所有正三角形均为正三角形ABC的泛相邻正三角形(简称泛相邻三角形)。

本发明中所述RFID节点是具有WSN功能的RFID阅读器，能对区域内物品标签进行碰撞识别、读写，各RFID节点之间能进行数据转发；而传统的阅读器节点之间通常不进行数据交流，而是将数据统一上传到更上一层的处理中心进行处理。

正三角形区域最优点(简称正三角形最优点)的确定：

当一个源节点或中间节点选取最优下一跳节点时，衡量一个节点是否最优，主要由转发距离L和节点的带宽利用率W决定。一方面，当一个节点转发数据时，若转发一次的距离L(不大于节点的通信半径Rc)越大，则从源节点达到目标节点所经过的节点数越少，从大大减少转发过程所造成的时延。另一方面，目前RFID阅读器已有通道结构设计，通道的利用率即可近似地表示带宽利用率W。定义通道可容纳的最大数据包数为N个，某一时刻的数据包为n(0≤n≤N)个，则带宽利用率为定义归一优化函数f(L,W)＝Rc/L-1+W,当f(L,W)的值越接近0时，则该节点就越优；一种特殊情况，当n＝N时，则该点的利用率已饱和，不能作为下一跳的节点。

如图1，为保证三角形ABC中的O点能到达其任意泛相邻三角形内的任意一点，设节点的通信半径为Rc，则正六边形的边长R必须满足Rc≥2R。如当O点与B点重合时，要使O点能与最远的D点通信，则必须满足Rc最小为2R。

基于蜂窝结构和坐标定向的RFID路由新算法具体过程描述如下：

1、蜂窝结构的划分

在如图2的RFID系统模拟场景中，随机性地布满RFID阅读器节点，节点周围分布着众多的标签(图2中的点均为RFID节点，鉴于讨论的重点是负责数据转发的RFID节点，故RFID节点周围的标签未在图中画出)。节点S(X1，Y1)为源节点，点D(Xn,Yn)为目标节点(各点的坐标可通过GPS等手段获得)，在目标节点D处以通信半径Rc＝2R为半径画⊙D(⊙D表示以节点D为圆心的圆)，则⊙D所在区域为目标节点的期望域。以点S为中心，向周围扩展，以正六边形的蜂窝结构覆盖整个区域。(本实例中正六边形的边长R为Rc的二分之一大小。)

2、数据转发域的确定

如图2，在源节点S处向⊙D引两条外切线，所形成的可转发角度为α，其中|SD|通过源节点S和目标节点D的已知坐标求得，故数据转发域即为以源节点S为顶点，两条外切线所辖的角度为α的扇形区域。

3、确定最优下一跳

图2中，源节点S处在正△ABS中，在其转发角度α所辖的范围内，△ABE、△BEF和△AEG均为△ABS的泛相邻三角形，△ABE、△BEF和△AEG均可作为节点S的下一跳的落点。在△ABE、△BEF和△AEG中分别用优化函数f(L,W)算出三个下一跳的正三角形最优点S2、S3和S4。最终在S2、S3和S4中，选择f(L,W)值最小者作为下一跳节点。如图2中，假设S2的f(L,W)值最小，则S2作为下一跳，数据包从源节点S转发至S2。

4、转发数据

重复上述确定最优下一跳中的步骤，如图2，节点S2通过向⊙D引两条外切线，并确定转发角度β后，节点S2所在的△BEF的泛相邻三角形中分别遴选出三个下一跳的正三角形最优点S5、S6、S7，并且不妨设S5为最终的最优点，故S5为S2的下一跳节点，以此类推实现中间的转发过程。

当转发至某节点时(如图2中的节点S5)，若以点S5为圆心，通信半径Rc＝2R为半径进行扫描，若扫描区域⊙S5与目标期望域⊙D有重叠，则可在重叠区域内任选一个空闲节点(如图2中的S8)进行转发，而无需考虑转发距离L，因为只要下一跳节点落在重叠区域就一定能转发至目标节点D。

以上数据转发只考虑理想的情况下，若数据转发的过程中，某一个中间节点按照下一跳选择策略在邻节点中找不到下一跳节点时，便出现了通信空洞的情形。当出现通信空洞时，可以采用回溯法，将数据包回溯转发给上一个节点，再由上一节点选择另外的次优邻节点进行转发。例如：A点把数据包转发给下一跳最优节点B，但节点B遇到通信空洞，则节点B把数据包回溯转发给节点A，再由A点选择次优于B点的C点进行数据包转发。

有上述实例可知，该方法综合考虑地理位置信息和簇结构，结合优化函数，能很好地提高数据的转发效率。

Claims (2)

1.一种基于蜂窝结构和坐标定向的RFID路由算法，其特征在于包括蜂窝结构的划分、数据转发域的确定、确定最优下一跳和转发数据过程；

所述蜂窝结构的划分过程包括：将所有RFID阅读器作为节点，节点S为源节点，节点D为目标节点，在目标节点D处以D为圆心、以目标节点D通信半径Rc≥2R为半径画圆D，则圆D所在区域为目标节点D期望域；以节点S为中心，向周围扩展，以正六边形的蜂窝结构覆盖整个网络区域，R为所述正六边形的边长；

所述数据转发域的确定过程包括：在源节点S处向圆D引两条外切线，形成的可转发角度为α，其中距离|SD|通过源节点S和目标节点D的已知坐标求得，故数据转发域即为以源节点S为顶点，两条外切线所辖的角度为α的扇形区域；

所述确定最优下一跳的过程包括：

令起始节点即源节点S处在正三角形△ABS中，正三角形边长为R，在源节点转发角度α所辖的范围内的△ABS的泛相邻三角形均能作为源节点S的下一跳的落点，在所述△ABS的泛相邻三角形中分别用优化函数f(L,W)算出各泛相邻三角形中下一跳的最优点，最终在这些最优点中选择f(L,W)值最小者作为下一跳节点；

所述转发数据的过程包括：

以源节点S的下一跳节点作为新的起始节点，该新的起始节点确定新的下一跳节点的方法与上述确定最优下一跳的方法一致，实现数据的中间转发过程；当转发至其中一节点S5时，若以点S5为圆心，通信半径Rc＝2R为半径进行扫描，该扫描区域圆S5与目标期望域圆D有重叠，则在重叠区域内任选一个空闲节点进行转发至目标节点D；所述优化函数f(L,W)＝Rc/L-1+W，其中W为RFID阅读器的通道利用率即带宽利用率；L为节点转发一次的距离，L小于或等于Rc；定义通道可容纳的最大数据包数为N个，通道的数据包为n个，0≤n≤N，则该节点的带宽利用率为当f(L,W)的值越接近0时，则该节点就越优；当n＝N时，则该节点的带宽利用率已饱和，不能作为下一跳的节点。

2.根据权利要求1一种基于蜂窝结构和坐标定向的RFID路由算法，其特征在于若数据转发的过程中，某一个中间节点按照所述确定最优下一跳的过程在邻节点中找不到下一跳节点时，采用回溯法，将数据包回溯转发给上一个节点，再由上一节点选择另外的次优邻节点进行转发。