CN104703245B - 基于德洛内三角剖分的空洞绕行地理路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于德洛内三角剖分的空洞绕行地理路由方法。该方法主要用来解决现有地理路由贪婪转发时遭遇空洞问题，提高绕行路由空洞效率。基本步骤为：1）每个节点维护一张邻居表且以为周期广播一跳协议包，设定节点默认转发数据模式为贪婪转发；2）节点处理接收的数据：以贪婪模式转发数据包，若贪婪转发失败，则转步骤4）；3）判断数据包是否到达目的节点，若是则完成发送，否则返回步骤2）继续转发数据；4）若当前节点转发遭遇空洞出现局部极值，进入周边转发模式选取下一跳，直至数据包到达目的节点。

Description

基于德洛内三角剖分的空洞绕行地理路由方法

技术领域

本发明是基于德洛内三角剖分的空洞绕行地理路由方法，属于无线传感器网络中地理路由领域。

背景技术

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks）通过大量部署在监测区域内的传感器节点，采集感知对象的信息，并传输这些采集的信息至用户。在无线传感器网络中，地理路由协议使得数据分组可以通过多跳无线传输到达指定地理位置的节点，因而具备广泛应用。

在地理路由算法下，每个节点周期向邻居节点发送包（或包），并且接收邻居节点发送的包，同时节点维护一张邻居表以记录邻居节点的位置信息。在传输数据时，节点选择距离目的节点最近的邻居节点进行数据分组的转发，即贪婪转发模式。贪婪转发模式由于其原理简单，计算复杂度很低，并且生成的路径接近最优路径等特点，成为地理路由算法中最常用的转发策略。但在实际的传感器网络中，由于网络部署不均匀，部分传感器节点因故障或能量耗尽而失效，导致网络形成“空洞”，即局部极值问题。路由空洞是贪婪转发中不可避免的一个问题，解决路由空洞问题的主要方法是：借助某种非贪婪机制解决局部最优，例如平面图避洞中的周边路由模式、洪泛避洞、启发式避洞等。其中周边转发利用右手准则绕洞会延长整个路径长度，产生额外的能耗。洪泛避洞虽然能确保绕行空洞成功，但是能耗较大，浪费网络资源。启发式避洞算法通过利用网络拓扑信息和空洞位置绕行空洞，但并不能够确保数据传输的可靠性。

网络平面化需要将网络在周边转发模式之前进行平面化处理，即将网络通过平面化算法，形成以节点为顶点、链路为边且边不相交的二维平面图。地理路由协议中常用的平面图有图和图，图和图将整个图分成许多小的互不重叠的有界多边形和一些无界区域，有界区域称为内部面，无界区域称为外部面。数据分组在边界转发时依次沿着这些面的边界转发，在每个面中，依据右手法则选择下一条边。德洛内（）三角网由一系列相连的但不重叠的三角形的集合，而且这些三角形的外接圆不包含这个面域的其他任何点。德洛内三角网的优点是结构良好，数据结构简单，数据冗余度小，存储效率高，与不规则的地面特征和谐一致，可以表示线性特征和迭加任意形状的区域边界，易于更新。

本发明提出一种基于德洛内三角剖分的空洞绕行地理路由方法，解决了无线传感器网络数据转发过程中遭遇空洞而引起的通信中断问题。第一，针对空洞绕行造成开销增大的问题，本方法通过建立黄金椭圆覆盖空洞，在椭圆内执行德洛内三角剖分，去边建权后依据权值和距离选择下一跳进行转发，使得数据包能够沿着空洞边界进行转发，较大的缩短了路由长度。第二，针对路由平面化问题，本发明提出基于德洛内三角剖分对网络平面进行剖分，计算复杂度相对较低。

发明内容

针对无线传感器网络地理路由协议中遭遇空洞开销过大以及传输不稳定等问题，本发明提出一种基于德洛内三角剖分的空洞绕行地理路由方法。节点默认以贪婪模式传输数据包，当传输遭遇空洞时，以当前节点和目的节点为焦点作椭圆。在椭圆内执行德洛内三角剖分，在完成剖分的椭圆中进行去边操作，以边倾斜角度为依据建立权值，根据边的权值和距离选取下一跳完成传输，主要有以下步骤：

1）初始化操作：每个节点维护一张邻居表，并且以为周期广播一跳协议包，节点发送数据包时，设定默认转发模式为贪婪转发；

2）节点处理接收的数据：以贪婪模式转发数据包，即在邻居节点中贪婪选取离能量优化距离最近的节点作为下一跳，并且交付数据包至下一跳，若贪婪转发失败，执行步骤4）；

3）若当前节点为目的节点则完成数据包的发送过程，否则继续转发数据，执行步骤2），；

4）若当前节点转发遭遇空洞出现局部极值，进入周边转发模式：规划一个合理的椭圆平面区域，在平面区域内执行德洛内三角剖分，在完成剖分的平面中进行去边操作，以边倾斜角度为依据建立权值，根据边的权值和长度选取下一跳，并且交付数据包至下一跳，直至数据包到达目的节点，完成发送过程。

本发明优势：

1）以转发失败节点和目的节点为基准建立一个趋向完美的椭圆，在椭圆内执行平面化算法，剖分复杂度相对较低；

2）空洞绕行方法中，不以最大距离进行传输，增加少许路由跳数，可提供可靠传输；

3）空洞绕行方法中，以角度为基准构造边的权值，边的角度越小，转发路径越接近直线传输，最终使得数据包沿着洞边界转发，较大地缩短通信距离；

4）平面剖分后，去掉超出能量优化距离以外的边，降低了整个网络能耗。

附图说明

图1是本发明路由建立流程图；

图2是本发明贪婪转发场景图；

图3是本发明贪婪转发遭遇空洞场景图；

图4是本发明平面的德洛内三角剖分图；

图5是本发明去边操作图；

图6是本发明路由重建图。

具体实施方式

1）初始化部署：每个节点周期向邻居节点发送协议包告知自身的坐标位置，设定，并且接受邻居节点发送的协议包获取邻居节点坐标位置，设定节点默认的转发模式为贪婪转发；

2）在贪婪转发模式下进行数据包传递，各个节点在邻居节点中贪婪选取能量优化距离（）内的节点作为下一跳，最终生成的转发路径为一条拟直线，参见附图2，源节点产生数据包，向目的节点D发送，若节点均为有效节点，最终生成的通信路径如图中黑色箭头所示；

3）参考附图3，当某节点贪婪转发数据包失败时，以此失败节点和数据包的目的节点为焦点作椭圆，设定椭圆的离心率规划椭圆大小，根据椭圆的性质得到椭圆的长轴与短轴如下：

长轴： （1）

短轴： （2）

其中：椭圆的离心率为，焦距为，初始设定离心率；

4）参考附图4，以椭圆为平面，利用椭圆内节点（不包括已经死亡的空洞节点）对椭圆平面进行德洛内三角剖分，剖分后得到由三角形组成的平面图；

5）参考附图5，在完成德洛内三角剖分后的平面区内进行去边操作，若剖分后的边长大于节点的通信范围，则在通信时节点不会沿着该边进行转发，所以首先去除距离超出节点通信范围以外的边，然后再去除距离超出能量优化距离以外的边，如图中所示的虚线边；

6）参考附图6，对于节点，所关联的边有4条，其中一条是上一跳的转发路径，除去此条边，对于剩余的3条边，设其与椭圆焦点连线角度为，对3条边进行赋权值：当时，设定该边的权值为1，当时，设定该边的权值为2，当时，设定该边的权值为3，权值设为4；

根据定位服务可知各个节点的坐标位置：，，，，，，，，，，由公式（3）得到对应的角度约为，对应的角度约为，对应的角度约为，根据公式（4）划分边的权值，计算出节点所关联的3条边的权值有、、，如图6中所示；

（3）

（4）

7）下一跳的选取：当前节点在选择下一跳节点时，选择权值较小的边所对应的节点作为下一跳，若出现权值相同的边则对边长进行比较，选择边长最长的边所对应的节点作为下一跳；

参考附图6，节点选择节点作为下一跳进行转发，选择通过本发明所用方法绕行空洞，最终形成的通信路径如图6中黑色箭头所示；

8）若绕行转发失败，则减小离心率，并且在去边操作时，保留三角形中距离大于的边，随着离心率的减小，椭圆的短轴将扩大进而接近一个圆形，这样使得覆盖平面增大，同时恢复距离大于的边，增加路由绕行的成功率。

Claims (5)

1.基于德洛内三角剖分的空洞绕行地理路由方法，其特征在于转发节点的选择，所述方法至少包括以下步骤：

1）初始化操作：每个节点维护一张邻居表，并且以为周期广播一跳协议包，节点发送数据包时，设定默认转发模式为贪婪转发；

2）节点处理接收的数据：以贪婪模式转发数据包，即在邻居节点中贪婪选取离能量优化距离最近的节点作为下一跳，并且交付数据包至下一跳，若贪婪转发失败，执行步骤4）；

3）判断当前节点是否为目的节点，若是则完成数据包的发送过程，否则继续转发数据，执行步骤2），；

4）若当前节点转发遭遇空洞出现局部极值，进入周边转发模式：规划一个椭圆平面区域，在平面区域内执行德洛内三角剖分，在完成剖分的平面中进行去边操作，以边倾斜角度为依据建立权值，根据边的权值和长度选取下一跳，并且交付数据包至下一跳，直至数据包到达目的节点，完成发送过程；

其特征在于平面区域的建立和平面的三角剖分，所述方法至少还包括：

1）当某节点贪婪转发数据包失败时，建立平面区域，平面区域为椭圆所在的二维平面；

2）建立椭圆区域：以失败节点和数据包的目的节点为焦点作椭圆，得到椭圆的长轴与短轴如下：

长轴：,

短轴：，

其中：椭圆的离心率为，焦距为；

3）以椭圆为剖分区域，利用区域内节点，不包括已经死亡的空洞节点，对区域进行德洛内三角剖分。

2.根据权利要求1所述的基于德洛内三角剖分的空洞绕行地理路由方法，其特征在于初始前提条件，所述方法至少还包括：

1）在地理路由中，每个节点通过或者节点定位技术获取自己当前的地理位置信息；

2）整个网络每个节点以为周期广播协议包，各节点通过该协议包交换各自的位置信息；

3）每个节点保存一张邻居表，记录邻居节点的位置信息；

4）设定节点默认转发模式为贪婪转发，即在邻居节点中贪婪选取离能量优化距离最近的节点作为下一跳，并且交付数据包至下一跳。

3.根据权利要求1所述的基于德洛内三角剖分的空洞绕行地理路由方法，其特征在于德洛内三角剖分后的去边操作，所述方法至少还包括：

1）在完成三角剖分之后，去除距离大于节点通信范围的边；

2）根据网络能耗消耗特征，提取出能量优化的传输距离，去除三角形中距离大于的边，若除去这些边后造成传输不成功，则恢复这些边。

4.根据权利要求1所述的基于德洛内三角剖分的空洞绕行地理路由方法，其特征在于构造平面区域内边的权值和选取下一跳转发节点，所述方法至少还包括：

1）建立当前节点所关联的边与两焦点所在的边的角度，计算方法如下：

，

其中：代表当前节点，为其邻接节点，当前节点与其邻接节点连线所在的向量，为椭圆焦点连线所在的向量，指定为前进方向，为二者之间的角度；

2）划分角度区间构造平面内边的权值：根据1）中得到的，以为区间进行角度划分，构造结果如下：

，

其中：为边的权值，为边与焦点连线之间的角度；

3）下一跳的选取：当前节点在选择下一跳节点时，选择权值小的边所对应的节点作为下一跳，若出现权值相同的边则对边长进行比较，选择边长最长的边所对应的节点作为下一跳。

5.根据权利要求1所述的基于德洛内三角剖分的空洞绕行地理路由方法，其特征在于动态设定椭圆离心率和修改去边操作，所述方法至少还包括：

1）根据传输情况调整椭圆得到离心率，若后续传输不成功，则减小离心率以增大椭圆覆盖范围，重新进行德洛内三角剖分；

2）剖分后只去除三角形中超出通信范围以外的边，保留三角形中距离大于的边。