CN105246120A - 一种数据传输时延和跳数受限的Sink节点移动路径分布式选择方法 - Google Patents

Abstract

一种数据传输时延和跳数受限的Sink节点移动路径分布式选择方法，包括第一步：Sink节点的移动路径计算，1.1)网络启动后，收集传感节点信息；1.2)计算虚拟斥力和引力，及其合力；1.3)根据合力大小计算Sink节点在当前网格中心的停留时间；1.4)根据合力方向和传感节点的剩余能量，计算下一个停留网格中心；1.5)如果已选择的所有网格中心的停留时间和不超过数据传输时延最大值，则返回1.1)，否则沿着获得的移动路径循环收集数据；第二步：传感节点的数据通信，包括基于节点剩余能量的数据路由方法和数据传输。本发明有效降低时间复杂度、提高数据收集量和节点覆盖率和降低传感器节点感知数据的丢弃量。

Description

一种数据传输时延和跳数受限的Sink节点移动路径分布式选择方法

技术领域

本发明涉及移动无线传感网领域，尤其涉及的是一种数据传输时延和跳数受限的Sink节点移动路径分布式选择方法。

背景技术

无线传感网(wirelesssensornetworks,WSNs)由具有电池、微型处理器和无线电收发器等组件的传感节点、Sink节点和网关节点组成。每个传感节点感知信息，并发送给Sink节点。Sink节点作为汇聚节点，进一步处理接收到的信息后转发给网关节点。网关节点收集所有传感节点的信息，并提供给用户参考和应用。无线传感网的应用领域可分为两大类：监控应用(如动物栖息地监控、楼宇监控、设备监控、温室监控等)和跟踪应用(如动物跟踪、车辆跟踪、供应链中货物跟踪等)。目前无线传感网受到政府的高度重视，已成为学术界和产业界的热门研究领域。

目前在危险环境(如火山、放射区、有毒化工区等)监测、灾难搜救、军事领域等应用领域中，通常采用传感节点周期性上报数据且节点位置固定不变的静态无线传感网。但是静态无线传感网会出现如下问题：离Sink节点近的传感节点需要发送较多其它传感节点的数据，导致这些传感节点能量消耗较快，且过早失效。这个问题通常被称为无线通信的热点问题或Sink节点的空穴问题。为了处理这个问题，引入Sink节点的移动。Sink节点的移动不仅能平衡传感节点之间的能量消耗，而且能连接网络中的分裂区域。

近年来，国内外学者对Sink节点的移动路径选择方法进行了一些研究，取得一些成果。有些学者研究Sink节点移动路径的集中式方法。如M.EmreKeskin等考虑Sink节点的静态收集和移动收集，建立网络生存时间的优化模型。采用最优化方法，将优化模型转化成线性模型，通过商业软件求解最优解。郭剑等将监测区域分成若干个圆盘，在每一个圆盘中寻找一个Sink节点的采集点，并采用量子遗传算法求解能遍历所有采集点的最短路径。WangLiu等采用理论推导的方法研究Sink节点移动到若干个RP点(RendezvousPoint)时的最优方案。ArunK.Kumar等提出一种分簇方法。即根据节点的位置将网络中所有节点分成多个簇，采用TSP求解算法计算Sink节点遍历所有簇中心的最短路径。王章权等将Sink节点的监测区域划分为若干个网格，建立数据传输时延受限下Sink节点1跳数据收集的优化函数，采用遗传算法求解Sink节点的移动路径。HamidrezaSalarian等提出一种加权集合规划方法(weightedrendezvousplanning,WRP),即根据到最近RP点的跳数和子节点的数量，计算所有传感节点的权值，选择若干个权值较大的节点作为RP点，采用TSP求解算法计算Sink节点遍历所有RP点的最短路径。但是这些集中式方法假设Sink节点能收集和分析其监测区域内所有传感节点的信息，其时间复杂度随传感节点数量的增多而急剧变大，因此这些方法比较适用于节点数量和数据传输跳数较少的移动无线传感网。

另一些学者研究Sink节点移动路径的分布式选择方法，如KeontaekLee等考虑Sink节点的起初地址、数据收集路由和停留时间等因素，建立混合整数线性规划模型，提出贪婪最大剩余能量方法(GreedyMaximumResidualEnergy,GMRE)。当邻居位置周围的节点剩余能量比当前位置上的大，则移动到该邻居节点。StefanoBasagni等考虑节点的网格分布和Manhattan路由，建立Sink节点移动的线性优化模型，提出一种启发式方法。即根据节点的剩余能量和方差，计算变异系数。当变异系数小于指定阈值时，Sink节点移动到下一个停留位置上收集数据。ChufuWang等提出移动Sink节点的能量感知迁移方法(EASR，energy-awaresinkrelocation)。EASR使用最大容量路径(MCP，maximumcapacitypath)协议收集数据。当两个搬迁条件满足时，启动Sink的移动，找到下一个具有最大权值的移动位置。但是这些分布式选择方法没有考虑实际无线传感网系统中数据传输时延和跳数受限情况。

总之，Sink节点移动路径的集中式方法时间复杂度较大。而且在实际的无线传感网系统中，具有较小数据传输跳数的传感节点数据不容易丢包，具有过大数据传输跳数的传感节点数据容易丢包，甚至不能传输到Sink节点。同时由于硬件成本的限制，传感节点的数据存储空间有限，传感节点的数据传输时延不宜过大，否则会造成大量数据的丢失。

发明内容

为了克服已有无线传感网Sink节点移动路径选择方式的时间复杂度较大、数据收集量和节点覆盖率较低、数据丢弃量较大的不足，本发明提供一种有效降低时间复杂度、提高数据收集量和节点覆盖率和降低传感器节点感知数据的丢弃量的数据传输时延和跳数受限的Sink节点移动路径分布式选择方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种数据传输时延和跳数受限的Sink节点移动路径分布式选择方法，所述选择方法包括如下步骤：

第一步Sink节点的移动路径计算，过程如下：

1.1)Sink节点广播信息查询包，接收其数据通信范围内的传感节点的地址、位置坐标、剩余能量和到Sink节点的数据通信跳数信息，接收到Sink节点的跳数为最大数据传输跳数的传感节点的邻居节点地址、位置坐标、剩余能量和到Sink节点的数据通信跳数信息，根据接收到的传感节点信息更新Sink节点的传感节点信息表；

1.2)Sink节点分析当前位置周围的边界、障碍物和空洞情况，计算边界虚拟斥力、障碍物虚拟斥力、空洞虚拟斥力、到Sink节点的跳数为最大数据传输跳数加1的传感节点虚拟引力，计算虚拟力的合力；

1.3)根据合力大小计算Sink节点在当前停留网格中心的停留时间，计算公式如下

$t_g=\left\{\begin{array}{c}2d_{gird}/v,\left|\stackrel{\→}{F}\right|\≤F_{th}\\ d_{gird}/v,\left|\stackrel{\→}{F}\right|>F_{th}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，t_g表示Sink节点在网格中心g的停留时间，F_th表示判断阈值，表示合力大小，v表示Sink节点的移动速率，d_gird表示相邻网格中心的距离，Sink节点广播包含自身地址和位置坐标信息的路由信息包，接收其数据通信范围内传感节点的感知数据；

1.4)Sink节点分析当前停留网格中心的邻居网格中心，删除不可移动的边界和障碍物所在的网格中心和空洞区域内的网格中心，并根据Sink节点的停留次数，建立停留次数最小的网格中心集合，分别计算合力与从Sink节点的当前停留网格中心到集合中每一个网格中心的距离向量的夹角δ

$\mathrm{\δ}=abs\left(acos\right(\frac{\stackrel{\→}{F}*\stackrel{\→}{d_{sg}}}{\left|\stackrel{\→}{F}\right|*\left|\stackrel{\→}{d_{sg}}\right|}\left)\right)---\left(5\right)$

其中，abs()表示取绝对值函数，acos()表示反余弦函数，表示从Sink节点的当前停留网格中心到网格中心g的距离向量，表示向量的大小，根据向量夹角δ，选择使夹角最小的网格中心作为Sink节点的下一个停留网格中心；

1.5)经过Sink节点在当前停留网格中心的停留时间t_g后，Sink节点移动到下一个停留网格中心，如果已选择的所有网格中心的停留时间和不超过数据传输时延最大值，则返回步骤1.1)，否则，Sink节点寻找到一条移动路径，并沿着该移动路径循环收集数据；

第二步传感节点的数据通信，包括如下过程：

2.1)基于节点剩余能量的数据路由方法；

2.2)数据传输。

进一步，所述步骤1.2)中，虚拟斥力的计算公式如下

$\stackrel{\&RightArrow;}{F_x}=\left\{\begin{array}{cc}0,& \left|\stackrel{\&RightArrow;}{d_x}\right|>d_{\max }\\ -x_1/\left(\stackrel{\&RightArrow;}{d_x}-1.5d_{grid}\right),& 1.5d_{grid}<\left|\stackrel{\&RightArrow;}{d_x}\right|\&le;d_{\max }\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，表示边界虚拟斥力障碍物虚拟斥力和空洞虚拟斥力x₁表示边界虚拟斥力系数x_b，障碍物虚拟斥力系数x_z和空洞虚拟斥力系数x_k，表示有向距离向量和d_grid表示网格的边长，表示有向距离向量的大小；

根据到Sink节点的跳数为最大数据传输跳数加1的传感节点信息，计算这些传感节点对Sink节点的虚拟引力

$\stackrel{\&RightArrow;}{F_g}=\underset{j}{\&Sigma;}\frac{x_2{E}_{re}\left(j\right)\stackrel{\&RightArrow;}{d_j}}{E_{av}}---\left(2\right)$

其中，x₂表示传感节点的引力系数，表示Sink节点到传感节点j的有向距离向量，E_av表示Sink节点数据通信范围内所有传感节点剩余能量的平均值，E_re(j)表示传感节点j的剩余能量；

计算所有虚拟力的合力为

$\stackrel{\&RightArrow;}{F}=\underset{b}{\mathrm{\&Sigma;}}\stackrel{\&RightArrow;}{F_b}+\underset{z}{\mathrm{\&Sigma;}}\stackrel{\&RightArrow;}{F_z}+\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}\stackrel{\&RightArrow;}{F_k}+\stackrel{\&RightArrow;}{F_g}---\left(3\right)$

其中，表示Sink节点在当前位置上所受到的所有虚拟力的合力。

再进一步，所述步骤2.1)中，所述基于节点剩余能量的数据路由方法包括如下步骤：

b1)监听Sink节点的路由信息包，如果接收到Sink节点的路由信息包，则根据Sink节点信息更新邻居节点信息表，定义传感节点i到Sink节点的最小数据传输跳数和路径容量其中表示当Sink节点停留在网格中心p时，传感节点i到Sink节点的最小数据传输跳数，表示传感节点i的剩余能量，表示当Sink节点停留在网格中心p时，传感节点i到Sink节点的通信路径上所有传感节点剩余能量的最小值，转发自身节点的路由信息包；

b2)监听邻居传感节点的路由信息包，如果接收到邻居节点j的路由信息包，获知邻居节点j到Sink节点的最小数据传输跳数判断值，如果其中k表示数据传输跳数的最大值，则直接丢弃该包，否则分析和关系，如果则表示传感节点i不需要通过邻居节点j发送数据，丢弃该信息包；如果则根据邻居节点j的地址、路径容量、剩余能量和到Sink节点的最小数据传输跳数信息更新邻居节点信息表；如果则表示寻找到一条到Sink节点数据传输跳数更少的路径，清空邻居节点信息表，根据传感节点j的信息更新邻居节点信息表，传感节点i更新和广播发送自身路由信息包；

b3)判断是否在当前Sink节点的数据通信范围内和选择父节点，如果则表示传感节点i是Sink节点的1跳节点，传感节点的父节点为Sink节点，如果则表示在Sink节点的通信范围内，传感节点根据邻居节点的路径容量，选择具有最大路径容量的邻居节点v作为父节点，根据更新自身的路径容量；

b4)传感节点i没有收到任何节点的路由信息包或者父节点的最小数据传输跳数大于数据传输跳数的最大值加1，则该传感节点进入休眠状态，父节点设置为空，不发送感知数据和自身路由信息包，重新等待其他节点的路由信息包，否则设置一个定时器，定期更新自身的剩余能量和路由信息，广播自身的路由信息。

更进一步，所述步骤2.2)中，所述数据传输方法包括如下步骤：

c1)如果接收到Sink节点的信息查询包，判断接收数据包的跳数，如果接收数据包的跳数小于数据传输跳数的最大值减1，则将自身节点信息通过父节点发送给Sink节点，转发信息查询包，否则将自身和周围邻居节点的地址、位置和剩余能量信息通过父节点发送给Sink节点；

c2)判断自身节点是否在Sink节点的数据通信范围内，如果是，通过父节点将存储器中的数据发送给Sink节点，释放该数据所占用的存储空间，否则进入休眠状态，并定期唤醒启动数据感知工作，将感知的数据缓存到存储器中，如果存储器已满，则丢弃时间最早的感知数据，添加最新的感知数据。

本发明的技术构思为：本发明采用一种传感节点的数据通信方法收集数据通信范围内传感节点的信息和感知数据，采用虚拟力理论计算边界、障碍物和空洞的虚拟斥力、第数据传输跳数最大值加1跳未覆盖传感节点的虚拟引力和所有虚拟力的合力，根据合力大小、方向和周围邻居网格中心的停留次数信息计算当前网格的停留时间和下一个停留网格中心。重复计算当前网格的停留时间和下一个停留中心，直到所选择的网格中心停留时间和大于数据传输时延最大值，则Sink节点获得一条移动路径。Sink节点沿着该移动路径循环移动收集其数据通信范围内传感节点的感知数据。

本发明的有益效果主要表现在：本发明根据Sink节点的数据通信范围内传感节点的位置、剩余能量和到Sink节点的数据通信跳数信息，采用分布式方法计算当前的停留时间和下一个停留网格中心，最终获得Sink节点的移动路径，从而提高Sink节点的数据收集量和节点覆盖率，降低传感节点的感知数据丢弃量，降低时间复杂度和移动路径的计算时间，有一定的应用价值。

附图说明

图1是本发明的监测区域网格和Sink节点移动图。

图2是本发明的Sink节点工作流程图。

图3是本发明的传感节点工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种数据传输时延和跳数受限的Sink节点移动路径分布式选择方法，包括第一步：Sink节点的移动路径计算，第二步：传感节点的数据通信，

参照图1，所述Sink节点的移动路径计算方法包括如下步骤：

1.1)Sink节点广播信息查询包，接收其数据通信范围内的传感节点的地址、位置坐标、剩余能量和到Sink节点的数据通信跳数信息，接收到Sink节点的跳数为最大数据传输跳数的传感节点的邻居节点地址、位置坐标、剩余能量和到Sink节点的数据通信跳数信息，根据接收到的传感节点信息更新Sink节点的传感节点信息表。

1.2)Sink节点分析当前位置周围的边界、障碍物和空洞情况，计算边界虚拟斥力、障碍物虚拟斥力、空洞虚拟斥力、到Sink节点的跳数为最大数据传输跳数加1的传感节点虚拟引力，计算虚拟力的合力。本步骤的具体优选实施方法如下：

a1)Sink节点以当前停留位置为中心，构建一个虚拟网格。如果网格内没有传感节点，则定义该网格未被覆盖。参照图3，将无线传感网的监测区域分成n×n个网格，并根据网格的位置从左到右，从上到下的原则对所有网格从1到n²分别编号。其中，n表示每一行或每一列的网格数。n可根据Sink节点的传感节点信息表中传感节点的位置分布决定，n的取值范围一般为5-60。

a2)Sink节点寻找所在网格水平方向的左边界网格和右边界网格，寻找所在网格垂直方向的上边界网格和下边界网格。寻找方法如下：在当前网格沿着水平方向向左寻找一个距离最近的网格，其传感节点信息表中所有传感节点都在该网格的右边，则该网格为左边界网格，获得该网格中心到当前Sink节点所在网格中心的有向距离向量沿着水平方向向右寻找一个距离最近的网格，其传感节点信息表中所有传感节点都在该网格的左边，则该网格为右边界网格，获得该网格中心到当前Sink节点所在网格中心的有向距离向量沿着垂直方向向下寻找一个距离最近的网格，其传感节点信息表中所有传感节点都在该网格的上边，则该网格为下边界网格，获得该网格中心到当前Sink节点所在网格中心的有向距离向量沿着垂直方向向上寻找一个距离最近的网格，其传感节点信息表中所有传感节点都在该网格的下边，则该网格为上边界网格，获得该网格中心到当前Sink节点所在网格中心的有向距离向量

a3)Sink节点在移动过程中通过红外传感器或数据传输过程中无线链路的接收能量，获知所在水平方向和垂直方向是否存在被障碍物占用的网格，计算该网格中心到当前Sink节点所在网格中心的有向距离向量当网格中出现4个以上相邻且处于不同行的未被覆盖网格，则认为这些网格所在的区域为空洞区域。如果Sink节点所在网格的水平方向的左边存在空洞区域，寻找该空洞区域内离当前Sink节点所在网格中心距离最近的网格中心，获得该网格中心到当前Sink节点所在网格中心的有向距离向量如果Sink节点所在网格的水平方向的右边存在空洞区域，寻找该空洞区域内离当前Sink节点所在网格中心距离最近的网格中心，获得该网格中心到当前Sink节点所在网格中心的有向距离向量如果Sink节点所在网格的垂直方向的上边存在空洞区域，寻找该空洞区域内离当前Sink节点所在网格中心距离最近的网格中心，获得该网格中心到当前Sink节点所在网格中心的有向距离向量如果Sink节点所在网格的垂直方向的下边存在空洞区域，寻找该空洞区域内离当前Sink节点所在网格中心距离最近的网格中心，获得该网格中心到当前Sink节点所在网格中心的有向距离向量

a4)分别判断距离向量和的大小是否大于节点单跳最大通信距离d_max。如果大于，则不产生虚拟斥力，否则产生向外推的虚拟斥力具体计算公式如下

$\stackrel{\&RightArrow;}{F_x}=\left\{\begin{array}{cc}0,& \left|\stackrel{\&RightArrow;}{d_x}\right|>d_{\max }\\ -x_1/\left(\stackrel{\&RightArrow;}{d_x}-1.5d_{grid}\right),& 1.5d_{grid}<\left|\stackrel{\&RightArrow;}{d_x}\right|\&le;d_{\max }\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，表示边界虚拟斥力障碍物虚拟斥力和空洞虚拟斥力x₁表示边界虚拟斥力系数x_b，障碍物虚拟斥力系数x_z和空洞虚拟斥力系数x_k。表示有向距离向量和d_grid表示网格的边长。表示有向距离向量的大小。

a5)Sink节点根据到Sink节点的跳数为最大数据传输跳数加1的传感节点信息，计算这些传感节点对Sink节点的虚拟引力

$\stackrel{\&RightArrow;}{F_g}=\underset{j}{\&Sigma;}\frac{x_2{E}_{re}\left(j\right)\stackrel{\&RightArrow;}{d_j}}{E_{av}}---\left(2\right)$

其中，x₂表示传感节点的引力系数，表示Sink节点到传感节点j的有向距离向量，E_av表示Sink节点数据通信范围内所有传感节点剩余能量的平均值，E_re(j)表示传感节点j的剩余能量。

a6)计算所有虚拟力的合力为

$\stackrel{\&RightArrow;}{F}=\underset{b}{\mathrm{\&Sigma;}}\stackrel{\&RightArrow;}{F_b}+\underset{z}{\mathrm{\&Sigma;}}\stackrel{\&RightArrow;}{F_z}+\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}\stackrel{\&RightArrow;}{F_k}+\stackrel{\&RightArrow;}{F_g}---\left(3\right)$

其中，表示Sink节点在当前位置上所受到的所有虚拟力的合力。

3)根据合力大小计算Sink节点在当前停留网格中心的停留时间，计算公式如下

$t_g=\left\{\begin{array}{c}2d_{gird}/v,\left|\stackrel{\&RightArrow;}{F}\right|\&le;F_{th}\\ d_{gird}/v,\left|\stackrel{\&RightArrow;}{F}\right|>F_{th}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，t_g表示Sink节点在网格中心g的停留时间，F_th表示判断阈值，表示合力大小，v表示Sink节点的移动速率，d_gird表示相邻网格中心的距离。Sink节点广播包含自身地址和位置坐标信息的路由信息包，接收其数据通信范围内传感节点的感知数据。

1.4)Sink节点分析当前停留网格中心的邻居网格中心，删除不可移动的边界和障碍物所在的网格中心和空洞区域内的网格中心，并根据Sink节点的停留次数，建立停留次数最小的网格中心集合。分别计算合力与从Sink节点的当前停留网格中心到集合中每一个网格中心的距离向量的夹角δ。

$\mathrm{\&delta;}=abs\left(acos\right(\frac{\stackrel{\&RightArrow;}{F}*\stackrel{\&RightArrow;}{d_{sg}}}{\left|\stackrel{\&RightArrow;}{F}\right|*\left|\stackrel{\&RightArrow;}{d_{sg}}\right|}\left)\right)---\left(5\right)$

其中，abs()表示取绝对值函数，acos()表示反余弦函数，表示从Sink节点的当前停留网格中心到网格中心g的距离向量，表示向量的大小。根据向量夹角δ，选择使夹角最小的网格中心作为Sink节点的下一个停留网格中心。

1.5)经过Sink节点在当前停留网格中心的停留时间t_g后，Sink节点移动到下一个停留网格中心。如果已选择的所有网格中心的停留时间和不超过数据传输时延最大值，则返回步骤1)，否则，Sink节点寻找到一条移动路径，并沿着该移动路径循环收集数据。以监测区域网格和Sink节点移动图3举例说明Sink节点的移动路径。参照图3，Sink节点重复执行以下数据收集过程：Sink节点沿着网格中心12-17-18-19-14-9-8-7的移动路径，分别停留t₁₂,t₁₇,t₁₈,t₁₉,t₁₄,t₉,t₈,t₇时间收集数据。当Sink节点到达网格中心7后，再反向沿着网格中心7-8-9-14-19-18-17-12的移动路径，分别停留t₇,t₈,t₉,t₁₄,t₁₉,t₁₈,t₁₇,t₁₂时间收集数据。

所述传感节点的数据通信方法包括：2.1)基于节点剩余能量的数据路由方法，2.2)数据传输方法。所述基于节点剩余能量的数据路由方法包括如下步骤(以传感节点i为例说明实现步骤)：

b1)监听Sink节点的路由信息包。如果接收到Sink节点的路由信息包，则根据Sink节点信息更新邻居节点信息表，定义传感节点i到Sink节点的最小数据传输跳数和路径容量其中表示当Sink节点停留在网格中心p时，传感节点i到Sink节点的最小数据传输跳数，表示传感节点i的剩余能量，表示当Sink节点停留在网格中心p时，传感节点i到Sink节点的通信路径上所有传感节点剩余能量的最小值。转发自身节点的路由信息包(内容包括自身地址、到Sink节点的最小数据传输跳数、路径容量和剩余能量信息)。

b2)监听邻居传感节点的路由信息包。如果接收到邻居节点j的路由信息包，获知邻居节点j到Sink节点的最小数据传输跳数判断值，如果其中k表示数据传输跳数的最大值，则直接丢弃该包，否则分析和关系。如果则表示传感节点i不需要通过邻居节点j发送数据，丢弃该信息包；如果则根据邻居节点j的地址、路径容量、剩余能量和到Sink节点的最小数据传输跳数信息更新邻居节点信息表；如果则表示寻找到一条到Sink节点数据传输跳数更少的路径，清空邻居节点信息表，根据传感节点j的信息更新邻居节点信息表。传感节点i更新和广播发送自身路由信息包。

b3)判断是否在当前Sink节点的数据通信范围内和选择父节点。如果则表示传感节点i是Sink节点的1跳节点，传感节点的父节点为Sink节点。如果则表示在Sink节点的通信范围内。传感节点根据邻居节点的路径容量，选择具有最大路径容量的邻居节点v作为父节点，根据更新自身的路径容量。

b4)传感节点i没有收到任何节点的路由信息包或者父节点的最小数据传输跳数大于数据传输跳数的最大值加1，则该传感节点进入休眠状态，父节点设置为空，不发送感知数据和自身路由信息包，重新等待其他节点的路由信息包，否则设置一个定时器，定期更新自身的剩余能量和路由信息，广播自身的路由信息。

参照图2，所述数据传输方法包括如下步骤(以传感节点i为例说明实现步骤)：

c1)如果接收到Sink节点的信息查询包，判断接收数据包的跳数。如果接收数据包的跳数小于数据传输跳数的最大值减1，则将自身节点信息通过父节点发送给Sink节点，转发信息查询包，否则将自身和周围邻居节点的地址、位置和剩余能量信息通过父节点发送给Sink节点。

c2)判断自身节点是否在Sink节点的数据通信范围内。如果是，通过父节点将存储器中的数据发送给Sink节点，释放该数据所占用的存储空间，否则进入休眠状态，并定期唤醒启动数据感知工作，将感知的数据缓存到存储器中。如果存储器已满，则丢弃时间最早的感知数据，添加最新的感知数据。

Claims (4)

1.一种数据传输时延和跳数受限的Sink节点移动路径分布式选择方法，其特征在于：所述选择方法包括如下步骤：

第一步Sink节点的移动路径计算，过程如下：

1.1)Sink节点广播信息查询包，接收其数据通信范围内的传感节点的地址、位置坐标、剩余能量和到Sink节点的数据通信跳数信息，接收到Sink节点的跳数为最大数据传输跳数的传感节点的邻居节点地址、位置坐标、剩余能量和到Sink节点的数据通信跳数信息，根据接收到的传感节点信息更新Sink节点的传感节点信息表；

1.2)Sink节点分析当前位置周围的边界、障碍物和空洞情况，计算边界虚拟斥力、障碍物虚拟斥力、空洞虚拟斥力、到Sink节点的跳数为最大数据传输跳数加1的传感节点虚拟引力，计算虚拟力的合力；

1.3)根据合力大小计算Sink节点在当前停留网格中心的停留时间，计算公式如下

$t_g=\left\{\begin{array}{c}2d_{gird}/v,\left|\stackrel{\&RightArrow;}{F}\right|\&le;F_{th}\\ d_{gird}/v,\left|\stackrel{\&RightArrow;}{F}\right|>F_{th}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，t_g表示Sink节点在网格中心g的停留时间，F_th表示判断阈值，表示合力大小，v表示Sink节点的移动速率，d_gird表示相邻网格中心的距离，Sink节点广播包含自身地址和位置坐标信息的路由信息包，接收其数据通信范围内传感节点的感知数据；

1.4)Sink节点分析当前停留网格中心的邻居网格中心，删除不可移动的边界和障碍物所在的网格中心和空洞区域内的网格中心，并根据Sink节点的停留次数，建立停留次数最小的网格中心集合，分别计算合力与从Sink节点的当前停留网格中心到集合中每一个网格中心的距离向量的夹角δ

其中，abs()表示取绝对值函数，acos()表示反余弦函数，表示从Sink节点的当前停留网格中心到网格中心g的距离向量，表示向量的大小，根据向量夹角δ，选择使夹角最小的网格中心作为Sink节点的下一个停留网格中心；

1.5)经过Sink节点在当前停留网格中心的停留时间t_g后，Sink节点移动到下一个停留网格中心，如果已选择的所有网格中心的停留时间和不超过数据传输时延最大值，则返回步骤1.1)，否则，Sink节点寻找到一条移动路径，并沿着该移动路径循环收集数据；

第二步传感节点的数据通信，包括如下过程：

2.1)基于节点剩余能量的数据路由方法；

2.2)数据传输。

2.如权利要求1所述的数据传输时延和跳数受限的Sink节点移动路径分布式选择方法，其特征在于：所述步骤1.2)中，虚拟斥力的计算公式如下

$\stackrel{\&RightArrow;}{F_x}=\left\{\begin{array}{cc}0,& \left|\stackrel{\&RightArrow;}{d_x}\right|>d_{\max }\\ -x_1/\left(\stackrel{\&RightArrow;}{d_x}-1.5d_{grid}\right),& 1.5d_{grid}<\left|\stackrel{\&RightArrow;}{d_x}\right|\&le;d_{\max }\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，表示边界虚拟斥力障碍物虚拟斥力和空洞虚拟斥力x₁表示边界虚拟斥力系数x_b，障碍物虚拟斥力系数x_z和空洞虚拟斥力系数x_k，表示有向距离向量和d_grid表示网格的边长，表示有向距离向量的大小；

根据到Sink节点的跳数为最大数据传输跳数加1的传感节点信息，计算这些传感节点对Sink节点的虚拟引力

$\stackrel{\&RightArrow;}{F_g}=\underset{j}{\&Sigma;}\frac{x_2{E}_{re}\left(j\right)\stackrel{\&RightArrow;}{d_j}}{E_{av}}---\left(2\right)$

其中，x₂表示传感节点的引力系数，表示Sink节点到传感节点j的有向距离向量，E_av表示Sink节点数据通信范围内所有传感节点剩余能量的平均值，E_re(j)表示传感节点j的剩余能量；

计算所有虚拟力的合力为

$\stackrel{\&RightArrow;}{F}=\underset{b}{\mathrm{\&Sigma;}}\stackrel{\&RightArrow;}{F_b}+\underset{z}{\mathrm{\&Sigma;}}\stackrel{\&RightArrow;}{F_z}+\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}\stackrel{\&RightArrow;}{F_k}+\stackrel{\&RightArrow;}{F_g}---\left(3\right)$

其中，示Sink节点在当前位置上所受到的所有虚拟力的合力。

3.如权利要求1或2所述的数据传输时延和跳数受限的Sink节点移动路径分布式选择方法，其特征在于：所述步骤2.1)中，所述基于节点剩余能量的数据路由方法包括如下步骤：

b1)监听Sink节点的路由信息包，如果接收到Sink节点的路由信息包，则根据Sink节点信息更新邻居节点信息表，定义传感节点i到Sink节点的最小数据传输跳数和路径容量其中表示当Sink节点停留在网格中心p时，传感节点i到Sink节点的最小数据传输跳数，表示传感节点i的剩余能量，表示当Sink节点停留在网格中心p时，传感节点i到Sink节点的通信路径上所有传感节点剩余能量的最小值，转发自身节点的路由信息包；

b2)监听邻居传感节点的路由信息包，如果接收到邻居节点j的路由信息包，获知邻居节点j到Sink节点的最小数据传输跳数判断值，如果其中k表示数据传输跳数的最大值，则直接丢弃该包，否则分析和关系，如果则表示传感节点i不需要通过邻居节点j发送数据，丢弃该信息包；如果则根据邻居节点j的地址、路径容量、剩余能量和到Sink节点的最小数据传输跳数信息更新邻居节点信息表；如果则表示寻找到一条到Sink节点数据传输跳数更少的路径，清空邻居节点信息表，根据传感节点j的信息更新邻居节点信息表，传感节点i更新和广播发送自身路由信息包；

b3)判断是否在当前Sink节点的数据通信范围内和选择父节点，如果则表示传感节点i是Sink节点的1跳节点，传感节点的父节点为Sink节点，如果则表示在Sink节点的通信范围内，传感节点根据邻居节点的路径容量，选择具有最大路径容量的邻居节点v作为父节点，根据更新自身的路径容量；

b4)传感节点i没有收到任何节点的路由信息包或者父节点的最小数据传输跳数大于数据传输跳数的最大值加1，则该传感节点进入休眠状态，父节点设置为空，不发送感知数据和自身路由信息包，重新等待其他节点的路由信息包，否则设置一个定时器，定期更新自身的剩余能量和路由信息，广播自身的路由信息。

4.如权利要求1或2所述的数据传输时延和跳数受限的Sink节点移动路径分布式选择方法，其特征在于：所述步骤2.2)中，所述数据传输方法包括如下步骤：

c1)如果接收到Sink节点的信息查询包，判断接收数据包的跳数，如果接收数据包的跳数小于数据传输跳数的最大值减1，则将自身节点信息通过父节点发送给Sink节点，转发信息查询包，否则将自身和周围邻居节点的地址、位置和剩余能量信息通过父节点发送给Sink节点；

c2)判断自身节点是否在Sink节点的数据通信范围内，如果是，通过父节点将存储器中的数据发送给Sink节点，释放该数据所占用的存储空间，否则进入休眠状态，并定期唤醒启动数据感知工作，将感知的数据缓存到存储器中，如果存储器已满，则丢弃时间最早的感知数据，添加最新的感知数据。