專利名稱：雙sink互備份WSN中基于費馬點的路由方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領域，尤其涉及雙sink互備份無線傳感器網(wǎng)絡中的路由技術(shù)。
背景技術(shù)：
在無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)的某些應用環(huán)境下(如滑坡/泥石流監(jiān)測、軍事監(jiān)測等)，環(huán)境復雜、變化性大、設備受損可能性高。為了保證可靠性，通常對sensor節(jié)點(傳感器節(jié)點)進行密集冗余部署，而對于sink節(jié)點(匯聚節(jié)點)，為了避免單點故障，采用雙 sink冗余部署、每個sink節(jié)點都維護完整的數(shù)據(jù)、兩個sink節(jié)點互為備份的方式，同時，兩個sink節(jié)點也會保持一定的空間距離，從而避免同時受損。文中將以上方式簡稱為雙sink 互備份方式，sensor節(jié)點的感知數(shù)據(jù)需要同時發(fā)送給兩個在空間上不相鄰的sink節(jié)點。如圖1所示，一種雙sink互備份WSN環(huán)境，由若干密集、均勻部署的sensor節(jié)點和兩個sink 節(jié)點組成。這些節(jié)點可能是固定部署的，可以提前設置好位置信息和拓撲信息；也可能是移動節(jié)點，則需要節(jié)點攜帶GPS設備，從而獲得位置信息。sensor節(jié)點為提供通信的可靠性保證，每次通信過程中作為源的sensor節(jié)點會將數(shù)據(jù)上傳到兩個互備份的sink節(jié)點，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，除源sensor節(jié)點之外的sensor節(jié)點為中間sensor節(jié)點。如果該sensor 節(jié)點與sink節(jié)點不直接相鄰，則由其他若干個中間sensor節(jié)點充當中繼節(jié)點，進行透明轉(zhuǎn)發(fā)。當其中一個sink節(jié)點失效時，另一個sink節(jié)點能獨立完成全部數(shù)據(jù)傳輸工作。為了實現(xiàn)這一目的，按照傳統(tǒng)機制，可以采用組播路由或者單播路由。目前典型的路由算法可以分為兩大類基于洪泛的路由算法和非洪泛的路由算法。這些算法為了減少能量、帶寬等資源的開銷，也會結(jié)合使用一些輔助算法，如位置、數(shù)據(jù)協(xié)商等。但是，基于洪泛的算法通常為了傳輸一個數(shù)據(jù)，需要大量不相關的節(jié)點參與，增加了資源開銷，尤其是能量開銷；即使配合使用一些定位、協(xié)商等輔助算法，也只是在程度上減輕，并不能從根本上降低能量開銷。非洪泛路由算法避免了這方面的問題，但是這類算法會為兩個目標sink節(jié)點各自計算一條路由，如圖2所示。這意味著雙sink帶來的能量開銷將會達到單sink的兩倍左右，能耗急劇增加。隨著無線傳感器網(wǎng)絡在各種領域應用的不斷推廣，雙sink互備份的路由能否在靈活可靠和綠色節(jié)能間取得一個合適的解決方案，成為一個迫切需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種面向雙sink互備份環(huán)境下的，降低目前無線傳感器網(wǎng)絡雙sink互備份應用下的能耗開銷過高的路由方法以及實現(xiàn)該方法的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，雙sink互備份WSN中基于費馬點的路由方法，包括源sensor節(jié)點計算本節(jié)點與網(wǎng)絡中2個sink節(jié)點組成的三角形的費馬點；再選擇與費馬點位置相同或相鄰的節(jié)點作為路由錨點；所述費馬點為到所述三角形的3個頂點距離之和最小的點；源sensor節(jié)點向2個sink節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)時，在數(shù)據(jù)到達路由錨點前，數(shù)據(jù)沿一條路徑進行傳輸，到達路由錨點后，路由錨點將數(shù)據(jù)分發(fā)至sink節(jié)點。本發(fā)明針對雙sink互備份環(huán)境，突破傳統(tǒng)路由方式，將源sensor節(jié)點到兩個sink 節(jié)點的路由結(jié)合起來，建立基于路由錨點的聯(lián)合節(jié)能路由，即先沿一條公共路徑傳輸，到達路由錨點之后，再分別向兩個sink節(jié)點分發(fā)。并且，路由錨點與費馬點結(jié)合，利用費馬點離三角形三個頂點距離之和最小的特征，將“路由錨點”與“源sensor、兩個sink節(jié)點”之間的關系，模型化為“費馬點，，與“三角形三個頂點，，之間的關系，這樣使得源sensor節(jié)點通過路由錨點傳遞數(shù)據(jù)到2個sink節(jié)點的距離總和最短、能量開銷最小，相比現(xiàn)有的路由方法，本發(fā)明能夠降低傳輸邏輯距離，減少能量開銷。具體的，當源sensor節(jié)點與網(wǎng)絡中2個sink節(jié)點組成的三角形有一個內(nèi)角大于120度時，費馬點就是該鈍角所對應的頂點，以該費馬點作為路由錨點；當路由錨點為源 sensor節(jié)點，源sensor節(jié)點直接向兩個sink節(jié)點分發(fā)數(shù)據(jù)；當路由錨點為一個sink節(jié)點， 則源sensor節(jié)點的數(shù)據(jù)先發(fā)送到該sink節(jié)點，再由該sink節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)至另一個sink 節(jié)占.
I— /、、、 當源sensor節(jié)點與網(wǎng)絡中2個sink節(jié)點組成的三角形所有內(nèi)角都小于120度時，費馬點在所述三角形內(nèi)部，源sensor節(jié)點選擇與費馬點位置相同或相鄰的節(jié)點作為路由錨點，源sensor節(jié)點先將數(shù)據(jù)沿一條路徑傳輸至路由錨點，路由錨點將數(shù)據(jù)分發(fā)至2個 sink節(jié)點。具體的，源sensor節(jié)點選擇與費馬點位置相同或相鄰的節(jié)點作為路由錨點的方法是源sensor節(jié)點根據(jù)費馬點位置，建立以費馬點坐標為圓心，以r為半徑的r-費馬域， 收集r-費馬域內(nèi)的所有sensor節(jié)點形成r_費馬域路由錨點表；當源sensor節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)至sink節(jié)點時，從本地的r-費馬域路由錨點表中任意選擇或按照預定規(guī)則(如輪轉(zhuǎn))選擇一個sensor節(jié)點作為路由錨點。無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，包括3個以上的sensor節(jié)點、2個互為備份的sink節(jié)點，所述sensor節(jié)點，作為源sensor節(jié)點時，用于計算本節(jié)點與網(wǎng)絡中2個sink節(jié)點組成的三角形的費馬點坐標；選擇與費馬點位置相同或相鄰的節(jié)點作為路由錨點，所述費馬點為到三角形3個頂點距離之和最小的點；sensor節(jié)點作為中間sensor節(jié)點時，用于轉(zhuǎn)發(fā)源sensor節(jié)點向sink節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)到達路由錨點前，中間sensor節(jié)點沿一條路徑傳輸向2個sink節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)；到達路由錨點之后，中間sensor節(jié)點沿一條路徑傳輸向1個sink節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)；sensor節(jié)點作為路由錨點時，且該sensor節(jié)點為中間sensor節(jié)點，將接收到的數(shù)據(jù)分發(fā)至2個sink節(jié)點；sensor節(jié)點作為路由錨點時，且該sensor節(jié)點為源sensor節(jié)點，將數(shù)據(jù)直接分發(fā)至2個sink節(jié)點；所述sink節(jié)點，用于接收并存儲來自于源sensor節(jié)點的數(shù)據(jù)；sink節(jié)點作為路由錨點時，作為路由錨點的sink節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后，再發(fā)送數(shù)據(jù)至另一個sink節(jié)點。
本發(fā)明的有益效果是，在保證數(shù)據(jù)備份效果的同時，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪壿嬀嚯x，減少網(wǎng)絡內(nèi)能量開銷。并且，本發(fā)明基于費馬點的路由技術(shù)不與現(xiàn)有路由技術(shù)沖突，可以基于現(xiàn)有的各種無線傳感器路由協(xié)議進行實施和部署，避免了和現(xiàn)有各種協(xié)議和規(guī)范的兼容性問題。


圖1是雙sink互備份傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)架構(gòu)示意圖2是現(xiàn)有雙sink互備份傳感器網(wǎng)絡的路由示意圖
圖3是基于費馬點的路由模型；
圖4是不同情況下費馬點的示意圖5是基于費馬點的r-費馬域示意圖6實施例中交互報文格式示意；
圖7實施例中路由錨點表的生成過程；
圖8實施例中數(shù)據(jù)報文的封裝示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步地詳細說明。如圖3所示，WSN中任一個sensor節(jié)點的位置0( ，Ysens J和兩個sink節(jié)點的位置(Xsinkl, Ysinkl)、(Xsink2jYsink2)近似形成一個三角形。根據(jù)幾何理論，每個三角形都存在一個點，使得這個點到三角形三個頂點間的距離之和最短。這個點稱為費馬點。在源sensor 節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻蓚€sink節(jié)點時，如果能夠先沿一條公共路徑傳到該費馬點，再從該費馬點分別向兩個sink節(jié)點傳輸，相比現(xiàn)有的路由，基于費馬點的路由方法的總傳輸距離更短，路徑開銷也可以達到或者接近最優(yōu)的效果。建立尋找三角形費馬點的計算方法以及路由方法1、三角形中有一個內(nèi)角大于120度時，費馬點就是該內(nèi)角所對應的頂點。對于費馬點就是三角形中某一頂點的情況，如果該頂點即為源sensor節(jié)點，源 sensor節(jié)點作為路由錨點，源sensor節(jié)點直接向兩個sink節(jié)點分發(fā)數(shù)據(jù)；如果該頂點為一個sink節(jié)點，該sink節(jié)點作為路由錨點，則源sensor節(jié)點的數(shù)據(jù)先發(fā)送到該sink節(jié)點， 再由該sink節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到另一個sink節(jié)點。如圖4-(a)、(b)、(c)所示，當WSN中任一個sensor節(jié)點、sinkl節(jié)點、sink2節(jié)點組成的三角形中，有一個內(nèi)角大于120度的鈍角時，則根據(jù)是該鈍角做相應處理1)如圖 4_(a)，鈍角Z sinkl-sensor-sink2 彡 120 度，費馬點的位置為該 sensor 點的位置，源sensor節(jié)點分別選擇到目的節(jié)點sinkl和sink2的路徑sensor-sinkl和 sensor_sink202)如圖4-(b)，Z sensor-sinkl-sink2彡120度，費馬點的位置為sinkl節(jié)點的位置，源sensor節(jié)點先將數(shù)據(jù)發(fā)送給sinkl節(jié)點，再由sinkl節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)給sink2節(jié)點。3)如圖4-(c)，Z sensor-sink2-sinkl彡120度，費馬點的位置為sink2節(jié)點的位置，源sensor節(jié)點先將數(shù)據(jù)發(fā)送給sink2節(jié)點，再由sink2節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)給源sensor節(jié)點。2、三角形中所有內(nèi)角都小于120度時，費馬點在三角形內(nèi)部
源sensor節(jié)點先將數(shù)據(jù)通過一條公共路徑發(fā)送到路由錨點，再由路由錨點分發(fā)到兩個sink節(jié)點。如圖4_(d)所示，當SenSOr-Sinkl-Sink2組成的三角形三個內(nèi)角都小于120度時，費馬點位于三角形內(nèi)。sensor節(jié)點、sinkl節(jié)點、sink2節(jié)點的坐標分別是(Χ· ，
權(quán)利要求
1.雙sink互備份WSN中基于費馬點的路由方法，其特征在于，包括源sensor節(jié)點計算本節(jié)點與網(wǎng)絡中2個sink節(jié)點組成的三角形的費馬點；再選擇與費馬點位置相同或相鄰的節(jié)點作為路由錨點；所述費馬點為到所述三角形的3個頂點距離之和最小的點；源sensor節(jié)點向2個sink節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)時，在數(shù)據(jù)到達路由錨點前，數(shù)據(jù)沿一條路徑進行傳輸，到達路由錨點后，路由錨點將數(shù)據(jù)分發(fā)至sink節(jié)點。
2.如權(quán)利要求1所述雙sink互備份WSN中基于費馬點的路由方法，其特征在于，當源 sensor節(jié)點與網(wǎng)絡中2個sink節(jié)點組成的三角形有一個內(nèi)角大于120度時，費馬點就是該鈍角所對應的頂點，以該費馬點作為路由錨點；當路由錨點為源sensor節(jié)點，源sensor節(jié)點直接向兩個sink節(jié)點分發(fā)數(shù)據(jù)；當路由錨點為一個sink節(jié)點，則源sensor節(jié)點的數(shù)據(jù)先發(fā)送到該sink節(jié)點，再由該sink節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)至另一個sink節(jié)點；當源sensor節(jié)點與網(wǎng)絡中2個sink節(jié)點組成的三角形所有內(nèi)角都小于120度時，費馬點在所述三角形內(nèi)部，源sensor節(jié)點選擇與費馬點位置相同或相鄰的節(jié)點作為路由錨點， 源sensor節(jié)點先將數(shù)據(jù)沿一條路徑傳輸至路由錨點，路由錨點將數(shù)據(jù)分發(fā)至2個sink節(jié)點ο
3.如權(quán)利要求1或2所述雙sink互備份WSN中基于費馬點的路由方法，其特征在于， 源sensor節(jié)點選擇與費馬點位置相同或相鄰的節(jié)點作為路由錨點的方法是源sensor節(jié)點根據(jù)費馬點位置，建立以費馬點坐標為圓心，以r為半徑的r_費馬域， 收集r-費馬域內(nèi)的所有sensor節(jié)點形成r_費馬域路由錨點表；當源sensor節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)至sink節(jié)點時，從本地的r_費馬域路由錨點表中任意選擇或按照預定規(guī)則選擇一個sensor節(jié)點作為路由錨點。
4.如權(quán)利要求3所述雙sink互備份WSN中基于費馬點的路由方法，其特征在于，源 sensor節(jié)點收集r_費馬域內(nèi)的所有sensor節(jié)點形成r_費馬域路由錨點表的方法是源sensor節(jié)點計算出費馬點坐標后，設置路由錨點請求報文中的轉(zhuǎn)發(fā)標識為1，并發(fā)出路由錨點請求報文；當中間sensor節(jié)點收到路由錨點請求報文，查看收到路由錨點請求報文的轉(zhuǎn)發(fā)標識， 當轉(zhuǎn)發(fā)標識為1時，中間sensor節(jié)點計算本節(jié)點與源sensor節(jié)點以及費馬點的位置關系， 如本節(jié)點脫離源sensor節(jié)點到費馬點的方向，該中間sensor節(jié)點丟棄路由錨點請求報文， 不再繼續(xù)處理；如本節(jié)點在源sensor節(jié)點到費馬點的方向上，該中間sensor節(jié)點再比較本節(jié)點與費馬點的距離是否大于費馬域半徑r，如是，保持路由錨點請求報文中的轉(zhuǎn)發(fā)標識并轉(zhuǎn)發(fā)路由錨點請求報文，如否，設置路由錨點請求報文中的轉(zhuǎn)發(fā)標識為0，并轉(zhuǎn)發(fā)路由錨點請求報文，同時向源sensor節(jié)點返回路由錨點響應報文；當中間sensor節(jié)點收到路由錨點請求報文的節(jié)點，查看收到路由錨點請求報文的轉(zhuǎn)發(fā)標識，當轉(zhuǎn)發(fā)標識為0時，中間sensor節(jié)點比較本節(jié)點與費馬點的距離是否大于費馬域半徑r，如是，丟棄路由錨點請求報文，不再繼續(xù)處理，如否，向源sensor節(jié)點返回路由錨點響應報文，并丟棄路由錨點請求報文；源sensor節(jié)點接收到路由錨點響應報文后，從錨點響應報文中提取出發(fā)出該響應報文的節(jié)點的信息，并將該節(jié)點信息加入r-費馬域路由錨點表。
5.如權(quán)利要求4所述雙sink互備份WSN中基于費馬點的路由方法，其特征在于，源sensor節(jié)點選取所有節(jié)點間平均距離的2/3作為費馬域半徑r。
6.無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，包括3個以上的sensor節(jié)點、2個互為備份的sink節(jié)點，其特征在于，所述sensor節(jié)點，作為源sensor節(jié)點時，用于計算本節(jié)點與網(wǎng)絡中2個sink節(jié)點組成的三角形的費馬點坐標；選擇與費馬點位置相同或相鄰的節(jié)點作為路由錨點，所述費馬點為到三角形3個頂點距離之和最小的點；sensor節(jié)點作為中間sensor節(jié)點時，用于轉(zhuǎn)發(fā)源sensor節(jié)點向sink節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)到達路由錨點前，中間sensor節(jié)點沿一條路徑傳輸向2個sink節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)；到達路由錨點之后，中間sensor節(jié)點沿一條路徑傳輸向1個sink節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)；sensor節(jié)點作為路由錨點時，且該sensor節(jié)點為中間sensor節(jié)點，將接收到的數(shù)據(jù)分發(fā)至2個sink節(jié)點；sensor節(jié)點作為路由錨點時，且該sensor節(jié)點為源sensor節(jié)點，將數(shù)據(jù)直接分發(fā)至2 個sink節(jié)點；所述sink節(jié)點，用于接收并存儲來自于源sensor節(jié)點的數(shù)據(jù)；sink節(jié)點作為路由錨點時，作為路由錨點的sink節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后，再發(fā)送數(shù)據(jù)至另一個sink節(jié)點。
7.如權(quán)利要求6所述無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，其特征在于，所述sensor節(jié)點，作為源 sensor節(jié)點時，用于判斷本節(jié)點與網(wǎng)絡中2個sink節(jié)點組成的三角形，當源sensor節(jié)點與網(wǎng)絡中2個sink節(jié)點組成的三角形有一個內(nèi)角大于120度時，費馬點就是該鈍角所對應的頂點，以該費馬點作為路由錨點；當源sensor節(jié)點與網(wǎng)絡中2個sink節(jié)點組成的三角形所有內(nèi)角都小于120度時，費馬點在所述三角形內(nèi)部，源sensor節(jié)點選擇與費馬點位置相同或相鄰的節(jié)點作為路由錨點。
8.如權(quán)利要求7所述無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，其特征在于，所述sensor節(jié)點，作為源 sensor節(jié)點時，用于源sensor節(jié)點根據(jù)費馬點位置，建立以費馬點坐標為圓心，以r為半徑的r-費馬域，收集r-費馬域內(nèi)的所有sensor節(jié)點形成r_費馬域路由錨點表；當源sensor 節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)至sink節(jié)點時，從本地的r-費馬域路由錨點表中任意選擇或按照預定規(guī)則選擇一個sensor節(jié)點作為路由錨點。
9.如權(quán)利要求8所述無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，其特征在于，所述sensor節(jié)點，作為源 sensor節(jié)點時，用于源sensor節(jié)點計算出費馬點坐標后，設置路由錨點請求報文中的轉(zhuǎn)發(fā)標識為1，并發(fā)出路由錨點請求報文；源sensor節(jié)點接收到路由錨點響應報文后，從錨點響應報文中提取出發(fā)出該報文的中間sensor節(jié)點的信息，并將該節(jié)點信息加入r-費馬域路由錨點表；所述sensor節(jié)點，作為中間sensor節(jié)點時，用于當中間sensor節(jié)點收到路由錨點請求報文，查看收到路由錨點請求報文的轉(zhuǎn)發(fā)標識，當轉(zhuǎn)發(fā)標識為1時，中間sensor節(jié)點計算本節(jié)點與源sensor節(jié)點以及費馬點的位置關系，如本節(jié)點脫離源sensor節(jié)點到費馬點的方向，該中間sensor節(jié)點丟棄路由錨點請求報文，不再繼續(xù)處理；如本節(jié)點在源sensor節(jié)點到費馬點的方向上，該中間sensor節(jié)點再比較本節(jié)點與費馬點的距離是否大于費馬域半徑r，如是，保持路由錨點請求報文中的轉(zhuǎn)發(fā)標識并轉(zhuǎn)發(fā)路由錨點請求報文，如否，設置路由錨點請求報文中的轉(zhuǎn)發(fā)標識為0，并轉(zhuǎn)發(fā)路由錨點請求報文，同時向源sensor節(jié)點返回路由錨點響應報文；當中間sensor節(jié)點收到路由錨點請求報文，查看收到路由錨點請求報文的轉(zhuǎn)發(fā)標識， 當轉(zhuǎn)發(fā)標識為0時，中間sensor節(jié)點比較本節(jié)點與費馬點的距離是否大于費馬域半徑r， 如是，丟棄路由錨點請求報文，不再繼續(xù)處理，如否，向源sensor節(jié)點返回路由錨點響應報文，并丟棄路由錨點請求報文。
10.如權(quán)利要求9所述無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，其特征在于，所述sensor節(jié)點，作為源 sensor節(jié)點時，用于選取系統(tǒng)內(nèi)所有節(jié)點間平均距離的2/3作為費馬域半徑r。
全文摘要
本發(fā)明提供一種面向雙sink互備份環(huán)境下的，降低目前無線傳感器網(wǎng)絡雙sink互備份應用下的能耗開銷過高的路由方法以及實現(xiàn)該方法的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)。將源sensor節(jié)點到兩個sink節(jié)點的路由結(jié)合起來，建立基于路由錨點的聯(lián)合節(jié)能路由，即先沿一條公共路徑傳輸，到達路由錨點之后，再分別向兩個sink節(jié)點分發(fā)。并且，路由錨點與費馬點結(jié)合，利用費馬點離三角形三個頂點距離之和最小的特征，這樣使得源sensor節(jié)點通過路由錨點傳遞數(shù)據(jù)到2個sink節(jié)點的距離總和最短、能量開銷最小，相比現(xiàn)有的路由方法，本發(fā)明能夠降低傳輸邏輯距離，減少能量開銷。
文檔編號H04W84/18GK102256325SQ20111025401
公開日2011年11月23日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者冷甦鵬, 劉強, 李唯喬, 毛玉明, 韋云凱 申請人:電子科技大學