一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法

摘要

一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法，涉及一种无线传感器网络组网方法。为了解决原始的传感器网络组网技术不能够利用本地节点自身的地理位置信息来进行链路估算，导致的网络吞吐量低、网络时延高和协议开销高的问题。将无线传感器网络划分为栅格，当某一个传感节点或中继节点有数据分组需要发送给中心节点时，它将会依据它与中心节点间的相对位置信息来初步选择分组将发送的方向，并列出所有备选中继节点；该发送节点依据它与所选定方向相邻栅格间的相对位置信息，估算出该发送节点与这些栅格中的中继节点链路稳定性信息来估算在该方向上所有备选中继节点的链路稳定性信息。用于组建网络。

主权项

一种基于链路稳定性估算的无线栅格传感器网络组网方法，其特征在于它的实现步骤为：步骤一、将无线传感器网络划分为栅格，每个栅格中存在若干个传感器节点，在数据传输过程中，在同一个栅格里面，在任意时刻，只有一个传感器节点作为中继节点；步骤二、中心节点通过洪泛广播的方式配置网络的几何坐标、子网ID、中心节点坐标及其ID、垂直方向栅格数目m和水平方向栅格数目n；所述中心节点的ID为0，所在的位置为(x₀，y₀)；步骤三、第一次接收到配置分组广播数据的每个中继节点，依据网络参数计算出网络的水平方向长度和垂直方向长度L，并记录这些配置信息，然后继续中继广播该配置分组广播数据；接收过该配置分组广播数据的中继节点，将不再转发，直接丢弃该配置分组广播数据；此时，如果传感节点接收到该配置分组广播数据，将依据网络参数调整它的配置信息后直接丢弃该配置分组广播数据；步骤四、当某一个传感节点或中继节点有数据分组信息需要发送给中心节点时，它将会依据它与中心节点间的相对位置信息来初步选择分组将发送的方向，并列出所有备选中继节点；步骤五、该发送节点依据它与所选定方向相邻栅格间的相对位置信息，利用发送节点与各栅格中心间的距离来估算链路稳定度，估算出该发送节点与这些栅格中的中继节点链路稳定性信息来估算在该方向上所有备选中继节点的链路稳定性信息，具体方法如下：首先通过坐标变换将备选栅格映射到网络的右上方，并将坐标原点置于该发送节点所在栅格的右下角；更进一步将发送节点在其栅格中的位置以节点的无线通信距离R为半径，划定为四个区域，分别是多边形BCD、EFGCB、FGHIJ和IJK；划分原则：首先以备选栅格右上方的顶底A点为圆心，以节点的无线通信距离R为半径画圆，圆与发送节点所在栅格相交，将发送节点i所在栅格划分出第一个区域多边形BCD；再以备选栅格的左上方的顶点M点为圆心，以节点的无线通信距离R为半径画圆，圆与发送节点所在栅格相交，将发送节点i所在栅格划分出第二个区域多边形EFGCB；再以备选栅格的右上方的顶点N点为圆心，以节点的无线通信距离R为半径画圆，圆与发送节点所在栅格相交，将发送节点i所在栅格划分出第三个区域多边形FGHIJ；最后以发送节点i所在栅格的第四个区域IJK内的任一点为圆心，以节点的无线通信距离R为半径画圆，该圆所覆盖的面积，覆盖了包括备选栅格左下方的顶点的区域LTS；下面分别利用积分公式就可以计算出该发送节点i所覆盖各个栅格的面积与该栅格实际面积的比值，即栅格面积比；该比值越大，节点i与该所覆盖栅格中中继节点间的链路越可能存在并且稳定；如果节点i位于多边形BCD中，那么它所能覆盖的最右上角栅格面积比为1；如果节点i位于多边形EFGCB中，那么它所能覆盖的最右上角栅格面积为：$\begin{array}{c}S=d^2-{\int }_{x_i+\sqrt{R^2-{(3d-y_i)}^2}}^{2d}(3d-y_i-\sqrt{R^2-{(x-x_i)}^2})\mathrm{dx}\\ =d^2-(3d-y_i)(2d-x_i-\sqrt{R^2-{(3d-y_i)}^2})\\ +\frac{2d-x_i}{2}\sqrt{R^2-{(2d-x_i)}^2}-\frac{3d-y_i}{2}\sqrt{R^2-{\left(3d{-y}_i\right)}^2}\\ +\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{2d-x_i}{R}-\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{\sqrt{R^2-{(3d-y_i)}^2}}{R}\end{array}$如果节点i位于多边形FGHIJ中，那么它所能覆盖的最右上角栅格面积S为：$\begin{array}{c}S=\underset{d}{\overset{2d}{\int }}(y_i-2d+\sqrt{R^2-{(x-x_i)}^2})\mathrm{dx}\\ =d(y_i-2d)+\frac{2d-x_i}{2}\sqrt{R^2-{(2d-x_i)}^2}-\frac{d-x_i}{2}\\ +\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{2d-x_i}{R}-\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{d-x_i}{R}\end{array},\sqrt{R^2-{(d-x_i)}^2}$如果节点i位于多边形IJK中，那么它所能覆盖的最右上角栅格面积S为：$\begin{array}{c}S={\int }_d^{x_i\sqrt{R^2-{(2d-y_i)}^2}}(y_i-2d+\sqrt{R^2-{\left(x{-x}_i\right)}^1})\mathrm{dx}\\ =(d-x_i)(2d-y_i)-\frac{2d-y_i}{2}\sqrt{R^2{(2d-y_i)}^2}-\frac{d-x_i}{2}\\ +\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{\sqrt{R^2-{(2d-y_i)}^2}}{R}-\frac{R^2}{2}\arcsin \frac{d-x_i}{R}\end{array},\sqrt{R^2-{(d-x_i)}^2}$其中，x为节点相对于其所在栅格原点的水平距离，d为栅格的长度，同理，该节点所能覆盖的所有栅格的面积均可以利用这种积分方式获得，然后将这些面积除以单位栅格面积d²，即为所求的栅格面积比；λ为链路稳定性的门限，R是节点的无线通信距离，所有满足到栅格中心距离不大于λR的栅格均为符合链路稳定度的路由，随后发送节点从这些栅格中按照最短路径准则选择中继节点；在满足链路稳定性门限要求的所有备选栅格中，依据最短路径算法选择最佳的中继节点作为下一跳中继节点，并将数据分组发送给该节点；发送节点i的坐标为(x_i，y_i)；步骤七、当下一跳中继节点在接收到该数据分组后，将会继续按照步骤四至步骤六的方法继续转发数据分组，直到该分组到达中心节点为止。