[发明专利]基于地理位置的伪三维无线传感器网络路由方法

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及无线传感器网络技术领域。

背景技术

随着传感器技术、嵌入式计算技术、低功耗无线通讯技术的飞速发展，具备感应、无线通讯以及信息处理能力的微型无线传感器开始出现，成百上千个廉价的、低功率的传感器组织成无线传感器网络(Wireless Sensor Network)能够协作地监测、感应其网络覆盖区域内的多种环境信息如声、光、电，并传送到远处的基站进行处理。这些传感器有着双重功能，既作为数据的采集者又作为数据的转发者，而基站收集到这些数据之后进行一定处理再通过有线或无线网络发送给远方的用户，无线传感器网络能够在恶劣的环境条件下获取大量详实而可靠的信息，可以广泛应用于国防军事、工业控制、环境监测、交通管理等领域。

由于无线传感器网络中的节点能量、带宽等资源十分匮乏，因此传统的无线网络如移动自组网中的路由协议大多不能很好地应用到无线传感器网络中来，针对传感器网络的特点，传感器网络中的路由协议应能有效地利用节点有限的资源。

基于地理位置路由方法由于只利用节点的位置信息就能实现路由，不需要维护路由表，因此具有算法简单，可扩展性好等优点，在无线传感器网络中具有广泛的应用前景。GPSR路由方法是典型的基于地理位置路由方法，该方法根据节点地理位置信息利用贪婪算法来建立路由。如图1所示，S为发送节点，D为目地节点，虚线圆为节点S的发射范围，在这圆内的节点都为S的邻居节点。虚线圆弧为节点C到节点D的欧式距离为半径绘制的圆弧。当节点S需要向节点D转发数据分组的时候，它首先在自己的所有邻居节点中选择一个距节点D最近的节点作为数据分组的下一跳，然后将数据传送给它，图上节点C是距离节点D欧式距离最近的节点，因此S的下一节点为C。该过程一直重复，直到数据分组到达目的节点D。

GPSR路由方法中产生或收到数据的节点向以欧氏距离计算出的最靠近目的节点的邻节点转发数据。但由于数据会到达没有比该节点更接近目的点的区域(称为空洞)，导致数据无法传输。当出现这种情况时，空洞周围的节点能够探测到，并利用右手法则沿空洞周围传输来解决此问题。该路由方法避免了在节点中建立、维护、存储路由表，只依赖直接邻节点进行路由选择，几乎是一个无状态的协议；且使用接近于最短欧氏距离的路由，数据传输时延小；并能保证只要网络连通性不被破坏，一定能够发现可达路由。

现有的GPSR路由方法虽然存在上述优点，但是也存在不足之处。对于一个随机分布的无线传感器网络，网络中存在的空洞一般相对于整个网络来说非常小，因此端到端的路径大体上接近于源节点到目的节点的连线。在很多实际应用当中，无线传感器节点往往分布在具有地势起伏的山地、丘陵等环境中，因此节点通常是分布在高地不平的曲面上。由于节点发射功率有限，因此在地势起伏环境下，实际的信号是沿着起伏地势表面进行传播。在图1当中，按照GPSR的路由算法，节点C是节点S所有邻居节点中距离目地节点欧式距离最近的节点。我们取节点C到节点D的纵向剖面，如图2所示，计算出来的节点C到节点D的欧式距离CD由CA、AB和BD三部分组成。其中CA和BD这两部分是悬空的路径，AB是穿越障碍的路径。由于节点都分布于地形表面，实际的传播路径应该如图2中虚线所示，沿起伏曲面上进行传播。因此GPSR所用的欧氏距离CD与信号的实际传输路径相去甚远，因此在起伏地势上用欧氏距离用来作为判断选择下一节点的依据并不合理，而以沿起伏地势表面的路径计算结果作为判断依据更为合理。以上分析表明，虽然图1中节点C到目的节点的欧式距离最短，但是沿着起伏地势表面上的路径长度可能大于其他邻居节点到目的节点的路径。为适应实际应用的需要，我们需要提出起伏地形环境下的新的距离计算方法，以获得更为优化的端到端最短路径长度。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的GPSR路由方法针对起伏地势上用欧式距离作为选取下一节点的判断依据的不合理性，提供了基于地理位置的伪三维无线传感器网络路由方法。

本发明的技术方案是：基于地理位置的伪三维无线传感器网络路由方法，包括如下具体步骤：

步骤1：建立网格从电子地图上获取离散点；

步骤2：确定从电子地图上获取的空间交点之间的相邻关系并计算相邻交点之间的距离；

步骤3：将三维点分布及相邻点之间的距离图转化为二维图并建立邻接矩阵；

步骤4：利用图论寻找最短路径；

步骤5：用实际的无线传感器节点的地理位置映射到对应离散点并获取最短路径。