[发明专利]面向目标跟踪应用的无线传感器网络路由选择方法

说明书

技术领域

本发明属于无线自组织网络领域，特别是一种基于地理信息的面向目标跟踪应用的无线传感器网络路由选择方法。

背景技术

WSN是由大量自治的微型传感器节点以Ad-Hoc等方式构建形成，并能够协同地对某种物理现象进行感知的网络。由于该网络具有不需要固定的基础设施，可快速部署、隐蔽性、自组织性和健壮性等特点，在军事、工业、交通、安全、医疗和家庭等众多场合有重要的应用潜力和前景，是目前国内外工业界和学术界研究的热点技术之一。

WSN中节点携带的电源能量有限；单个节点通信、计算和存储能力较弱；网络的拓扑结构动态变化；与应用相关性较强等。这些特点要求WSN中的路由方法必须适应自身特点，且针对具体应用来进行设计。

应用于目标跟踪应用的WSN路由方法应满足以下需求：(1)能耗低。网络内每个传感器节点通常使用容量有限，不可更换的电池，因此，目标跟踪应用中路由方法必需采取节能策略。(2)数据传输可靠。目标跟踪对于路由数据的可靠传输有较高要求，因为如果路由数据丢失，可能造成跟踪的不准确或丢失，而目标丢失后起用恢复机制又会消耗较多系统能量，因此，应用于目标跟踪的路由方法必须能够可靠地传送数据。(3)协议可扩展。目标跟踪所采用的传感器节点数量可能会随着目标的数量，跟踪的精度等要求不断增加，因此，目标跟踪应用要求路由方法具有较好的可扩展性。为了适应拓扑动态变化的网络结构，提高系统的鲁棒性，路由方法应该采用分布式运行方式。(4)通信实时性好。在目标运动速度较快的场合，要对目标进行准确的跟踪，节点间数据通信具有一定的实时性要求。否则就无法实现对目标进行及时、准确地跟踪。

研究者已提出许多WSN路由方法。根据是否以地理位置来标识目的地，路由计算中是否利用地理位置信息，这些路由方法可分为基于地理信息的路由方法和非基于地理信息的路由方法两大类。在目标跟踪应用中，往往需要唤醒距离目标最近的传感器节点，以得到关于目标的更精确的位置等相关信息，将节点的地理位置作为路由选择的依据，不仅能够完成路由功能，还可以降低系统专门维护路由协议的能耗。因此，基于地理信息的路由方法较适合于WSN目标跟踪应用。采用基于地理信息的路由方法需要解决的一个问题是通信“空洞”问题，即数据包沿固定路径转发时，一些节点由于频繁转发数据包导致能源耗尽而失效，从而形成转发“空洞”。已提出的基于地理信息的路由方法中，GPSR(GreedyPerimeter Stateless Routing，GPSR)[Karp Band Kung HT.“GPSR：Greedy perimeter stateless routing for wireless networks”.Proceeding of the6th annual internat ional conference on Mobilecomput ing and networking，New York：ACM Press，2000，243-254]使用贪婪转发和沿周界转发两种方法转发数据包。贪婪转发方法是基本方案，当贪婪算法失效时，GPSR通过在该区域原始网络图之上建立平面图(比如加伯利图)的方法来解决“空洞”的问题，即通过围绕平面图边界向目标区域继续转发数据包的方式来恢复路由，条件满足时又恢复贪婪转发。如此反复，直到最后到达目的地。

GEAR(Geographical and Energy-Aware Rout ing，GEAR)[Yu Y，Estrin D，and Govindan R.“Geographical and Energy-Aware Routing：A Recursive Data Dissemination Protocol for Wireless SensorNetworks”.UCLA Computer Science Department Technical Report，UCLA-CSD TR-01-0023，2001.]协议利用节点能量和地理信息作为启发式选择路径向目标区域传送数据。GEAR协议要求每个节点维护一个预估费用和一个通过邻居节点到达目的节点的学习费用。预估费用是节点剩余能量与到目标节点距离的综合代价，学习费用则是对描述网络中存在空洞时所需要的预估费用的改进。如果存在通信空洞，则采用学习费用代替预估费用。

以上基于地理信息的路由方法应用于目标跟踪存在以下不足：