一種基于信標的地理信息位置路由協(xié)議的改進

摘要：空洞問題一直是無線傳感器網絡中基于地理信息位置路由協(xié)議研究的一個熱點。文章對ITGR算法提出了改進措施，通過逆路由路徑方向尋找新的信標節(jié)點更新ITGR算法中的信標節(jié)點，從而擴大ITGR算法的目標陰影區(qū)域范圍，減少算法繞空洞時迂回路徑的長度。OMNeT++4．0仿真表明，改進算法可以降低ITGR算法繞空洞的路由路徑的平均跳數(shù)和長度。
關鍵詞：無線傳感網絡；路由協(xié)議；地理信息位置路由；信標

0 引言
近年來，隨著低功耗、微型化GPS的發(fā)展，以及三邊測量等定位技術的日趨成熟，使得基于地理信息位置的路由算法日益成為研究的熱點。而且在無線傳感網絡中，很多應用都與節(jié)點的位置信息有關，甚至某些應用必須知道節(jié)點的位置信息后，傳感器節(jié)點采集的信息才有真正的價值和意義。例如，在環(huán)境監(jiān)測中，需要知道被監(jiān)測點的位置信息；在森林火災監(jiān)測和煤礦安全事故監(jiān)測中，需要知道發(fā)生險情的位置信息；在跨海大橋橋梁安全監(jiān)測中，橋梁擺動的幅度需要精確知道其位置偏移信息。以地理信息位置為導向的路由同時具有很強的路由導向性。以往傳統(tǒng)的路由需要存儲大量的路由表或者在整個網絡內泛洪路由請求數(shù)據包來尋找數(shù)據包發(fā)送的路徑，而基于地理信息的位置路由，可以縮減路由請求的泛洪區(qū)域，甚至取消泛洪，大大降低整個網絡的能耗、擁塞，使得網絡的生存時間得以提高、網絡的規(guī)模得以提升。

1 相關算法研究
在基于地理信息位置路由算法依靠單跳鄰居節(jié)點和目標節(jié)點的位置信息來確定路由，路由選擇比本節(jié)點更接近于目標節(jié)點的鄰居節(jié)點作為下一跳節(jié)點。但當網絡中存在空洞的時候，該種貪婪算法有可能失效。對此，很多文章提出繞過空洞的解決方法，這些算法大體可以分為三類：局部泛洪機制、消息回退機制和面路由機制。其中以GPSR算法應用最為基礎和廣泛。
GPSR算法結合了貪婪轉發(fā)路由和周邊路由，源節(jié)點先用貪婪轉發(fā)策略發(fā)送數(shù)據包，當數(shù)據包到達局部最小節(jié)點時，算法進入周邊模式，即節(jié)點采用右手法則選擇下一跳節(jié)點。在周邊模式中如果一個節(jié)點到目標節(jié)點的距離小于局部最小節(jié)點到目標節(jié)點的距離，則在此算法由周邊模式恢復到貪婪算法模式中，依次重復直到到達目標節(jié)點。
雖然當源節(jié)點和目標節(jié)點存在連接的時候，GPSR算法總能保證數(shù)據包的發(fā)送，但GPSR算法存在三角路由問題和盲目路由問題。對此GLR算法將算法由周邊模式恢復到貪婪轉發(fā)模式的節(jié)點稱為信標節(jié)點(landmark)，源節(jié)點在知道到達目標節(jié)點的信標節(jié)點位置信息后，可以直接將數(shù)據發(fā)送到目標節(jié)點而不經過局部最小節(jié)點，從而優(yōu)化三角路由問題。同時信標節(jié)點的發(fā)現(xiàn)過程采用前向發(fā)現(xiàn)與后向發(fā)現(xiàn)相結合的方式，避免盲目路由問題時數(shù)據包繞整個網絡轉發(fā)的情況。
相對于GLR一個目標節(jié)點對應一個信標緩存的情況，ITGR算法提出目標陰影區(qū)域的概念。通過一次信標發(fā)現(xiàn)過程，發(fā)現(xiàn)到目標節(jié)點路徑上的信標節(jié)點和局部最小節(jié)點后；通過源節(jié)點、局部最小節(jié)點、信標節(jié)點的平面直線方程不等式組劃定目標節(jié)點陰影區(qū)域的范圍，一個信標節(jié)點對應目標陰影區(qū)域范圍內的所有節(jié)點。ITGR算法大大降低信標緩存的大小，并且減少信標發(fā)現(xiàn)過程，降低了控制開銷。

2 基于信標的地理信息位置路由協(xié)議的改進
本文在ITGR算法基礎上提出信標后退算法，試圖擴大目標節(jié)點的陰影區(qū)域，讓一次信標發(fā)現(xiàn)過程發(fā)現(xiàn)更大的目標節(jié)點陰影區(qū)域，讓更多的節(jié)點使用信標節(jié)點作為間接目標節(jié)點轉發(fā)數(shù)據，并減少算法進入周邊模式的次數(shù)，縮短路由路徑。

下面我們通過舉例來說明如何擴大目標節(jié)點陰影區(qū)域范圍。在圖1中，S為源節(jié)點，D為目標節(jié)點，陰影區(qū)域為VOID區(qū)域(由于陰影區(qū)域中存在障礙物等原因，網絡無法通過此區(qū)域通信)，P為局部最小節(jié)點，B1為ITGR算法的信標節(jié)點，實線為源節(jié)點S按照ITGR算法發(fā)送數(shù)據包到目標節(jié)點D的路徑，虛線為更新信標節(jié)點后的路徑。
ITGR和GLR算法中定義信標節(jié)點為路由算法由周邊模式恢復到貪婪轉發(fā)模式的節(jié)點。假設用DISTANCE(X，Y)來代表X與Y點之間的距離，B代表信標節(jié)點，則信標節(jié)點B滿足公式(1)。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，不僅僅在信標節(jié)點B滿足公式(1)，按照數(shù)據包所走的路徑往后推，E、C、N、B2點都滿足公式(1)，直到到達M點，M點并不滿足公式(1)。所以在B2同時滿足公式(2)與公式(3)
DISTANCE(B，D)DISTANCE(P，D)……(1)
DISTANCE(N，D)DISTANCE(B，D)……(2)
DISTANCE(B，D)DISTANCE(M，D)……(3)