一种基于节点速度的支持节点移动性的方法.pdf

本发明公开了一种基于节点速度的支持节点移动性的方法，该方法通过对移动节点发出的移动同步帧MSYNC是否作出回答来获取新邻居节点，然后新邻居节点通过接收MSYNC信号的强度得到自身与移动节点之间的距离，同时通过判定条件选取是否给移动节点回发MACK；在满足了判定条件后，新邻居节点通过自身的静止邻居信息及移动节点的状态信息，计算移动节点下一次发出MSYNC的时间间隔。所述的判定条件为：利用有向线段与移动节点m的移动方向的夹角应大于90度，且移动节点m与新邻居节点n之间的距离小于传输范围R。本发明的方法避免了频繁周期性邻居查找带来了能量开销，并在簇间移动时快速获得新簇的调度信息，减少了由于周期调度不同带来的大量丢包。

权利要求书
1.  一种基于节点速度的支持节点移动性的方法，其特征在于该方法包括有下列执行步骤：
第一步：修改移动节点发出的同步帧结构
移动节点m只发出移动同步帧MSYNC，该移动同步帧MSYNC为一个六元组，其结构为MSYNC＝{type，srcAddr，syncnode，sleepTime，crc，v}，type表示收到的数据包的类型，srcAddr表示发送者的地址，syncnode表示调度发起者的节点编号，sleepTime表示发送者发送该同步帧至发送者进入一下次睡眠的时间间隔，crc表示循环冗余校验码，v表示移动节点m的移动速度；
作为第一次收到该移动节点m的移动同步帧MSYNC的节点称为移动节点m的新邻居节点n，该新邻居节点n只针对移动同步帧MSYNC有应答回复同步帧MACK，该回复同步帧MACK为一个七元组，其结构为MACK＝{type，srcAddr，syncnode1，sleepTime1，syncnode2，sleepTime2，NextAnnounceInterval}，type表示收到的数据包的类型，srcAddr表示发送者的地址，syncnode1表示主调度发起者的节点编号，sleepTime1表示新邻居节点n的主调度，syncnode2表示副调度发起者的节点编号，sleepTime2表示新邻居节点n的副调度，NextAnnounceInterval表示移动节点m下一次广播MSYNC的时间间隔；
第二步：确定移动同步帧的通告时间间隔
(A)无线传感器网络中的每个节点的传输范围记为R，且每个节点的传输范围R是相同的；
(B)每个节点通过GPS知道自己所处为静止或移动的状态信息；
(C)新邻居节点n通过接收MSYNC信号的强度得到自身与移动节点之间的距离；
(D)接收到MSYNC的新邻居节点n依据自身邻居列表中的信息判定自己是否给移动节点回发MACK；
判定条件为：利用有向线段与移动节点m的移动方向的夹角应大于90度，且移动节点m与新邻居节点n之间的距离小于传输范围R；
中n表示能够收到MSYNC的节点，b表示节点n的邻居节点，→表示移动的方向；
(E)在满足了步骤(D)后，新邻居节点n通过自身的静止邻居信息及移动节点m的状态信息，计算移动节点m下一次发出MSYNC的时间间隔，具体步骤为：
(1)计算移动节点m至节点i之间的距离L
连接移动节点m、新邻居节点n和节点i的中心点构成一个三角形；根据余弦定理可以得到移动节点m至节点i之间的距离L，L2＝L12+L22-2L1L2cosθ，L1表示新邻居节点n至节点i之间的距离，L2表示移动节点m至新邻居节点n之间的距离，θ表示L1与L2之间的夹角；
(2)判断移动节点m是否进入节点i的通信范围
判定R≥Lsin|β-γ|是否满足；L表示移动节点m至节点i之间的距离，β表示L2与移动节点m的移动方向延长线之间的夹角，γ表示L与L2之间的夹角，R表示节点的传输范围；
(3)计算移动节点m的下一次发出MSYNC的时间间隔
连接移动节点m、交点O和节点i构成的中心点另一个三角形；根据余弦定理得到移动节点m移动至节点i的传输范围内的移动距离d，d=Lcos(β-γ)+R2-L2sin2(β-γ),]]>d表示移动节点m移动至节点i的传输范围内的移动距离。

2.  根据权利要求1所述的基于节点速度的支持节点移动性的方法，其特征在于：新邻居节点n在回复同步帧MACK中最多具有两个调度信息。

3.  根据权利要求1所述的基于节点速度的支持节点移动性的方法，其特征在于：新邻居节点n在回复同步帧MACK时，若新邻居节点n为簇内静止节点，则sleepTime2为空；若新邻居节点n为边界节点，则sleepTime2不为空。

4.  根据权利要求1所述的基于节点速度的支持节点移动性的方法，其特征在于：由于一个节点可能有几个邻居，因此依据最小通告时间间隔来得到移动节点m的下一次发出MSYNC的时间间隔；中，fi表示最小通告时间间隔，di表示移动节点m移动至节点i的传输范围，v表示移动节点m的移动速度。

5.  根据权利要求1所述的基于节点速度的支持节点移动性的方法，其特征在于：无线传感器网络中的节点与节点之间的距离是映射在平面坐标系下的。

6.  根据权利要求1所述的基于节点速度的支持节点移动性的方法，其特征在于：第一步骤中的修改移动节点m的同步帧信息有利于减少节点能量开销，提高节点的利用率，同时便于进行移动节点的邻居更新和调度更新。

说明书一种基于节点速度的支持节点移动性的方法
技术领域
本发明涉及一种支持节点移动性的方法，更特别地说，是指一种MAC(MediaAccess Control，介质访问控制)层的基于节点速度的支持节点移动性的方法，该方法应用于无线传感器网络。
背景技术
随着无线传感器网络越来越多的应用于移动场景中，例如移动目标跟踪、病人健康监护，原有的MAC协议已经不能满足节能及服务质量(QoS)的要求，不仅消耗大量能量，数据的丢包率也大大增加。因此在无线传感器网络MAC协议设计中考虑对移动性的有效支持是非常必要的。
S-MAC是无线传感器网络中一个典型的基于竞争的MAC协议，每个节点采用侦听-睡眠周期节省能量。具有相同侦听-睡眠调度的节点形成一个虚拟簇，边界节点记录两个或多个调度。为了避免时钟漂移，每个节点都要周期性的发送同步帧(SYNC)来广播自己的调度，从而与邻居节点保持同步。为了防止邻居节点间互相收不到对方的SYNC，每个节点都要周期性的进行邻居查找过程。当一个节点至少有一个邻居节点时，大约每5分钟进行一次邻居查找；如果一个节点的邻居节点数为0，则大约30秒就进行一次邻居查找。S-MAC在网络是静态时可以很好的工作。但是当有节点移动时，由于移动节点进入到遵循另一个调度的虚拟簇中，不得不等待大约5分钟才能进行邻居查找过程，因此既浪费能量又会增大丢包。S-MAC中当移动节点没有邻居节点时增加移动节点的邻居查找的频率(一分钟两次)，这样的确加快了移动节点与新邻居建立连接的速度，但是这是一种反应式的方法，只有在与移动节点的所有连接都丢失的情况下才会被启用。因此建立新连接的时间会更长。
发明内容
在S-MAC的基础上本发明提出了一种支持移动性机制的基于节点速度的支持节点移动性的方法。该方法中移动节点m根据自身的移动速度V调节发送同步帧的通告时间间隔，并与新邻居节点n快速建立连接，避免了频繁周期性邻居查找带来了能量开销，并在簇间移动时快速获得新簇的调度信息，减少了由于周期调度不同带来的大量丢包。
本发明的一种基于节点速度的支持节点移动性方法，该方法包括有下列执行步骤：
第一步：修改移动节点发出的同步帧结构
移动节点m只发出移动同步帧MSYNC，该移动同步帧MSYNC为一个六元组，其结构为MSYNC＝{type，srcAddr，syncnode，sleepTime，crc，v}，type表示收到的数据包的类型，srcAddr表示发送者的地址，syncnode表示调度发起者的节点编号，sleepTime表示发送者发送该同步帧至发送者进入一下次睡眠的时间间隔，crc表示循环冗余校验码，v表示移动节点m的移动速度；
作为第一次收到该移动节点m的移动同步帧MSYNC的节点称为移动节点m的新邻居节点n，该新邻居节点n只针对移动同步帧MSYNC有应答回复同步帧MACK，该回复同步帧MACK为一个七元组，其结构为MACK＝{type，srcAddr，syncnode1，sleepTime1，syncnode2，sleepTime2，NextAnnounceInterval}，type表示收到的数据包的类型，srcAddr表示发送者的地址，syncnode1表示主调度发起者的节点编号，sleepTime1表示新邻居节点n的主调度，syncnode2表示副调度发起者的节点编号，sleepTime2表示新邻居节点n的副调度，NextAnnounceInterval表示移动节点m下一次广播MSYNC的时间间隔；
第二步：确定移动同步帧的通告时间间隔
(A)无线传感器网络中的每个节点的传输范围记为R，且每个节点的传输范围R是相同的；
(B)每个节点通过GPS知道自己所处为静止或移动的状态信息；
(C)新邻居节点n通过接收MSYNC信号的强度得到自身与移动节点之间的距离；
(D)接收到MSYNC的新邻居节点n依据自身邻居列表中的信息判定自己是否给移动节点回发MACK；
判定条件为：利用有向线段与移动节点m的移动方向的夹角应大于90度，且移动节点m与新邻居节点n之间的距离小于传输范围R；
中n表示能够收到MSYNC的节点，b表示节点n的邻居节点，→表示移动的方向；
(E)在满足了步骤(D)后，新邻居节点n通过自身的静止邻居信息及移动节点m的状态信息，计算移动节点m下一次发出MSYNC的时间间隔，具体步骤为：
(1)计算移动节点m至节点i之间的距离L
连接移动节点m、新邻居节点n和节点i的中心点构成一个三角形；根据余弦定理可以得到移动节点m至节点i之间的距离L，L2＝L12+L22-2L1L2cosθ，L1表示新邻居节点n至节点i之间的距离，L2表示移动节点m至新邻居节点n之间的距离，θ表示L1与L2之间的夹角；
(2)判断移动节点m是否进入节点i的通信范围
判定R≥Lsin|β-γ|是否满足；L表示移动节点m至节点i之间的距离，β表示L2与移动节点m的移动方向延长线之间的夹角，γ表示L与L2之间的夹角，R表示节点的传输范围；
(3)计算移动节点m的下一次发出MSYNC的时间间隔
连接移动节点m、交点O和节点i构成的中心点另一个三角形；根据余弦定理得到移动节点m移动至节点i的传输范围内的移动距离d，，d表示移动节点m移动至节点i的传输范围内的移动距离。
所述的基于节点速度的支持节点移动性的方法，其无线传感器网络中的节点与节点之间的距离是映射在平面坐标系下的。
所述的基于节点速度的支持节点移动性的方法，第一步骤中的修改移动节点m的同步帧信息有利于减少节点能量开销，提高节点的利用率，同时便于进行移动节点的邻居更新和调度更新。
本发明的一种基于节点速度的支持节点移动性方法的优点在于：
(1)该方法能够保证移动节点在网络中的连接，使得移动节点与周围邻居具有良好的连通性。
(2)该方法改善了在服务质量方面的性能，在丢包率、吞吐量、端到端延迟方面都有明显的改善。
(3)该方法通过移动速度V、传输范围以及邻居拓扑三个因素，动态调节同步帧的发送，既不会因为频繁的邻居查找而耗能，也不会由于邻居查找周期过长造成服务质量性能的下降。
附图说明
图1是本发明移动节点与新邻居节点的传感关系示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种基于节点速度的支持节点移动性的方法，该方法包括有下列执行步骤：
第一步：修改移动节点发出的同步帧结构
在无线传感器网络中的每个节点发出的S-MAC原同步帧SYNC，SYNC结构为SYNC＝{type，srcAddr，syncnode，sleepTime，crc}，type表示收到的数据包的类型，srcAddr表示发送者的地址，syncnode表示调度发起者的节点编号，sleepTime表示发送者发送该同步帧至发送者进入一下次睡眠的时间间隔，crc表示循环冗余校验码。
在本发明中，移动节点m只发出移动同步帧MSYNC＝{type，srcAddr，syncnode，sleepTime，crc，v}，type表示收到的数据包的类型，srcAddr表示发送者的地址，syncnode表示调度发起者的节点编号，sleepTime表示发送者发送该同步帧至发送者进入一下次睡眠的时间间隔，crc表示循环冗余校验码，v表示移动节点m的移动速度。该移动同步帧MSYNC是在原同步帧SYNC基础上增加了移动节点m的移动速度信息。
作为第一次收到该移动节点m的移动同步帧MSYNC的节点称为移动节点m的新邻居节点n，该新邻居节点n只针对移动同步帧MSYNC有应答回复同步帧MACK，MACK＝{type，srcAddr，syncnode1，sleepTime1，syncnode2，sleepTime2，NextAnnounceInterval}，type表示收到的数据包的类型，srcAddr表示发送者的地址，syncnode1表示主调度发起者的节点编号，sleepTime1表示新邻居节点n的主调度，syncnode2表示副调度发起者的节点编号，sleepTime2表示新邻居节点n的副调度，NextAnnounceInterval表示移动节点m下一次广播MSYNC的时间间隔。
在回复同步帧MACK中，新邻居节点n最多具有两个调度信息。若新邻居节点n为簇内静止节点，则sleepTime2为空；若新邻居节点n为边界节点，则sleepTime2不为空。
在本发明中，修改移动节点m的同步帧信息有利于减少节点能量开销，提高节点的利用率，同时便于进行移动节点的邻居更新和调度更新。
第二步：确定移动同步帧的通告时间间隔
(A)无线传感器网络中的每个节点的传输范围记为R，且每个节点的传输范围R是相同的；
在本发明中，能够接收到移动节点m广播的移动同步帧MSYNC信息的节点称为移动节点m的邻居节点。每个移动节点都建立一个邻居列表，用于记录该节点的邻居的编号、距离和/或状态等信息。图1中，m为移动节点，则移动节点m的传输范围是以m为圆心，传输范围R为半径所包括的虚线圆圈；由于m为移动节点，相对的i，n，a，b，c，g为静止节点；由于n，b，c，g节点在移动节点m的传输范围里故为m的邻居节点。成为移动节点m的邻居节点是以移动节点m发出一次移动同步帧MSYNC信息能够收到为条件，当移动节点m下一次发出移动同步帧MSYNC信息不能收到的节点，则不能成为移动节点m的邻居节点，故移动节点的邻居列表是变化的。
(B)每个节点通过GPS知道自己所处为静止或移动的状态信息；
在本发明中，如果节点是移动的，它知道自己的移动速度。如果节点是静止的，该节点知道它与周围静止邻居之间的距离。
(C)新邻居节点n通过接收MSYNC信号的强度得到自身与移动节点之间的距离；
(D)接收到MSYNC的新邻居节点n依据自身邻居列表中的信息判定自己是否给移动节点回发MACK；
判定条件为：利用有向线段与移动节点m的移动方向的夹角应大于90度，且移动节点m与新邻居节点n之间的距离小于传输范围R。
中n表示能够收到MSYNC的节点，b表示节点n的邻居节点，→表示移动的方向。
在本发明中，节点与节点之间的距离是映射在平面坐标系下的，故移动节点的运动的方向为常用的上北下南，左西右东。
(E)在满足了步骤(D)后，新邻居节点n通过自身的静止邻居信息及移动节点m的状态信息，计算移动节点m下一次发出MSYNC的时间间隔，具体步骤为：
(1)计算移动节点m至节点i之间的距离L
在本发明中，连接移动节点m、新邻居节点n和节点i的中心点构成一个三角形。根据余弦定理可以得到移动节点m至节点i之间的距离L，L2＝L12+L22-2L1L2cosθ，L1表示新邻居节点n至节点i之间的距离，L2表示移动节点m至新邻居节点n之间的距离，θ表示L1与L2之间的夹角。
(2)判断移动节点m是否进入节点i的通信范围
在本发明中，判定R≥Lsin|β-γ|是否满足。L表示移动节点m至节点i之间的距离，β表示L2与移动节点m的移动方向延长线之间的夹角，γ表示L与L2之间的夹角，R表示节点的传输范围。
(3)计算移动节点m的下一次发出MSYNC的时间间隔
在本发明中，连接移动节点m、交点O(节点i的传输范围与移动节点m的移动方向延长线的交点)和节点i构成的中心点另一个三角形。根据余弦定理可以得到移动节点m移动至节点i的传输范围内的移动距离d，，d表示移动节点m移动至节点i的传输范围内的移动距离。
由于一个节点可能有几个邻居，因此依据最小通告时间间隔来得到移动节点m的下一次发出MSYNC的时间间隔。
中，fi表示最小通告时间间隔，di表示移动节点m移动至节点i的传输范围，v表示移动节点m的移动速度。
在本发明的基于节点速度的支持节点移动性方法，该方法通过对移动节点发出的移动同步帧MSYNC是否作出回答来获取新邻居节点，然后新邻居节点通过接收MSYNC信号的强度得到自身与移动节点之间的距离，同时通过判定条件选取是否给移动节点回发MACK；在满足了判定条件后，新邻居节点通过自身的静止邻居信息及移动节点的状态信息，计算移动节点下一次发出MSYNC的时间间隔。本发明的方法避免了频繁周期性邻居查找带来了能量开销，并在簇间移动时快速获得新簇的调度信息，减少了由于周期调度不同带来的大量丢包。