复杂地理环境下传感器网络基于地理位置路由协议研究

基于地理位置路由协议具有良好的可扩展性，是目前在传感器网络研究中受到极大关注的前沿问题。本项目针对现有协议难以适应实际复杂三维地理环境的问题，围绕复杂三维地理环境下节点自身定位、源节点如何获得目的节点位置、"空洞"绕行路径的不确定性等问题开展研究。为应对现有三维定位算法受测量精度和信标节点数量的影响，导致解的唯一性和稳定性受到影响的问题，引入已知的地形信息作为约束，以节点间的位置关系为最优化目标，通过求解上述约束最优化问题，改善三维定位算法的精度和稳定性；为应对现有目的节点位置发现算法难以应用于三维环境的问题，提出对三维网络空间做剖面，并以该剖面作为约束条件，以开销最小化为目标，来解决三维环境下目的节点位置发现问题；为应对三维网络"空洞"绕行路径的不确定性问题，提出"空洞"建模方法，以绕行路径最短化为目标，实现有效的端到端数据传输。鉴于现有文献中尚无相关研究思路，因此本项研究属创新研究。

本项目研究围绕三维传感器网络的节点定位问题、路由问题、空洞问题展开研究，针对二位环境下的路由、定位算法难以适应三维环境的问题，以及实际网络多数情况下部署于起伏地表的实际情况展开研究，解决实际起伏地表情况下的传感器节点定位问题及路由问题。在节点定位方面，现有二维定位算法比较成熟，因此节点定位研究方面聚焦在起伏地表环境下的节点定位问题研究方面，提出了基于固定高度移动信标节点以及基于投影路径规划移动信标节点的定位算法，取得了较好的定位效果。在目的节点位置信息获取方面，提出了二维环境中基于中间人的目的节点获取方法，包括两种具体的方法，中间人方法能够很大程度上降低目的节点位置信息获取的开销，尤其当目的节点或者源节点频繁移动的情况下，降低开销效果较为显著。三维环境下提出了基于代理和临时位置服务器的目的节点位置获取方法，采用层次化位置存储结构降低开销。基于地理位置路由方面，针对起伏地表环境下，由于通信必须沿着部署于起伏地表的传感器节点进行通信，因此源目的节点之间的欧式距离与实际通信路径存在较大偏差，针对该问题提出了伪三维的地理位置无线传感器网络路由算法，该算法通过提取电子地图上的离散点，通过图论中的Dijkstra算法计算两点间沿着起伏地表的最短距离，该算法能够得到较为贴合实际的路由。在三维传感器网络边界节点识别方面，提出了基于面翻转的三维传感器网络边界节点识别方法，该方法以两个相邻边界节点连线为轴，以一个平面沿着轴翻转，碰到第一个到该两个已知节点距离小于通信半径的节点为下一个网络边界节点，以此类推最后实现全部网络边界节点的识别，该算法是分布式算法且能够以较小开销实现网络边界节点识别。在基于地理位置路由协议所面临的空洞绕行问题（局部极小问题）上，提出了空洞整形算法，该方法中位于空洞凹形区域的节点能够通过自组织的方式实现自身标记，标记过得节点不参与通信使得通信流不会进入空洞的凹形区域，从而避免局部极小问题。本项目上述内容和成果，都是从实际应用的角度出发，解决传感器网络在实际复杂应用环境中（野外、洞穴、水下、污染区域等）所面临的理论问题，通过解决上述问题，降低传感器网络在实际复杂应用环境中通信开销，提高传感器网络的生存性。