CN105577452A - 一种面向障碍的无线传感器网络连通性恢复方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种面向障碍的无线传感器网络连通性恢复方法及装置，设无线传感器网络存在n个网络分区，每个网络分区用一个分区节点表示，则整个无线传感器网络由n个分区节点表示；所述方法包括：构建障碍情况下的n个分区节点的最小生成树；在所述构建的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树上分配中继节点，所述中继节点包括静止中继节点和移动中继节点；利用所分配的中继节点，获得所述中继节点所连接的分区节点内的网络数据，根据所获得的网络数据连通各分区节点，从而恢复所述n个网络分区的无线传感器网络的连通。应用本发明实例，解决了障碍情况下无线传感器网络连通性恢复的问题。

Description

一种面向障碍的无线传感器网络连通性恢复方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种面向障碍的无线传感器网络连通性恢复方法及装置。

背景技术

随着微电子技术和通信技术的不断进步，无线传感器网络广泛应用于军事、环境监测等多个领域，具有重要的研究价值及应用前景。无线传感器网络(WSNs，WirelessSensorNetworks)往往布置在无人值守的恶劣环境，节点容易发生故障，并且，节点可能因电量耗尽而无法工作。网络中关键节点的故障会将无线传感器网络分割成多个不连通的分区，不同分区之间的节点无法协作完成任务，对网络性能产生严重影响。尤其在搜救等应用中，无线传感器网络中的这些故障人工很难干预，网络连通性的自主恢复就非常重要。

现有技术中自主恢复网络连通性的方案如下：

现有技术方案一：提出了一种容错路由恢复方法，其是针对异构无线传感器网络中由于节点故障而使网络中某条路径断开的情况。该方案中，通过构建簇内多路径路由生成图，进行路径编码；采用多粒子群免疫协同优化算法来选择最优替代路径，进行路由恢复，同时也采用了基于该算法的协议来维护网络系统。但是，该方案是针对由于节点故障造成的多条路径不连通的情况进行路由恢复，不适用于大规模网络中由于节点故障而造成网络分区的情况。

现有技术方案二：其针对无线网络传感器网络节点故障造成网络孤立区域的问题，提供了一种无线传感器网络连通性恢复方法，该方法通过转置节点将失去连通的孤立区域重新连接到最近的连通集，然后再将这些连通集连接起来，从来恢复网络的连通性。在该方案中，需要确定连通集，适用于大面积节点同时故障造成的网络分区情况，而对少数节点故障造成的网络的不连通的情况并不适用。

现有技术方案三：本方案对于无线传感器网络中节点故障造成的网络分区问题，采用的是一种通过节点移动恢复网络连通性的算法，该算法主要利用了一个分区中的非关键节点向另一个分区移动，产生级联移动，直到两个分区连通，同时在节点移动过程中考虑了地形的变化对算法的影响。由于该算法采用的是级联移动，多个节点参与移动的同时又要保证该分区的连通性，这样就增加了能量消耗和算法复杂度，同时，只是考虑了节点在移动过程中移动路径上的地形变化的影响，没有考虑移动过程中遇到障碍的情况，而在现实中障碍总是不可避免的。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种面向障碍的无线传感器网络连通性恢复方法及装置，旨在及时有效地恢复网络的连通性，既适用于节点故障造成的多条路径不连通的情况，又适用于大面积节点同时故障造成的网络不连通的情况，考虑了移动中继节点的移动路径中存在障碍的问题。

为达到上述目的，本发明实施例公开了一种面向障碍的无线传感器网络连通性恢复方法，应用于无线传感器网络，且所述网络中具有中继节点，设无线传感器网络存在n个网络分区，每个网络分区用一个分区节点表示，则整个无线传感器网络由n个分区节点表示；所述方法包括：

构建障碍情况下的n个分区节点的最小生成树；

在所述构建的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树的边上分配静止中继节点和/或移动中继节点；

利用所分配的静止中继节点和/或移动中继节点，获得所述中继节点所连接的分区节点内的网络数据，根据所获得的网络数据连通各分区节点，从而恢复所述n个网络分区的无线传感器网络的连通。

具体的，所述障碍所构成的障碍区域是凸多边形区域，且所述凸多边形顶点个数不小于4个，所述构建障碍情况下的n个分区节点的最小生成树的步骤包括：

利用prim算法构建n个分区节点的最小生成树；

依次判断所述最小生成树的每条边是否穿过障碍区域，对每条穿过所述障碍区域的边进行如下处理：

如果边e_ij穿过障碍区域，所述边e_ij的两个顶点为v_i，v_j，计算该边与障碍区域的交点，若只有一个交点，则该边不做处理；若与障碍区域有两个交点，则做如下处理：

若两交点之间只有一个凸多边形顶点P_n，则用链{v_i，P_n，v_j}代替最小生成树中边e_ij；

若两交点之间有多个凸多边形顶点P_m，P_m+1…，P_m+k-1，则从边e_ij的一个顶点v_i按照顺时针方向连接障碍区域顶点P_m，并依次连接直到连接到该边的另一个顶点v_j，形成链line1:{v_i，P_m，P_m+1….P_m+k-1，v_j}，其中，k为两交点之间的按顺时针方向凸多边形顶点个数；并且，从边e_ij的该顶点v_i按照逆时针方向连接障碍区域顶点，形成链line2:{v_i，P_m+q-1P_m+q-2，P_m，v_j}，其中，q为两交点之间的按逆时针方向凸多边形顶点个数；比较所述链line1和链line2的长度，取长度小的那条链作为该最小生成树中代替边e_ij的链line_ij，其中length(line_ij)＝min{length(line1)，length(line2)}；

获得由边和链构成的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树。

具体的，所述依次判断最小生成树的每条边是否穿过障碍区域的方法为：

选定最小生成树的任意一条边e_ij，顶点分别为v_i(x_i,y_i)，v_j(x_j,y_j)，选定障碍区域的任意一条边e_fg，顶点分别为v_f(x_f,y_f)，v_g(x_g,y_g)，利用所述边e_ij和边e_fg的顶点坐标分别建立所述边e_ij、边e_fg所在直线的直线方程，

求解方程组： $\left\{\begin{array}{c}{e}_{ij}:\frac{y-y_i}{x-x_i}=\frac{y_j-y_i}{x_j-x_i}\\ e_{fg}:\frac{y-y_f}{x-x_f}=\frac{y_g-y_f}{x_g-x_f}\end{array}\right.,$ 约束条件为： $\left\{\begin{array}{c}max(x_i,x_f)\≤x\≤min(x_j,x_g)\\ max(y_i,y_f)\≤y\≤min(y_j,y_g)\end{array}\right.,$

若方程组有解，识别出最小生成树的该边穿过障碍区域，若方程组无解，则识别最小生成树的该边未穿过障碍区域。

具体的，所述方法还包括：优化所构建的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树，包括：

查看最小生成树中任意两个分区节点之间的边，如果某条边的边长小于某条链的链长，且该边不经过障碍区域，且不与其他边形成环，则用所述边代替所述链；

如果最小生成树中有多条边穿过障碍区域，且如果所生成的最小生成树中存在由多个边构成的环，则将该环中最长的边去掉。

具体的，所述在所述构建的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树的边上分配静止中继节点/或移动中继节点，包括：设恢复网络连通性需要h个静止中继节点，当前可用的中继节点为l个，l<h，且l大于最小生成树边和链的个数和；

对于所述最小生成树中的链，若链长小于所述最小生成树中边长的平均值，则直接在该链上分配一个移动中继节点，否则，在该链整体长度的中点分配一静止中继节点，在所述中点到所述链的两个端点之间分别分配静止中继节点和/或移动中继节点，静止中继节点和/或移动中继节点的个数满足如下：使得每个移动中继节点在链上移动的距离小于所有边长的平均值，此时，相对于在该链整体上分配静止中继节点能够节省中继节点x个；

将所述最小生成树的边按照长度从小到大的顺序排序，形成序列H1；

搜寻所述最小生成树中至少与两条边相连的所有的分区节点，将这些分区节点组成集合Q＝{Q₁，Q₂,…Q_r}，r为集合Q中分区节点的个数；对于集合Q中任一分区节点Q_r，从Q_r出发的两条边连接的另外两个分区节点分别为v_i、v_j，三个分区节点构成三角形Q_rv_iv_j，将集合Q中所有的分区节点都分别按照上述处理，获得多个三角形，由所有的三角形构成三角形集合，对该三角形集合中的三角形按照周长从小到大排序形成序列H2；

设置指针h1指向序列H1内的第一个边，指针h2指向序列H2内的第一个三角形；

a)若指针h1指向的边e_ij的边长小于指针h2指向的三角形Q_rv_iv_j的周长，则选择边e_ij，在边e_ij的两个顶点(v_i，v_j)之间分配一个移动中继节点，以使所分配的移动中继节点在边e_ij的两个顶点(v_i，v_j)之间移动，此时，相对于在该边整体上分配静止中继节点能够节省中继节点y个，h1指向下一个边；否则选择三角形Q_rv_iv_j，对三角形Q_rv_iv_j分配一个按照预设轨迹移动的移动中继节点，此时，相对于在该三角形上分配静止中继节点能够节省中继节点z个，h2指向下一个三角形；

b)依次对序列H1中的边和序列H2中的执行步骤a)中的判断操作，直到对序列H1中所有的边和序列H2中所有的三角形分配完毕中继节点；或者，直到所节省的中继节点总数x+y+z等于第一差值，所述第一差值为需要的h个静止中继节点的个数与当前可用的中继节点个数l的差值，结束分配移动中继节点，只给剩余的边分配静止中继节点。

具体的，所述方法还包括：在连通性算法计算过程中，移动中继节点按照预设轨迹移动周期性在分区之间移动并接收目标分区节点的网络数据，当所述移动节点接收到所述目标分区节点的网络数据时，停止再向所述目标分区节点移动；

所述移动中继节点按照预设轨迹移动包括两种情况：

当移动中继节点在两个分区节点组成的边上移动时，所述预设轨迹为两分区节点的连线上且不在两分区节点的通信范围内的部分线段；

当移动中继节点在三个分区节点组成的三角形上移动时，所述预设轨迹为第一三角形的三条边，所述第一三角形的获得方法为：将所述三个分区节点组成的三角形的重心分别与所述三个分区节点连线，并得到与相应的分区节点的通信范围所对应的圆的交点，将所得到的三个交点组成第一三角形。

为达到上述目的，本发明实施例还公开了一种面向障碍的无线传感器网络连通性恢复装置，应用于无线传感器网络，且所述网络中具有中继节点，设无线传感器网络存在n个网络分区，每个网络分区用一个分区节点表示，则整个无线传感器网络由n个分区节点表示；所述装置包括：

最小生成树构建单元，用于构建障碍情况下的n个分区节点的最小生成树；

中继节点分配单元，用于在所述构建的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树的边上分配静止中继节点和/或移动中继节点；

网络连通性恢复单元，用于利用所分配的静止中继节点和/或移动中继节点，获得所述中继节点所连接的分区节点内的网络数据，根据所获得的网络数据连通各分区节点，从而恢复所述n个网络分区的无线传感器网络的连通。

具体的，所述障碍所构成的障碍区域是凸多边形区域，且所述凸多边形顶点个数不小于4个，所述最小生成树构建单元，包括：

原始最小生成树构建子单元，用于利用prim算法构建n个分区节点的最小生成树；

判断子单元，用于依次判断所述最小生成树的每条边是否穿过障碍区域，对每条穿过所述障碍区域的边进行如下处理：

如果边e_ij穿过障碍区域，所述边e_ij的两个顶点为v_i，v_j，计算该边与障碍区域的交点，若只有一个交点，则该边不做处理；若与障碍区域有两个交点，则做如下处理：

若两交点之间只有一个凸多边形顶点P_n，则用链{v_i，P_n，v_j}代替最小生成树中边e_ij；

若两交点之间有多个凸多边形顶点P_m，P_m+1…，P_m+k-1，则从边e_ij的一个顶点v_i按照顺时针方向连接障碍区域顶点P_m，并依次连接直到连接到该边的另一个顶点v_j，形成链line1:{v_i，P_m，P_m+1….P_m+k-1，v_j}，其中，k为两交点之间的按顺时针方向凸多边形顶点个数；并且，从边e_ij的该顶点v_i按照逆时针方向连接障碍区域顶点，形成链line2:{v_i，P_m+q-1P_m+q-2，P_m，v_j}，其中，q为两交点之间的按逆时针方向凸多边形顶点个数；比较所述链line1和链line2的长度，取长度小的那条链作为该最小生成树中代替边e_ij的链line_ij，其中length(line_ij)＝min{length(line1)，length(line2)}；

最小生成树构建子单元，用于获得由边和链构成的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树。

其中，所述判断子单元，具体包括：

方程建立子单元，用于选定最小生成树的任意一条边e_ij，顶点分别为v_i(x_i,y_i)，v_j(x_j,y_j)，选定障碍区域的任意一条边e_fg，顶点分别为v_f(x_f,y_f)，v_g(x_g,y_g)，利用所述边e_ij和边e_fg的顶点坐标分别建立所述边e_ij、边e_fg所在直线的直线方程，

方程求解子单元，用于求解方程组： $\left\{\begin{array}{c}{e}_{ij}:\frac{y-y_i}{x-x_i}=\frac{y_j-y_i}{x_j-x_i}\\ e_{fg}:\frac{y-y_f}{x-x_f}=\frac{y_g-y_f}{x_g-x_f}\end{array}\right.$

约束条件为： $\left\{\begin{array}{c}max(x_i,x_f)\&le;x\&le;min(x_j,x_g)\\ max(y_i,y_f)\&le;y\&le;min(y_j,y_g)\end{array}\right.,$

穿越识别子单元，若方程组有解，识别出最小生成树的该边穿过障碍区域，若方程组无解，则识别最小生成树的该边未穿过障碍区域。

所述中继节点分配单元，包括：设恢复网络连通性需要h个静止中继节点，当前可用的中继节点为l个，l<h，且l大于最小生成树边和链的个数和；

第一中继节点分配子单元，用于对于所述最小生成树中的链，若链长小于所述最小生成树中边长的平均值，则直接在该链上分配一个移动中继节点，否则，在该链整体长度的中点分配一静止中继节点，在所述中点到所述链的两个端点之间分别分配静止中继节点和/或移动中继节点，静止中继节点和/或移动中继节点的个数满足如下：使得每个移动中继节点在链上移动的距离小于所有边长的平均值，此时，相对于在该链整体上分配静止中继节点能够节省中继节点x个；

序列H1确定子单元，用于将所述最小生成树的边按照长度从小到大的顺序排序，形成序列H1；

序列H2确定子单元，用于搜寻所述最小生成树中至少与两条边相连的所有的分区节点，将这些分区节点组成集合Q＝{Q₁，Q₂,…Q_r}，r为集合Q中分区节点的个数；对于集合Q中任一分区节点Q_r，从Q_r出发的两条边连接的另外两个分区节点分别为v_i、v_j，三个分区节点构成三角形Q_rv_iv_j，将集合Q中所有的分区节点都分别按照上述处理，获得多个三角形，由所有的三角形构成三角形集合，对该三角形集合中的三角形按照周长从小到大排序形成序列H2；

第二中继节点分配子单元，用于设置指针h1指向序列H1内的第一个边，指针h2指向序列H2内的第一个三角形；

a)若指针h1指向的边e_ij的边长小于指针h2指向的三角形Q_rv_iv_j的周长，则选择边e_ij，在边e_ij的两个顶点(v_i，v_j)之间分配一个移动中继节点，以使所分配的移动中继节点在边e_ij的两个顶点(v_i，v_j)之间移动，此时，相对于在该边整体上分配静止中继节点能够节省中继节点y个，h1指向下一个边；否则选择三角形Q_rv_iv_j，对三角形Q_rv_iv_j分配一个按照预设轨迹移动的移动中继节点，此时，相对于在该三角形上分配静止中继节点能够节省中继节点z个，h2指向下一个三角形；

b)依次对序列H1中的边和序列H2中的执行步骤a)中的判断操作，直到对序列H1中所有的边和序列H2中所有的三角形分配完毕中继节点；或者，直到所节省的中继节点总数x+y+z等于第一差值，所述第一差值为需要的h个静止中继节点的个数与当前可用的中继节点个数l的差值，结束分配移动中继节点，只给剩余的边分配静止中继节点。

具体的，所述装置还包括：最小生成树优化单元，具体用于：

查看最小生成树中任意两个分区节点之间的边，如果某条边的边长小于某条链的链长，且该边不经过障碍区域，且不与其他边形成环，则用所述边代替所述链；

如果最小生成树中有多条边穿过障碍区域，且如果所生成的最小生成树中存在由多个边构成的环，则将该环中最长的边去掉。

具体的，所述装置还包括：

移动中继节点移动路径优化单元，用于在连通性算法计算过程中，移动中继节点按照预设轨迹周期性在分区之间移动并接收目标分区节点的网络数据，当所述移动节点接收到所述目标分区节点的网络数据时，停止再向所述目标分区节点移动；

所述移动中继节点按照预设轨迹移动包括两种情况：

当移动中继节点在两个分区节点组成的边上移动时，所述预设轨迹为两分区节点的连线上且不在两分区节点的通信范围内的部分线段；

当移动中继节点在三个分区节点组成的三角形上移动时，所述预设轨迹为第一三角形的三条边，所述第一三角形的获得方法为：将所述三个分区节点组成的三角形的重心分别与所述三个分区节点连线，并得到与相应的分区节点的通信范围所对应的圆的交点，将所得到的三个交点组成第一三角形。

本发明实施例提供的一种面向障碍的无线传感器网络连通性恢复方法及装置，通过构建障碍环境下无线传感器网络分区的最小生成树，按照预定规则依次给最小生成树中的链、边分配静止中继节点和/或移动中继节点，利用所分配的静止中继节点和/或移动中继节点恢复无线传感器网络的连通性，与现有技术相比，本发明主要贡献于以下三个方面：(1)考虑了障碍情况下无线传感器网络连通性恢复，使得即使在存在障碍区域的情况下，也可以根据最小生成树恢复网络的连通性；(2)优化障碍情况下的最小生成树，避免了冗余计算，提高了计算速度，进而也就提高了网络恢复的速度；(3)优化连通性恢复算法，减少移动中继节点的能耗，进而降低了连通性恢复的成本。

当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种面向障碍的无线传感器网络连通性恢复方法的流程示意图；

图2中的(a)(b)分别为本发明实施例提供的移动中继节点在边上、在三角形上的移动路径示意图；

图3为本发明实施例提供的只有一条边穿过障碍区域的最小生成树的示例图；

图4为本发明实施例提供的多条边穿过障碍区域的最小生成树的示例图；

图5为本发明实施例提供的中继节点充足时的中继节点分配示意图；

图6为本发明实施例提供的中继节点不充足时的中继节点分配示意图；

图7为本发明实施例提供的一种面向障碍的无线传感器网络连通性恢复装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种面向障碍的无线传感器网络连通性恢复方法，构建障碍情况下的n个分区节点的最小生成树；在所述构建的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树的边上分配静止中继节点和/或移动中继节点；利用所分配的静止中继节点和/或移动中继节点，获得所述中继节点所连接的分区节点内的网络数据，根据所获得的网络数据连通各分区节点，从而恢复所述n个网络分区的无线传感器网络的连通。

现有的无线传感器网络连通性恢复方法可以分为以下几种情况：

1、在最小生成树中的各个边上放置足够的静止中继节点来连接各分区，恢复网络的连通性；

2、在静止中继节点个数不足以连接各分区，但是中继节点的个数大于分区构成的最小生成树的边的个数，这时候可以在最小生成树中放置部分移动中继节点，在没有放置静止中继节点的边上移动，在分区之间传递网络数据；

3、若中继节点的个数小于最小生成树边的个数，这时候必须所有的中继节点都是可移动的，可能两个分区公用一个中继节点，也可能多个分区公用一个中继节点。

本发明仅考虑第二种情况：中继节点的个数不足以在静止的情况下连通网络，但是个数大于最小生成树边的个数，则混合用静止和移动的中继节点。设恢复网络连通性需要的静止中继节点个数为h，若给定的中继节点个数是l(nume<l<h,nume为最小生成树中边的个数)，在连通性恢复算法的设计过程中，性能指标为：单次恢复网络连通性时单个节点最大移动距离和总的移动距离。

同时本发明有如下假设：

假设1：每个网络分区用一个分区节点表示，若网络中存在n个分区，则用n个分区节点表示整个无线传感器网络；

假设2：算法运行过程中，各网络分区内的所有节点不再发生故障，各网络分区内保持连通。

假设3：中继节点在移动过程中不会产生故障。

假设4：障碍区域是凸多边形区域，多边形顶点个数不小于4个。

假设5：障碍屏蔽移动中继节点信号，移动中继节点只有移动到目标分区辐射范围内才能接收到目标分区的网络数据。

假设1和假设5对所有的连通性恢复算法都适用，假设2和假设3不成立的情况只是小概率事件。

下面通过具体实施例，对本发明进行详细说明。

图1示出了本发明实施例提供的一种面向障碍的无线传感器网络连通性恢复方法的流程图。

如图1所示，本发明的实施例所述的一种面向障碍的无线传感器网络连通性恢复方法，应用于无线传感器网络，且所述网络中具有中继节点，设无线传感器网络存在n个网络分区，每个网络分区用一个分区节点表示，则整个无线传感器网络由n个分区节点表示；包括步骤：

步骤S101，构建障碍情况下的n个分区节点的最小生成树；

步骤S102，在所述构建的故障情况下的n个分区节点的最小生成树上分配静止中继节点和/或移动中继节点；

步骤S103，利用所分配的静止中继节点和/或移动中继节点，获得所述中继节点所连接的分区节点内的网络数据，根据所获得的网络数据连通各分区节点，从而恢复所述n个网络分区的无线传感器网络的连通。

具体的，所述方法还包括：在连通性算法计算过程中，移动中继节点按照预设轨迹周期性在分区之间移动接收目标分区节点的网络数据，当所述移动节点接收到所述目标分区节点的网络数据时，停止再向所述目标分区节点移动。也就是说，移动中继节点在在移动过程中接收到目标分区节点的网络数据即返回，向下一个分区节点移动；

所述移动中继节点按照预设轨迹移动包括两种情况：

当移动中继节点在两个分区节点组成的边上移动时，所述预设轨迹为两分区节点的连线上且不在两分区节点的通信范围内的部分线段；

当移动中继节点在三个分区节点组成的三角形上移动时，所述预设轨迹为第一三角形的三条边，所述第一三角形的获得方法为：将所述三个分区节点组成的三角形的重心分别与所述三个分区节点连线，并得到与相应的分区节点的通信范围所对应的圆的交点，将所得到的三个交点组成第一三角形。

需要说明的是，在连通性算法计算过程中为了减少移动中继节点的移动距离，需要简化移动中继节点的移动算法，通过优化移动中继节点的移动路径，达到减少移动节点移动距离，减少能耗的目的。

在本发明实施例中所提供的障碍情况下的最小生成树中，移动中继节点可以在两个分区节点组成的边或三个分区节点组成的三角形上移动。对于移动中继节点在边上移动时，移动中继节点不需要移动到分区节点的中心位置，只要移动到分区节点的通信范围内就可以交换数据，即移动中继节点在边上的移动距离不需要是两分区节点的中心位置之间的距离D，只需要是D-2R(R为节点的通信半径)即可。如图2(a)所示，两个分区节点S1、S2的通信范围所对应的圆分别为圆S1、圆S2，两分区节点的连线S1S2与圆S1、圆S2的交点分别为A、B，此时，移动中继节点移动的预设轨迹为线段AB，移动距离为D-2*R，其中D为两个分区节点的中心位置的距离，R为两个分区节点的通信半径，这里假设两个分区节点的通信半径相等。对于移动中继节点在三个分区节点S1、S2、S3组成的三角形上移动时，如图2(b)所示，三个分区节点S1、S2、S3的通信范围所对应的圆分别为圆S1、圆S2、圆S3，移动中继节点移动的预设轨迹不是三角形S1S2S3的三条边，而是图中虚线三角形ABC的三条边，移动距离为虚线三角形ABC的周长，该虚线三角形ABC的获得方法为：利用三角形S1S2S3的重心o向各顶点连线，各顶点与重心o的连线与圆S1、圆S2、圆S3的交点分别为A、B、C，这三个交点组成的三角形即为虚线三角形ABC。

具体的，步骤S101中所述障碍所构成的障碍区域是凸多边形区域，且所述凸多边形顶点个数不小于4个，所述构建障碍情况下的n个分区节点的最小生成树的步骤包括：

利用prim算法构建n个分区节点的最小生成树；

需要说明的是，在构建障碍情况下的n个分区节点的最小生成树之前，需要构建不考虑障碍情况下的n个分区节点的最小生成树。举例而言，如图3所示的最小生成树中，所述最小生成树包括10个分区节点，分别为A、B、C、D、E、F、G、H、I、J，在不考虑障碍情况下，所述最小生成树由边e_AB、e_BC、e_CD、e_DE、e_BG、e_FG、e_GH、e_HI、e_IJ连接相应的分区节点。这里，假设e_ij为最小生成树的任一边，该边e_ij的两个顶点为v_i，v_j，也就是说，e_ij可能为e_AB、e_BC、e_CD、e_DE、e_BG、e_FG、e_GH、e_HI、e_IJ中的任一边，v_i，v_j为相应的网络节点A、B、C、D、E、F、G、H、I、J。

依次判断所述最小生成树的每条边是否穿过障碍区域，对每条穿过所述障碍区域的边进行如下处理：

如果边e_ij穿过障碍区域，所述边e_ij的两个顶点为v_i，v_j，计算该边与障碍区域的交点，若只有一个交点，则该边不做处理；若与障碍区域有两个交点，则做如下处理：

若两交点之间只有一个凸多边形顶点P_n，则用链{v_i，P_n，v_j}代替最小生成树中边e_ij；

若两交点p₁，p₂之间有多个凸多边形顶点P_m，P_m+1…，P_m+k-1，则从边e_ij的一个顶点v_i按照顺时针方向连接障碍区域顶点P_m，并依次连接直到连接到该边的另一个顶点v_j，形成链line1:{v_i，P_m，P_m+1….P_m+k-1，v_j}，其中，k为两交点之间的按顺时针方向凸多边形顶点个数；并且，从边e_ij的该顶点v_i按照逆时针方向连接障碍区域顶点，形成链line2:{v_j，P_m+q-1P_m+q-2，P_m，v_i}，其中，q为两交点之间的按逆时针方向凸多边形顶点个数；比较所述链line1和链line2的长度，取长度小的那条链作为该最小生成树中代替边e_ij的链line_ij，其中length(line_ij)＝min{length(line1)，length(line2)}；

在构建出不考虑障碍情况下的n个分区节点的最小生成树后，需要依次判断所构建的不考虑障碍情况下的n个分区节点的最小生成树中的每条边是否穿过障碍区域，所述依次判断最小生成树的每条边是否穿过障碍区域的方法为：

选定最小生成树的任意一条边e_ij，顶点分别为v_i(x_i,y_i)，v_j(x_j,y_j)，选定障碍区域的任意一条边e_fg，顶点分别为v_f(x_f,y_f)，v_g(x_g,y_g)，利用所述边e_ij和边e_fg的顶点坐标分别建立所述边e_ij、边e_fg所在直线的直线方程，

求解方程组： $\left\{\begin{array}{c}{e}_{ij}:\frac{y-y_i}{x-x_i}=\frac{y_j-y_i}{x_j-x_i}\\ e_{fg}:\frac{y-y_f}{x-x_f}=\frac{y_g-y_f}{x_g-x_f}\end{array}\right.,$ 约束条件为： $\left\{\begin{array}{c}\max (x_i,x_f)\&le;x\&le;\min (x_j,x_g)\\ \max (y_i,y_f)\&le;y\&le;\min (y_j,y_g)\end{array}\right.,$

若方程组有解，识别出最小生成树的该边穿过障碍区域，所述解为最小生成树的该边和障碍区域的交点，若方程组无解，则识别最小生成树的该边未穿过障碍区域。

举例而言，如图3所示的最小生成树中，障碍区域为以P1、P2、P3、P4为顶点的凸多边形区域，已知10个分区节点的位置和障碍区域4个顶点的位置，可以建立坐标系，获得10个分区节点的坐标和障碍区域4个顶点的坐标。对所构建的不考虑障碍情况下的10个分区节点的最小生成树中的任意一条边，可根据该任意一条边的两个顶点所对应的分区节点的坐标，建立该任意一条边所在直线的直线方程。对障碍区域所对应的凸四边形的任意一条边，可根据该任意一条边的两个顶点的坐标，建立该任意一条边所在直线的直线方程。利用所构建的不考虑障碍情况下的10个分区节点的最小生成树中的每条边所对应的直线方程，和障碍区域所对应的凸四边形的每条边所对应的直线方程，建立两条直线方程的方程组。如果所述两条直线方程的方程组有解，即两条直线有交点，还需根据约束条件判断交点是否同时在所述凸四边形和最小生成树的边上。当判断出交点同时在所述凸四边形和最小生成树的边上，则最小生成树的该边穿过障碍区域，否则该边不穿过障碍区域。例如，最小生成树中的边e_FG所在的直线，与障碍区域的边e_P3P4所在的直线有交点，但是该交点不在所述凸四边形和最小生成树的边，所以边e_FG不穿过障碍区域；最小生成树中的边e_BG所在的直线，与障碍区域的边e_P3P4所在的直线和边e_P1P2所在的直线都有交点，且该交点同时在所述凸四边形和最小生成树的边上，所以边e_BG穿过障碍区域。

在判断出最小生成树的某条边穿过障碍区域后，还需根据该某条边与障碍区域的交点个数，对该某条边处理。例如图3所示的最小生成树的边e_BG，边e_BG穿过障碍区域，且与障碍区域有两个交点，这两个交点之间有2个凸四边形顶点，则从边e_BG的一个顶点B按照顺时针方向连接障碍区域顶点P2，并依次连接直到边e_BG的另一个顶点G，形成链line1:{B，P2，P3，G}；并且，从边e_BG的该顶点B按照逆时针方向连接障碍区域顶点，形成链line2:{B，P1，P4，G}；比较所述链line1和链line2的长度，取长度小的那条链作为障碍情况下的最小生成树中代替边e_BG的链line_BG，其中length(line_BG)＝min{length(line1)，length(line2)}。

如果不考虑障碍情况下的最小生成树中有多条边穿过同一障碍区域，则分别处理各条边。如图4所示的最小生成树中，有两条边BG、BH同时穿过障碍区域，则同时处理这两条边，根据上述处理方法，将line_BG：{B，P1，P4，G}作为障碍情况下的最小生成树中代替边e_BG的链，将line_BH：{B，P2，H}作为障碍情况下的最小生成树中代替边e_BH的链。

经过上述处理后，就获得由边和链构成的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树。

需要说明的是，所述最小生成树中的链为最小生成树中的边穿过障碍区域时，为避开障碍区域所形成的包括障碍区域顶点及最小生成树中分区节点所构成的多个边的组合；所述最小生成树中的边为最小生成树中分区节点之间的连线，该边可能穿过障碍区域，也可能不穿过障碍区域。

在获得由边和链构成的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树后，还可以优化所构建的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树，包括：

查看最小生成树中任意两个分区节点之间的边，如果某条边的边长小于某条链的链长，且该边不经过障碍区域，且不与其他边形成环，则用所述边代替所述链；

如果最小生成树中有多条边穿过障碍区域，且如果所生成的最小生成树中存在由多个边构成的环，则将该环中最长的边去掉。

举例而言，如图3所示的障碍情况下的最小生成树，对于链line_BG：{B，P1，P4，G}，通过查看所述最小生成树中任意两个分区节点之间的边，如果存在某条边的边长小于该链line_BG的链长，且该边不经过障碍区域，且不与其他边形成环，则用所述边代替链line_BG。例如边e_DJ，如果边e_DJ的长度小于链line_BG的链长，则去掉链line_BG，使边e_DJ代替链line_BG作为障碍情况下的最小生成树的一条边。

如图3所示的障碍情况下的最小生成树，假设不考虑障碍情况下的最小生成树中还有边e_CG穿过障碍区域，且代替边e_CG的是链line_CG：{C，P1，P4，G}，则这时会出现环{C，B，P1}，出现这种情况时，将环中最长的边即CP1去掉即可。

具体的，步骤S102中，所述在所述构建的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树的边上分配静止中继节点/或移动中继节点，包括：设恢复网络连通性需要h个静止中继节点，当前可用的中继节点为l个，l<h，且l大于最小生成树边和链的个数和；

对于所述最小生成树中的链，若链长小于所述最小生成树中边长的平均值，则直接在该链上分配一个移动中继节点，否则，在该链整体长度的中点分配一静止中继节点，在所述中点到所述链的两个端点之间分别分配静止中继节点和/或移动中继节点，静止中继节点和/或移动中继节点的个数满足如下：使得每个移动中继节点在链上移动的距离小于所有边长的平均值，此时，相对于在该链整体上分配静止中继节点能够节省中继节点x个；

需要说明的是，若该链的链长大于所述最小生成树中边长的平均值，在该链整体长度的第一中点分配一静止中继节点之后，判断所述第一中点到所述链的两个端点之间的距离是否小于所述最小生成树中边长的平均值，如果是，则直接在所述第一中点到所述链的两个端点之间分别分配一个移动中继节点，否则，在所述中点到所述链的两个端点之间的长度的第二中点处各分配一静止中继节点，在所述第一中点到所述第二中点、第二中点到所述链的两个端点之间分别分配一个移动中继节点。以此类推，在该链上分配静止中继节点和/或移动中继节点的个数要满足以下条件：使得每个移动中继节点在链上移动的距离小于所有边长的平均值。

在该链整体上分配静止中继节点的方法与现有技术完全相同，此处不再赘述。因此，按照现有方法完全可以计算出在该链整体上分配静止中继节点的个数，因而也就可以计算出相对于在该链整体上完全分配静止中继节点，在应用本申请的方法分配移动中继节点能够节省的中继节点的个数x。

举例而言，如图5所示的障碍情况下的最小生成树的中继节点分配图，其中黑点代表中继节点，假设有充足的中继节点，则恢复网络连通性需要23个静止中继节点。而本发明实施例针对的是在中继节点不充足的情况下恢复网络连通性，假设当前可用的中继节点为15个，则需要在所述最小生成树的边或链上放置部分移动中继节点，使移动中继节点代替部分静止中继节点，如图6所示，其中点划线代表对应的移动中继节点的移动轨迹。

对于图5所示的最小生成树中的链line_BG：{B，P1，P4，G}，由于链line_BG的链长大于所述最小生成树中边的平均值，则在链line_BG整体长度的中点分配1个静止节点，根据上述分配原则，在所述中点到链line_BG的两个端点之间分别分配一个移动中继节点，使得每个移动中继节点在链上移动的距离小于所有边长的平均值。如图6所示，在链line_BG上共分配3个中继节点，此时，相对于在链line_BG整体上分配静止中继节点能够节省中继节点2个。

将所述最小生成树的边按照长度从小到大的顺序排序，形成序列H1；

本发明实施例旨在减少移动中继节点的移动距离，所以首先在最短边或三角形(最小生成树的相邻边)放置移动中继节点。举例而言，如图5所示的最小生成树的边按照长度从小到大的顺序排序，形成序列H1，序列H1中边的排列顺序为{e_DE、e_CD、e_GH、e_BC、e_IJ、e_HI、e_AB、e_FG}。

搜寻所述最小生成树中至少与两条边相连的所有的分区节点，将这些分区节点组成集合Q＝{Q₁，Q₂,…Q_r}，r为集合Q中分区节点的个数；对于集合Q中任一分区节点Q_r，从Q_r出发的两条边连接的另外两个分区节点分别为v_i、v_j，三个分区节点构成三角形Q_rv_iv_j，将集合Q中所有的分区节点都分别按照上述处理，获得多个三角形，由所有的三角形构成三角形集合，对该三角形集合中的三角形按照周长从小到大排序形成序列H2；

举例而言，如图5所示的最小生成树中，至少与两条边相连的分区节点有6个，所以集合Q＝(B、C、D、G、H、I)，对于集合Q中的分区节点B，从B出发的两条边e_BA和e_BC连接的另外两个分区节点分别为A、C，这三个分区节点构成三角形BAC，将集合Q中所有的分区节点都分别按照上述方法处理，获得多个三角形，由所有的三角形构成三角形集合，对该三角形集合中的三角形按照周长从小到大排序形成序列H2，序列H2中三角形的排列顺序为{DCE、CBD、HGI、IHJ、BAC、GHF}。

设置指针h1指向序列H1内的第一个边，指针h2指向序列H2内的第一个三角形；

a)若指针h1指向的边e_ij的边长小于指针h2指向的三角形Q_rv_iv_j的周长，则选择边e_ij，在边e_ij的两个顶点(v_i，v_j)之间分配一个移动中继节点，以使所分配的移动中继节点在边e_ij的两个顶点(v_i，v_j)之间移动，此时，相对于在该边整体上分配静止中继节点能够节省中继节点y个，h1指向下一个边；否则选择三角形Q_rv_iv_j，对三角形Q_rv_iv_j分配一个按照预设轨迹移动的移动中继节点，此时，相对于在该三角形上分配静止中继节点能够节省中继节点z个，h2指向下一个三角形；

b)依次对序列H1中的边和序列H2中的执行步骤a)中的判断操作，直到对序列H1中所有的边和序列H2中所有的三角形分配完毕中继节点；或者，直到所节省的中继节点总数x+y+z等于第一差值，所述第一差值为需要的h个静止中继节点的个数与当前可用的中继节点个数l的差值，结束分配移动中继节点，只给剩余的边分配静止中继节点。

需要说明的是，在边和三角形上分配静止中继节点的方法与现有技术完全相同，此处不再赘述。因此，按照现有方法完全可以计算出在该边和该三角形上分配静止中继节点的个数，因而也就可以计算出相对于在该边和该三角形上完全分配静止中继节点，在应用本申请的方法分配移动中继节点能够节省的中继节点的个数y和z。举例而言，如图5所示的最小生成树所对应的序列H1和序列H2，指针h1指向序列H1内的第一个边e_DE，指针h2指向序列H2内的第一个三角形DCE，通过比较指针h1指向的边e_DE的边长和指针h2指向的三角形DCE的周长，边e_DE的边长小于三角形DCE的周长，则选择边e_DE，在边e_DE的两个顶点(v_D，v_E)之间分配一个移动中继节点，以使所分配的移动中继节点在边e_DE的两个顶点(v_D，v_E)之间移动，则相对于在该边e_DE整体上分配静止中继节点没有节省中继节点。

指针h1下移指向下一个边e_CD，指针h2不动，同样按照上述方法，判断出边e_CD的边长小于三角形DCE的周长，则选择边e_CD，在边e_CD的两个顶点(v_C，v_D)之间分配一个移动中继节点，以使所分配的移动中继节点在边e_CD的两个顶点(v_C，v_D)之间移动，此时，相对于在该边e_CD整体上分配静止中继节点没有节省中继节点。

同样按照上述方法选择边e_GH，给边e_GH分配一个移动中继节点，以使所分配的移动中继节点在边e_CD的两个顶点(v_C，v_D)之间移动，此时，相对于在该边e_GH整体上分配静止中继节点没有节省中继节点。需要说明的是，因为这三条边e_DE、e_CD、e_GH本来只要一个静止中继节点即可连通顶点所对应的网络分区，所以这三个中继节点也可以保持静止状态，也就是说给这三个边分配中继节点不会节省中继节点。

指针h1继续下移依次指向边e_BC、e_IJ、e_HI时，指针h2保持不动指向三角形DCE，按照上述方法，边e_BC、e_IJ、e_HI相继分别分配1个移动中继节点，因此，相对于在节点充足的情况下需要2个或3个静止节点才能连通对应的网络分区，此时分别只需要一个移动中继节点即可恢复对应的网络分区，则共节省4个节点。

指针h1继续下移依次指向边e_AB，指针h2指向三角形DCE，三角形CDE周长小于边e_AB的边长，因此选择三角形CDE，给三角形CDE分配一个按照预设轨迹移动的移动中继节点，则相对于在该三角形上分配静止中继节点而节省中继节点1个。指针h2下移指向三角形CBD，指针h1指向边e_AB，边e_AB的边长小于三角形CBD的周长，则选择边e_AB，给边e_AB分配中继节点，由于边e_AB需要4个中继节点，而目前还有7个中继节点没有分配，因此可以给边e_AB分配2个静止中继节点和1个移动中继节点，这1个移动中继节点在静止中继节点和顶点B之间移动。给剩下的边(比如边GF)分配足够的静止中继节点，分配中继节点的算法完成。

需要说明的是，上述移动中继节点在边e_ij的两个顶点(v_i，v_j)之间移动，是指移动中继节点在边上的移动距离不需要是两分区节点的中心位置之间的距离D，只需要是D-2R(R为节点的通信半径)即可，如图2(a)中虚线所示轨迹。上述预设轨迹是指移动中继节点在三角形上的移动距离不需要是三个分区节点组成的三角形的周长，只需要是如图2(b)所示的虚线三角形即可。

可以理解的是，在另一种可能的实施例中，对于最小生成树所对应的序列H1和序列H2，指针h1指向序列H1内的第一个边e_DE，指针h2指向序列H2内的第一个三角形DCE，通过比较指针h1指向的边e_DE的边长和指针h2指向的三角形DCE的周长，来选择在相应的边或三角形上分配中继节点，直到所有的中继节点分配完毕，而不再考虑所节省的中继节点的个数。

应用本发明实施例，通过构建障碍环境下无线传感器网络分区的最小生成树，按照预定规则依次给最小生成树中的链、边分配静止中继节点和/或移动中继节点，利用所分配的静止中继节点和/或移动中继节点恢复无线传感器网络的连通性，与现有技术相比，本发明主要贡献于以下三个方面：(1)考虑了障碍情况下无线传感器网络连通性恢复，使得即使在存在障碍区域的情况下，也可以根据最小生成树恢复网络的连通性；(2)优化障碍情况下的最小生成树，避免了冗余计算，提高了计算速度，进而也就提高了网络恢复的速度；(3)优化连通性恢复算法，减少移动中继节点的能耗，进而降低了连通性恢复的成本。

相应于上述方法实施例，本发明实施例还提供了一种面向障碍的无线传感器网络连通性恢复装置，应用于采用无线传感器网络，且所述网络中具有中继节点，设无线传感器网络存在n个网络分区，每个网络分区用一个分区节点表示，则整个无线传感器网络由n个分区节点表示。

图7为本发明实施例提供的一种程序检测装置的结构示意图，所述装置可以包括：

最小生成树构建单元401，用于构建障碍情况下的n个分区节点的最小生成树；

中继节点分配单元402，用于在所述构建的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树的边上分配静止中继节点和/或移动中继节点；

网络连通性恢复单元403，用于利用所分配的静止中继节点和/或移动中继节点，获得所述中继节点所连接的分区节点内的网络数据，根据所获得的网络数据连通各分区节点，从而恢复所述n个网络分区的无线传感器网络的连通。

具体的，所述障碍所构成的障碍区域是凸多边形区域，且所述凸多边形顶点个数不小于4个，所述最小生成树构建单元401，包括：

原始最小生成树构建子单元(图中未示出)，用于利用prim算法构建n个分区节点的最小生成树；

判断子单元(图中未示出)，用于依次判断所述最小生成树的每条边是否穿过障碍区域，对每条穿过所述障碍区域的边进行如下处理：

如果边e_ij穿过障碍区域，所述边e_ij的两个顶点为v_i，v_j，计算该边与障碍区域的交点，若只有一个交点，则该边不做处理；若与障碍区域有两个交点，则做如下处理：

若两交点之间只有一个凸多边形顶点P_n，则用链{v_i，P_n，v_j}代替最小生成树中边e_ij；

若两交点之间有多个凸多边形顶点P_m，P_m+1…，P_m+k-1，则从边e_ij的一个顶点v_i按照顺时针方向连接障碍区域顶点P_m，并依次连接直到连接到边的另一个顶点v_j，形成链line1:{v_i，P_m，P_m+1....P_m+k-1，v_j}，其中，k为两交点之间的按顺时针方向凸多边形顶点个数；并且，从边e_ij的该顶点v_i按照逆时针方向连接障碍区域顶点，形成链line2:{v_i，P_m+q-1P_m+q-2，P_m，v_j}，其中，q为两交点之间的按逆时针方向凸多边形顶点个数；比较所述链line1和链line2的长度，取长度小的那条链作为该最小生成树中代替边e_ij的链line_ij，其中length(line_ij)＝min{length(line1)，length(line2)}；

最小生成树构建子单元(图中未示出)，用于获得由边和链构成的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树。

具体的，所述判断子单元(图中未示出)，包括：

方程建立子单元，用于选定最小生成树的任意一条边e_ij，顶点分别为v_i(x_i,y_i)，v_j(x_j,y_j)，选定障碍区域的任意一条边e_fg，顶点分别为v_f(x_f,y_f)，v_g(x_g,y_g)，利用所述边e_ij和边e_fg的顶点坐标分别建立所述边e_ij、边e_fg所在直线的直线方程，

方程求解子单元，用于求解方程组： $\left\{\begin{array}{c}{e}_{ij}:\frac{y-y_i}{x-x_i}=\frac{y_j-y_i}{x_j-x_i}\\ e_{fg}:\frac{y-y_f}{x-x_f}=\frac{y_g-y_f}{x_g-x_f}\end{array}\right.$

约束条件为： $\left\{\begin{array}{c}\max (x_i,x_f)\&le;x\&le;\min (x_j,x_g)\\ \max (y_i,y_f)\&le;y\&le;\min (y_j,y_g)\end{array}\right.,$

穿越识别子单元，若方程组有解，识别出最小生成树的该边穿过障碍区域，所述解为最小生成树的边和障碍区域的交点，若方程组无解，则识别最小生成树的该边未穿过障碍区域。

具体的，所述中继节点分配单元402，包括：设恢复网络连通性需要h个静止中继节点，当前可用的中继节点为l个，且l<h，l大于最小生成树边和链的个数和；

第一中继节点分配子单元(图中未示出)，用于对于所述最小生成树中的链，若链长小于所述最小生成树中边长的平均值，则直接在该链分配一个移动中继节点，否则，在该链整体长度的中点分配一静止中继节点，在所述中点到所述链的两个端点之间分别分配静止中继节点和/或移动中继节点，静止中继节点和/或移动中继节点的个数满足如下：使得每个移动中继节点在链上移动的距离小于所有边长的平均值，此时，相对于在该链整体上分配静止中继节点能够节省中继节点x个；

序列H1确定子单元(图中未示出)，用于将所述最小生成树的边按照长度从小到大的顺序排序，形成序列H1；

序列H2确定子单元(图中未示出)，用于搜寻所述最小生成树中至少与两条边相连的所有的分区节点，将这些分区节点组成集合Q＝{Q₁,Q₂...Q_k}，k为集合Q中分区节点的个数；对于集合Q中任一分区节点Q_i，从Q_i出发的两条边链接的另外两个分区节点分别为v_i、v_j，三个分区节点构成三角形Q_iv_iv_j，将集合Q中所有的分区节点都分别按照上述处理，获得多个三角形，由所有的三角形构成三角形集合，对该三角形集合中的三角形按照周长从小到大排序形成序列H2；

第二中继节点分配子单元(图中未示出)，用于设置指针h1指向序列H1内的第一个边，指针h2指向序列H2内的第一个三角形；

a)若指针h1指向的边e_ij的边长小于指针h2指向的三角形Q_iv_iv_j的周长，则选择边e_ij，在边e_ij的两个顶点(v_i，v_j)之间分配一个移动中继节点，以使所分配的移动中继节点在边e_ij的两个顶点(v_i，v_j)之间移动，此时，相对于在该边整体上分配静止中继节点能够节省中继节点y个，h1指向下一个边；否则选择三角形Q_iv_iv_j，对三角形Q_iv_iv_j分配一个按照预设轨迹移动的移动中继节点，此时，相对于在该三角形上分配静止中继节点能够节省中继节点z个，h2指向下一个三角形；

b)依次对序列H1中的边和序列H2中的执行步骤a)中的判断操作，直到对序列H1中所有的边和序列H2中所有的三角形分配完毕中继节点；或者，直到所节省的中继节点总数x+y+z等于第一差值，所述第一差值为需要的h个静止中继节点的个数与当前可用的中继节点个数l的差值，结束分配移动中继节点，只给剩余的边分配静止中继节点。

具体的，所述装置还包括：最小生成树优化单元(图中未示出)，具体用于：

查看最小生成树中任意两个分区节点之间的边，如果某条边的边长小于某条链的链长，且该边不经过障碍区域，且不与其他边形成环，则用所述边代替所述链；

如果最小生成树中有多条边穿过障碍区域，且如果所生成的最小生成树中存在由多个边构成的环，则将该环中最长的边去掉。

具体的，所述装置还包括：

移动中继节点移动路径优化单元(图中未示出)，用于在连通性算法计算过程中，移动中继节点按照预设轨迹周期性在分区之间移动并接收目标分区节点的网络数据，当所述移动节点接收到所述目标分区节点的网络数据时，停止再向所述目标分区节点移动；

所述移动中继节点按照预设轨迹移动包括两种情况：

当移动中继节点在两个分区节点组成的边上移动时，所述预设轨迹为两分区节点的连线上且不在两分区节点的通信范围内的部分线段；

当移动中继节点在三个分区节点组成的三角形上移动时，所述预设轨迹为第一三角形的三条边，所述第一三角形的获得方法为：将所述三个分区节点组成的三角形的重心分别与所述三个分区节点连线，并得到与相应的分区节点的通信范围所对应的圆的交点，将所得到的三个交点组成第一三角形。

对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

应用本发明实施例，通过构建障碍环境下无线传感器网络分区的最小生成树，按照预定规则依次给最小生成树中的链、边分配静止中继节点和/或移动中继节点，利用所分配的静止中继节点和/或移动中继节点恢复无线传感器网络的连通性，与现有技术相比，本发明主要贡献于以下三个方面：(1)考虑了障碍情况下无线传感器网络连通性恢复，使得即使在存在障碍区域的情况下，也可以根据最小生成树恢复网络的连通性；(2)优化障碍情况下的最小生成树，避免了冗余计算，提高了计算速度，进而也就提高了网络恢复的速度；(3)优化连通性恢复算法，减少移动中继节点的能耗，进而降低了连通性恢复的成本。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施方式中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，这里所称得的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种面向障碍的无线传感器网络连通性恢复方法，应用于无线传感器网络，且所述网络中具有中继节点，其特征在于，设无线传感器网络存在n个网络分区，每个网络分区用一个分区节点表示，则整个无线传感器网络由n个分区节点表示；所述方法包括：

构建障碍情况下的n个分区节点的最小生成树；

在所述构建的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树的边上分配静止中继节点和/或移动中继节点；

利用所分配的静止中继节点和/或移动中继节点，获得所述中继节点所连接的分区节点内的网络数据，根据所获得的网络数据连通各分区节点，从而恢复所述n个网络分区的无线传感器网络的连通。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述障碍所构成的障碍区域是凸多边形区域，且所述凸多边形顶点个数不小于4个，所述构建障碍情况下的n个分区节点的最小生成树的步骤包括：

利用prim算法构建n个分区节点的最小生成树；

依次判断所述最小生成树的每条边是否穿过障碍区域，对每条穿过所述障碍区域的边进行如下处理：

如果边e_ij穿过障碍区域，所述边e_ij的两个顶点为v_i，v_j，计算该边与障碍区域的交点，若只有一个交点，则该边不做处理；若与障碍区域有两个交点，则做如下处理：

若两交点之间只有一个凸多边形顶点P_n，则用链{v_i，P_n，v_j}代替最小生成树中边e_ij；

若两交点之间有多个凸多边形顶点P_m，P_m+1…，P_m+k-1，则从边e_ij的一个顶点v_i按照顺时针方向连接障碍区域顶点P_m，并依次连接直到连接到该边的另一个顶点v_j，形成链line1:{v_i，P_m，P_m+1….P_m+k-1，v_j}，其中，k为两交点之间的按顺时针方向凸多边形顶点个数；并且，从边e_ij的该顶点v_i按照逆时针方向连接障碍区域顶点，形成链line2:{v_i，P_m+q-1P_m+q-2，P_m，v_j}，其中，q为两交点之间的按逆时针方向凸多边形顶点个数；比较所述链line1和链line2的长度，取长度小的那条链作为该最小生成树中代替边e_ij的链line_ij，其中length(line_ij)＝min{length(line1)，length(line2)}；

获得由边和链构成的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述依次判断最小生成树的每条边是否穿过障碍区域的方法为：

选定最小生成树的任意一条边e_ij，顶点分别为v_i(x_i,y_i)，v_j(x_j,y_j)，选定障碍区域的任意一条边e_fg，顶点分别为v_f(x_f,y_f)，v_g(x_g,y_g)，利用所述边e_ij和边e_fg的顶点坐标分别建立所述边e_ij、边e_fg所在直线的直线方程，

求解方程组： $\left\{\begin{array}{c}{e}_{ij}:\frac{y-y_i}{x-x_i}=\frac{y_j-y_i}{x_j-x_i}\\ e_{fg}:\frac{y-y_f}{x-x_f}=\frac{y_g-y_f}{x_g-x_f}\end{array}\right.,$ 约束条件为： $\left\{\begin{array}{c}max(x_i,x_f)\&le;x\&le;min(x_j,x_g)\\ max(y_i,y_f)\&le;y\&le;min(y_j,y_g)\end{array}\right.,$

若方程组有解，识别出最小生成树的该边穿过障碍区域，若方程组无解，则识别最小生成树的该边未穿过障碍区域。

4.根据权利要求1～3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：优化所构建的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树，包括：

查看最小生成树中任意两个分区节点之间的边，如果某条边的边长小于某条链的链长，且该边不经过障碍区域，且不与其他边形成环，则用所述边代替所述链；

如果最小生成树中有多条边穿过障碍区域，且如果所生成的最小生成树中存在由多个边构成的环，则将该环中最长的边去掉。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述构建的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树的边上分配静止中继节点/或移动中继节点，包括：设恢复网络连通性需要h个静止中继节点，当前可用的中继节点为l个，l<h，且l大于最小生成树边和链的个数和；

对于所述最小生成树中的链，若链长小于所述最小生成树中边长的平均值，则直接在该链上分配一个移动中继节点，否则，在该链整体长度的中点分配一静止中继节点，在所述中点到所述链的两个端点之间分别分配静止中继节点和/或移动中继节点，静止中继节点和/或移动中继节点的个数满足如下：使得每个移动中继节点在链上移动的距离小于所有边长的平均值，此时，相对于在该链整体上分配静止中继节点能够节省中继节点x个；

将所述最小生成树的边按照长度从小到大的顺序排序，形成序列H1；

搜寻所述最小生成树中至少与两条边相连的所有的分区节点，将这些分区节点组成集合Q＝{Q₁，Q₂,…Q_r}，r为集合Q中分区节点的个数；对于集合Q中任一分区节点Q_r，从Q_r出发的两条边连接的另外两个分区节点分别为v_i、v_j，三个分区节点构成三角形Q_rv_iv_j，将集合Q中所有的分区节点都分别按照上述处理，获得多个三角形，由所有的三角形构成三角形集合，对该三角形集合中的三角形按照周长从小到大排序形成序列H2；

设置指针h1指向序列H1内的第一个边，指针h2指向序列H2内的第一个三角形；

a)若指针h1指向的边e_ij的边长小于指针h2指向的三角形Q_rv_iv_j的周长，则选择边e_ij，在边e_ij的两个顶点(v_i，v_j)之间分配一个移动中继节点，以使所分配的移动中继节点在边e_ij的两个顶点(v_i，v_j)之间移动，此时，相对于在该边整体上分配静止中继节点能够节省中继节点y个，h1指向下一个边；否则选择三角形Q_rv_iv_j，对三角形Q_rv_iv_j分配一个按照预设轨迹移动的移动中继节点，此时，相对于在该三角形上分配静止中继节点能够节省中继节点z个，h2指向下一个三角形；

b)依次对序列H1中的边和序列H2中的执行步骤a)中的判断操作，直到对序列H1中所有的边和序列H2中所有的三角形分配完毕中继节点；或者，直到所节省的中继节点总数x+y+z等于第一差值，所述第一差值为需要的h个静止中继节点的个数与当前可用的中继节点个数l的差值，结束分配移动中继节点，只给剩余的边分配静止中继节点。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在连通性算法计算过程中，移动中继节点按照预设轨迹移动周期性在分区之间移动并接收目标分区节点的网络数据，当所述移动节点接收到所述目标分区节点的网络数据时，停止再向所述目标分区节点移动；

所述移动中继节点按照预设轨迹移动包括两种情况：

当移动中继节点在两个分区节点组成的边上移动时，所述预设轨迹为两分区节点的连线上且不在两分区节点的通信范围内的部分线段；

当移动中继节点在三个分区节点组成的三角形上移动时，所述预设轨迹为第一三角形的三条边，所述第一三角形的获得方法为：将所述三个分区节点组成的三角形的重心分别与所述三个分区节点连线，并得到与相应的分区节点的通信范围所对应的圆的交点，将所得到的三个交点组成第一三角形。

7.一种面向障碍的无线传感器网络连通性恢复装置，应用于无线传感器网络，且所述网络中具有中继节点，其特征在于，设无线传感器网络存在n个网络分区，每个网络分区用一个分区节点表示，则整个无线传感器网络由n个分区节点表示；所述装置包括：

最小生成树构建单元，用于构建障碍情况下的n个分区节点的最小生成树；

中继节点分配单元，用于在所述构建的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树的边上分配静止中继节点和/或移动中继节点；

网络连通性恢复单元，用于利用所分配的静止中继节点和/或移动中继节点，获得所述中继节点所连接的分区节点内的网络数据，根据所获得的网络数据连通各分区节点，从而恢复所述n个网络分区的无线传感器网络的连通。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述障碍所构成的障碍区域是凸多边形区域，且所述凸多边形顶点个数不小于4个，所述最小生成树构建单元，包括：

原始最小生成树构建子单元，用于利用prim算法构建n个分区节点的最小生成树；

判断子单元，用于依次判断所述最小生成树的每条边是否穿过障碍区域，对每条穿过所述障碍区域的边进行如下处理：

如果边e_ij穿过障碍区域，所述边e_ij的两个顶点为v_i，v_j，计算该边与障碍区域的交点，若只有一个交点，则该边不做处理；若与障碍区域有两个交点，则做如下处理：

若两交点之间只有一个凸多边形顶点P_n，则用链{v_i，P_n，v_j}代替最小生成树中边e_ij；

若两交点之间有多个凸多边形顶点P_m，P_m+1…，P_m+k-1，则从边e_ij的一个顶点v_i按照顺时针方向连接障碍区域顶点P_m，并依次连接直到连接到该边的另一个顶点v_j，形成链line1:{v_i，P_m，P_m+1….P_m+k-1，v_j}，其中，k为两交点之间的按顺时针方向凸多边形顶点个数；并且，从边e_ij的该顶点v_i按照逆时针方向连接障碍区域顶点，形成链line2:{v_i，P_m+q-1P_m+q-2，P_m，v_j}，其中，q为两交点之间的按逆时针方向凸多边形顶点个数；比较所述链line1和链line2的长度，取长度小的那条链作为该最小生成树中代替边e_ij的链line_ij，其中length(line_ij)＝min{length(line1)，length(line2)}；

最小生成树构建子单元，用于获得由边和链构成的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树。

其中，所述判断子单元，具体包括：

方程建立子单元，用于选定最小生成树的任意一条边e_ij，顶点分别为v_i(x_i,y_i)，v_j(x_j,y_j)，选定障碍区域的任意一条边e_fg，顶点分别为v_f(x_f,y_f)，v_g(x_g,y_g)，利用所述边e_ij和边e_fg的顶点坐标分别建立所述边e_ij、边e_fg所在直线的直线方程，

方程求解子单元，用于求解方程组： $\left\{\begin{array}{c}{e}_{ij}:\frac{y-y_i}{x-x_i}=\frac{y_j-y_i}{x_j-x_i}\\ e_{fg}:\frac{y-y_f}{x-x_f}=\frac{y_g-y_f}{x_g-x_f}\end{array}\right.$

约束条件为： $\left\{\begin{array}{c}max(x_i,x_f)\&le;x\&le;min(x_j,x_g)\\ max(y_i,y_f)\&le;y\&le;min(y_j,y_g)\end{array}\right.,$

穿越识别子单元，若方程组有解，识别出最小生成树的该边穿过障碍区域，若方程组无解，则识别最小生成树的该边未穿过障碍区域。

所述中继节点分配单元，包括：设恢复网络连通性需要h个静止中继节点，当前可用的中继节点为l个，l<h，且l大于最小生成树边和链的个数和；

第一中继节点分配子单元，用于对于所述最小生成树中的链，若链长小于所述最小生成树中边长的平均值，则直接在该链上分配一个移动中继节点，否则，在该链整体长度的中点分配一静止中继节点，在所述中点到所述链的两个端点之间分别分配静止中继节点和/或移动中继节点，静止中继节点和/或移动中继节点的个数满足如下：使得每个移动中继节点在链上移动的距离小于所有边长的平均值，此时，相对于在该链整体上分配静止中继节点能够节省中继节点x个；

序列H1确定子单元，用于将所述最小生成树的边按照长度从小到大的顺序排序，形成序列H1；

序列H2确定子单元，用于搜寻所述最小生成树中至少与两条边相连的所有的分区节点，将这些分区节点组成集合Q＝{Q₁，Q₂,…Q_r}，r为集合Q中分区节点的个数；对于集合Q中任一分区节点Q_r，从Q_r出发的两条边连接的另外两个分区节点分别为v_i、v_j，三个分区节点构成三角形Q_rv_iv_j，将集合Q中所有的分区节点都分别按照上述处理，获得多个三角形，由所有的三角形构成三角形集合，对该三角形集合中的三角形按照周长从小到大排序形成序列H2；

第二中继节点分配子单元，用于设置指针h1指向序列H1内的第一个边，指针h2指向序列H2内的第一个三角形；

a)若指针h1指向的边e_ij的边长小于指针h2指向的三角形Q_rv_iv_j的周长，则选择边e_ij，在边e_ij的两个顶点(v_i，v_j)之间分配一个移动中继节点，以使所分配的移动中继节点在边e_ij的两个顶点(v_i，v_j)之间移动，此时，相对于在该边整体上分配静止中继节点能够节省中继节点y个，h1指向下一个边；否则选择三角形Q_rv_iv_j，对三角形Q_rv_iv_j分配一个按照预设轨迹移动的移动中继节点，此时，相对于在该三角形上分配静止中继节点能够节省中继节点z个，h2指向下一个三角形；

b)依次对序列H1中的边和序列H2中的执行步骤a)中的判断操作，直到对序列H1中所有的边和序列H2中所有的三角形分配完毕中继节点；或者，直到所节省的中继节点总数x+y+z等于第一差值，所述第一差值为需要的h个静止中继节点的个数与当前可用的中继节点个数l的差值，结束分配移动中继节点，只给剩余的边分配静止中继节点。

9.根据权利要求7～8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：最小生成树优化单元，具体用于：

查看最小生成树中任意两个分区节点之间的边，如果某条边的边长小于某条链的链长，且该边不经过障碍区域，且不与其他边形成环，则用所述边代替所述链；

如果最小生成树中有多条边穿过障碍区域，且如果所生成的最小生成树中存在由多个边构成的环，则将该环中最长的边去掉。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

移动中继节点移动路径优化单元，用于在连通性算法计算过程中，移动中继节点按照预设轨迹周期性在分区之间移动并接收目标分区节点的网络数据，当所述移动节点接收到所述目标分区节点的网络数据时，停止再向所述目标分区节点移动；

所述移动中继节点按照预设轨迹移动包括两种情况：

当移动中继节点在两个分区节点组成的边上移动时，所述预设轨迹为两分区节点的连线上且不在两分区节点的通信范围内的部分线段；

当移动中继节点在三个分区节点组成的三角形上移动时，所述预设轨迹为第一三角形的三条边，所述第一三角形的获得方法为：将所述三个分区节点组成的三角形的重心分别与所述三个分区节点连线，并得到与相应的分区节点的通信范围所对应的圆的交点，将所得到的三个交点组成第一三角形。