CN101247303B

CN101247303B - 满足给定连通度的弧线型规则带状无线传感器网络布设方法

Info

Publication number: CN101247303B
Application number: CN200810061196XA
Authority: CN
Inventors: 刘海涛; 张宝贤; 高雪; 赵壮; 姚郑; 黄奎; 张锋
Original assignee: JIAXING WIRELESS SENSOR NETWORKS ENGINEERING CT CAS
Current assignee: Jiaxing Wireless Sensor Network Engineering Center, Chinese Academy of Sciences
Priority date: 2008-03-20
Filing date: 2008-03-20
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-03-20
Also published as: CN101247303A

Abstract

本发明提出了基于连通度的沿弧线、规则型带状无线传感器网络部署方法，包括节点沿弧线等距离部署，提出满足给定连通度的相邻节点最大部署间隔的计算方法；确定最小规模网络的计算方法。本发明它能够满足带状传感器网络的连通度要求和给定要求下的网络规模最小化要求，具有简单、易于实现、网络部署成本低等特点。

Description

满足给定连通度的弧线型规则带状无线传感器网络布设方法

技术领域

本发明涉及一种面向带状无线传感器网络(下面简称：带状网或带状传感网)的最小规模网络部署方法，特别是一种满足给定连通度的弧线型规则带状无线传感器网络布设方法。

背景技术

带状无线传感器网络在围界仿入侵、智能交通系统、河流/桥梁监控等方面具有广泛的应用前景，最近正成为无线传感器网络快速发展的一个分支，并开始得到很多实际有效应用。带状无线传感器网络最主要的特点是网络部署呈带状、网络中的节点具有能量有限、数量大等。带状传感器网络的重要部署形式有环型、沿曲线部署、多重环型拓扑、以及由这些基本结构组成的复杂带状拓扑等。带状传感网“带”的长度比较长，这些特点使得带状传感器网络的健壮度成为部署这类网络的一个问题。带状无线传感器网络的健壮度由带状网络的连通度来衡量，连通度越高的网络，其健壮度也越高。目前尚未发现有关带状无线传感器网络部署方法方面的报道。

发明内容

本发明的目的是设计出一种满足给定连通度的弧线型规则带状无线传感器网络布设方法。本发明给出了详细流程，通过这种方法，在给定节点条件、带状网连通度要求下，可以最小化带状网络部署规模。

本发明针对沿弧线部署的规则型带状无线传感器网络的健壮度网络部署的问题，提出了如下技术方案：包括：

方案一

1)节点沿弧线等距离部署，每个位置只部署一个节点；

2)根据第1)条，提出满足给定连通度(K)的相邻节点最大部署间隔(x)的计算方法；

3)根据第2)条，确定最小规模网络的计算方法。

方案二

1)节点沿弧线等距离部署，每个位置部署M个节点，M≥2；

3)根据第2)条，确定最小规模网络的计算方法。

方案三

1)沿弧线部署多行节点，每列节点M个，M≥2，每条弧线上节点等规则部署，每列节点的延长线与弧的圆心相交，带状传感器网络的宽度为L，其半径R₂

2)根据第1)条，提出满足给定连通度(K)的相邻节点在第i圈弧上的最大允许距离最大部署间隔(x_i)的计算方法；

3)根据第2)条，确定最小规模网络的计算方法。

本发明的带状网部署地段预先给定，且Sink节点的位置预先决定的。。

总之，本发明涉及的规则带状传感器网络部署方法具有简单、保障网络连通度等优点，易于实现、网络可扩展性好等优点。

本发明的部署方法的优点是：简单、易于实现、有效保障网络连通度，网络可扩展性好等。

附图说明

图1：沿弧线部署的规则带状传感器网络图(节点传输半径较小，使得一个传感器节点仅有两个邻居)，图中每位置部署单个节点。

图2：沿弧线部署的规则带状传感器网络图(节点传输半径较大，使得一个传感器节点有多个邻居)，图中每位置部署单个节点。

图3：沿弧线部署的规则带状传感器网络图，图中每位置部署2个节点。

图4：沿弧线部署的规则窄带带状传感器网络图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

对于本发明中涉及的带状传感网的连通度，这里作一定义。该定义需要从两个方面来阐述：(1)传感器节点到汇聚节点(Sink)的连通能力；(2)临近Sink节点之间的连通能力。现对对这两方面进行分析和阐述，引出带状无线传感网连通度的定义。

任意传感器节点到Sink的连通能力：给定网络中任意一个传感器x，删除掉多少个传感器节点就可以使得该传感器到任何Sink的连接中断，表征着该段带状网络数据采集的健壮能力。存在两种情况，一种是处在两个Sink之间的那些传感器，另外一种是处在带状的一端，只与一个Sink相邻。对于前一种情况，对于一个传感器节点，在以该节点为中心的2倍传输半径内不存在任何其它传感器节点，则该节点到Sink的连接必然中断。对于带状网来说，则是指2倍传输半径距离上的带状网段只有一个节点。对于后一种情况，对于一个传感器节点，若它和Sink之间存在一倍传输半径距离上的带状网段没有节点，则它与Sink连接中断。

当带状网存在多个Sink时，还存在相邻Sink之间的连通能力问题：假定两个邻近sink节点为u和v，那么对u和v之间的带状网络区段，在任意单倍节点传输距离的一段带状网，如果不存在任何传感器节点，那么u和v之间的连接中断。虽然相邻Sink之间的连接中断并不一定影响网络中的传感器节点的数据上报(因为断点处的传感器节点还可以选择仍然相连的Sink进行数据上报)，但是这种中断会影响网络诊断能力、网络管理能力和网络节点监测的连续性等能力，因此表征着区段性带状传感器网络监测的能力。因此，本发明定义区段性带状网络联通度由该段两个端点的Sink之间的连通度决定。

定义(区段性带状网络联通度)：任意删除K-1个传感器节点，若该带状网满足以下两个条件：(1)任意剩余传感器仍能与Sink相连通，(2)若该带上存在多个Sink，邻近的sink节点对仍然连通，那么该段带状无线传感器网络的连通度为K。

本发明针对规则带状无线传感器网络，其带状网的宽度较窄，即：带状网的宽度远远小于传感器节点的传输半径。比如，传感器节点无线传输半径15米，而带的宽度2～3米。

本发明针对规则带状无线传感器网络，要求节点在无线传输方面能力相同，假定节点规则分布，即节点等距离部署(或者成组节点等距离部署)，各节点具备相同的最大传输半径(记作R₁)。本发明假定Sink节点可靠性很高，网络连通性分析中主要考虑由于传感器节点的不可靠而可能导致的网络中断、分裂。

给定带状网连通度要求，记作K，K≥1，结合上述节点能力和部署规则，求解传感器节点之间的最大允许距离x。通过尽量增大x，可以减少在同等网络连通能力要求下和节点能力情况下的网络节点总量，从而降低网络部署总成本。

本发明的三种基于连通度、沿弧线部署的规则带状传感器网络部署方法

令R₂表示带状传感器网络部署所沿弧线的半径，O表示假定该弧线的圆心。在半径为R₂的弧状带状网上，如果两个传感器节点M和N相邻，那么它们所对应的圆心角

&angle; MON \leq 2 \times \arccos (\frac{R_{1}}{2 \cdot R_{2}});

否则M和N之间的几何距离将大于R₁，与两节点相邻的前提假定相矛盾。为了方便起见，我们令

α = 2 \times \arccos (\frac{R_{1}}{2 \cdot R_{2}}) .

α是相邻一对传感器节点在带状弧上的最大允许圆心角的值(如图1、图2所示)。下面给出针对弧线型带状网的三种部署方法。

方法1

如图1、图2所示，每个位置只部署一个节点，节点沿弧线等距离部署。

给定网络连通度要求K，则节点最大允许间距x计算方法如下：

当K＝1时，x＝R₁；

当K≥2时，

x \leq \sqrt{2 {R_{2}}^{2} - 2 {R_{2}}^{2} \cos \frac{α}{K}} .

因此，

x = \sqrt{2 {R_{2}}^{2} - 2 {R_{2}}^{2} \cos \frac{α}{K}};

方法2

如图3所示，每个位置部署M个节点，M≥2。

当

\sqrt{2 {R_{2}}^{2} - 2 {R_{2}}^{2} \cos \frac{α}{2}} \leq x \leq R_{1}

时，K＝M；

当

\sqrt{2 {R_{2}}^{2} - 2 {R_{2}}^{2} \cos \frac{α}{3}} \leq x \leq \sqrt{2 {R_{2}}^{2} - 2 {R_{2}}^{2} \cos \frac{α}{2}}

时，K＝2M；

当

\sqrt{2 {R_{2}}^{2} - 2 {R_{2}}^{2} \cos \frac{α}{k + 1}} \leq x \leq \sqrt{2 {R_{2}}^{2} - 2 {R_{2}}^{2} \cos \frac{α}{k}}

时，K＝k·M，其中k是一个大于等于2的整数。

相应地，网络连通度K与相邻列节点之间的距离之间的关系如下：

如果1≤K≤M，x＝R₁；(此时网络连通度为M)

如果M＜K≤2M，

x = \sqrt{2 {R_{2}}^{2} - 2 {R_{2}}^{2} \cos \frac{α}{2}};

(此时网络连通度为2M)

如果(k-1)M＜K≤k·M，

x = \sqrt{2 {R_{2}}^{2} - 2 {R_{2}}^{2} \cos \frac{α}{k}},

其中k是一个大于等于2的整数(此时网络连通度为k·M)。

方法3

如图4所示，沿弧线部署多行节点，每列节点M个，M≥2，每条弧线上节点等规则部署，每列节点的延长线与弧的圆心相交。带状传感器网络的宽度为L，其半径R₂。图4中，R₂＞＞max{R₁，L}。为了使得相邻两列节点中任意两个节点在拓扑上都是相邻的，要求两列节点中最远的一对的距离小于等于R₁。对应图4中，要求线段MP最大距离为R₁。

根据三角形特性，在ΔPMO中有

\cos α = \frac{{R_{2}}^{2} + {(R_{2} + L)}^{2} - {R_{1}}^{2}}{2 \cdot R_{1} \cdot (R_{2} + L)} = \frac{2 {R_{2}}^{2} + L^{2} + 2 L \cdot R_{2} - {R_{1}}^{2}}{2 R_{1} \cdot R_{2} + 2 R_{1} \cdot L}

在ΔMNO中，线段MN之间的最大允许距离记作A，计算方法如下：

A²＝2R₂ ²-2R₂ ²cosα

A = \sqrt{2 {R_{2}}^{2} - 2 {R_{2}}^{2} \cdot \cos α}

那么

α = 2 \times \arccos (\frac{A}{2 \cdot R_{2}})

令x₁代表相邻列节点在最内圈弧上的最大允许距离，x_i代表相邻列节点在第i圈弧(从内向外)上的最大允许距离，1＜i≤M。

当1≤K≤M时，x₁＝A；

当(k-1)M＜K≤kM时，(其中k是大于1的整数)，

x_{1} \leq \sqrt{2 {R_{2}}^{2} - 2 {R_{2}}^{2} \cos \frac{α}{k}};

因此，

x_{1} = \sqrt{2 {R_{2}}^{2} - 2 {R_{2}}^{2} \cos \frac{α}{k}};

将上述两种情况统一起来，我们有：当(k-1)M＜K≤kM时，

x_{1} = \sqrt{2 {R_{2}}^{2} - 2 {R_{2}}^{2} \cos \frac{α}{k}},

其中k≥1。

根据三角形特性

x_{i} = \frac{R_{2} + \frac{(i - 1) \cdot L}{M}}{R_{2}} \sqrt{2 {R_{2}}^{2} - 2 {R_{2}}^{2} \cos \frac{α}{k}},

1≤i≤M。

基于以上三种弧线型带状网部署方法(方法1、方法2和方法3)的最小网络规模计算方法。

在给定网络连通度要求下，上述三种方法各自确定了各自方法所求解的最邻近传感器节点之间的最大允许圆心角。为了分析方便起见，假定方法1针对的部署模式M＝1，这样方法1只是方法2的一种特例。鉴于方法1-3针对规则部署带状网，令每对相邻传感器节点(方法1)、或者每对相邻传感器节点簇(方法2)、或者每列相邻传感器节点(方法3)对应的弧型带状网的圆心角记做α₁。令整个弧型带状网上对应的圆心角为β，为方便表达，令方法1中，M＝1。则根据方法1或方法2或方法3的最小网络规模为

Claims

1.一种满足给定连通度的弧线型规则带状无线传感器网络布设方法，其特征在于：

1)节点沿弧线等距离部署，每个位置只部署一个节点；

2)根据第1)条，提出满足给定连通度K的相邻节点最大部署间隔x的计算方法；对于给定连通度K，相邻节点最大部署间隔的计算方法为：

其中α是相邻一对传感器节点在带状弧上的最大允许圆心角的值，

R₁表示网络中节点的相同的最大传输半径，R₂表示带状传感器网络部署所沿弧线的半径；所述的连通度K指区段性带状网络联通度，其定义为：任意删除K-1传感器节点，若该带状网满足以下两个条件：(1)任意剩余传感器仍能与Sink相连通，(2)若该带状网上存在多个Sink，邻近的Sink节点对仍然连通，那么该带状网无线传感器网络的连通度为K；

3)根据第2)条，确定最小规模网络的计算方法，最小规模网络的计算方法为：