CN101437305A - 无线传感器网络双连通并优化通信路径的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使无线传感器网络双连通并优化通信路径的方法，主要涉及无线传感器网络的可靠性。无线传感器网络部署后如果没有实现双连通，关节点失效将导致网络不再连通，缩小传感、监测的覆盖范围，影响网络寿命。本发明用基于广度优先原则的搜索方法来发现网络中的双连通分量，得到广度优先生成树，记录双连通分量信息，判断关节点，然后用贪心方法来增配尽量少的节点，在实现网络双连通、提高连通可靠性的同时，缩短部分传感节点到汇聚节点的通信路径长度，降低中继能耗，延长网络寿命。

Description

无线传感器网络双连通并优化通信路径的方法

技术领域

本发明涉及一种计算机网络技术，尤其涉及提高无线传感器网络可靠性的方法。

背景技术

无线传感器网络部署后如果不能实现双连通，网络中关节点失效(由于设备故障或节点能量耗尽)将导致网络不再连通，缩小传感、监测的覆盖范围，影响网络寿命。使用者希望网络可靠连通，使用稳定可靠。现有技术对实现网络双连通有一些研究，但仍存在各种问题。如文献A.Kashyap，S.Khuller and M.Shayman.Relay placement for higher order connectivity in wireless sensornetworks.IEEE Infocom’2006，Barcelona，Spain提出了一种通过近似算法增配节点实现分簇网络中簇头节点形成的骨干网络双连通方法，但没有实现全网双连通，也没有考虑优化通信路径。

如果网络连通、但没有双连通，网络中就存在关节点，一旦关节点失效，将导致网络不再连通，影响网络寿命。要实现全网双连通，首先要找到网络中所有的关节点，这是一个难题。如果找到了关节点，如何增配尽量少的节点形成新的通信路径、消除关节点，同时缩短部分传感器节点到汇聚节点的数据通信路径，这又是一个优化问题。通信路径优化有利于降低网络中传感器节点向汇聚节点传输数据的通信能耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术中无线传感器网络连通、但没有双连通，以及需要优化通信路径、缩短通信路径长度的问题，提出一种使无线传感器网络双连通并优化通信路径的方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，无线传感器网络随机部署后，采用基于广度优先原则的搜索方法发现网络中所有的双连通分量和不属于双连通分量的节点，判断网络中的关节点，然后采用贪心方法在节点和汇点之间增配尽量少的节点，在实现网络双连通的同时，缩短部分传感器节点到汇聚节点的通信路径长度。

本发明提出的使无线传感器网络双连通并优化通信路径的方法，包括以下步骤：

步骤1：以汇聚节点为起始节点，采用基于广度优先原则的搜索方法搜索确定网络中所有的双连通分量、和不属于双连通分量的节点，得到一棵以汇聚节点为根的广度优先生成树。

步骤2：根据广度优先生成树和双连通分量信息确定关节点，按以下规则判断网络中的关节点。具体为，在步骤1得到的广度优先生成树上，寻找属于某一个双连通分量的节点，其中具有最小广度优先编号BFN的非根节点是关节点；不属于任何双连通分量的非叶节点也是关节点，另外，如果属于一个双连通分量的节点中只有一个节点通过一条边和已知的关节点或叶节点相连，则该节点也是关节点。

步骤3：在网络中的部分节点和汇点之间，用贪心方法增配尽量少的无线传感器节点，形成新的最短的中继路径、并使网络双连通；不要在步骤2确定的关节点和汇点之间增配节点。

因为新路径具有最少的中继跳数，所以部分原有节点和汇点之间的通信路径得到了优化；另外，新路径的形成，使得即使一个关节点失效，网络中其余任意节点和汇点之间仍然能够连通，也可以说，网络中其余任意两个节点之间仍然能够连通，这样，通过节点增配就实现了网络双连通。

基于广度优先原则的搜索方法的输入是网络的邻接表，邻接表可以通过网络管理终端发起网络遍历得到。搜索的起始节点为汇点；采用广度优先编号BFN表示节点和汇点的最短中继距离，BFN越大，中继跳数越多。搜索方法包括以下步骤：

步骤1.1：以传感器网络的汇点为起始节点；

步骤1.2：未扩展的节点按广度优先的次序扩展到子节点(通过邻接表找到除了它的父节点以外的所有邻接节点)，给子节点赋予广度优先编号BFN；当发现所有节点都已扩展完成，则本搜索方法结束；否则，尚未扩展的节点继续扩展。如果一个节点扩展的子节点中发现有其他节点扩展的子节点，则在网络中发现一个环，转步骤1.4，否则，转步骤1.3；

步骤1.3：把被扩展的节点到子节点的边(即树边)存放在广度优先生成树结构中，转步骤1.2；

步骤1.4：确定新的双连通分量。沿这个环在生成树上的两条路径回溯，最终，两条回溯路径将到达同一个节点、或者到达同一个双连通分量中的两个节点；两条回溯路径经过的所有节点构成新的双连通分量；如果回溯路径穿过了某些双连通分量(经过其中至少两个节点)，则这些双连通分量中的所有节点合并到这个新的双连通分量中；如果两条路径回溯到达同一个双连通分量中的两个节点，则这个双连通分量中的所有节点也合并到新的双连通分量中，转步骤1.2；

搜索方法结束时，得到了以汇点为根的广度优先生成树、网络中所有双连通分量的信息、和不属于双连通分量的节点信息。

本发明提出如下规则来判断网络中所有的关节点：在得到的广度优先生成树上，对于属于某一个双连通分量的那些节点，其中具有最小BFN的非根节点是关节点，不属于任何双连通分量的非叶节点也是关节点，另外，如果属于一个双连通分量的节点中只有一个节点通过一条边和已知的关节点或叶节点相连，则该节点也是关节点。

根据网络中的双连通分量或不属于双连通分量的连通节点的信息、以及关节点的信息，提出一种贪心方法以增配尽量少的节点实现网络双连通、并优化传感器节点到汇点的通信路径，具体包括以下步骤：

步骤3.1：从所有双连通分量中具有最小BFN值的节点、以及所有不属于双连通分量的节点中，找出具有最大BFN值的节点，如果该节点的BFN等于汇点的BFN，意味着网络中所有节点都属于双连通分量，网络中已经没有关节点了，停止运用本贪心方法，不再增配节点；，否则，进一步判断该节点是否属于某个双连通分量，如果该节点不属于任何双连通分量，在该节点(设为vf)和汇点之间做节点增配，如果该节点属于某个双连通分量，则在此双连通分量中找与汇点之间直线距离最短的节点(设为vf)，在vf和汇点之间做节点增配。

步骤3.2：节点增配如下，如果在节点vf和汇点之间的直线上没有其他节点，根据节点vf和汇点之间的直线距离D、增配节点的传输半径为r，调用公式

计算节点vf和汇点之间需要放置的节点数ns，在节点vf和汇点之间等距放置ns个节点；如果在节点vf和汇点之间的直线上发现另外的节点vf’，则在节点vf’与节点vf之间、以及节点vf’与汇点之间的直线上根据节点vf’与节点vf之间的的直线距离、节点vf’与汇点之间的直线距离调用上述公式分别确定增配节点的数目，并分别放置节点。

步骤3.3：在节点vf和汇点之间完成所述节点增配后，通过增配节点在节点vf和汇点之间建立起新的中继路径，将节点vf到汇点的原路径和新路径经过的所有节点和穿过的双连通分量中的所有节点合并到新的双连通分量Cn。如果有不属于新双连通分量Cn的节点能和某个新增配的节点直接通信，，该节点也可以通过增配的节点形成的新路径和汇点通信，则该节点以及它到汇点的原路径所经过的所有节点和穿过的双连通分量中的所有节点也并入双连通分量Cn。转步骤3.1。

本发明采用基于广度优先原则的搜索方法来搜索网络中所有的双连通分量和不属于双连通分量的节点，判断网络中的关节点，然后用一个贪心方法来增配尽量少的无线传感器节点，能够实现无线传感器网络全网双连通，提高网络连通的可靠性，同时缩短部分传感器节点到汇聚节点的中继路径长度、降低中继能耗、延长网络寿命。

附图说明

图1本发明实现网络双连通并优化通信路径的流程图

图2搜索网络中双连通分量的流程示意图

图3增配节点的贪心方法的流程示意图

图4确定的双连通分量和关节点示意图

图5应用贪心方法在网络中增配节点示意图

具体实施方式

在无线传感器网络中，本发明用基于广度优先原则的搜索方法来发现网络中所有的双连通分量和不属于双连通分量的节点，判断网络中的关节点，然后采用贪心方法来增配尽量少的节点，在实现网络双连通的同时，缩短部分传感器节点到汇聚节点的通信路径长度。

如图1所示为本发明提出的使无线传感器网络双连通并优化通信路径的方法流程图，包括以下步骤：

步骤1：以汇聚节点为起始节点，采用基于广度优先原则的搜索方法搜索确定网络中所有的双连通分量和不属于双连通分量的节点，根据搜索结果建立一棵以汇聚节点为根的广度优先生成树。

步骤2：根据广度优先生成树，按以下规则判断网络中的关节点：在步骤1得到的广度优先生成树上，对于属于某一个双连通分量的那些节点，其中具有最小广度优先编号BFN的非根节点是关节点；不属于任何双连通分量的非叶节点也是关节点；如果属于一个双连通分量的节点中只有一个节点通过一条边和已知的关节点或叶节点相连，则该节点也是关节点。本发明方法实现网络双连通是在汇聚节点可靠的基础上进行的，判断关节点的时候不考虑汇聚节点。

步骤3：采用贪心方法在网络中增配尽量少的无线传感器节点，在部分原有节点和汇点之间形成新的最短的中继路径；因为新路径具有最少的中继跳数，所以部分原有节点和汇点之间的通信路径得到了优化；另外，新路径的形成，使得即使一个关节点失效，网络中其余任意节点和汇点之间仍然能够连通，也可以说，网络中其余任意两个节点之间仍然能够连通，这样，通过节点增配就实现了网络双连通。一个需要特别注意的地方是：不要在关节点和汇点之间增配节点。

本发明的实施主体可以是传感器网络管理终端、或可移动的网络管理机器人，也可以是网络管理人员；增配节点的具体动作，放置节点等可由在网络管理终端控制下的机器人、或由网络管理人员完成。

上述方法中，为发现网络中的双连通分量，本发明提出一种基于广度优先原则的搜索方法，搜索的的起始节点为网络的汇聚节点，具体实现如下。

网络管理终端发起网络遍历获得存储网络节点间的连接信息的邻接表；采用广度优先编号BFN表示节点和汇点的最短中继距离，BFN越大，中继跳数越多，BFN的初始值为0；用具有唯一性的双连通分量编号BCN来标识搜索发现的双连通分量，BCN的初始值为0；在每个邻接表表项中包含一个BCN值，指示节点属于哪个双连通分量，所有节点的BCN初始值为0，表示节点不属于任何双连通分量；活节点队列OPEN存放已访问但未扩展的节点的编号；广度优先生成树结构BFT保存搜索过程中得到的所有树边；二维数组C保存所有双连通分量的BCN、和对应的双连通分量中具有最小BFN的节点的编号。

图2所示为搜索网络中双连通分量的方法流程图。搜索方法包括以下步骤：

步骤1.1：把BFN的初始值0赋予汇点的广度优先编号；标记汇点为“已访问”，把它的节点编号放入OPEN队列。

步骤1.2：如果OPEN队列为空，本搜索方法结束；如果OPEN队列不为空，从中取出一个节点编号，设该节点为u，通过邻接表找到除了它的父节点外的所有邻接节点；如果这些节点未被访问过，转步骤1.3，否则，转步骤1.4。

步骤1.3：把BFN＝BFN(父节点)+1赋予这些节点，标记它们为“已访问”，把它们的编号放入OPEN队列中。把连接节点u和这些邻接节点的边(即树边)存放在生成树结构BFT中。转步骤1.2。

步骤1.4：如果u的邻接节点中有节点标记为“已访问”，则发现一个环，命名这个已访问的节点为v。根据节点u和节点v确定新的双连通分量，分别从节点u和v沿着生成树BFT回溯，最终，两条回溯路径将到达同一个节点、或者到达同一个双连通分量中的两个节点；两条回溯路径经过的所有节点构成新的双连通分量；如果回溯路径穿过了某些双连通分量(经过其中至少两个节点)，则这些双连通分量中的所有节点合并到这个新的双连通分量中；如果两条路径回溯到达同一个双连通分量中的两个节点，则这个双连通分量中的所有节点也合并到新的双连通分量中。本步骤中建立新的双连通分量以及合并节点涉及的数据更新在步骤1.5中进行。

步骤1.5：把BCN＝BCN+1赋予新的双连通分量，把这个BCN值记录到双连通分量中所有节点对应的邻接表表项中；如果在步骤1.4中有双连通分量合并到新的双连通分量中，则从数组C中删除那些被合并的双连通分量对应的记录，更改被合并的双连通分量中节点对应的邻接表表项中的BCN值为新双连通分量的BCN值。最后，在数组C中记录新双连通分量的BCN值以及双连通分量中具有最小BFN的节点的编号。转步骤1.2。

以图4为例对建立广度优先生成树及判断关节点进行说明。网络管理终端通过运用搜索方法得到存储在BFT结构中的以汇点为根的广度优先生成树、记录了网络中所有双连通分量信息的数组C、以及更新后的邻接表。所发现的网络中的双连通分量，其中3个双连通分量中具有最小BFN值的节点的BFN值大于0，这3个双连通分量在图4中用多边形框起来，分别为c1、c2、c3，它们具有最小BFN值的节点分别为va3、va1、va2。另有一个双连通分量中具有最小BFN值的节点即为汇点，在这个双连通分量和汇点之间不存在关节点，后叙贪心方法中不需要为它增配节点，所以图4中没有用多边形把它框起来。

在前面搜索方法得到的广度优先生成树上，对于属于某一个双连通分量的那些节点，其中具有最小BFN的非根节点是关节点；不属于任何双连通分量的非叶节点也是关节点；另外，如果属于一个双连通分量的节点中只有一个节点通过一条边和已知的关节点或叶节点相连，则该节点也是关节点。所以确定节点va1、va2、va3、va4、va5是关节点，如图4所示。

有了网络中的双连通分量或不属于双连通分量的连通节点的信息、以及关节点的信息，为实现网络双连通、并优化传感器节点到汇点的通信路径，本发明提出一种贪心方法，遵循它来增配无线传感器节点。此贪心方法为本发明所特有，其他增配节点的近似算法没有考虑通信路径的优化。

如图3所示是本发明方法中增配节点的贪心方法的流程图。具体包括如下步骤：

步骤3.1：基于包含双连通分量信息的数组C，每个双连通分量中都有一个具有最小BFN值的节点，对所有双连通分量的这一节点的BFN值进行比较，找BFN值最大的那个节点，设为vc，设其所属双连通分量为Cf；也从所有非分量节点中找具有最大BFN值的节点，设为vs。如果BFN(vc)＝BFN(汇点)并且找不到非分量节点，则本贪心方法结束，不再增配节点；否则，如果BFN(vc)>BFN(汇点)并且BFN(vc)≥BFN(vs)，找vc所属的双连通分量Cf中和汇点之间直线距离最短的节点(注意：不包括关节点)，设为vf；如果找到非分量节点vs(注意：不包括关节点)并且BFN(vs)>BFN(vc)，设vf为vs。

步骤3.2：如果节点vf和汇点之间的直线上没有其他节点，则转步骤3.3；否则，转步骤3.4。

步骤3.3：设vf和汇点之间的直线距离用D表示，设定增配的传感器节点有统一的传输半径为r，可以根据公式计算得到vf和汇点之间需要放置的节点数。在vf和汇点之间等距地放置ns个节点。

步骤3.4：如果在节点vf和汇点之间进行节点增配的直线上发现另外的节点vf’，则在该节点vf’和vf之间的直线上、以及该节点vf’和汇点之间的直线上，根据上述步骤3.3的方法分别增配节点。

步骤3.5：节点增配后，当节点vf和汇点之间的新的中继路径建立了，原路径和新路径经过的所有节点和穿过的双连通分量(经过其中至少两个节点)中的所有节点合并到新的双连通分量(设为Cn)；Cn中具有最小BFN值的节点是汇点。对数组C进行更新(删除那些被合并的双连通分量对应的记录，为双连通分量Cn添加新记录)，也更新Cn包含的节点在邻接表表项中的BCN值。

步骤3.6：如果增配的节点的通信范围还有其他节点，满足：不属于任何双连通分量、或者属于某个所包含的最小BFN值的节点不为汇点的双连通分量，该节点也可以通过增配的节点形成的新路径和汇点通信，则该节点以及它到汇点的原路径所经过的所有节点和穿过的双连通分量中的所有节点也并入Cn；对数组C进行更新，也更新Cn包含的节点在邻接表表项中的BCN值。

步骤3.7：转步骤3.1。

贪心方法在网络中增配尽量少的无线传感器节点，在部分原有节点和汇点之间形成新的最短的中继路径；因为新路径具有最少的中继跳数，所以部分原有节点和汇点之间的通信路径得到了优化。节点增配可能需要多次，所以图3所示的贪心方法中有循环。新路径的形成，使得即使一个关节点失效，网络中其余任意节点和汇点之间仍然能够连通，也可以说，网络中其余任意两个节点之间仍然能够连通，这样，通过节点增配就实现了网络双连通。

如图5所示是运用本发明提出的贪心方法在网络中增配节点示意图。

第一次实施上述步骤3.1以后，确定vf为图5中的节点vs，然后实施步骤3.2、3.3，在节点vs和汇点之间的直线上等距地放置1个节点，形成从节点vs和汇点之间的一条新的最短中继路径；步骤3.5进行节点及双连通分量合并，节点va2、va5不再是关节点；返回步骤3.1；确定vf为节点vc1，因为双连通分量c1中最小BFN值节点va3的BFN＝2，大于双连通分量c2中最小BFN值节点的BFN＝1，而节点vc1是双连通分量c1中和汇点有最短直线距离的节点；步骤3.2、3.3在节点vc1和汇点之间的直线上等距地放置1个节点，形成从节点vc1和汇点之间的一条新的最短中继路径；步骤3.5进行节点及双连通分量合并，节点va3、va4不再是关节点；步骤3.6发现在新节点的通信范围内有双连通分量c2中的节点vc2，vc2也可以通过新节点和汇点之间建立起新的通信路径，步骤3.6进行节点及双连通分量合并，节点va1不再是关节点；返回步骤3.1，发现不需要再增配节点，增配结束。

至此，本实施例通过在网络中增配了2个节点，使网络中不再有关节点，实现了网络双连通；另外，增配节点前，节点vs和vc1到汇聚节点的最短中继路径都是3跳，增配节点后，新的最短中继路径的跳数分别为2跳，很明显，节点vs和vc1到汇聚节点的通信路径得到了优化。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围以权利要求书中所述为准。

Claims (7)

1.一种使无线传感器网络双连通并优化通信路径的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：以汇聚节点为起始节点，用基于广度优先原则的搜索方法搜索并确定网络中所有的双连通分量和不属于双连通分量的节点，得到一棵以汇聚节点为根的广度优先生成树；

步骤2：根据广度优先生成树和双连通分量信息判断网络中的关节点；

步骤3：根据节点的最小广度优先编号确定节点，采用贪心方法在网络中上述确定节点和汇点间增配尽量少的无线传感器节点，形成新的最短的中继路径、并使网络双连通。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，判断网络中的关节点的规则为：在广度优先生成树中，属于某一个双连通分量并且具有最小广度优先编号BFN的非根节点是关节点；不属于任何双连通分量的非叶节点也是关节点；属于一个双连通分量的节点中只有一个节点通过一条边和已知的关节点或叶节点相连的节点也是关节点。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，搜索网络中双连通分量的方法包含以下步骤：

步骤1.1：以传感器网络的汇点为起始节点；

步骤1.2：未扩展的节点按广度优先的次序扩展到子节点，给子节点赋予广度优先编号BFN，；当发现所有节点都已扩展完成，则本搜索方法结束；否则，尚未扩展的节点继续扩展。如果一个节点扩展的子节点中发现有其他节点扩展的子节点，即在网络中发现一个环，转步骤1.4，否则，转步骤1.3；

步骤1.3：把被扩展的节点到子节点的边存放在广度优先生成树结构中，转步骤1.2；

步骤1.4：沿所述环在生成树上的两条路径回溯，到达同一个节点、或者到达同一个双连通分量中的两个节点，两条回溯路径经过的所有节点构成新的双连通分量；回溯路径穿过的双连通分量中的所有节点合并到新的双连通分量中；如果两条路径回溯到达同一个双连通分量中的两个节点，则这个双连通分量中的所有节点也合并到新的双连通分量中，转步骤1.2。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3进一步包括，从所有双连通分量中具有最小BFN值的节点、以及所有不属于双连通分量的节点中，找出具有最大BFN值的节点，如果该节点的BFN等于汇点的BFN，该节点与汇点之间不增配节点，否则，进一步判断该节点是否属于某个双连通分量，如果该节点不属于任何双连通分量，在该节点和汇点之间做节点增配，如果该节点属于某个双连通分量，则在此双连通分量中找与汇点之间直线距离最短的节点，在该距离最短的节点和汇点之间做节点增配。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述节点增配具体包括如下步骤，如果在节点vf和汇点之间的直线上没有其他节点，根据节点vf和汇点之间的直线距离D、增配节点的传输半径为r调用公式

计算节点vf和汇点之间需要放置的节点数ns，在节点vf和汇点之间等距放置ns个节点；如果在节点vf和汇点之间的直线上发现另外的节点vf’，则在节点vf’与节点vf之间、以及节点vf’与汇点之间的直线上根据节点vf’与节点vf之间的的直线距离、节点vf’与汇点之间的直线距离调用上述公式分别确定增配节点的数目，并分别放置节点。

6、根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在节点vf和汇点之间完成所述节点增配后进一步具体包括，通过增配节点在节点vf和汇点之间建立起新的中继路径，将节点vf到汇点的原路径和新路径经过的所有节点和穿过的双连通分量中的所有节点合并到新的双连通分量Cn。

7、根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，如果有不属于新双连通分量Cn的节点能和某个新增配的节点直接通信，则该节点以及它到汇点的原路径所经过的所有节点和穿过的双连通分量中的所有节点也并入双连通分量Cn。

Images