CN101917777A - 基于邻居节点间协作的无线传感器网络节点休眠资格判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于邻居节点间协作的无线传感器网络节点休眠资格判断方法，是一种实用的分布式方法。该方法只需要计算在2倍感应半径内的邻居节点的感应区域边界上交点的覆盖度，并通过邻居节点间协作，得到节点感应区域的覆盖度，进而判断节点是否具有休眠资格，大大降低了节点休眠资格判定的计算复杂度，并能有效延长网络的生存时间。

Description

基于邻居节点间协作的无线传感器网络节点休眠资格判断方法

技术领域

本发明涉及一种应用于无线传感器网络的节点休眠资格判断的方法，更特别的说，是一种能够根据节点间距离及节点间交点的覆盖度，通过邻居节点间协作的方式进行无线传感器网络节点休眠资格判断的方法。

背景技术

无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)是一种新型的Ad hoc网络，它综合了嵌入式、无线通信、传感器、分布式信息处理等多种技术，其目的是协作地感知被检测对象的各类信息，并发送给观测者。因无线传感器网络在军事侦察、交通管理、反恐防灾、环境监测、医疗监护等各个领域都具有广泛的应用前景，因此无线传感器网络技术得到了越来越多的关注和研究。

能量问题是无线传感器网络中一个十分重要的问题，无线传感器网络是由大量的体积微小，集成信息感知、数据处理、无线通信以及电源管理等多种功能模块于一体的传感器节点组成。由于成本和体积等因素的限制，单个传感器节点的处理能力、通信能力以及电池能量等资源极为有限。因此人们通常采用密集部署的方式，通过节点间的协同工作和合理的调度机制达到提高服务质量并延长网络寿命的目的。

无线传感器网络的广泛应用领域决定了，对于某些数据精确性要求较高的领域，仅仅是1覆盖监测区域是远远不够的，因此，符合网络要求的K覆盖问题也是无线传感器网络应该重点研究的问题。

在实际的无线传感器网络中，由于节点随机部署，某些区域可能存在过多的节点，即冗余节点。如何利用节点的冗余性，通过合理休眠资格判断方法，令冗余节点进入休眠状态，使各个节点在达到覆盖要求的同时又尽可能延长网络寿命已经成为WSN中覆盖控制理论的研究热点。

为解决上述问题，本发明申请内容针对能量高效的节点休眠资格判断问题提出了相应的解决方案，对于推进无线传感器网络的研究和实用化具有一定的理论意义和应用价值。

发明内容

针对以上问题，本发明提出了一种基于邻居节点间协作的无线传感器网络节点休眠资格判断方法，是一种实用的分布式方法。该方法只需要计算在2倍感应半径内的邻居节点的感应区域边界上交点的覆盖度，并通过邻居节点间协作，得到节点感应区域的覆盖度，进而判断节点是否具有休眠资格，大大降低了节点休眠资格判定的计算复杂度，并能有效延长网络的生存时间。

本发明的技术方案为：计算当前节点感应区域内的邻居节点间感应区域的边界交点的覆盖度，通过邻居节点间协作，确定本节点感应区域的覆盖度，当本节点的覆盖度大于网络要求的覆盖度K时，说明此节点冗余，具有休眠资格，该节点可以进入休眠状态；否则，需要继续保持活跃状态。

本发明是一种采用基于邻居节点间协作的无线传感器网络节点休眠资格判断方法，包括有下列处理步骤：

步骤一，对节点i选取满足条件的邻居节点，加入邻居节点集合Neighbor_i；

步骤二，计算节点i与邻居节点集合Neighbor_i中所有邻居节点的交点，组成交点集合BI_i；

步骤三，对交点集合BI_i按照交点的位置以逆时针为正方向进行排序；

步骤四，计算节点i与交点集合BI_i中第一个交点的覆盖度，并将该值存入交点覆盖度表Coverage_i中；

步骤五，计算交点集合BI_i中其它交点的覆盖度，完成交点覆盖度表Coverage_i；

步骤六，邻居节点集合Neighbor_i的每一个邻居节点根据交点覆盖度表Coverage_i，得到邻居节点覆盖度表Neighbour-Coverage_i；

步骤七，节点i在邻居节点间广播包含有邻居节点覆盖度表Neighbour-Coverage_i的覆盖信息CM_i，并接受来自邻居节点广播的覆盖信息。节点i从来自邻居节点的覆盖信息中提取出计算得到的对应i的覆盖度，若都大于网络覆盖度要求K，则该节点冗余，可以进入休眠状态；若不大于，则该节点继续保持活跃。

本发明的创新点归纳如下：

(1)本方法所采用的是节点与其邻居节点的信息进行分布式运算，比集中式算法更具可行性。

(2)本方法所采用的基于邻居节点间协作的无线传感器网络节点休眠资格判断方法则是判定节点是否冗余的完备性法则，是判断节点是否具有休眠资格的充分必要条件，能够精确的筛选出无线传感器网络中所有的冗余节点并令其进入休眠状态，减少网络能耗，有效延长网络寿命。

(3)本方法所采用的通过节点与其邻居节点所成交点的覆盖度进行休眠资格判断，相比对区域计算覆盖度，大大降低了计算的复杂度。

(4)本方法中，每个节点只计算自己感知边界上交点的覆盖度，然后通过邻居节点间协作从而完成休眠资格判断，基于协作的计算方式进一步降低了计算的复杂度。

附图说明

图1是多个节点和切点感知区域覆盖度的结构示意附图。

图2是在本发明中左右交点的定义示意图。

图3是在本发明中邻居节点及交点之间的距离示意图。

图4是本发明交点覆盖度的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明申请内容进行详细的说明：

网络初始状态：初始化所有传感器节点，并设置标志位Active＝1，表示当前节点是活跃状态。

在图1中，点的覆盖度：如果与点P直线距离小于感应半径R的传感器节点的个数为K_p，则K_P称为点P的覆盖度。

在图1中，区域覆盖度：如果区域S中所有的点的覆盖度都大于等于k(k∈N^*)，则称区域S的覆盖度为k，N^*表示大于零的整数。

在图2中，左交点与右交点：对于任意一节点i，以节点i所在圆心建立平面直角坐标系，并取逆时针方向为正方向。对于节点i的任意邻居节点j，弧线段arch_ij表示i感应圆盘中被j覆盖的圆弧。按照逆时针方向，弧线段的起点称为j在i上的左交点ij_L，对于弧线段的终点称为j在i上的右交点ij_R。

假设当前网络要求的覆盖度是K(此处不妨假设K＝1)，下面是网络中冗余节点是否具有休眠资格的判断方法：

假设网络中任意一节点i在网络中的坐标为(x_i，y_i)，其中x_i表示i在无线传感网络中的横向坐标值，y_i表示i在无线传感网络中的纵向坐标值；

步骤一，构建i的邻居节点集合Neighbor_i

任一邻居节点j(j∈Neighbor_i)与节点i距离小于2R，则为节点i的邻居节点，并将该节点存入邻居节点集合Neighbor_i中；

对于任一邻居节点j(j∈Neighbor_i)与节点i距离小于2R采用二维坐标系下的距离表示为(x_i-x_j)²+(y_i-y_j)²＜4R²，如图3所示，图中节点i的邻居节点集合Neighbor_i为{A，B，C}；

步骤二，计算i的交点集合BI_i

对邻居节点集合Neighbor_i中的每一个邻居节点计算与节点i的感应区域边界上的两个交点，并将交点按照左交点与右交点的定义分别标记为ij_L与ij_R，存入交点集合BI_i。

如图3所示，节点A与i的交点为iA_L，iA_R；节点B与i的交点为iB_L，iB_R，节点B与i的交点为iC_L，iC_R，所以节点i的交点集合BI_i{iA_L，iA_R，iB_L，iB_R，iC_L，iC_R}；

步骤三，对交点集合BI_i进行排序

以任意交点is(is∈BI_i)作为起始点，对BI_i中的所有交点，根据其所在圆弧的位置按照逆时针方向进行排序。

如图3所示，以iB_R为起始点按逆时针方向，在感知边界的下一点为iC_L，以此类推，排序后的边界交点集合BI_i为{iB_R，iC_L，iA_L，iC_R，iB_L，iA_R}。

步骤四，计算交点集合BI_i中第一个交点的覆盖度

取交点集合中第一个点，计算其覆盖度，并将该值存入切点i的交点覆盖度表Coverage_i中。

具体做法为：遍历邻居节点集合Neighbor_i，计算该点与其中每一个邻居节点的直线距离，若小于R，则代表该点被该邻居节点覆盖，覆盖该点的邻居节点的个数即为其覆盖度。

如图4所示，节点i的交点集合BI_i为{iD_L，iB_R，iE_L，iC_L，iD_R，iF_L，iE_R，iA_L，iC_R，iF_R，iB_L，iA_R}。对于交点集合中的起始点iD_L而言，iD_L只与节点B距离小于R，所以点iD_L的覆盖度为1，i的交点覆盖度表Coverage_i如表1所示。

表1：节点i的交点覆盖度表Coverage_i

交点	覆盖度
		iDL	1

步骤五，计算交点集合BI_i中其它点的覆盖度

从交点集合BI_i中的第一个点出发，遍历交点集合，根据当前点与下一点的属性(左交点或右交点)与覆盖度关系表{左交点，左交点，k+1；左交点，右交点，k；右交点，左交点，k；右交点，右交点，k-1；}(如表2所示，若当前点的覆盖度为k)，依次得出每一个交点的覆盖度，存入交点覆盖度表Coverage_i。

图4中，第一个点iD_L(当前点)为左交点且覆盖度为1，下一点iB_R为右交点，根据表2，若当前点为左交点，下一点为右交点，下一点的覆盖度等于当前点的覆盖度，iB_R的覆盖度为1；又iB_R(当前点)为右交点，其下一点iE_L为左交点，根据表2有iE_L的覆盖度等于其前一点iE_L的覆盖度值1；依此类推，得到交点覆盖度Coverage_i如表3所示。

表2：交点覆盖度关系

将表2中的信息按数学形式表达为：{左交点，左交点，k+1；左交点，右交点，k；右交点，左交点，k；右交点，右交点，k-1；}。

表3：节点i的交点覆盖度表Coverage_i：

交点	覆盖度
		iDL	1
iBR	1
		iEL	1
iCL	2
		iDR	2
iFL	2

iER	2
		iAL	2
iCR	2
		iFR	1
iBL	1
		iAR	1

将节点i交点覆盖度表Coverage_i中的信息按数学形式表达为：{iD_L：1；iB_R：1；iE_L：1；iC_L：2；iD_R：2；iF_L：2；iE_R：2；iA_L：2；iC_R：2；iF_R：1；iB_L：1；iA_R：1}。

步骤六，计算节点i的邻居节点覆盖度表Neighbour-Coverage_i

对邻居节点集合Neighbor_i的每一个邻居节点j(j∈Neighbor_i)，遍历交点覆盖度表Coverage_i，求出位于左交点ij_L与右交点ij_R之间所有交点的覆盖度的最小值

并将该存入邻居节点覆盖度表Neighbour-Coverage_i中。

图4中，对于邻居节点A，其左交点iA_L与右交点iA_R之间的交点为iC_R，iF_R，iB_L。这三个点的覆盖度的最小值为1，所以

为1。同理，求出

Neighbour-Coverage_i如表4所示。

表4：节点i的邻居节点覆盖度表Neighbour-Coverage_i：

邻居节点	邻居节点的最低覆盖度值
		A	1
B	1
		C	2
D	1
		E	2
F	2

将节点i的邻居节点覆盖度表Neighbour-Coverage_i中的信息按数学形式表达为{A：1；B：1；C：2；D：1；E：2；F：2}。

同理节点A的邻居节点覆盖度表Neighbour-Coverage_i表达为{i：2；B：1；C：2；F：1}。

同理节点B的邻居节点覆盖度表Neighbour-Coverage_i表达为{i：2；A：1；C：2；D：1}。

同理节点C的邻居节点覆盖度表Neighbour-Coverage_i表达为{i：2；A：2；B：2；D：2；E：1；F：1}。

同理节点D的邻居节点覆盖度表Neighbour-Coverage_i表达为{i：2；B：1；C：2；E：1}。

同理节点E的邻居节点覆盖度表Neighbour-Coverage_i表达为{i：2；C：1；D：1；F：2}。

同理节点F的邻居节点覆盖度表Neighbour-Coverage_i表达为{i：2；A：1；C：1；E：2}。

步骤七，节点i进行休眠资格判断

节点i广播邻居覆盖信息CM_i，信息包括节点i的标志号与邻居节点覆盖度表Neighbour-Coverage_i；与此同时i接收来自邻居节点j(j∈Neighbor_i)的信息，并提取邻居节点计算出的Neighbour-Coverage_j。若对任一邻居节点j(j∈Neighbor_i)，Neighbour-Coverage_j中节点i所对应的

都大于网络要求的覆盖度K，则说明节点i冗余，具有休眠资格，进入休眠状态；否则，该节点要继续保持活跃状态，以保证整个无线传感器网络的覆盖度。

如图4，节点i广播消息CM_i，同时收到来自邻居节点的消息CM_A，CM_B，CM_C，CM_D，CM_E，CM_F。节点i从来自邻居节点的消息中提取出Neighbour-Coverage_A，Neighbour-Coverage_B，Neighbour-Coverage_C，Neighbour-Coverage_D，Neighbour-Coverage_E，Neighbour-Coverage_F。由Neighbour-Coverage_A得知

为2，由由Neighbour-Coverage_B得知

为2，由Neighbour-Coverage_C得知

为2，由Neighbour-Coverage_D得知

为2，由Neighbour-Coverage_E得知

为2，由Neighbour-Coverage_F得知

为2。由于所有值均大于K(K＝1)，所以节点i具有休眠资格，可以进入休眠状态。在无线传感器网络中，任意节点i在工作状态时每隔一段时间会向其邻居节点广播Hello消息以维护和测试日常的数据通讯功能，本发明中邻居节点间协作所广播的邻居覆盖信息CM_i数据量较小，可以捎带在Hello消息中进行广播，从而不耗费通讯开销。

本发明采用基于邻居节点间协作的无线传感器网络节点休眠资格判断方法，该方法只需要计算在2倍感应半径内的邻居节点的感应区域边界上交点的覆盖度，并通过邻居节点间协作，得到节点感应区域的覆盖度，进而判断节点是否具有休眠资格，相比集中式算法更具有可行性，并且基于节点覆盖度与邻居节点间协作的计算方式大大降低了节点休眠资格判定的计算复杂度，能有效地降低网络能耗、延长网络的生存时间。

Claims (3)

1.一种基于邻居节点间协作的无线传感器网络节点休眠资格判断方法，在无线传感器网络初始状态时，初始化所有传感器节点，并设置标志位Active＝1，表示当前节点是活跃状态，其特征在于包括有下列处理步骤：

步骤一，构建i的邻居节点集合Neighbor_i

任一邻居节点j(j∈Neighbor_i)与节点i距离小于2R，则为节点i的邻居节点，并将该节点存入邻居节点集合Neighbor_i中；

步骤二，计算i的交点集合BI_i

对邻居节点集合Neighbor_i中的每一个邻居节点计算与节点i的感应区域边界上的两个交点，并将交点按照左交点与右交点的定义分别标记为ij_L与ij_R，存入交点集合BI_i；

步骤三，对交点集合BI_i进行排序

以任意交点is(is∈BI_i)作为起始点，对BI_i中的所有交点，根据其所在圆弧的位置按照逆时针方向进行排序；

步骤四，计算交点集合BI_i中第一个交点的覆盖度

取交点集合BI_i中第一个点，计算其覆盖度，并将该值存入切点i的交点覆盖度表Coverage_i中；

具体做法为：遍历邻居节点集合Neighbor_i，计算该点与其中每一个邻居节点的直线距离，若小于R，则代表该点被该邻居节点覆盖，覆盖该点的邻居节点的个数即为其覆盖度；

步骤五，计算交点集合BI_i中其它点的覆盖度

从交点集合BI_i中的第一个点出发，遍历交点集合，根据当前点与下一点的属性与覆盖度关系表{左交点，左交点，k+1；左交点，右交点，k；右交点，左交点，k；右交点，右交点，k-1；}，依次得出每一个交点的覆盖度，存入交点覆盖度表Coverage_i；

步骤六，计算节点i的邻居节点覆盖度表Neighbour-Coverage_i

对邻居节点集合Neighbor_i的每一个邻居节点j(j∈Neighbor_i)，遍历交点覆盖度表Coverage_i，求出位于左交点ij_L与右交点ij_R之间所有交点的覆盖度的最小值

并将该存入邻居节点覆盖度表Neighbour-Coverage_i中；

步骤七，节点i进行休眠资格判断

节点i广播邻居覆盖信息CM_i，信息包括节点i的标志号与邻居节点覆盖度表Neighbour-Coverage_i；与此同时i接收来自邻居节点j(j∈Neighbor_i)的信息，并提取邻居节点计算出的Neighbour-Coverage_j；若对任一邻居节点j(j∈Neighbor_i)，Neighbour-Coverage_j中节点i所对应的

都大于网络要求的覆盖度K，则说明节点i冗余，具有休眠资格，进入休眠状态；否则，该节点要继续保持活跃状态，以保证整个无线传感器网络的覆盖度。

2.根据权利要求1所述的基于邻居节点间协作的无线传感器网络节点休眠资格判断方法，其特征在于：在步骤三中若以iB_R为起始点按逆时针方向，对感知边界上的其他点根据所在圆弧的位置以逆时针方向进行排序，排序后的边界交点集合BI_i为{iB_R，iC_L，iA_L，iC_R，iB_L，iA_R}。

3.根据权利要求1所述的基于邻居节点间协作的无线传感器网络节点休眠资格判断方法，其特征在于：在步骤七中每个节点将自身的计算结果与邻居节点进行通信，同时提取来自邻居节点的计算结果，通过邻居节点间协作的方式，从而完成自身休眠资格的判断。

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