CN102264077B

CN102264077B - 一种传感器网络的节点部署方法和节点

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Publication number: CN102264077B
Application number: CN2011102064911A
Authority: CN
Inventors: 张伟; 杨凡; 丰大洋
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2031-07-22
Also published as: CN102264077A

Abstract

本发明实施例公开了一种传感器网络的节点部署方法和节点，所述方法包括：在感知区域的固定位置部署传感器头节点，所述传感器头节点预存所述感知区域的所有传感器节点信息；向所述头节点按栅栏线移动随机部署的其他节点，直到所述其他节点直接或间连通所述头节点；根据连通节点交换的信息确定可移动节点和未覆盖区域；将所述移动节点向未覆盖区域进行扩散，以保证覆盖率。采用本发明，可在实现移动传感器网络节点的部署时，提高移动传感器网络中节点的覆盖率、减少节点移动距离并保证网络连通性。

Description

一种传感器网络的节点部署方法和节点

技术领域

本发明涉及一种无线传感网络领域，尤其涉及一种传感器网络的节点部署方法和节点。

背景技术

无线传感器网络包括部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点，这些传感器节点通过无线通信方式形成一个多跳自组织网络。无线传感器网络(或称无线传感网络)的部署问题是传感网络技术中的一个主要问题。

传感网络的作用取决于其覆盖率，即传感器有效监视的面积占目标区域面积的百分比。通过随机方式部署节点的网络覆盖率很难达到要求。解决此问题的一种有效方法是采用移动传感器(也即是传感器网络中的节点)来组建网络，将传感器随机部署到目标区域后，再把传感器移动到指定的位置以提高整个网络的覆盖率。相应的部署算法称为移动辅助部署算法，采用这种移动传感器部署的无线传感器网络又称为移动传感器网络(或称为移动传感网络)。

在移动传感器网络中，传感器节点有重定位、自组织的功能。现在许多应用都需要节点具有这样的移动性与自我管理特性。例如，一些应用中需要其网络中的传感器节点可以在工作人员较难达的区域(如沙漠、外太空，或者对人体有危害的地段，如被严重污染的区域等)进行采集、侦测。

在移动传感器网络进行部署时，将具有重定位、自组织功能的可移动传感器节点按照一定的策略自组织为一个互联网络。组织传感器的策略应当保证组成的网络尽可能大的覆盖整个区域，同时节点移动的距离又尽可能的小，以减少节点由于移动等因素造成的能耗开销。

在现有技术中的移动传感网络的部署策略包括弥散策略和泰森图法。弥散策略(diffuse)的基本理论是，将两节点之间的关系假定为如同两个同级的磁铁，当节点靠的太近时就会互相排斥、弥散。应用这样，在移动传感器网络部署时，可以使得传感器节点从网络密度大的地方弥散到网络密度小的地方，这从某种程度上优化了传感器节点覆盖范围重叠与网络覆盖面的问题。但是弥散策略的缺点是，当节点的通信半径(一般节点的通信半径与感知半径相同)较小时，会造成较严重的感知区域重叠；不能保证最后传感器网络的连通性。

泰森图法则是为每一个传感器节点划分一块区域，使得每个区域有且只有一个传感器节点，传感器节点在此区域内移动到某一特定位置，使得此区域能得到最大的覆盖。其缺点与弥散策略类似，当节点的感知半径较小时，节点感知到的泰森多边形不规则，会造成区域重叠、覆盖率降低；也不能保证最后传感器网络的连通性。

发明内容

本发明实施例提供一种传感器网络的节点部署方法和节点。可在实现移动传感器网络节点的部署时，提高移动传感器网络中节点的覆盖率、减少节点移动距离并保证网络连通性。

本发明实施例提供了一种传感器网络的节点部署方法，方法包括：

在感知区域的固定位置部署传感器头节点，所述传感器头节点预存所述感知区域的所有传感器节点信息；

向所述头节点按栅栏移动随机部署的其他节点，直到所述其他节点直接或间连通所述头节点；

根据连通节点交换的信息确定可移动节点和未覆盖区域；

将所述移动节点向未覆盖区域进行扩散，以保证覆盖率。

所述栅栏是以所述头节点为笛卡尔坐标的原点将感知区域划分为多个长条区域的与坐标的X轴平行或成角度的虚拟线，两条相邻虚拟线的间距为2rs，rs为所述传感器网络中的所有节点的感知半径，或

所述栅栏是以所述头节点为极坐标的极点将感知区域划分为以极点为圆心的多个环形区域的虚拟线，两条相邻虚拟线的间距为2rs，rs为所述传感器网络中的所有节点的感知半径。

其中，所述向所述头节点按栅栏线移动随机部署的其他节点，直到所述其他节点直接或间连通所述头节点包括：

所述其他节点沿第一轨迹向所述头节点进行移动，直到所述其他节点与所述头节点直接或间接连通；

其中，所述第一轨迹为，先向最近的栅栏移动，再沿着所述栅栏向Y轴移动所述其他节点，再由Y轴向头节点移动。

所述其他节点沿第一轨迹向所述头节点进行移动还包括，当所述其他节点沿第一轨迹移动的过程中遇到障碍物时，所述其他节点根据爬虫算法沿所述障碍物边界移动绕过所述障碍物向所述头节点进行移动。

或，所述向所述头节点按栅栏线移动随机部署的其他节点，直到所述其他节点直接或间连通所述头节点包括：

所述其他节点沿第二轨迹向所述头节点进行移动，直到所述其他节点与所述头节点直接或间接连通；

其中，所述第二轨迹为，先向最近的栅栏移动，再沿着极角方向向头节点移动所述其他节点。

所述其他节点沿第二轨迹向所述头节点进行移动还包括，当所述其他节点沿第二轨迹移动的过程中遇到障碍物时，所述其他节点根据爬虫算法沿所述障碍物边界移动绕过所述障碍物向所述头节点进行移动。

所述将所述移动节点向未覆盖区域进行扩散包括，

根据所述未覆盖区域确定所述移动节点的扩散点；

将所述移动节点向未覆盖区域的扩散点按照蔓藤策略进行扩散移动，其中，所述蔓藤策略包括，所述移动节点扩散时沿栅栏或/和障碍物边界移动至扩散点。

进一步的，所述将所述移动节点向未覆盖区域进行扩散还包括：

所述感知区域中的节点检查在其感知范围内是否还存在其他扩散点；

当检查结果为是时，发出请求邀请其他节点中可移动节点移动到所述其他扩散点；

所述其他节点中的可移动节点根据接收到所述请求判断是否移动到所述其他扩散点并返回回复信息；

所述感知区域中的节点接收所述回复信息，并当判断确认所述其他节点中的可移动节点可以移动到所述其他扩散点时，向所述其他节点中的可移动节点发送确认移动消息；

所述其他节点接收到所述确认移动消息后移动到所述其他扩散点。

或还包括，当确定没有可移动节点，且所有节点都不能够再邀请其他节点移动时，停止节点移动。

相应的，本发明实施例还提供了一种传感器网络的节点，包括：

存储单元，用于存储在感知区域的固定位置部署的传感器头节点信息，所述传感器头节点预存所述感知区域的所有传感器节点信息；

连通移动单元，用于使本节点向所述头节点按栅栏进行移动，直到直接或间连通与所述头节点连通；

信息获取单元，用于根据与其他连通节点的信息交换确定未覆盖区域以及本节点是否为可移动节点；

扩散单元，用于当确定本节点为可移动节点时向未覆盖区域进行扩散，以保证覆盖率。

其中，所述栅栏是以所述头节点为笛卡尔坐标的原点将感知区域划分为多个长条区域的与坐标的X轴平行或成角度的虚拟线，两条相邻虚拟线的间距为2rs，rs为所述传感器网络中的所有节点的感知半径，或

所述连通移动单元还用于，当所述栅栏是以笛卡尔坐标确定时，使本节点沿第一轨迹向所述头节点进行移动，直到本节点与所述头节点直接或间接连通；当所述栅栏是以极坐标确定时，使本节点沿第二轨迹向所述头节点进行移动，直到本节点与所述头节点直接或间接连通

其中，所述第一轨迹为，先向最近的栅栏移动，再沿着所述栅栏向Y轴移动，再由Y轴向头节点移动；

所述第二轨迹为，先向最近的栅栏移动，再沿着极角方向向头节点移动所述其他节点。

连通移动单元还用于，当本节点沿第一轨迹或第二轨迹移动的过程中遇到障碍物时，根据爬虫算法沿所述障碍物边界移动绕过所述障碍物向所述头节点进行移动。

所述扩散单元包括，

确定子单元，用于根据所述未覆盖区域确定本节点的扩散点；

蔓藤扩散子单元，用于将本节点向未覆盖区域的扩散点按照蔓藤策略进行扩散移动，其中，所述蔓藤策略包括，本节点扩散时沿栅栏或/和障碍物边界移动至扩散点。

进一步的，所述扩散单元还包括：

检查单元，用于检查在本节点的感知范围内是否还存在其他扩散点；

连通单元，用于当检查结果为是时，发出请求邀请其他节点中可移动节点移动到所述其他扩散点，以便所述其他节点中的可移动节点根据该请求判断是否移动到所述其他扩散点并返回回复信息；

判断单元，用于接收所述回复信息，并当判断确认所述其他节点中的可移动节点可以移动到所述其他扩散点时，向所述其他节点中的可移动节点发送确认移动消息，以便所述其他节点中的可移动节点移动到所述其他扩散点。

或还包括，停止单元，用于当确定在本节点的感知范围内没有可移动节点时，也不能够再邀请其他节点移动时，停止节点移动。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：在初始时，对随机部署的节点沿栅栏线向头节点移动直到节点与头节点连通，保证了网络的连通性，同时，在移动过程中沿栅栏线移动可以尽量缩短节点的移动距离，降低整个网络节点的能耗。且，在节点扩散时，可进一步采用蔓藤扩散方式，使得节点对部署区域不敏感，无论有无障碍物，障碍物为何种情况都能实现良好的网络覆盖率。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中的传感器网络的节点部署方法的一个具体流程示意图；

图2是本发明实施例中包括栅栏线的以头节点为笛卡尔坐标原点的坐标的一个具体示意图；

图3是本发明实施例中当遇到障碍物时根据爬虫算法移动的节点移动轨迹示意图；

图4是本发明实施例中的传感器网络的节点部署方法的另一具体流程示意图；

图5是本发明实施例中的节点向头节点移动的路径示意图；

图6是本发明实施例中的三种情况下寻找扩散点的示意图；

图7是仿真结果中采用现有技术实现的覆盖情况示意图；

图8是仿真结果中采用本发明实施例技术实现的覆盖情况示意图；

图9是仿真结果中的平均移动距离对比示意图；

图10是本发明实施例中的传感器网络的节点的一个具体组成示意图；

图11是图10中的扩散单元的一个具体组成示意图；

图12是图10中的扩散单元的另一个具体组成示意图；

图13是本发明实施例中的传感器网络的节点的另一个具体组成示意图。

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。

在本发明实施例中提供的传感器网络的节点部署方案中对系统进行如下假定。假设所有的传感器节点拥有全球定位系统(Global Positioning System，GPS)，能随时检测自己的物理位置；所有节点具有相同的通信半径rc，相同的感知半径rs(当然，通信半径和感知半径可以不同)。通信模型为经典的圆盘模型。同时，假设要部署的区域为2维联通区域，可以是任意形状，其中可以有任何形状的障碍物。

在本发明实施例中在感知区域中(比如，感知区域的边界上)的参考点O部署一个固定的头节点(也称基站)，并以头节点为原点建立坐标系。头节点中预存有整个区域中的所有节点的信息(如，ID等)。在该坐标系中定义一虚拟西安——栅栏线，并据此进行连通移动和扩散移动，实现传感器部署后即可以保证连通又可以保证较高的覆盖率。以下以具体的实施例详细描述本发明技术方案。

如图1所示，为本发明实施例中的传感器网络的节点部署方法的具体流程示意图，该方法包括如下步骤。

101、在感知区域的固定位置部署传感器头节点，所述传感器头节点预存整个感知区域的所有传感器节点信息。其中，在部署传感器头节点(本文中传感器节点即对应网络节点，如无特别说明二者均是指同一对象，传感器头节点也可简称为头节点)时，若头节点无法部署(如，初始时随即撒入头节点)到感知区域的固定位置(如前述的参考点O)，则头节点首先重定位到某固定位置。即头节点预存的信息也可包括本节点需要被部署的固定位置的坐标，头节点在被初始置于感知区域后，根据预存的坐标信息移动到本节点需要被部署的固定位置。

102、向所述头节点按栅栏移动随机部署的其他节点，直到所述其他节点直接或间连通所述头节点。

在笛卡尔坐标中的栅栏可以与y轴平行，也可以与x轴有一定的角度。即，所述栅栏是以所述头节点为笛卡尔坐标的原点将感知区域划分为多个长条区域的与坐标的X轴平行或成角度的虚拟线，两条相邻虚拟线的间距为2rs，rs为所述传感器网络中的所有节点的感知半径。

如图2所示，为包括栅栏线的以头节点为笛卡尔坐标原点坐标的一个具体示意图。

本步骤中按栅栏线移动节点意味着节点的移动轨迹尽量沿着栅栏线或靠近栅栏线。如，可沿第一轨迹向所述头节点进行移动，直到所述其他节点与所述头节点直接或间接连通，该第一轨迹是指，先向最近的栅栏线移动，再沿着所述栅栏向Y轴移动所述其他节点，再由Y轴向头节点移动。当然，在移动过程中，节点可能一移到栅栏线就已经与头节点连通，或者是与与头节点连通的其他节点连通了，则节点停止移动，不需要沿着栅栏线继续朝Y轴移动。

也可以将坐标系定义为极坐标，此时，栅栏为以所述头节点为极坐标的极点将感知区域划分为以极点为圆心的多个环形区域的虚拟线，两条相邻虚拟线的间距为2rs，rs为所述传感器网络中的所有节点的感知半径。

则相应的，其他节点沿第二轨迹向所述头节点进行移动，直到所述其他节点与所述头节点直接或间接连通；其中，所述第二轨迹为，先向最近的栅栏移动，再沿着极角方向向头节点移动所述其他节点。

若节点移动路线中遭遇障碍物，则当遇到障碍物时，所述节点根据爬虫算法沿所述障碍物边界移动绕过所述障碍物向所述头节点进行移动。爬虫算法是指，最初节点沿着“开始”与“目标”两点之间的直线移动，称这条线为“参考线”，如图3所示，当节点在H1及H2点遇到障碍物时，节点沿着障碍物边界移动绕开障碍物，直到节点又回到“参考线”上；如果节点发现此时自己距“目标”点的距离比H1或H2点距“目标”位置更近，它便继续沿着“参考线”移动，否则，节点继续沿着障碍物绕行。

103、根据连通节点交换的信息确定可移动节点和未覆盖区域。未覆盖区域是指整个感知区域中的未覆盖区域，某节点感知半径外的区域可能在其它节点感知半径内，所以不一定是未覆盖区域，感知区域中所有节点都不能感知的区域才是感知区域的未覆盖区域。

这个过程中，节点可与头节点通信来获知网络中其他节点的信息，从而确定网络中哪些节点是可移动的节点。一般来讲只要节点的所有孩子节点都能找到合适的新的父节点，那么此节点就可以成为一个可移动节点。当然，还可以进一步考察该节点的覆盖情况来确定其是否值得称为一个可移动节点，如，节点通过与周围邻居的局部通信了解自己当前所覆盖区域中除去自己后的覆盖情况如何，之后这里的覆盖情况满足某一条件(如低于一个阈值)，这个节点便可以顺利的成为一个“可以移动的节点”，即它的离开不会对自己当前所覆盖的区域造成影响。

比如，有节点A、B、C，要确认A点是否为可移动节点，B、C为其邻居节点。假设A的感知区域被BC两点覆盖了30％，那么移走A点之后，原先A的感知区域的覆盖率变为30％。覆盖率降低70％。假设定义移动某节点后覆盖率降低幅度小于50％(即前述的阈值)，那么该节点为可移动节点；则，A为不可移动节点，因为覆盖率降低幅度为70％。

104、将所述移动节点向未覆盖区域进行扩散，以保证覆盖率。在扩散时，可先根据所述未覆盖区域确定所述移动节点的扩散点，扩散点即为可移动节点要移动至的位置)；在将所述移动节点向未覆盖区域的扩散点按照蔓藤策略进行扩散移动，其中，所述蔓藤策略包括，所述移动节点扩散时沿栅栏或/和障碍物边界移动至扩散点。

确定扩散点是指，节点判断其附近的一个点(该点是节点感知区域边界上的点或者为感知区域边界外的点)被其他节点覆盖的情况，使得它可以决定是否需要一些可以移动的节点来覆盖这个没有被覆盖到的区域，当确定该点为未覆盖点时，根据该覆盖点确定可移动节点要移动至的位置(即，扩散点)。这些情况将在后续实施例中进一步描述。

采用蔓藤扩散时，根据实际环境可包括三种方式进行扩散：栅栏线扩散；障碍物边界扩散；中间栅栏线扩散：上面两种扩散方式的补充。扩散时，优先级依次为栅栏线、障碍物边界、中间栅栏线。

在将所述移动节点向未覆盖区域进行扩散时，节点还可“邀请”可移动节点进行扩散，即，所述感知区域中的节点检查在其感知范围内是否还存在其他扩散点；若检查结果为是，发出请求邀请其他节点中可移动节点移动到所述其他扩散点；所述其他节点中的可移动节点根据接收到所述请求判断是否移动到所述其他扩散点并返回回复信息；所述感知区域中的节点接收所述回复信息，并当判断确认所述其他节点中的可移动节点可以移动到所述其他扩散点时，向所述其他节点中的可移动节点发送确认移动消息；所述其他节点接收到所述确认移动消息后移动到所述其他扩散点。

以上每一种扩散方式中，节点可首先要在扩散圆周内找到一个扩散点(EP)。扩散圆周的定义为：以节点的当前位置为圆心，min(r_c，r_s)为半径的圆。找到扩散点后节点即“邀请”可移动的节点来重定位到此扩散点。

在步骤104中，停止扩散的条件可以是，当确定没有可移动节点，且所有节点都不能够再邀请其他节点移动时，停止节点移动。

为了进一步说明本发明中的方案，以下详细描述如图4所示的节点部署方法。该方法包括如下步骤。

401、头节点是否可撒入区域中固定位置，若判断结果为否则转步骤402，若判断结果为是则转步骤403。

402、将没有撒入到区域中固定位置的头节点重定位到固定位置，然后转步骤403。

403、撒入到固定位置的节点沿栅栏向头节点移动，组成互联网络。如图2所示，在笛卡尔坐标系中的“栅栏”(fence line)将区域分成一条一条的长条区域，区域间距为2rs，使节点尽量待在这些“栅栏”上。可以看出节点被“栅栏”区分开来，感知区域的重叠大大的降低了，尤其在区域的垂直方向，从而可以提高整个区域的覆盖率。

如图5所示，为本步骤中，节点向头节点移动的途径。假设初始节点的位置为(x，y)(图中示例有节点s1和节点s2)，节点s1(x1，y1)首先移向目标点11(简称为Dest11)，Dest11为(x1，y1)在最近一根栅栏上的投影；在到达栅栏线后再继续向Dest11在y轴上的投影目标点12(简称Dest12)移动。而对于，在移动过程中遇到障碍物的情况，如s2(x2，y2)的移动中遇到障碍物(如，Dest21的周围阴影部分，Dest22的周围阴影部分)，则采用“爬虫”算法移动，具体如图所示。如果节点遇到一个已连通节点(直接或间接与头节点连通)，此节点则将已连通节点作为其父节点，并停止移动。

节点每走完一步，可检查自己的通信范围内有无其他节点；如果有，选择一个离它最近的邻居节点作为备选的“父节点”。如果此时没有产生“回圈”(即，某些节点相互连接成环，而该环没有与感知区域中其它节点连接)现象，则把它作为“父节点”，并修改自己的状态为“已连通”。节能策略又称定向移动策略。这里要注意：本发明实施例的策略中，节点与其父节点的距离可为min(rc，2rs)，rc为节点的通信半径，rs为节点的感知半径，y轴在扩散算法中可以认为是一个“墙形”障碍物。

404、在步骤403组成互联网络后确定可移动节点，并寻找未覆盖区域。参考前述，在步骤403中各个节点都具有其备选的父节点、父节点、子节点等信息。本步骤中进一步确定各节点是否为可移动节点。

1)、首先，所有的节点无论一跳还是多跳都与基站(即头节点)联通之后，向基站汇报自己已经取得连接，并等待基站发出回复信息。回复信息里包含各节点“祖先节点(节点的父节点、父节点的父节点......)”的ID号，将被接收到回复信息的节点保存到存贮器中。基站开始发送回复信息需等到所有节点都汇报完“已链接”的信息之后或者基站等待某一特定的时间，哪个时间先到来就将哪个时间作为开始发送回复信息的时间点，以防止当节点故障而一直无法通讯时造成过长的等待。基站发送ID号是为了后面确定可移动节点服务的。

2)、然后确定各节点是否为可移动节点，如前述步骤103中描述的方法。本例中提供进一步的具体实施例来描述如何确定节点是否为可移动节点。

一个节点要确定为“可移动节点”它首先要为自己的所有孩子节点找到新的父节点。具体实现如下：节点首先需建立自己周围两跳范围内节点的列表；然后再尝试为其孩子节点寻找新的父节点。对于特定一个孩子节点来说，节点需要检查另外一个节点如果做此节点父节点的话是否会形成一个环(即，某些节点相互连接成环，而该环没有与感知区域中其它节点连接)。这一工作只需查询此“备选父节点”的“祖先节点”列表。如果此节点的所有孩子节点都能找到合适的新的父节点，那么此节点就可以成为一个“可以移动节点”。为了进一步确定自己的“可移动性”，节点还需要根据自身的覆盖情况来考虑自己是否值得成为一个“可移动的节点”。

这里为了保证状态的一致性，确定“可移动节点”的过程需要序列化处理。比如可以对节点形成的树进行深度优先遍历的方式来进行序列化处理。序列化的指令可以由基站发出。

3)、判断区域中某个点的覆盖情况。区域中的传感器节点需要判断自己附近的一个点(如，为节点感知边界与栅栏的交点，若该点只有此节点覆盖，可以推测该点之外且远离圆心的区域是未覆盖区域)被其他节点覆盖的情况，使得它可以决定是否需要一些可以移动的节点来覆盖这个没有被覆盖到的区域。正如前面描述的，当r_c/r_s较小的时候，通过局部通信很难确定两个节点感知范围外的点的覆盖情况。如，可采用非局部通信的方法来解决问题。

由于区域已经被“栅栏化”，可以定义栅栏中x坐标最小的节点作为“栅栏头节点”。每个“栅栏头节点”都保存此条栅栏上所有节点的位置信息。由于相同栅栏上的节点的纵坐标近似相等，因此位置信息可以做简化处理：记录下节点的序号，和记录下第一个节点与最后一个节点的x坐标即可。

例如，节点s需要判断在其感知范围边界上p点的覆盖情况，首先s先判断除了自己，是否自己的邻居节点可以覆盖到p点；如果不行，s计算是否有一条栅栏上存在这样的点可以覆盖p点。s点发送一条寻找语句给自己所在栅栏的头节点，各条栅栏的头结点进行通信来判断自己所在的栅栏线上是否有这样的节点可以覆盖p点，然后发送返回信息给s点，s节点就可以知道p点的覆盖情况了。

405、根据覆盖情况，寻找扩散点。根据后续具体的扩散策略的不同，其寻找扩散点的方法也有所区别。如下，分别描述前述的三种蔓藤扩散的情况下如何寻找扩散点。

1)栅栏线扩散时，寻找扩散点的方法。如图6中的a图所示，传感器节点s(所处位置为O点)尝试获得被其覆盖的栅栏线段，如果存在，节点选择这条线段离y轴最远的端点A作为边界点(本例中默认y轴位于O左侧)。节点使用上述提到的方法对A点进行判断，检查其是否被其他节点覆盖。如果A没有被覆盖，如图6中的b图所示，节点s点计算O点(s点当前的位置)与A点的连线与s点通信半径所围成的圆的交点，把此点作为需要覆盖的扩散点。不失一般性，图中显示情况默认节点的通信范围与感知范围是一致的，即r_c＝r_s，此时扩散点即是A点。当然，在其他实施例中两个半径也可以不相等，则扩散点可能就不是A点，而是OA连线上的其他点。

2)障碍物边界扩散时，寻找扩散点的方法。如图6中的a图所示，传感器节点s获得了在其感知区域内的两条障碍物的边界线段。节点在障碍物边界上随机的选取一个点设为b点，使得b点沿着边界按照左手定则(左手边不离开障碍物)绕边界走直到遇到感知圆。设b点与感知圆的交点为B，则称此B点为要覆盖的扩散点。如图6中的c图所示，为以障碍物边界线扩散方式找到的扩散点B。同理，还可以找到扩散点C。

3)中间栅栏线扩散时，寻找扩散点的方法。中间栅栏线是指位于两条相邻栅栏线中间的虚拟线。如图6中的d图所示，这条扩散准则是为了覆盖掉同一栅栏线上的传感器节点的联合覆盖区域与中间栅栏线之间的空挡。传感器节点与其孩子或者父节点可以联合判断出他们之间与中间栅栏线之间是否有空挡。其中，中间栅栏线是指两条栅栏线中间的那条无形的线。如果他们之间存在这样的空挡区域，那么父节点需要判断其与孩子节点的交点在这边的部分有无被其他节点覆盖，如果没有，这个交点就会被当作需要覆盖的扩散点。图6中的d图中的箭头指向的位置，即是以中间栅栏线扩散方式找到的扩散点。

其中，在上述方法中对应的图6中的虚线圆，是可移动节点移动至扩散点后的感知区域。

406、邀请可移动节点，向扩散点进行蔓藤扩散。如，节点(可以为可移动节点或不可移动节点)周期性的检查自己周边的覆盖情况与障碍物，来决定是否有机会或者有需要进行扩散操作。如果节点在自己的感知范围内没有发现任何扩散点，它就停止这个检查的操作。否则，它会向网络中发出一条包含有扩散点信息的邀请信息。这条信息包含存活时间值(Time To Live值，TTL值，为一时间值，这条信息经过TTL时间后，自动消失)并且被随机的在网络中转发。当一个可移动的节点收到一定数量的邀请信息后，它便选择一条优先级最高的(可以用欧几里得距离作判断指标)，并发送回复信息到发出者，发出者回复一条确认信息，用此信息来确认移动节点或者拒绝移动节点。如果是前者，移动节点可以进行重定位移动了，发出请求的节点在扩散点处建立一个虚拟的位置，并发送信息到基站告知基站重建这条栅栏线上的“祖先节点”名单。如果移动节点接收到的反馈信息为“拒绝”，那么此节点继续接收其他节点发来的邀请，从中选择一条合适的进行下一步的移动。

当确定可移动节点要向扩散点进行扩散后，根据前述的蔓藤策略确定具体的扩散线路。

407、判断是否还有可移动节点，如有，则返回步骤406，否则则结束本流程。即当确定区域中所有节点都停止了移动，且所有节点都不能再邀请其他节点加入后结束本流程。当区域中的节点扩散后满足上面两个条件后，即向头节点发送停止消息，头节点统计所有节点的情况，当区域中所有节点都满足上面两个条件后，区域得到最终的覆盖。

如上所示，在初始时，对随机部署的节点沿栅栏线向头节点移动直到节点与头节点连通，保证了网络的连通性，同时，在移动过程中沿栅栏线移动可以尽量缩短节点的移动距离，降低整个网络节点的能耗。且，在节点扩散时，可进一步采用蔓藤扩散方式，使得节点对部署区域不敏感，无论有无障碍物，障碍物为何种情况都能实现良好的网络覆盖率。

以下以一个具体的仿真实验来进一步说明采用本发明实施例所实现的技术效果。在本仿真实验中使用240个传感器节点随机的分布到子区域大小为500米(m)乘以500m，目标区域为1000m乘以1000m的区域内；基站被放置到原点(0，0)；传感器的r_c与r_s变化范围从30m到60m；传感器节点首先移动来获得连接，然后调节位置来获得最大的覆盖；其中最大的移动速度为2m每秒，周期为1秒；仿真进行了750秒，基本能保证传感器节点区域的覆盖率值比较稳定。我们采用覆盖率与最短移动距离作为覆盖性能的衡量指标。

仿真实验的结果的覆盖率对比如表1所示。

表1：

仿真实验的结果的覆盖情况的对比图如图7和图8所示。其中，多个圆圈组成的区域代表覆盖区域，条状的深色区域代表障碍物。图7中为采用现有技术中的弥散策略的覆盖情况，a、b、c图分别代表表1中的a、b、c三种情况。图8未采用本发明实施例的策略的覆盖情况，a、b、c图分别代表表1中的a、b、c三种情况。

仿真实验的结果的平均移动距离的对比(对弥散法、蔓藤扩散、最优化仿真对比起平均移动距离)。其中最优法是指：假设蔓藤策略产生的最终网络节点分布已经事先知道，则从最初的网络状态到这个最终节点分布，存在一个优化问题，即对每个节点指派一个最终的位置点，通过爬虫移动来达到全局最优。这个问题可以用一个最小加权二部图匹配问题来建模。经典的匈牙利算法(Hungarian Algorithm)可以在多项式时间内计算出最优解。蔓藤扩散是指采用本发明实施例中的技术方案的方法，此处简称蔓藤扩散。

仿真结果如图9所示，从图中可以看出，相对于弥散法，无论节点通信半径大小，无论区域中有无障碍物，本发明实施例策略的覆盖率更高。相对于弥散法，本发明实施例策略的平均移动距离更小，并接近于理论最优值。

相应的，如图10所示，本发明实施例还提供了一种传感器网络的节点，包括：存储单元90，用于存储在感知区域的固定位置部署的传感器头节点信息，所述传感器头节点预存所述感知区域的所有传感器节点信息；连通移动单元92，用于使本节点向所述头节点按栅栏线进行移动，直到直接或间连通与所述头节点连通；信息获取单元94，用于根据与其他连通节点的信息交换确定未覆盖区域以及本节点是否为可移动节点；扩散单元96，用于当确定本节点为可移动节点时向未覆盖区域进行扩散，以保证覆盖率。

其中，所述连通移动单元92还用于，当所述栅栏是以笛卡尔坐标确定时，使本节点沿第一轨迹向所述头节点进行移动，直到本节点与所述头节点直接或间接连通；当所述栅栏是以极坐标确定时，使本节点沿第二轨迹向所述头节点进行移动，直到本节点与所述头节点直接或间接连通；其中，所述第一轨迹为，先向最近的栅栏移动，再沿着所述栅栏向Y轴移动，再由Y轴向头节点移动；所述第二轨迹为，先向最近的栅栏移动，再沿着极角方向向头节点移动所述其他节点。

连通移动单元92还用于，当本节点沿第一轨迹或第二轨迹移动的过程中遇到障碍物时，根据爬虫算法沿所述障碍物边界移动绕过所述障碍物向所述头节点进行移动。

如图11所示，所述扩散单元96包括，确定子单元960，用于根据所述未覆盖区域确定本节点的扩散点；蔓藤扩散子单元962，用于将本节点向未覆盖区域的扩散点按照蔓藤策略进行扩散移动，其中，所述蔓藤策略包括，本节点扩散时沿栅栏或/和障碍物边界移动至扩散点。

进一步的，如图12所示，所述扩散单元96还可包括：检查单元964，用于检查在本节点的感知范围内是否还存在其他扩散点；连通单元966，用于当检查结果为是时，用于当检查结果为是时，发出请求邀请其他节点中可移动节点移动到所述其他扩散点，以便所述其他节点中的可移动节点根据该请求判断是否移动到所述其他扩散点并返回回复信息；判断单元968，用于接收所述回复信息，并当判断确认所述其他节点中的可移动节点可以移动到所述其他扩散点时，向所述其他节点中的可移动节点发送确认移动消息，以便所述其他节点中的可移动节点移动到所述其他扩散点。

相应的，如图13所示，本发明实施例中的节点还可包括停止单元93，用于当确定在本节点的感知范围内没有可移动节点时，也不能够再邀请其他节点移动时，停止节点移动。

上述的传感器网络的节点可用于前述的传感器网络的部署方法中，作为除头节点的其他节点进行使用，其一些具体的功能等可参考前述的方法实施例，此处不作一一赘述。当然，上述的节点也可以作为头节点使用，只要将头节点中应当存储的相关信息(如，固定位置的坐标，网络中的其他节点的信息)存储在节点中，并执行相应的功能。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims

1.一种传感器网络的节点部署方法，其特征在于，所述方法包括：

向所述头节点按栅栏移动随机部署的其他节点，直到所述其他节点直接或间接连通所述头节点；

根据连通节点交换的信息确定可移动节点和未覆盖区域；

将所述可移动节点向所述未覆盖区域进行扩散，以保证覆盖率；

其中，所述栅栏是以所述头节点为笛卡尔坐标的原点将感知区域划分为多个长条区域的与坐标的X轴平行或成角度的虚拟线，两条相邻虚拟线的间距为2rs，rs为所述传感器网络中的所有节点的感知半径，或者，

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述向所述头节点按栅栏线移动随机部署的其他节点，直到所述其他节点直接或间接连通所述头节点包括：

当所述栅栏是以所述头节点为笛卡尔坐标的原点将感知区域划分为多个长条区域的与坐标的X轴平行或成角度的虚拟线时，所述其他节点沿第一轨迹向所述头节点进行移动，直到所述其他节点与所述头节点直接或间接连通；

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述向所述头节点按栅栏线移动随机部署的其他节点，直到所述其他节点直接或间接连通所述头节点包括：

当所述栅栏是以所述头节点为极坐标的极点将感知区域划分为以极点为圆心的多个环形区域的虚拟线时，所述其他节点沿第二轨迹向所述头节点进行移动，直到所述其他节点与所述头节点直接或间接连通；

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述其他节点沿第一轨迹向所述头节点进行移动还包括，当所述其他节点沿第一轨迹移动的过程中遇到障碍物时，所述其他节点根据爬虫算法沿所述障碍物边界移动绕过所述障碍物向所述头节点进行移动。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述其他节点沿第二轨迹向所述头节点进行移动还包括，当所述其他节点沿第二轨迹移动的过程中遇到障碍物时，所述其他节点根据爬虫算法沿所述障碍物边界移动绕过所述障碍物向所述头节点进行移动。

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述将所述可移动节点向未覆盖区域进行扩散包括，

根据所述未覆盖区域确定所述可移动节点的扩散点，所述扩散点为可移动节点向未覆盖区域移动时的目标点；

将所述可移动节点向未覆盖区域的扩散点按照蔓藤策略进行扩散移动，其中，所述蔓藤策略包括，所述可移动节点扩散时沿栅栏或/和障碍物边界移动至扩散点。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述将所述可移动节点向未覆盖区域进行扩散，以保证覆盖率还包括：

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当确定没有可移动节点，且所有节点都不能够再邀请其他节点移动时，停止节点移动。

9.一种传感器网络的节点，其特征在于，所述节点包括：

连通移动单元，用于使本节点向所述头节点按栅栏进行移动，直到直接或间接与所述头节点连通；

扩散单元，用于当确定本节点为可移动节点时向未覆盖区域进行扩散，以保证覆盖率；

10.如权利要求9所述的传感器网络的节点，其特征在于，所述连通移动单元还用于，当所述栅栏是以笛卡尔坐标确定时，使本节点沿第一轨迹向所述头节点进行移动，直到本节点与所述头节点直接或间接连通；当所述栅栏是以极坐标确定时，使本节点沿第二轨迹向所述头节点进行移动，直到本节点与所述头节点直接或间接连通；

11.如权利要求10所述的传感器网络的节点，其特征在于，连通移动单元还用于，当本节点沿第一轨迹或第二轨迹移动的过程中遇到障碍物时，根据爬虫算法沿所述障碍物边界移动绕过所述障碍物向所述头节点进行移动。

12.如权利要求9至11中任一项所述的传感器网络的节点，其特征在于，所述扩散单元包括，

13.如权利要求9至11中任一项所述的传感器网络的节点，其特征在于，所述扩散单元还包括：

14.如权利要求13所述的传感器网络的节点，其特征在于，所述传感器网络的节点还包括：

停止单元，用于当确定在本节点的感知范围内没有可移动节点时，也不能够再邀请其他节点移动时，停止节点移动。