CN102395127A - 无线传感器网络的故障恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线传感器网络技术领域，公开了一种无线传感器网络的故障恢复方法。本发明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，从而实现恢复网络连通性的目的。由于每个孤立区域的转置节点代表都只需要移动到离自己最近的连通集，大大减少了移动距离，节省了节点能量。本发明根据转置节点代表的密度对整个网络进行连通集的划分，同时在不同连通集的连接过程中依然采用密度趋近的办法进行扇形区域划分，简化了孤立区域之间的转置节点优化过程，降低了算法的复杂度。

Description

无线传感器网络的故障恢复方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，具体涉及一种无线传感器网络的故障恢复方法。

背景技术

目前的无线传感器网络的故障恢复技术主要是基于单个节点(指传感器节点)的故障恢复技术和基于分块区域的故障恢复技术。基于单个节点的故障恢复技术考虑的是在同一时间只有单个传感器节点发生故障。基于分块区域的故障恢复技术是指在多个节点同时发生故障的情况下采取的策略，需要把被故障分块的网络孤立子区域连接起来。

基于单个节点的故障恢复技术主要有用邻居节点替换该故障节点，在故障节点本身采取措施等。

公开号为CN102111789A的中国发明专利申请，是利用冗余节点替代故障节点。该方法包括步骤：S1.基于模糊数学以及线性规划的方法，建立表征冗余节点对故障节点的隶属程度的隶属矩阵、冗余节点对故障节点的替换矩阵及其约束条件；S2.根据所述隶属矩阵及替换矩阵，构建冗余节点替换故障节点的目标函数；S3.基于遗传算法，选择最优冗余节点替换故障节点。在故障节点本身采取措施的技术如公开号为CN101848478A的中国发明专利申请。该方法包括步骤：服务端启动后，开启监听进程监听故障报警信息；节点启动后，向服务端发送启动消息；服务端根据所述节点发送的启动消息，维护节点信息表；节点判断自身是否发生故障，如果发生故障，节点判断故障级别，并根据故障级别进行相应处理。

单个节点的故障恢复技术并不适合多个节点同时发生故障的情况，即由于灾难性的破坏所造成的大片节点不能正常工作，整个网络被分成了多个孤立区域的情况。因为这些方法所依赖的邻居节点都有可能同时出现故障，在这种情况下，恢复网络的策略就有可能失效。

为克服单个节点的故障恢复技术的缺陷，可以采取基于分块区域的恢复技术。基于分块区域的恢复技术解决的是网络由于严重灾难被分成许多孤立区域的情况下，如何恢复网络连通性的问题。该技术只需考虑将这些被孤立的网络子区域重新连接起来就可以达到实现恢复网络连通性的目的。在连接孤立区域的过程中，通常利用具有移动性的转置节点作为中间站，彼此交换各自所属孤立区域之间的信息。基于分块区域的故障恢复技术主要的算法有DORMS，包括3个步骤：转置节点的初始化布置、转置节点数目的优化，转置节点的重新布置。但是这种办法需要将所有分块区域的转置节点移动到中心，而边缘区域的转置节点需要移动较长距离才能到达目的地，因此需要耗费节点大量的能量。而且优化转置节点的过程复杂，会造成恢复过程时间过长。

可以看出，现有故障恢复技术具有如下缺陷：

(1)不能解决多个节点同时发生故障的问题。公开号为CN102111789A的中国发明专利申请所公开的方法虽然能够解决单个节点故障问题，但是该技术没有分析大型网络损害的范围，只适合处理小型网络中的单个节点故障问题，不能解决多个节点同时发生故障的问题。除此之外，它要求故障节点的邻居节点能够移动才能重建连通性，这种假设在很多情况下都是不实际的。而且，该技术需要依赖邻居列表中的一跳或者两跳节点，而一个较为严重的故障可能涉及多跳节点。这样，为了维持大型网络的状态就需要跨越多跳节点。又如公开号为CN101848478A的中国发明专利申请所公开的方法也只是从单个节点考虑，需要将信息上报到服务端，进而进行决策。如果多个节点同时发生故障，将会造成服务端信息拥塞。而且当多个节点发生故障时，无法保证故障节点到服务端的路径上的通信质量，将会造成服务端决策失误。

(2)转置节点移动距离过远，消耗能量过多，恢复时间过长。DORMS算法虽然解决了网络由于灾难性的破坏分成若干孤立子区域的情况下的故障问题，但是一般都是考虑将各个区域的转置节点代表移动到网络监测区域中心来交换信息。对于离监测区域中心较远的孤立区域而言，它的转置节点代表需要花较长的时间和较多的能量才能到达指定位置。这样的话，当网络规模较大时，就有较多的节点需要移动较长的距离，导致整个网络能量消耗过多和恢复时间过长，从而影响网络的生命周期和通信质量。因此，恢复方法中减少节点移动距离对于故障恢复过程有重大意义。

(3)现有的故障恢复技术算法比较复杂。公开号为CN102111789A的中国发明专利申请所公开的方法和DORMS算法都需要进行最优化过程，恢复过程比较复杂。在实际网络节点规模比较大的情况下，故障恢复的时间比较长，已经失去故障恢复的意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种适用于在被灾难性破坏造成分块的大型网络环境下恢复节点故障的方法，能够在较短的时间内使用尽可能少的能量恢复网络的连通性。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种无线传感器网络的故障恢复方法，包括以下步骤：

101、根据转置节点的密度将网络监测区域划分成若干个连通集，其中，所述连通集为以网络监测区域的几何中心点为圆心的同心圆；

102、初始化每个孤立区域的转置节点代表，以将每个孤立区域派出的转置节点代表区别于其他孤立区域的转置节点，以及确定每个孤立区域派出的转置节点代表向哪个方向的连通集移动，其中，所述孤立区域为网络监测区域中相互之间失去连通的区域；

103、将每个孤立区域的转置节点代表同时移动到离各自最近的连通集，以使得从每个孤立区域都有一条路径到达连通集；

104、将同一个连通集内的转置节点进行连通；

105、根据转置节点代表的密度将每个连通集划分成若干个扇形区域；

106、判断连通集集合中是否只有一个元素，如果不是，则执行步骤107；如果是，不连接各个连通集。

107、在扇形区域集合的每个元素内，连接相邻的连通集。

优选地，步骤101中，划分连通集CS的原则为：以网络监测区域的LRN的平均节点密度D_AV作为参照值，使得所划定的每两个连通集CS之间的局部区域的平均LRN密度D最大限度地接近D_AV；

具体划分过程为：将连通集CS的划分过程定义为一个四元组：<R，C，C′，Rule>，将所述同心圆的半径值R每次减小后得到的同心圆位置保存在集合C′中，在每次循环中，比较集合C′中两个相邻同心圆位置元素与最新确定的同心圆位置所形成的两个环形区域的LRN密度，从集合C′中选取最符合条件的元素加入集合C中，其中每次循环中半径值R都进行若干次减小直到找到合适的半径值来确定CS的位置；

为了从集合C′中选取符合条件的元素加入C，所设置的选取规则包括：

规则1：如果所要比较的两个环形区域的LRN密度趋势不是趋近于D_AV，则阻止半径值R减小；

规则2：如果所要比较的两个环形区域的LRN密度没有最大限度接近D_AV，则使半径值R继续减小；

规则3：如果所要比较的两个环形区域的LRN密度在D_AV左右摆动，则选取两个LRN密度值中最接近D_AV的值；

规则4：如果所要比较的两个环形区域的LRN密度都超过D_AV，就选取两个LRN密度值中最接近D_AV的值。

优选地，步骤102中，位于第i个孤立区域Seg_i中的LRN定义为RN_id，i代表LRN属于哪个孤立区域，d代表LRN属于这个孤立区域的第几个节点，假定LRN事先已获知离自己最近的连通集的信息，则各个LRN沿着自己到所述圆心的直线方向，同时移动到目的位置。

优选地，上述步骤103具体为：在每个孤立区域的转置节点代表LRN_i0移动之前，发一个信息给离它最近的邻居转置节点，接到该信息的邻居转置节点标记为RN_i1，同时在RN_i1向连通集CS移动之前也发一个信息给离它最近的邻居转置节点，不断地重复这个过程，当LRN_i0到达离自己最近的连通集时就发一个信息给半径路径P_i上的所有RN，通知停止移动，经过这个过程，每个孤立区域都有一条路径P_i到达连通集，其中P_i路径上除了LRN之外的节点为RN。

优选地，步骤104具体为：在每个划定的连通集上，以十二点方向的半径线为基准，在每隔r的距离布置非移动节点SN，如果应该布置SN的位置上已有LRN，就跳过该位置，继续布置，当布置完SN后，LRN发送一个加入消息，LRN的邻居SN收到后，将该LRN加入自己的邻居列表，并发回一个信息给LRN，通过这种方式，SN和LRN彼此交换信息，以保证同一个连通集内的转置节点连通。

优选地，步骤105中具体划分过程为：将扇形区域划分过程定义为一个四元组：<R_C，Se，Se′，Rule′>，将转动半径R_C每次转动后得到的位置保存在集合Se′中，每次转动循环中选取集合Se′中相邻位置元素与最新确定的扇形区域位置形成的两个区域密度进行比较，根据扇形区域内的节点代表密度是否最大限度地趋近预设标准值来判断是否将集合Se′中的元素选入扇形区域集合Se；

在从集合Se′中选取符合条件的元素加入Se过程中，所要遵循的规则包括：

规则1：如果所要比较的两个扇形区域的LRN密度趋势不是趋近于D_AV，则阻止转动半径Rc转动；

规则2：如果所要比较的两个扇形区域的LRN密度没有最大限度接近D_AV，则转动半径Rc继续转动；

规则3：如果所要比较的两个扇形区域的LRN密度在D_AV左右摆动，则选取两个扇形区域的LRN密度中最接近D_AV的值；

规则4：如果所要比较的两个扇形区域的LRN密度都超过D_AV，则选取两个扇形区域的LRN密度中最接近D_AV的值。

优选地，步骤107具体为：从外向内连接连通集，即在标号为i的同心圆CS_i中选取最晚连通的路径P_i上d值最大的节点，通知它的最近邻居节点同时向同心圆CS_i+1移动，其中d是RN_id的下标中的d。

(三)有益效果

本发明的有益效果在于：

1)解决了被分块的网络故障情况。

2)在恢复过程中，每个孤立区域只需将自己的转置节点移动到最近的连通集上，从而大大地缩短了节点移动的距离，节省了转置节点能量，延长了网络的生命周期。

3)采取密度趋近方法将网络监测区域划分成若干个连通集，将节点的分布情况考虑在内，再一次减少了节点移动的距离，缩短了恢复过程的时间，进一步优化了恢复过程。

4)根据转置节点的密度将每个连通集划分成若干个扇形区域，使得相邻连通集之间的通信路径有多种选择，保证了相邻连通集之间都能进行通信，避免了由于通信路径单一而重新造成网络故障的情况；

5)在同一个连通集上引入了非移动节点，既保证了同一连通集上的连通性，又节省了成本。

附图说明

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是图1中步骤101的连通集划分流程图；

图3是图1中步骤105的扇形区域划分流程图。

具体实施方式

下面对于本发明所提出的一种无线传感器网络的故障恢复方法，结合附图和实施例详细说明。

首先需要说明的是，以下内容中简写为“节点”之处都是指转置节点。

下面参照图1～图3分别介绍每一个步骤：

101)划分连通集(Connected Set，CS)。为了将每个孤立区域的转置节点移动到离自己最近的CS，需要根据节点的分布密度来确定这些CS的位置。本发明中将CS定义为一个以网络监测区域的几何中心点为圆心的同心圆，所以确定CS的位置就是确定同心圆的半径值R，其中R的初始值是最大同心圆(即最远孤立区域所在圆，这个同心圆不需要划定)的半径值。为了合理划分CS，以整个网络监测区域的转置节点代表(Leading Relay Node，LRN)的平均节点密度D_AV(Density of Average)作为参照值，使得所划定的每两个CS之间的局部区域的平均LRN密度D要最大限度地接近D_AV。LRN的密度D的计算公式为：D＝N÷S，其中S表示网络监测区域的面积，N表示S内的LRN个数。其中，孤立区域定义为网络监测区域中相互之间失去连通的区域。

CS的划分过程可以定义为一个四元组：<R，C，C′，Rule>。将上述同心圆的半径值R每次减小后的值得到的同心圆位置保存在集合C′中。在每次循环中，比较C′中两个相邻同心圆位置元素与最新确定的同心圆位置所形成的两个环形区域的LRN密度，从C′中选取最符合条件的元素加入连通集集合C中，其中每次循环中R都进行若干次减小直到找到合适的半径值来确定CS的位置。

Rule：为了从C′中选取符合条件的元素加入C，需要指定选取的规则：

规则1：如果所要比较的两个环形区域的LRN密度趋势不是趋近于D_AV，则应该阻止半径减小。步骤204中运用了规则1：如果R减小后得到的密度值没有比前一次大，继续减小会造成两个连通集之间距离过大，所以R先暂停减小并且选定Dj″为这次比较过程中的最优值。

规则2：如果所要比较的两个环形区域的LRN密度没有最大限度地接近D_AV，则R需要继续减小。步骤205的情况1(即“否”)运用了规则2：D_j″，D_j+1′都小于D_AV，暂时判断不出这一次减小是不是最好的结果，因此需要继续减小R。

规则3：如果所要比较的两个环形区域的LRN密度在D_AV左右摆动，选取两个LRN密度值中最接近D_AV的值。

规则4：如果所要比较的两个环形区域的LRN密度都超过D_AV，就选取两个LRN密度值中最接近D_AV的值。

步骤205的情况2(即“否”)运用了规则3和规则4，即当Dj″≤D_AV≤Dj+1″或者D_AV＜Dj″＜Dj+1″时，都能找到趋近D_AV的值。

步骤207中Δr的值是r_j′-r_j+1′，需根据实际情况人为设定这个每次减小的值。

划分过程步骤如图2所示。

102)初始化每个孤立区域的转置节点代表。每个孤立区域派出的转置节点代表LRN为了能够区别于其他区域的LRN，以及确定向哪个方向的连通集移动，需要进行初始化工作。在第i个孤立区域Seg_i中的LRN把自己定义为RN_id，i代表属于哪个区域，d代表这个区域的第几个节点，d的初始值是0。假定LRN事先已获知了离自已最近的连通集的信息，各个LRN沿着自己到圆心o的直线方向，各个LRN同时开始移动到目的位置。

103)转置节点代表级联移动到最近连通集。当每个孤立区域的转置节点代表LRN_i0移动前，发一个信息给它最近的邻居转置节点，包括排列信息，例如d的值。接到该信息的邻居将自己标记为RN_i1，同时在RN_i1向CS移动前也发一个信息给自己的最近邻居节点，不断地重复这个过程。当LRN_i0到达离自己最近的连通集时就发一个信息给半径路径P_i上的所有RN(只有代表孤立区域的那个节点才是LRN，之后P_i路径上的节点都是RN)，通知停止移动过程。经过这个过程，每个孤立区域都有一条路径P_i到连通集。LRN_i0是指每个孤立区域的转置节点代表，它也是转置节点，LRN_i0专门用来标记每个孤立区域。

104)同一个连通集上的转置节点进行连通。到达连通集上的转置节点互相之间不能通信，通过借助非移动节点(Stationary Node，SN)来获得对方的位置信息从而进行正常通信。在每个划定的连通集上，以中间的半径线(十二点方向的半径线)为基准，在每隔r的距离布置SN，圆上哪些位置应该布置SN是可以推算出来的。如果应该布置SN的位置上已有LRN，就跳过该位置，继续布置。假定SN事先已知道这个连通集上的其他节点的位置，这个可以通过事先设定节点的程序来控制。当SN布置完后，LRN发送一个加入消息，邻居的SN收到后，将该LRN加入自己的邻居列表，并发回一个信息给LRN。通过这种方式，SN和LRN彼此交换信息，保证了同一个连通集上的连通。

105)划分扇形区域。为了在相邻连通集之间建立一定数目的通信路径，将整个网络区域划分若干个扇形区域。每个扇形区域内，相邻连通集之间都有一条通信路径。为了合理划分扇形区域，也是采用密度趋近的方法。扇形区域划分过程也可以定义为一个四元组：<R_C，Se，Se′，Rule′>

转动半径R_C每次转动后得到的位置保存在集合Se′中。每次循环中选取Se′中相邻位置元素与最新确定的扇形区域位置形成的两个区域密度进行比较，根据区域内的节点代表密度是否最大限度趋近标准值来判断是否被选入扇形区域集合Se。

Rule′：在从Se′中选取符合条件的元素加入扇形区域集合Se过程中，所要遵循的规则。

规则1：如果所要比较的两个扇形区域的LRN密度趋势不是趋近于D_AV，则应该阻止转动半径Rc转动。

规则2：如果所要比较的两个扇形区域的LRN密度没有最大限度接近D_AV，则Rc需要继续转动。

规则3：如果所要比较的两个扇形区域的LRN密度在D_AV左右摆动，选取两个扇形区域的LRN密度中最接近D_AV的值。

规则4：如果所要比较的两个扇形区域的LRN密度都超过D_AV时，选取两个扇形区域的LRN密度中最接近D_AV的值。

根据定义的规则划分的过程按照图3的步骤301～307进行.

106-107)判断连通集集合是否只有一个元素。如果是，说明没有划分符合要求的连通集，则不需要进行连接各个连通集的工作。如果不是，在Se的每个元素内即每个扇形区域内，连接相邻的连通集。连接过程从外向内进行，即在标号为i的同心圆CS_i中选取最晚连通的路径P_i(P_i表示LRN到连通集的路径)上d值最大的节点，通知它的最近邻居向CS_i+1同时移动，其中d是指RN_id的下标，选取d最大的节点的原因是离CS_i+1最近，能节省节点移动距离。该过程结束，每个连通集都能和任意连通集进行通信，而被分块的孤立区域通过移动到连通集上的转置节点彼此能进行正常通信，整个网络的故障问题得到解决。其中，最晚连通的路径P_i是指在同心圆CS_i中，最晚到达CS_i的LRN所在的路径P_i。

由以上实施例可以看出，本发明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，从而实现恢复网络连通性的目的。由于每个孤立区域的转置节点代表都只需要移动到离自己最近的连通集，大大减少了移动距离，节省了节点能量。本发明根据转置节点的密度对整个网络进行连通集的划分，同时在不同连通集的连接过程中依然采用密度趋近的办法进行扇形区域划分，简化了孤立区域之间的转置节点优化过程，降低了算法的复杂度。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种无线传感器网络的故障恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：

101、根据转置节点的密度将网络监测区域划分成若干个连通集，其中，所述连通集为以网络监测区域的几何中心点为圆心的同心圆；

102、初始化每个孤立区域的转置节点代表，以将每个孤立区域派出的转置节点代表区别于其他孤立区域的转置节点代表，以及确定每个孤立区域派出的转置节点代表向哪个方向的连通集移动，其中，所述孤立区域为网络监测区域中相互之间失去连通的区域；

103、将每个孤立区域的转置节点代表同时移动到离各自最近的连通集，以使得从每个孤立区域都有一条路径到达连通集；

104、将同一个连通集内的转置节点进行连通；

105、根据转置节点代表的密度将每个连通集划分成若干个扇形区域；

106、判断连通集集合中是否只有一个元素，如果不是，则执行步骤107；如果是，不连接各个连通集；

107、在扇形区域集合的每个元素内，连接相邻的连通集。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤101中，划分连通集CS的原则为：以网络监测区域的转置节点代表LRN的平均节点密度D_AV作为参照值，使得所划定的每两个连通集CS之间的局部区域的平均LRN密度D最大限度地接近D_AV；

具体划分过程为：将连通集CS的划分过程定义为一个四元组：<R，C，C′，Rule>，将所述同心圆的半径值R每次减小后得到的同心圆位置保存在集合C′中，在每次循环中，比较集合C′中两个相邻同心圆位置元素与最新确定的同心圆位置所形成的两个环形区域的LRN密度，从集合C′中选取最符合条件的元素加入连通集集合C中，其中每次循环中半径值R都进行若干次减小直到找到合适的半径值来确定CS的位置；

Rule：为了从集合C′中选取符合条件的元素加入C，所设置的选取规则，其包括：

规则1：如果所要比较的两个环形区域的LRN密度趋势不是趋近于D_AV，则阻止半径值R减小；

规则2：如果所要比较的两个环形区域的LRN密度没有最大限度接近D_AV，则使半径值R继续减小；

规则3：如果所要比较的两个环形区域的LRN密度在D_AV左右摆动，则选取两个LRN密度值中最接近D_AV的值；

规则4：如果所要比较的两个环形区域的LRN密度都超过D_AV，就选取两个LRN密度值中最接近D_AV的值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤102中，位于第i个孤立区域Seg_i中的LRN定义为RN_id，i代表LRN属于哪个孤立区域，d代表LRN属于这个孤立区域的第几个节点，假定LRN事先已获知离自己最近的连通集的信息，则各个LRN沿着自己到所述圆心的直线方向，同时移动到目的位置。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤103具体为：在每个孤立区域的转置节点代表LRN_i0移动之前，发一个信息给离它最近的邻居转置节点，接到该信息的邻居转置节点标记为RN_i1，同时在RN_i1向连通集CS移动之前也发一个信息给离它最近的邻居转置节点，不断地重复这个过程，当LRN_i0到达离自己最近的连通集时就发一个信息给半径路径P_i上的所有RN，通知停止移动，经过这个过程，每个孤立区域都有一条路径P_i到达连通集，其中P_i路径上除了LRN之外的节点为RN。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤104具体为：在每个划定的连通集上，以十二点方向的半径线为基准，在每隔r的距离布置非移动节点SN，如果应该布置SN的位置上已有LRN，就跳过该位置，继续布置，当布置完SN后，LRN发送一个加入消息，LRN的邻居SN收到后，将该LRN加入自己的邻居列表，并发回一个信息给LRN，通过这种方式，SN和LRN彼此交换信息，以保证同一个连通集内的转置节点连通。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤105中具体划分过程为：将扇形区域划分过程定义为一个四元组：<R_C，Se，Se′，Rule′>，将转动半径R_C每次转动后得到的位置保存在集合Se′中，每次转动循环中选取集合Se′中相邻位置元素与最新确定的扇形区域位置形成的两个区域密度进行比较，根据扇形区域内的节点代表密度是否最大限度地趋近预设标准值来判断是否将集合Se′中的元素选入扇形区域集合Se；

Rule′：在从集合Se′中选取符合条件的元素加入Se过程中，所要遵循的规则，其包括：

规则1：如果所要比较的两个扇形区域的LRN密度趋势不是趋近于D_AV，则阻止转动半径Rc转动；

规则2：如果所要比较的两个扇形区域的LRN密度没有最大限度接近D_AV，则转动半径Rc继续转动；

规则3：如果所要比较的两个扇形区域的LRN密度在D_AV左右摆动，则选取两个扇形区域的LRN密度中最接近D_AV的值；

规则4：如果所要比较的两个扇形区域的LRN密度都超过D_AV，则选取两个扇形区域的LRN密度中最接近D_AV的值。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤107具体为：从外向内连接连通集，即在标号为i的同心圆CS_i中选取最晚连通的路径P_i上d值最大的节点，通知它的最近邻居节点同时向同心圆CS_i+1移动，其中d是RN_id的下标中的d。

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