CN103313264A - 一种基于蜂窝网格的传感器冗余节点部署方法 - Google Patents

Abstract

一种基于蜂窝网格的传感器冗余节点部署方法，用于解决无线传感器网络的覆盖问题。通过使用本发明提出的方法可以对目标区域进行确定的冗余节点的部署，消除传感器节点的覆盖冗余和覆盖盲区，实现成本的节约和网络高效覆盖的问题，属于无线传感器网络研究领域。它具有如下特征：本发明在蜂窝传感器节点部署模型的基础上，实现一种冗余节点的确定部署算法。该算法针对满足全覆盖的条件下，目标区域内传感器节点最少，在此基础上以最小成本为优化目标，通过能量消耗的分析达到对目标区域进行确定的冗余节点的部署。本发明在控制成本的基础上有效的消除节点的感知重叠区和感知盲区，实现监测区域的高效能覆盖。

Description

一种基于蜂窝网格的传感器冗余节点部署方法

技术领域

本发明是一种基于蜂窝网格的传感器冗余节点部署方法，主要用于解决部署确定冗余节点的数量来节省网络部署的成本，实现网络高效覆盖的问题，属于无传感器网络研究领域。

背景技术

所谓冗余节点，是指传感器节点自己的感知区域被邻居节点所覆盖，冗余节点休眠后，目标区域仍然满足全覆盖。在实际应用中，冗余节点是必不可少的，如果没有足够的冗余节点，则很难保证传感器网络正常监测，此种情况下，一旦一个传感器节点出现故障或者电源耗尽，就会导致监测盲区，使得传感器网络不能可靠监测整个目标区域。因此，在满足目标区域全覆盖的前提下，如何有效的部署冗余节点是传感器网络研究的一个重要课题。

无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)是由大量价格低廉的具有数据采集感知能力和计算能力的传感器节点通过自组织所形成网络通信系统，在网络的覆盖区域内可以完成对复杂事件的监测任务。随着无线通信及微电子技术的快速发展，无线传感器网络在工业、农业、军事等传统领域和以智能家居、医疗保健、城市交通为代表的新兴领域展现出广泛的应用前景。覆盖作为无线传感器网络的基本问题，它直接体现在网络所提供的服务质量上。无线传感器网络的覆盖控制就是在传感器网络节点能量、无线网络通信带宽、网络计算处理能力等资源普遍受限的情况下，通过网络传感器节点放置以及路由选择等手段，最终使无线传感器网络的各种资源得到优化分配，使感知监视传感通信等各种服务质量得到改善。选择无线传感器网络覆盖控制策略，有助于网络节点能量的有效控制、感知服务质量的提高和网络整体生存时间的延长。为延长传感网络的寿命，提高传感器节点的效率，降低单个传感器节点的能量损耗，目前国内外大量的研究者致力于传感器网络节能研究，他们或者从硬件角度考虑设计节能的传感器节点，或者是设计能量高效的路由协议，或者是设计高效的覆盖拓扑策略，但是从冗余节点部署的角度来研究降低网络部署成本还是比较少见的。本发明在基于蜂窝网格的传感器节点部署的基础上，根据能量消耗的特点，有针对性的对节点进行部署，以降低网络部署成本，最终实现传感器网络覆盖的增强。

发明目的

技术问题：本发明的目的是提供一种基于蜂窝网格传感器节点部署方法，来降低网络部署成本，消除传感器节点的覆盖冗余和覆盖盲区；还可以应用于需要严格控制传感器节点密度的应用中，通过精确部署，不仅能够达到全覆盖，而且可以精确的知道节点的位置信息。

技术方案：本发明的方法是一种策略性方法，无线传感器节点的部署直接影响着将来网络的覆盖。

本发明是一种基于蜂窝网格的传感器冗余节点部署方法，主要用于解决部署有限的冗余节点来降低网络的部署成本，消除传感器节点的覆盖冗余和覆盖盲区实现网络高效覆盖，具体包含步骤如下：

方法在分析针对满足全覆盖的条件下，目标区域内传感器节点最少，在此基础上以最小成本为优化目标，实现一种基于蜂窝网格传感器冗余节点的部署算法，通过能耗的分析，对目标区域进行确定的冗余节点的部署，实现网络的高效能覆盖，具体包含步骤如下：

步骤1).假设有一目标区域为圆形，基站为坐标原点，传感器半径为R，实施节点部署的具体步骤是，以坐标原点为中心逐层的部署节点，直至到达边界，最后得到蜂窝网格，其中的小黑点代表传感器节点，这些传感器节点实现了对目标区域的全覆盖；

步骤2).分析网络生存周期时，假设所有传感器节点同构，初始能量都相同，为E，传感器节点在工作过程中，不但要感应数据，还要作为中继节点进行数据的转发，在传感器节点工作的过程中，能量消耗主要分成三部分，第一部分是节点感知数据时所消耗的能量，设为E₁；第二部分是节点在发送数据包所消耗的能量，设为E₂；第三部分是节点在接收一个从邻居节点传来的数据包所消耗的能量，设为E₃；三个环节中能量消耗最大的是第二、三个环节，因为传感器网络在实际工作过程中，感知数据只是周期的进行，但是接收和发送数据却是在整个工作过程中都要进行的，特别是靠近基站的节点，需要传递整个网络外层节点的数据包到基站，因此，内层传感器节点寿命是整个网络寿命的瓶颈，在设计网络时，可以通过增加内层冗余节点数量来提高整个网络的可靠性。本文在考虑网络生存周期时，忽略了节点从睡眠唤醒所消耗的能量和在睡眠状态所消耗的能量，这部分能量比较少，且不便于统计。

步骤3).传感器网络正常工作，必须满足全覆盖，即每个节点感应的数据都应该能传递到基站，当某一层上的节点能量耗尽时，则整个网络的连通性将无法保证；第1层上节点的寿命最短，当第l层上节点能量最先耗尽时，外层节点数据无法发送到基站，网络的寿命就结束了，因此传感器网络的寿命，主要取决于第1层上节点的寿命，所以，网络的寿命为：

T=T₁

步骤4).如果在目标区域不部署冗余节点，则采用蜂窝网格方法部署，这种方法成本是最优的；蜂窝网格部署中没有冗余节点，sink表示基站，以基站为中心，将节点进行分层，从内往外依次为第一层、第二层，第i层的节点数为6i；如果目标区域的传感器节点有N层，则网络中所需要的节点总数等于M；

$M=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}6i$

步骤5).第k层节点的能量主要消耗在C₁、C₂、C₃。，其中C₁表示节点感知数据所消耗的能量，C₁=E₁；其中C₂表示节点发送外层数据包和自身感知数据包到内层节点所消耗的能量：

$C_2=(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}i-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}i)*E_2/k+E_2$

C₃表示节点接收外层数据包所消耗的能量：

$C_3=(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}i-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}i)*E_3/k$

因此，第k层上节点平均消耗的能量总和C_k为：

$C_k=C_1+C_2+C_3$

$=E_1+(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}i-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}i)*E_2/k+E_2+(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}i-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}i)*E_3/k$

步骤6).所有节点同构，即每个节点初始能量E一样，感知范围是一样的，通信范围不会受能量的影响，因此第k层初始化节点的寿命为：

T_k=E/C_k

步骤7).假设目标区域需要监测的时间是T_t，由监测的时间T_t除初始化节点的寿命T_k得到的值减1再乘以6*k，则第k层冗余节点的数目L为：

L=(（T_t/T_k）-1)*6*k

步骤8).对每层冗余节点进行分组Z，第k层每6k个节点为一组，组号编写为第1组、第2组、......，到第（T_t/T_k）-1组，每一组和初始化时的节点部署的同一位置，

Z=（第1组，第2组，......，第（T_t/T_k）-1组）

步骤9).随着时间的推移，节点的能量会耗尽。当初始化节点能量耗尽失效时由冗余节点额第1组代替初始化时的节点，第1组节点失效时由第2组节点代替，以此类推，直至到达到目标区域所需要被监测的时间为止。

有益效果：本发明方法提出了一种基于蜂窝网格传感器冗余节点的部署方法，主要用于解决部署有限个冗余节点来节省网络部署的成本问题，通过使用本发明提出的方法可以消除传感器节点的覆盖冗余和覆盖盲区，实现了监测区域的高效覆盖。下面我们给出具体的说明

蜂窝网格传感器节点的部署充分考虑目标区域内传感器节点最低成本的部署问题，就是设计最少的节点覆盖目标区域，即在满足完全覆盖的前提下，使每个节点的有效覆盖面积最大，充分利用每个圆的面积。本发明将蜂窝网格传感器节点部署方法应用到传感器网络节点的部署中，通过确切的网络感知时间，确定网络的覆盖规模，进行定向的节点部署，能够较大幅度地提高网络覆盖效果，最终实现控制网络的部署成本。

附图说明

图1是分层网格节点部署模型图，其中，圆点为传感器节点，三角形为基站。

图2是目标区域传感器节点部署图，

图3是节点能耗图。

具体实施方式

本发明是一种基于蜂窝网格的传感器冗余节点部署方法，主要通过冗余节点的准确部署来节省节点部署的成本，消除传感器节点的覆盖冗余和覆盖盲区，实现网络高效覆盖的问题。

步骤1).假设有一目标区域为圆形，如图3所示，基站为坐标原点，传感器半径为R。实施节点部署的具体步骤是，以坐标原点为中心逐层的部署节点，直至到达边界。最后得到图3所示蜂窝网格，其中的小黑点代表传感器节点，这些传感器节点实现了对目标区域的全覆盖。

步骤2).分析网络生存周期时，假设所有传感器节点同构，初始能量都相同，为E。传感器节点在工作过程中，不但要感应数据，还要作为中继节点进行数据的转发。在传感器节点工作的过程中，能量消耗主要分成三部分，第一部分是节点感知数据时所消耗的能量，设为E₁；第二部分是节点在发送数据包所消耗的能量，设为E₂；第三部分是节点在接收一个从邻居节点传来的数据包所消耗的能量，设为E₃。三个环节中能量消耗最大的是第二、三个环节，因为传感器网络在实际工作过程中，感知数据只是周期的进行，但是接收和发送数据却是在整个工作过程中都要进行的，特别是靠近基站的节点，需要传递整个网络外层节点的数据包到基站。因此，内层传感器节点寿命是整个网络寿命的瓶颈，在设计网络时，可以通过增加内层冗余节点数量来提高整个网络的可靠性。本文在考虑网络生存周期时，忽略了节点从睡眠唤醒所消耗的能量和在睡眠状态所消耗的能量，这部分能量比较少，且不便于统计。

步骤3).传感器网络正常工作，必须满足全覆盖，即每个节点感应的数据都应该能传递到基站，当某一层上的节点能量耗尽时，则整个网络的连通性将无法保证。第1层上节点的寿命最短，当第l层上节点能量最先耗尽时，外层节点数据无法发送到基站，网络的寿命就结束了。因此传感器网络的寿命，主要取决于第1层上节点的寿命，所以，网络的寿命为：

T=T₁

步骤4).如果在目标区域不部署冗余节点，则采用如图1蜂窝网格方法部署，这种方法成本是最优的。图1中没有冗余节点，sink表示基站，以基站为中心，可以将节点进行分层，图中从内往外依次为第一层、第二层，第i层的节点数为6i。如果目标区域的传感器节点有N层，则网络中所需要的节点总数等于M；

$M=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}6i$

步骤5).第k层节点的能量主要消耗在C₁、C₂、C₃。，其中C₁表示节点感知数据所消耗的能量，C₁=E₁；其中C₂表示节点发送外层数据包和自身感知数据包到内层节点所消耗的能量：

$C_2=(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}i-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}i)*E_2/k+E_2$

C₃表示节点接收外层数据包所消耗的能量：

$C_3=(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}i-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}i)*E_3/k$

因此，第k层上节点平均消耗的能量总和C_k为：

$C_k=C_1+C_2+C_3$

$=E_1+(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}i-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}i)*E_2/k+E_2+(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}i-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}i)*E_3/k$

步骤6).所有节点同构，即每个节点初始能量E一样，感知范围是一样的，通信范围不会受能量的影响，因此第k层初始化节点的寿命为：

T_k=E/C_k

步骤7).假设目标区域需要监测的时间是T_t，由监测的时间T_t除初始化节点的寿命T_k得到的值减1再乘以6*k，则第k层冗余节点的数目L为：

L=(（T_t/T_k）-1)*6*k

步骤8).对每层冗余节点进行分组Z，第k层每6k个节点为一组，组号编写为第1组、第2组、......，到第（T_t/T_k）-1组，每一组和初始化时的节点部署的同一位置。

Z=（第1组，第2组，......，第（T_t/T_k）-1组）

步骤9).随着时间的推移，节点的能量会耗尽。当初始化节点能量耗尽失效时由冗余节点额第1组代替初始化时的节点，第1组节点失效时由第2组节点代替，以此类推，直至到达到目标区域所需要被监测的时间为止。

Claims (1)

1.一种基于蜂窝网格的传感器冗余节点部署方法，其特征在于该方法在分析针对满足全覆盖的条件下，目标区域内传感器节点最少，在此基础上以最小成本为优化目标，实现一种基于蜂窝网格传感器冗余节点的部署算法，通过能耗的分析，对目标区域进行确定的冗余节点的部署，实现网络的高效能覆盖，具体包含步骤如下：

步骤1).假设有一目标区域为圆形，基站为坐标原点，传感器半径为R，实施节点部署的具体步骤是，以坐标原点为中心逐层的部署节点，直至到达边界，最后得到蜂窝网格，其中的小黑点代表传感器节点，这些传感器节点实现了对目标区域的全覆盖；

步骤2).分析网络生存周期时，假设所有传感器节点同构，初始能量都相同，为E，传感器节点在工作过程中，不但要感应数据，还要作为中继节点进行数据的转发，在传感器节点工作的过程中，能量消耗主要分成三部分，第一部分是节点感知数据时所消耗的能量，设为E₁；第二部分是节点在发送数据包所消耗的能量，设为E₂；第三部分是节点在接收一个从邻居节点传来的数据包所消耗的能量，设为E₃；

步骤3).传感器网络正常工作，必须满足全覆盖，即每个节点感应的数据都应该能传递到基站，当某一层上的节点能量耗尽时，则整个网络的连通性将无法保证；第1层上节点的寿命最短，当第l层上节点能量最先耗尽时，外层节点数据无法发送到基站，网络的寿命就结束了，因此传感器网络的寿命，主要取决于第1层上节点的寿命，所以，网络的寿命为：

T=T₁

步骤4).如果在目标区域不部署冗余节点，则采用蜂窝网格方法部署，这种方法成本是最优的；蜂窝网格部署中没有冗余节点，sink表示基站，以基站为中心，将节点进行分层，从内往外依次为第一层、第二层，第i层的节点数为6i；如果目标区域的传感器节点有N层，则网络中所需要的节点总数等于M；

$M=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}6i$

步骤5).第k层节点的能量主要消耗在C₁、C₂、C₃，其中C₁表示节点感知数据所消耗的能量，C₁=E₁；其中C₂表示节点发送外层数据包和自身感知数据包到内层节点所消耗的能量：

$C_2=(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}i-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}i)*E_2/k+E_2$

C₃表示节点接收外层数据包所消耗的能量：

$C_3=(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}i-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}i)*E_3/k$

因此，第k层上节点平均消耗的能量总和C_k为：

$C_k=C_1+C_2+C_3$

$=E_1+(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}i-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}i)*E_2/k+E_2+(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}i-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}i)*E_3/k$

步骤6).所有节点同构，即每个节点初始能量E一样，感知范围是一样的，通信范围不会受能量的影响，因此第k层初始化节点的寿命为：

T_k=E/C_k

步骤7).假设目标区域需要监测的时间是T_t，由监测的时间T_t除初始化节点的寿命T_k得到的值减1再乘以6*k，则第k层冗余节点的数目L为：

L=(（T_t/T_k）-1)*6*k

步骤8).对每层冗余节点进行分组Z，第k层每6k个节点为一组，组号编写为第1组、第2组、......，到第（T_t/T_k）-1组，每一组和初始化时的节点部署的同一位置，

Z=（第1组，第2组，......，第（T_t/T_k）-1组）

步骤9).随着时间的推移，节点的能量会耗尽，当初始化节点能量耗尽失效时由冗余节点额第1组代替初始化时的节点，第1组节点失效时由第2组节点代替，以此类推，直至到达到目标区域所需要被监测的时间为止。

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