CN103338459A - 一种无线传感器网络覆盖保持方法 - Google Patents

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CN103338459A CN2013101993394A CN201310199339A CN103338459A CN 103338459 A CN103338459 A CN 103338459A CN 2013101993394 A CN2013101993394 A CN 2013101993394A CN 201310199339 A CN201310199339 A CN 201310199339A CN 103338459 A CN103338459 A CN 103338459A
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王换招
孟凡治
孙亚娟
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Xian Jiaotong University
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Xian Jiaotong University
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Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络覆盖保持方法，该方法是一种基于概率计算方法进行节点冗余判断的无需节点位置信息，通过邻节点间协作进行能耗平衡的无线传感器网络覆盖保持方法；在无线传感器网络初始化之后，将其运行时间划分为若干轮次，每个轮次依次进行覆盖控制阶段和状态稳定阶段，当一个轮次结束后进行下一个轮次。本发明在计算节点冗余度和覆盖质量时采用概率方法，计算简单，而且无需节点的位置信息，不依赖节点精确位置信息，大大降低了网络的硬件成本，具有很大的应用价值。

Description

一种无线传感器网络覆盖保持方法
技术领域
本发明属于网络资源优化技术领域，涉及一种无线传感器网络覆盖保持方法。 
背景技术
无线传感器网络的覆盖调度问题，可以看作是在传感器网络节点能量、无线网络通信带宽、网络计算能力等资源普遍受限情况下，利用节点的冗余性，通过启发式算法使节点在不同状态间进行转换，在满足服务质量（QoS）的前提下轮流关闭节点，最终使网络的各种资源得到优化分配，平衡节点能量消耗，延长网络寿命。针对随机部署的无线传感器网络在实际环境中的感知特性，如何进行高效的覆盖调度是传感器网络中一个基本但亟待解决的问题。对于一个已经部署的无线传感器网络，覆盖调度通过传感器节点间的协作，在达到对监测区域的不同管理或感应效果的前提下，尽可能地减少能量消耗延长网络生存周期。 
目前，大多数覆盖调度策略是根据节点的地理位置信息计算覆盖信息，并对监测区域进行完全覆盖，完全覆盖可以保证对整个区域的有效监测，但需要更多的传感器节点工作，加之地理位置信息的获取多依赖于外部基础设施，极大地增加了节点的硬件成本和能量消耗。然而，大部分实际应用并不要求传感器网络对整个检测区域完全覆盖，只要网络对监测区域维持一个合理的覆盖率就可以满足应用需求，使用部分覆盖控制策略可以简化网络协议设计，还可以使网络配置更加灵活，用户可以根据应用的不同需求实现能量消耗与覆盖质量之间的折中。 
目前，关于无线传感器网络覆盖调度的技术方案有： 
在公开号为CN102647726的中国专利申请中，提出了一种无线传感器网络覆盖能耗平衡优化策略，该策略采用粒子群算法对网络中的节点布局进行 动态优化，在此基础上通过合理调整节点感知距离，减少感知重叠区和感知盲区，使得网络覆盖能好性能最优。上述方案存在的问题：首先，调整节点位置的动态布局及调节感知距离的覆盖方法使得网络管理复杂且硬件成本太高。其次，集中式算法耗费资源且不利于网络的扩展。对于节点分布不均匀的网络，调节节点的感知距离的优化方法将会降低节能覆盖效果。 
在公开号为CN102231904的中国专利申请中，提出了一种基于感知邻居集覆盖贡献角的无线传感器网络节点休眠资格判断方法，该方法通过计算节点两倍感应半径范围内感知邻居集对当前节点覆盖贡献角的覆盖度的贡献情况，计算出当前节点的覆盖度，进行节点休眠资格判断。上述方案存在的问题是：其一，节点邻居集覆盖贡献角的计算应用到坐标、欧氏距离、三角关系等计算方法，计算复杂度高。其二，在节点休眠资格判断时，需要遍历节点的邻居集来计算邻节点间覆盖度的最小值，计算量大而且计算复杂度高。 
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种无线传感器网络覆盖保持方法，针对覆盖与能耗的矛盾，采用无需地理位置信息的无线传感器网络的覆盖保持方法，解决如何在保证应用所要求的覆盖质量的前提下保留最少工作节点的问题。 
本发明是通过以下技术方案来实现： 
一种无线传感器网络覆盖保持方法，包括以下操作： 
1）在无线传感器网络初始化之后，将其运行时间划分为若干轮次，每个轮次依次进行覆盖控制阶段和状态稳定阶段，当一个轮次结束后进行下一个轮次； 
2）一个轮次中，在覆盖控制阶段，选举K个节点作为候选工作节点，剩下没有被选上的节点直接进入睡眠状态，在K个候选工作节点中进行冗余节点调度，每个节点均设有一张感知邻居表，根据调度控制消息来维护感知邻居表，以记录节点的工作感知邻居集；节点首先统计各自的工作感知邻居 数，然后再依据由概率计算方法得到的冗余判断准则，由工作感知邻居数判断自己是否为冗余节点，所有冗余节点将关闭自己的功能模块进入睡眠状态，当所有冗余节点都进入睡眠状态后覆盖控制阶段结束； 
3）覆盖控制阶段结束后进入状态稳定阶段，工作节点进行监测和通信，，直到本轮次结束。 
所述的K个节点的选取为： 
K值的选取大于保证应用要求覆盖质量ηd所需要的最少工作节点数k， 
在满足应用要求覆盖质量ηd的前提下，随机选取的最少工作节点数表示为： 
Figure BDA00003246076200031
依据能耗分布均匀策略选择
Figure BDA00003246076200032
个节点作为候选节点； 
所述的能耗分布均匀策略中K个候选工作节点的选取如下： 
在每一轮的自选举状态，每个传感器节点生成一个在[0,1]之间均匀分布的随机数Randi(1≤i≤N)，并计算自己在此轮中成为候选工作节点的阈值T(i)，比较随机数Randi与阈值T(i)的大小；若Randi≤T(i)，则节点作为候选工作节点继续停留在自选举状态；否则节点直接进入睡眠状态直到下一轮次到来； 
阈值T(i)的计算为： 
Figure BDA00003246076200033
其中，r是当前轮数，N为网络中部署的总节点数，k为当前轮次工作节点数；V是在第
Figure BDA00003246076200034
轮到当前轮次都未工作过的节点集； 
个轮次为一个循环。 
当节点在一个循环的某个轮次工作过，在其后的若干轮中将不再成为候选工作节点，直到该循环结束后，该节点才会有机会再次成为候选工作节点。 
在候选工作节点中进行的冗余节点调度为： 
每个候选工作节点以概率P选举自己进入预工作状态，没有选举成功的候选工作节点进入预睡眠状态； 
进入预工作状态的节点在[0,T1]内随机选择一个时间t1作为自己停留在预工作状态的时间，并广播一个HELLO消息，告诉邻居节点自己已经进入预工作状态，所有未进入睡眠状态的节点收到HELLO消息后将更新自己的感知邻居表；处于预工作状态的节点一直处于该状态，直到t1期满节点检查自己的工作感知邻居数与预工作邻居数之和是否满足冗余判断条件，若满足，则节点进入退避状态；否则进入工作状态； 
进入预睡眠状态t2时间后，节点检查自己是否满足冗余判断条件，若是，则进入睡眠状态，否则进入预工作状态； 
进入退避状态的节点在[0,T3]之间随机选取时间t3作为它停留在退避状态的时间，当t3期满时，节点再次判断自己的工作感知邻居数与预工作邻居数之和是否满足冗余判断条件，若满足，则节点广播一个SLEEP消息告诉其邻居自己将要睡眠，接着进入睡眠状态，所有未进入睡眠状态的节点收到SLEEP消息后将更新自己的感知邻居表；否则节点进入工作状态。 
所述的冗余判断条件是依据概率计算方法得到的； 
所述的节点冗余度为：节点i的所有工作感知邻居的监测区域与其监测区域重叠部分的面积占其监测区域面积的比例，即其中 
Figure BDA00003246076200051
为所有工作节点的集合，Si和Sj分别表示节点i和j的监测区域； 
Figure BDA00003246076200052
表示节点i的所有工作感知邻居的监测区域与i的监测区域重叠部分的面积； 
冗余度期望根据概率计算表示为：
Figure BDA00003246076200053
其中，n是该节点的工作感知邻居数量； 
每个节点统计其工作感知邻居数，然后比较自己的冗余度期望值E(ξ)与要求的覆盖质量ηd的关系，如果E(ξ)≥ηd，则该节点的感知区域已经满足要求的覆盖质量，该节点关闭； 
或者，对应冗余性与感知邻居数的关系，冗余判断条件表示为： 
Figure BDA00003246076200054
时，该节点的感知区域的覆盖质量已经满足要求的覆盖质量，该节点为冗余节点。 
互为感知邻居节点S1和S2，当其同时工作时，则节点S1和S2都满足冗余节点判断准则；节点当S1和S2中任意一个进入睡眠状态后，另一个将不再满足冗余节点判断准则。 
在每个循环内，有
Figure BDA00003246076200055
个节点工作过一次，
Figure BDA00003246076200056
个节点一次都没有工作过；每个循环内一次都没工作过的节点占部署节点的比例为 
Figure BDA00003246076200057
其中k越小或者N越大，都会使得网络能耗分布越均匀。 
每轮次的时间长度决定了网络动态性的适应程度，每轮次时间越短，动态性的适应能力越强，但网络控制开销越大；面对不同网络应用，其轮次时间是一个根据网络情况权衡得到的值。 
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果： 
本发明提供的无线传感器网络覆盖保持方法，无需节点位置信息，基于 概率计算进行节点冗余性判断，通过邻节点间协作达到能耗平衡的无线传感器网络覆盖保持方法。其节点的冗余调度不依赖于节点位置信息，存在如下优点： 
1）本方法在计算节点冗余度和覆盖质量时采用概率方法，计算简单，而且无需节点的位置信息，不依赖节点精确位置信息，大大降低了网络的硬件成本，具有很大的应用价值。与同样无需地理位置信息的覆盖控制方法LDAS和NRS相比，本方法在保证要求覆盖质量的同时，需要的工作节点数更少。 
2）本方法利用节点的工作感知邻居集计算本节点的覆盖度，与传统的基于圆心角覆盖质量的判断方法相比，可以识别出更多的冗余节点，减少能耗，从而有效地延长网络生存时间。例如，当要求的覆盖质量为90%时，网络较不采用调度策略的网络寿命延长了约2.5倍。 
3）本方法适用于对不同区域有不同的覆盖质量要求的应用。 
4）控制消息通信开销小：覆盖控制阶段每个候选节点最多发送一个HELLO和一个SLEEP控制消息，网络每个轮次发送的控制消息数量小于等于2K。 
本发明提供的无线传感器网络覆盖保持方法，其节点采用分布式，节点自主运算和决策，仅根据感知邻居节点的运行状态，采用节点冗余判断条件确定运行状态。同时，分布式特性有利于提高算法的可扩展性。 
更进一步，本发明提供的无线传感器网络覆盖保持方法，还具有以下优势： 
覆盖漏洞的预防： 
互为感知邻居的节点同时进入睡眠状态可能会形成覆盖漏洞，降低覆盖质量。节点S1和S2互为感知邻居，且满足两个条件：（1）当S1和S2同时工作时，则S1和S2都满足冗余节点判断准则；（2）当S1和S2中任意一个进入睡眠状态后，另一个将不再满足冗余节点判断准则。 
如果S1和S2同时进入睡眠状态，则会形成覆盖漏洞，为了避免这种情况的发生，采用退避机制来防止互为感知邻居的节点同时进入睡眠状态。本发明引入了退避状态，节点在退避状态停留的时间是在[0,T3]之间随机选取的，当节点退出退避状态时，节点会再次判断自己是否还满足冗余节点判断条件，从而决定自己下一个运行状态。因为S1和S2停留在退避状态的时间长度是不相同的，即S1和S2中必定有一个节点先进入睡眠状态，从而使得剩下的那个节点不再满足冗余节点判断条件而进入工作状态，避免了互为感知邻居的节点同时进入睡眠状态，阻止覆盖漏洞的产生。 
能耗均衡性： 
网络能耗的均衡性对网络寿命有很大影响，网络能耗分布不均会导致某些节点快速耗尽自己的能量而失效，从而产生覆盖漏洞，影响网络寿命。选取候选节点所采用的能耗分布均匀策略能够保证网络能耗分布比较均匀。在每个循环内，将会有个节点工作过一次，
Figure BDA00003246076200072
个节点一次都没有工作过。所以每个循环内一次都没工作过的节点占部署节点的比例为
Figure BDA00003246076200073
正是这部分节点造成了网络能耗分布不均匀。 
Figure BDA00003246076200074
越小，则网络能耗分布越均匀。也就是说k越小或者N越大，都会使得网络能耗分布越均匀。 
网络动态性的适应（关于轮次划分）： 
由于无线传感器网络部署环境的复杂性以及传感器节点本身的不稳定性，使得无线传感器网络的状态会不时的发生改变，即无线传感器网络具有一定的动态性。为了适应这种动态性，本发明提出的按轮次划分的工作方式，在每个轮次的覆盖控制阶段，可以根据当前的网络状态为节点确定最佳的工作方式，随后的状态稳定阶段为传感器网络的正常工作提供了一定的稳定性。 基于这种设计思想，每轮次的时间长度决定了该协议对网络动态性的适应程度，每轮次时间越短，该协议对动态性的适应能力越强，但网络控制开销越大。所以，面对不同网络应用，其轮次时间也必然是一个需要根据网络情况权衡得到的值。 
附图说明
图1是本发明提出覆盖调度方法中网络运行时间的轮次划分图； 
图2是覆盖调度中节点状态转换图； 
图3是工作感知邻居集对节点覆盖冗余度影响图； 
图4-1～4-2冗余调度中退避机制避免覆盖盲点的分析图； 
图5-1～5-2分别是本发明的仿真实验中反应网络中传感器节点感知半径的差异程度、初始节点数目与获得的QoC的关系的结果图； 
图6是仿真实验中反映工作节点数与部署节点数之间的关系的结果图； 
图7是仿真实验中显示在不同的覆盖质量要求下，获得的覆盖质量随时间的变化的结果图； 
图8-1～8-2分别是仿真实验中本发明与两种同样无需地理位置信息的调度控制协议LDAS和NRS在工作节点数及获得QoC两方面的比较结果图。 
具体实施方式
针对无线传感器网络的覆盖保持问题，尤其是针对冗余部署的传感器网络的覆盖调度，提出了一种无线传感器网络覆盖保持方法，该方法是一种基于概率计算方法进行节点冗余判断的无需节点位置信息，通过邻节点间协作进行能耗平衡的无线传感器网络覆盖保持方法。下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。 
一种无线传感器网络覆盖保持方法，包括以下步骤： 
1）在无线传感器网络初始化之后，将其运行时间划分为若干轮次，每个 轮次依次进行覆盖控制阶段和状态稳定阶段，当一个轮次结束后进行下一个轮次； 
2）一个轮次中，在覆盖控制阶段，选举K个节点作为候选工作节点，剩下没有被选上的节点直接进入睡眠状态，在K个候选工作节点中进行冗余节点调度，每个节点均设有一张感知邻居表，根据调度控制消息来维护感知邻居表，以记录节点的工作感知邻居集；节点首先统计各自的工作感知邻居数，然后再依据由概率计算方法得到的冗余判断准则，由工作感知邻居数判断自己是否为冗余节点，所有冗余节点将关闭自己的功能模块进入睡眠状态，当所有冗余节点都进入睡眠状态后覆盖控制阶段结束； 
3）覆盖控制阶段结束后进入状态稳定阶段，工作节点进行监测和通信，，直到本轮次结束。 
上述无线传感器网络覆盖保持方法，具体步骤如下： 
101.将网络运行时间划分为若干轮次(Round)，每个轮次包含覆盖控制阶段(Coverage Control Phase)和状态稳定阶段(State Steady Phase)。 
102.在覆盖控制阶段(Coverage Control Phase)，节点首先统计各自的工作感知邻居数，然后再依据概率计算方法得到的冗余判断准则，由工作感知邻居数判断自己是否为冗余节点。所有冗余节点将关闭自己的功能模块进入睡眠状态以节省能量。当所有冗余节点都进入睡眠状态后，覆盖控制阶段结束。 
结合下面的节点和感知模型进一步详细说明。 
1.覆盖保持方法涉及的关键对象 
1）传感器节点和感知模型 
无线传感器节点冗余部署在二维区域M内。网络中所有节点的感知半径服从正态分布N(R0,δ2)，R0为节点感知半径均值（额定感知半径），δ为标准 差，且R0≥3.3δ（保证节点的感知半径集中分布在[0,2R0]区间内）。 
节点采用布尔感知模型，即节点i的感知区域是以该节点为圆心，Ri为半径的圆域。 
2）节电工作状态 
每个节点可以在6种状态间转换，分别是自选举状态（Selection）、预工作状态（Pre_work）、预睡眠状态(Pre_sleep)、退避状态(Back_off)、工作状态(Work)、睡眠状态(Sleep)。 
3）感知邻居表和调度控制消息（HELLO消息和SLEEP消息） 
每个节点都要设立一张感知邻居表，根据调度控制消息来维护感知邻居表，用于记录节点的工作感知邻居集。 
感知邻居表包含两个属性：节点标识（ID）和节点状态（MODE）。ID指示感知邻居的唯一标识。MODE指示感知邻居处于何种状态。 
调度控制消息HELLO和SLEEP具有相同的包格式，包含3个域：包类型域、节点标识域和感知半径域。所有节点（处于睡眠状态的节点除外）收到其感知邻居节点发送过来的控制消息后将更新它的感知邻居表。 
2.无线传感器网络覆盖保持方法 
参见图1所示，本发明提出的覆盖保持方法将网络运行时间划分为若干轮次(Round)。网络初始阶段完成后，将按轮次进行调度控制。每个轮次包含覆盖控制阶段(Coverage Control Phase)和状态稳定阶段(State Steady Phase)。进入覆盖控制阶段，节点首先统计各自的工作感知邻居数，初始化自己的感知邻居表。 
参见图2所示，每轮调度开始，节点全部进入自选举状态后，采用直接降低工作节点密度策略，直接选举K个节点作为候选工作节点，剩下的没有 被选上的节点直接进入睡眠状态。 
这里，K值的选取大于保证应用要求覆盖质量ηd所需要的最少工作节点数k，依据概率计算方法，在满足应用要求覆盖质量ηd的前提下，随机选取的最少工作节点数表示为： 
Figure BDA00003246076200111
依据能耗分布均匀策略选择
Figure BDA00003246076200112
个节点作为候选节点，从全局上保证网络中有足够多的节点可以满足要求的覆盖质量。 
能耗分布均匀策略中K个候选工作节点的选取方法如下：在每一轮的自选举状态，每个传感器节点生成一个在[0,1]之间均匀分布的随机数Randi(1≤i≤N)，并计算自己在此轮中成为候选工作节点的阈值T(i)，比较随机数Randi与阈值T(i)的大小。若Randi≤T(i)，则节点作为候选工作节点继续停留在自选举状态；否则节点直接进入睡眠状态直到下一轮次到来。阈值T(i)的计算方法与当前运行的轮次数r以及节点在第
Figure BDA00003246076200113
轮到当前轮次是否工作过有关： 
Figure BDA00003246076200114
其中，r是当前轮数（从1开始），N为网络中部署的总节点数，k为当前轮次工作的节点数；V是在第
Figure BDA00003246076200115
轮到当前轮次都未工作过的节点集；把
Figure BDA00003246076200116
个轮次定义成一个循环。当节点在一个循环的某个轮次工作过，在其后的若干轮中将不再成为候选工作节点，直到该循环结束后（此时几乎所有节点都工作过一轮），该节点才会有机会再次成为候选工作节点。这样就能保证每个节点工作的轮次数基本相同，从而使网络中节点能耗 负载均衡。 
K个候选节点的选取方法结束后，在K个候选工作节点中进行冗余节点调度。调度过程中采用退避机制防止互为感知邻居的节点同时进入睡眠状态而造成大量覆盖盲区。调度过程如下： 
每个候选工作节点以概率P（概率P的选取遵循使得网络中每轮执行过程中所形成的工作节点数的期望值为k）选举自己进入预工作（Pre_work）状态，没有选举成功的候选工作节点进入预睡眠状态(Pre_sleep)。 
进入预工作状态（Pre_work）的节点在[0,T1]内随机选择一个时间t1作为自己停留在预工作状态的时间，并广播一个HELLO消息，告诉邻居节点自己已经进入预工作状态。所有未进入睡眠状态的节点收到HELLO消息后将更新自己的感知邻居表。处于预工作状态的节点一直处于该状态，直到t1期满节点检查自己的工作感知邻居（包含预工作邻居）数是否满足冗余判断条件。若满足，则节点进入退避状态；否则进入工作状态。 
进入预睡眠状态(Pre_sleep)t2时间后（t2是[0,T2]内随机选择的一个时间），节点检查自己是否满足冗余判断条件，若是，则进入睡眠状态，否则进入预工作状态 
进入退避状态（Back_off）的节点在[0,T3]之间随机选取时间t3作为它停留在退避状态的时间。当t3期满时，节点再次判断自己的工作感知邻居（包含预工作邻居）数是否满足冗余判断条件。若满足，则节点广播一个SLEEP消息告诉其邻居自己将要睡眠，接着进入睡眠状态。所有未进入睡眠状态的节点收到SLEEP消息后将更新自己的感知邻居表；否则节点进入工作状态。 
其中T1、T2、T3是根据网络时效及能耗要求所选定的随机数。 
这里，冗余判断条件是依据概率计算方法得到的。参见图3所示，节点 冗余度定义为：节点i的所有工作感知邻居的监测区域与其监测区域重叠部分的面积占其监测区域面积的比例，即
Figure BDA00003246076200131
其中
Figure BDA00003246076200132
为所有工作节点的集合，Si和Sj分别表示节点i和j的监测区域；表示节点i的所有工作感知邻居的监测区域与i的监测区域重叠部分的面积。 
冗余度期望根据概率计算可以表示为：其中，n是该节点的工作感知邻居数量。每个节点统计其工作感知邻居数，然后比较自己的冗余度期望值E(ξ)与要求的覆盖质量ηd的关系，如果E(ξ)≥ηd，则该节点的感知区域已经满足要求的覆盖质量，可以关闭该节点。对应冗余性与感知邻居数的关系，冗余判断条件表示为：
Figure BDA00003246076200135
时，该节点的感知区域的覆盖质量已经满足要求的覆盖质量，该节点为冗余节点。 
冗余节点将关闭自己的功能模块进入睡眠状态以节省能量。当所有冗余节点都进入睡眠状态后，覆盖控制阶段结束。在覆盖控制阶段结束时，所有的节点要么处于工作状态，要么处于睡眠状态。直到下一个轮次，所有节点醒来再次进入自选举状态。 
进入状态稳定阶段(State Steady Phase)，剩余的工作节点进行正常的监测和通信，一直到本轮次的结束。 
在上述方法中，还有以下进一步的说明： 
互为感知邻居的节点同时进入睡眠状态可能会形成覆盖漏洞，降低覆盖质量。参见图4-1～图4-2所示，节点S1和S2互为感知邻居，且满足两个条件：（1）当S1和S2同时工作时，则S1和S2都满足冗余节点判断准则；（2）当S1和S2中任意一个进入睡眠状态后，另一个将不再满足冗余节点判断准 则。 
如果S1和S2同时进入睡眠状态，则会形成覆盖漏洞，为了避免这种情况的发生，采用退避机制来防止互为感知邻居的节点同时进入睡眠状态。本发明引入了退避状态，节点在退避状态停留的时间是在[0,T3]之间随机选取的，当节点退出退避状态时，节点会再次判断自己是否还满足冗余节点判断条件，从而决定自己下一个运行状态。因为S1和S2停留在退避状态的时间长度是不相同的，即S1和S2中必定有一个节点先进入睡眠状态，从而使得剩下的那个节点不再满足冗余节点判断条件而进入工作状态，避免了互为感知邻居的节点同时进入睡眠状态，阻止覆盖漏洞的产生。 
2）能耗均衡性。网络能耗的均衡性对网络寿命有很大影响，网络能耗分布不均会导致某些节点快速耗尽自己的能量而失效，从而产生覆盖漏洞，影响网络寿命。选取候选节点所采用的能耗分布均匀策略能够保证网络能耗分布比较均匀。在每个循环内，将会有个节点工作过一次， 
Figure BDA00003246076200142
个节点一次都没有工作过。所以每个循环内一次都没工作过的节点占部署节点的比例为
Figure BDA00003246076200143
正是这部分节点造成了网络能耗分布不均匀。
Figure BDA00003246076200144
越小，则网络能耗分布越均匀。也就是说k越小或者N越大，都会使得网络能耗分布越均匀。 
3）网络动态性的适应。由于无线传感器网络部署环境的复杂性以及传感器节点本身的不稳定性，使得无线传感器网络的状态会不时的发生改变，即无线传感器网络具有一定的动态性。为了适应这种动态性，本发明提出的按轮次划分的工作方式，在每个轮次的覆盖控制阶段，可以根据当前的网络状态为节点确定最佳的工作方式，随后的状态稳定阶段为传感器网络的正常工作提供了一定的稳定性。基于这种设计思想，每轮次的时间长度决定了该协议对网络动态性的适应程度，每轮次时间越短，该协议对动态性的适应能 力越强，但网络控制开销越大。所以，面对不同网络应用，其轮次时间也必然是一个需要根据网络情况权衡得到的值。 
在本轮工作完成之后，网络将重新进行下一轮的工作周期，重新执行覆盖控制阶段和状态稳定阶段的过程。 
下面给出仿真实验进一步说明： 
使用OPNET Modeler作为仿真实验平台对本发明所出的提覆盖调度方法进行实验和分析。仿真实验环境是监控区域大小为200m×200m，节点的感知半径服从正态分布N(10m,δ2)，且10≥3.3δ。节点的能耗模型为：节点的发送、接收和睡眠状态的能耗比为20:4:0.01。节点的传输速率为56kb/s。每个轮次的时长为200s，T1、T2和T3均为5s，候选工作节点选举自己进入预工作状态的概率P为10%。每个节点拥有的初始能量可以使节点处于接收状态持续工作190到210个轮次。 
有效性验证 
一个理想的调度控制算法应该利用最少的工作节点达到覆盖质量要求。这样就能在满足覆盖质量要求的前提下最大限度的节约网络能量。 
参数δ反应了网络中所有传感器节点感知半径的差异程度。δ越小，节点感知半径的差异程度越小，当δ=0时，网络中所有节点的感知半径相同，即网络为同构网络。所以δ的大小也反映了传感器网络的异构程度。δ越大，传感器网络的异构程度越大。 
图5-1是在δ=3时不同节点部署数量情况下，获得的覆盖质量与要求的覆盖质量之间的关系。可以看出，不论部署的初始节点数为多少，本发明总能够保证网络达到要求的覆盖质量。由于节点的感知邻居数一定为整数，获得的覆盖质量会略高于要求的覆盖质量。例如，在要求覆盖质量为80%时， 获得的覆盖质量为85%左右。但随着要求覆盖质量的增大，由于节点的工作邻居数为整数而引入误差快速减小到几乎为零，因此，协议能够提供比较精确的覆盖质量。 
图5-2反映了δ取不同值时，获得的覆盖质量与要求的覆盖质量的关系。从图5-2可以看出，不论δ取何值，获得的覆盖质量与要求的覆盖质量都比较匹配。所以可以得出：本发明适用于节点感知半径服从正态分布N(Rs0,δ2)(其中Rs0≥3.3δ)的所有同构和异构无线传感器网络。 
能耗均衡性与网络有效寿命 
图6反映了工作节点数与部署节点数之间的关系。从图6可以看出，不论部署节点数为多少，工作节点数只与应用要求的覆盖质量有关，并且与依据概率方法计算出的保证应用要求覆盖质量所需要最少工作节点数k的期望值几乎相等。本发明这一性质说明其具有很好的可扩展性。 
图7显示了随机部署1200个节点，在不同的覆盖质量要求下，获得的覆盖质量随时间(轮次)的变化。在没有使用调度策略的情况下，所有节点一直保持工作，网络几乎达到全覆盖，但网络的有效寿命非常短暂。使用本发明的覆盖调度方法后，节点轮流工作，有效的延长了网络有效寿命。当要求的覆盖质量为90%时，网络有效寿命延长了约2.5倍。在网络有效寿命结束后，获得的覆盖质量从应用要求的覆盖质量快速下降到0，这也从侧面说明了每个节点的能量消耗是比较均匀的。 
与其他协议的比较 
为了比较证明本发明的性能，选取了同样无需地理位置信息的调度控制协议LDAS和NRS作为比较对象。 
由图8-1（三种协议的工作节点数比较）可以看出，在相同的覆盖要求下， LDAS的工作节点数比NRS和本发明的工作节点数多了很多。再由图8-2（三种协议获得的QoC比较）可以看出，本发明比NRS获得了更高的覆盖质量。通过上面的比较可以得出：本发明在保证覆盖质量前提下选的工作节点最少。 
以上所述是本发明的优选实施方式，通过上述说明内容，本技术领域的相关工作人员可以在不偏离本发明技术原理的前提下，进行多样的改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种无线传感器网络覆盖保持方法，其特征在于，包括以下操作：
1）在无线传感器网络初始化之后，将其运行时间划分为若干轮次，每个轮次依次进行覆盖控制阶段和状态稳定阶段，当一个轮次结束后进行下一个轮次；
2）一个轮次中，在覆盖控制阶段，选举K个节点作为候选工作节点，剩下没有被选上的节点直接进入睡眠状态，在K个候选工作节点中进行冗余节点调度，每个节点均设有一张感知邻居表，根据调度控制消息来维护感知邻居表，以记录节点的工作感知邻居集；节点首先统计各自的工作感知邻居数，然后再依据由概率计算方法得到的冗余判断准则，由工作感知邻居数判断自己是否为冗余节点，所有冗余节点将关闭自己的功能模块进入睡眠状态，当所有冗余节点都进入睡眠状态后覆盖控制阶段结束；
3）覆盖控制阶段结束后进入状态稳定阶段，工作节点进行监测和通信，直到本轮次结束。
2.如权利要求1所述的无线传感器网络覆盖保持方法，其特征在于，所述的K个节点的选取为：
K值的选取大于保证应用要求覆盖质量ηd所需要的最少工作节点数k，
在满足应用要求覆盖质量ηd的前提下，随机选取的最少工作节点数表示为：
3.如权利要求2所述的无线传感器网络覆盖保持方法，其特征在于，依据能耗分布均匀策略选择
Figure FDA00003246076100012
个节点作为候选节点；
所述的能耗分布均匀策略中K个候选工作节点的选取如下：
在每一轮的自选举状态，每个传感器节点生成一个在[0,1]之间均匀分布的随机数Randi(1≤i≤N)，并计算自己在此轮中成为候选工作节点的阈值T(i)，比较随机数Randi与阈值T(i)的大小；若Randi≤T(i)，则节点作为候选工作节点继续停留在自选举状态；否则节点直接进入睡眠状态直到下一轮次到来；
阈值T(i)的计算为：
Figure FDA00003246076100021
其中，r是当前轮数，N为网络中部署的总节点数，k为当前轮次工作节点数；V是在第
Figure FDA00003246076100022
轮到当前轮次都未工作过的节点集；
Figure FDA00003246076100023
个轮次为一个循环。
4.如权利要求2或3所述的无线传感器网络覆盖保持方法，其特征在于，当节点在一个循环的某个轮次工作过，在其后的若干轮中将不再成为候选工作节点，直到该循环结束后，该节点才会有机会再次成为候选工作节点。
5.如权利要求1所述的无线传感器网络覆盖保持方法，其特征在于，在候选工作节点中进行的冗余节点调度为：
每个候选工作节点以概率P选举自己进入预工作状态，没有选举成功的候选工作节点进入预睡眠状态；
进入预工作状态的节点在[0,T1]内随机选择一个时间t1作为自己停留在预工作状态的时间，并广播一个HELLO消息，告诉邻居节点自己已经进入预工作状态，所有未进入睡眠状态的节点收到HELLO消息后将更新自己的感知邻居表；处于预工作状态的节点一直处于该状态，直到t1期满节点检查自己的工作感知邻居数与预工作邻居数之和是否满足冗余判断条件，若满足，则节点进入退避状态；否则进入工作状态；
进入预睡眠状态t2时间后，节点检查自己是否满足冗余判断条件，若是，则进入睡眠状态，否则进入预工作状态；
进入退避状态的节点在[0,T3]之间随机选取时间t3作为它停留在退避状态的时间，当t3期满时，节点再次判断自己的工作感知邻居数与预工作邻居数之和是否满足冗余判断条件，若满足，则节点广播一个SLEEP消息告诉其邻居自己将要睡眠，接着进入睡眠状态，所有未进入睡眠状态的节点收到SLEEP消息后将更新自己的感知邻居表；否则节点进入工作状态。
6.如权利要求5所述的无线传感器网络覆盖保持方法，其特征在于，所述的冗余判断条件是依据概率计算方法得到的；
所述的节点冗余度为：节点i的所有工作感知邻居的监测区域与其监测区域重叠部分的面积占其监测区域面积的比例，即
Figure FDA00003246076100031
其中
Figure FDA00003246076100032
为所有工作节点的集合，Si和Sj分别表示节点i和j的监测区域；
Figure FDA00003246076100033
表示节点i的所有工作感知邻居的监测区域与i的监测区域重叠部分的面积；
冗余度期望根据概率计算表示为：
Figure FDA00003246076100034
其中，n是该节点的工作感知邻居数量；
每个节点统计其工作感知邻居数，然后比较自己的冗余度期望值E(ξ)与要求的覆盖质量ηd的关系，如果E(ξ)≥ηd，则该节点的感知区域已经满足要求的覆盖质量，该节点关闭；
或者，对应冗余性与感知邻居数的关系，冗余判断条件表示为：
Figure FDA00003246076100035
时，该节点的感知区域的覆盖质量已经满足要求的覆盖质量，该节点为冗余节点。
7.如权利要求5所述的无线传感器网络覆盖保持方法，其特征在于，互为感知邻居节点S1和S2，当其同时工作时，则节点S1和S2都满足冗余节点判断准则；节点当S1和S2中任意一个进入睡眠状态后，另一个将不再满足冗余节点判断准则。
8.如权利要求5所述的无线传感器网络覆盖保持方法，其特征在于，在每个循环内，有
Figure FDA00003246076100041
个节点工作过一次，
Figure FDA00003246076100042
个节点一次都没有工作过；每个循环内一次都没工作过的节点占部署节点的比例为
Figure FDA00003246076100043
其中k越小或者N越大，都会使得网络能耗分布越均匀。
9.如权利要求1所述的无线传感器网络覆盖保持方法，其特征在于，每轮次的时间长度决定了网络动态性的适应程度，每轮次时间越短，动态性的适应能力越强，但网络控制开销越大；面对不同网络应用，其轮次时间是一个根据网络情况权衡得到的值。
10.如权利要求1所述的无线传感器网络覆盖保持方法，其特征在于，每个节点都要设立一张感知邻居表，根据调度控制消息HELLO和SLEEP来维护感知邻居表，用于记录节点的工作感知邻居集；
感知邻居表包含两个属性节点标识和节点状态，节点标识指示感知邻居的唯一标识，节点状态指示感知邻居处于何种状态；
调度控制消息HELLO和SLEEP具有相同的包格式，均包含3个域包类型域、节点标识域和感知半径域；除睡眠状态的节点外的节点收到其感知邻居节点发送过来的控制消息后将更新它的感知邻居表。
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