CN103987053B - 一种无线传感器网络覆盖控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用节点调整通讯半径的特点，建立节能的无线传感器网络覆盖控制方法。本发明包括：根据覆盖质量计算出传感器节点的通讯半径参数；工作的传感器节点根据通讯半径参数对邻居区域进行划分，划分成内点限定区域和外点限定区域；外点限定区域中的休眠节点根据优先级比较进入工作状态，并对邻居区域进行划分；当有节点失效时，内点限定区域内的休眠节点根据优先级比较进入工作状态，并对邻居区域进行划分。本发明有效减少传感器网络覆盖控制方法中需要的冗余度计算；不需要传感器增加额外部件，充分利用节点自身的特性。

Description

一种无线传感器网络覆盖控制方法

技术领域

本发明涉及一种利用节点调整通讯半径的特点，建立节能的无线传感器网络覆盖控制方法。

背景技术

随着嵌入式技术、无线通讯技术的发展，使得具有低功耗、多功能、低成本等优点的无线传感器网络(WSN)在各行各业得到广泛的应用。与此同时，因为传感器节点携带能量有限等缺点，使得WSN也暴露出了许多的缺点和不足。为了节省节点能量、延长WSN工作时间，许多WSN节能方法涌现出来。其中，WSN的覆盖控制方法因为能有效的节省节点能量、提高网络服务质量，而得到了众多学者的广泛关注。

对于传感器网络的覆盖控制方法的研究核心往往在于复杂的冗余度计算，并且通常忽略了传感器节点自身工作特性这一问题。这样的覆盖控制算法在一定程度上增加了传感器节点的负担，使得耗电量增加，减小了网络的工作时间。

目前研究学者已经对传感器网络的覆盖控制方法做了大量的研究。在软件学报上中刊登的高效节能的无线传感器网络覆盖保持协议就提出了传感器探测半径服从正态分布且通信半径固定的WSN冗余度计算模型，以及保证网络覆盖质量所需最少工作节点的计算模型，并且在此基础上提出了一种高效节能的WSN覆盖保持协议(EECCP)。在ACMTransactions on Sensor Networks刊登的Integrated Coverage and ConnectivityConfiguration for Energy Conservation in Sensor Networks提出了一种节点判定是否为k重覆盖的算法，并且提出了CCP协议,该协议可以根据应用生成不同覆盖度的网络，并且在文中提出了通讯半径大于等于感知半径2倍时，能保证网络的连通性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减少冗余度计算的无线传感器网络覆盖控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)根据覆盖质量计算出传感器节点的通讯半径参数：

其中k为需求的覆盖度，ε为通讯半径参数；

(2)工作的传感器节点根据通讯半径参数对邻居区域进行划分，划分成内点限定区域和外点限定区域：

2.1)工作节点根据不同的通讯半径参数广播两种报文msg1和msg2且每个节点的初始优先级为0初始被覆盖标记位也为0；

2.2)接收到两种报文msg1和msg2的节点所在区域为内点限定区域，内点限定区域的节点不适合唤醒，其优先级减1，被覆盖标记位变为1；

2.3)只接收到一种报文msg1的区域为外点限定区域，适合唤醒成为工作节点，节点优先级加1，被覆盖标记位不变为0；

(3)外点限定区域中的休眠节点根据优先级比较进入工作状态，并对邻居区域进行划分：

3.1)外点限定区域内的节点的优先级加1，被覆盖标记位为0；

3.2)外点限定区域内的节点进入选举状态并向工作节点发送选举报文；

3.3)工作节点对选举节点进行优先级比较，在优先级相同的节点中选取一个节点发送唤醒报文；

3.4)被唤醒的节点开始工作并发送报文对邻居区域进行划分；

(4)当有节点失效时，内点限定区域内的休眠节点根据优先级比较进入工作状态，并对邻居区域进行划分：

4.1)节点电量小于能量固定阀值时，向其邻居区域广播失效报文；

4.2)内点区域内的节点收到报文后将其被覆盖标记位修改为0；

4.3)内点区域内的节点进入选举状态；

4.4)将失效的节点对选举节点进行优先级比较，在优先级相同的节点中选取一个节点发送唤醒报文；

4.5)被唤醒的节点向邻居区域内发送报文对邻居区域进行划分。

本发明的有益效果在于：1)有效减少传感器网络覆盖控制方法中需要的冗余度计算；2)不需要传感器增加额外部件，充分利用节点自身的特性。

附图说明

图1为限定区域划分图。

图2为网络覆盖拓扑生成过程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明包括：

步骤1：根据需求的覆盖质量计算出传感器节点的通讯半径参数；

步骤2：工作的传感器节点根据通讯半径参数对其邻居区域进行划分；

步骤3：外点限定区域中的休眠节点根据优先级比较和随机选择等手段进入工作状态，并对其邻居区域进行划分；

步骤4：当有节点失效时，内点限定区域内的休眠节点根据优先级比较和随机选择等手段进入工作状态，并对邻居区域进行划分；

所述的根据需求的覆盖质量计算出传感器节点的通讯半径参数的方法为：1)对于给定的需求覆盖质量根据以下公式总有唯一的一个通讯半径参数与之相对应，即通讯半径参数通过如下公式计算获得：

其中k为需求的覆盖度，ε为通讯半径参数，且上述公式的函数图像为单调递减。因为以上方程为超越方程在解方程时会消耗节点能量，因此本发明采用查表的方法来解方程，即每个节点都存储着一个覆盖度和通讯半径参数的对应表，如下表所示。

当需求覆盖度提出时，每个节点根据上表来调节通讯半径参数。

2)在实际节点工作时，只要通讯半径参数小于计算出的通讯半径参数即可使获得的网络覆盖度高于要求覆盖度k。

所述的工作的传感器节点根据通讯半径参数对其邻居区域进行划分，划分成内点限定区域和外点限定区域的方法是：1)工作节点首先根据不同的通讯半径参数广播两种不同的报文msg1和msg2，且每个节点的初始优先级为0初始被覆盖标记位也为0。2)接收到两种报文msg1和msg2的节点所在区域为内点限定区域，内点限定区域内的节点不适合唤醒，其优先级减1，被覆盖标记位变为1。3)只接收到一种报文msg1的区域为外点限定区域适合唤醒成为工作节点，其节点优先级加1，被覆盖标记位不变为0。

所述的外点限定区域中的休眠节点根据优先级比较和随机选择等手段进入工作状态，并对其邻居区域进行划分的方法是：1)外点限定区域内的节点的优先级为1，被覆盖标记位仍然为02)进入选举状态并向工作节点发送选举报文3)工作节点对选举节点进行优先级比较，在优先级相同的节点中随机选取一个节点发送唤醒报文4)被唤醒的节点开始工作并发送报文对其邻居区域进行划分。

所述的当有节点失效时，内点限定区域内的休眠节点根据优先级比较和随机选择等手段进入工作状态，并对邻居区域进行划分方法：1)节点电量小于能量固定阀值时，向其邻居区域广播报文2)内点区域内的节点收到报文后将其被覆盖标记位修改为0。3)内点区域内的节点进入选举状态4)即将失效的节点对选举节点进行优先级比较，在优先级相同的节点中随机选取一个节点发送唤醒报文5)被唤醒的节点向邻居区域内发送报文对邻居区域进行划分。

针对以上情况，本发明从传统覆盖控制方法需要大量冗余度计算的问题出发，提出新的节能无线传感器网络覆盖控制方法。

本发明是基于如下问题而设计的：

目前的覆盖控制方法主要关注于传感器节点之间的冗余度计算，根据计算后的结果决定节点状态的转换。而在节点的结构简单计算能力有限的前提下，进行复杂的冗余度计算是不可能实现的，这也就限制了冗余度测算方法的复杂程度，这也意味着进行冗余度测算时将所有情况都考虑完全是十分困难的。因此冗余度测算的方法仍然无法从根本上解决传感器网络的高冗余度计算问题。因此亟需一种不需要复杂计算的覆盖控制方法。

本发明的主要技术特征体现在：

传感器节点在状态转换时不需要通过复杂的冗余度计算，而是通过使用先计算好的通讯半径参数来调整通讯半径，然后唤醒节点。

具体技术路线是：首先根据覆盖度要求计算出通讯半径参数，然后保证传感器节点自身的通讯半径参数不大于计算出的通讯半径参数，这样来保证网络获得的覆盖度始终高于需求覆盖度。

(1)根据需求的覆盖质量计算出传感器节点的通讯半径参数

本发明用修改通讯半径参数的方法来忽略冗余度计算在传感器网络覆盖控制方法中的地位，传感器节点可以通过修改自身的通讯半径参数来控制工作节点间的距离，以此来达到限制冗余面积的目的，其具体做法如下：

1)根据应用需求，通常对传感网络的覆盖度有一个规定值k

2)查找对应表，若表中存在要求覆盖度k所对应的通讯半径参数值，则将通讯半径参数赋值给ε；若表中没有，则查找到k所在区间[k₁,k₂]，得出区间所对应的通讯半径参数值[ε₁,ε₂]，通过公式ε＝(k-k₁)(ε₂-ε₁)+ε₁计算出通讯半径参数的值。

3)控制工作节点的通讯半径参数，使其始终小于得出的通讯半径参数ε。

(2)工作的传感器节点根据通讯半径参数对其邻居区域进行划分

如何完成对节点邻居区域的划分是完成覆盖控制的基础，本技术通过调整通讯半径参数，并通过利用不同的广播报文来划分邻居区域，其过程如图1所示，具体步骤如下：

1)工作节点以节点开始以通讯半径R1广播报文msg1和以通讯半径R2广播报文msg2(R1>R2)。

2)距离传感器节点物理距离在R1和R2之间的区域内的节点只接收到一个报文msg1，此为外点限定区域，其节点优先级加1，被覆盖标记位为0。

3)距离传感器节点物理距离在R2内的区域内的节点接收到两个报文msg1和msg2，此为内点限定区域，其节点优先级减1，变覆盖标记位为1。

(3)外点限定区域中的休眠节点根据优先级比较和随机选择等手段进入工作状态，并对其邻居区域进行划分。

网络进入初始化阶段，需要有休眠节点按照协议唤醒来形成一个传感网络，其过程如图2所示，具体步骤如下：

1)外点限定区域内的传感器节点首先查看自身的覆盖标记位，若覆盖标记位为1，则修改优先级后继续保持睡眠状态；否则转换为选举状态，然后向工作节点发送选举报文。

2)工作节点会对优先级高的节点发送回复报文，若收到的节点优先级相同则会随机从其中选择一个节点回复。

3)新唤醒的节点开始工作时也会根据两种通讯半径参数发送两种类型的报文msg1和msg2对其邻居区域进行划分，在其外点限定区域内的节点优先级加1，内定限定区域内的节点优先级减1。

(4)当有节点失效时，内点限定区域内的休眠节点根据优先级比较和随机选择等手段进入工作状态，并对邻居区域进行划分。

网络中若有节点失效时会产生覆盖空洞产生，这样就会影响传感器网络的工作质量，因此合理的替换节点选择对于整个网络的工作是十分重要的，具体步骤如下：

1)节点电量小于能量固定阀值时，向其邻居区域广播失效报文

2)其内点限定区域中的节点修改其覆盖标记位为0，并且会转为选举状态，并向其发送选举报文。

3)工作节点首先进行优先级对比，然后根据优先级高低进行回复，若是节点的优先级相同则在其中随机唤醒一个节点。

4)被唤醒的节点开始工作时会根据通讯半径参数发送两种类型的报文msg1和msg2对其邻居区域进行划分，在其外点限定区域内的节点优先级加1，内点限定区域内的节点优先级减1。

Claims (1)

1.一种无线传感器网络覆盖控制方法，其特征在于：

(1)根据覆盖质量计算出传感器节点的通讯半径参数：

<mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mo>-</mo> <mn>6</mn> <msup> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mn>2</mn> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>+</mo> <mn>3</mn> <mi>&amp;epsiv;</mi> <msqrt> <mrow> <mn>4</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow> <mrow> <msqrt> <mn>3</mn> </msqrt> <msup> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>

其中k为需求的覆盖度，ε为通讯半径参数；

(2)工作的传感器节点根据通讯半径参数对邻居区域进行划分，划分成内点限定区域和外点限定区域：

2.1)工作节点根据不同的通讯半径参数广播两种报文msg1和msg2且每个节点的初始优先级为0初始被覆盖标记位也为0；

2.2)接收到两种报文msg1和msg2的节点所在区域为内点限定区域，内点限定区域的节点不适合唤醒，其优先级减1，被覆盖标记位变为1；

2.3)只接收到一种报文msg1的区域为外点限定区域，适合唤醒成为工作节点，节点优先级加1，被覆盖标记位不变为0；

(3)外点限定区域中的休眠节点根据优先级比较进入工作状态，并对邻居区域进行划分：

3.1)外点限定区域内的节点的优先级加1，被覆盖标记位为0；

3.2)外点限定区域内的节点进入选举状态并向工作节点发送选举报文；

3.3)工作节点对选举节点进行优先级比较，在优先级相同的节点中选取一个节点发送唤醒报文；

3.4)被唤醒的节点开始工作并发送报文对邻居区域进行划分；

(4)当有节点失效时，内点限定区域内的休眠节点根据优先级比较进入工作状态，并对邻居区域进行划分：

4.1)节点电量小于能量固定阀值时，向其邻居区域广播失效报文；

4.2)内点限定区域内的节点收到报文后将其被覆盖标记位修改为0；

4.3)内点限定区域内的节点进入选举状态；

4.4)将失效的节点对选举节点进行优先级比较，在优先级相同的节点中选取一个节点发送唤醒报文；

4.5)被唤醒的节点向邻居区域内发送报文对邻居区域进行划分。