CN104093166A - 一种无线传感网中节点最小移动的连接恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线传感网中节点最小移动的连接恢复方法，通过对无线传感器网进行系统初始化，然后通过一种基于深度优先的割点搜索算法寻找到网络中的割点，通过选取最小的连通支配集为其备份节点，接着通过心跳包监测割点的工作状态判断其是否失效，备份节点检测到任何故障后，在其分区中选择一个最小连通支配集级联运动替换失效节点，替代节点不是直接移动到失效节点的确切位置，它只是移动到某个最佳位置来管理多个传感器，其子节点也相应移动与先驱节点保持连接，直到完成对整个网络的恢复，本方法适用于任意一个的无线传感器网，既能保证覆盖减少最小又能减少网络开销。

Description

一种无线传感网中节点最小移动的连接恢复方法

技术领域

    本发明专利属于无线传感器网络领域，尤其涉及一种无线传感网中节点最小移动的连接恢复方法。

背景技术

近年来，无线传感器网络在应用层面引起广泛的兴趣，现在的无线传感器网络由大量传感器节点和少量可以移动的执行器节点构成，分布在特定检测地理区域中，特别是一些偏远、恶劣人类无法干预的地区，传感器用来环境感知，简单处理以及转发数据到基站，执行器节点根据传感器节点汇报的事件和收集的数据执行相应的分配任务，执行器节点像移动的机器人，无人驾驶的车辆都是自主和协作的实现应用程序中的任务。

在连通的无线传感器网络中，一个或多个传感器节点出现故障可能会导致其他节点或通信链路失效，如果受影响的节点之间的替代路径不可用，网络就形成分区，节点丧失工作能力，这种情况不仅会阻碍节点间的合作，破坏实时连接的要求，也对实际应用造成不良后果，在无线传感器网络所提供的远程设置服务使用额外的资源部署来恢复连接是不切实际的，重新部署节点将成为最好的连接恢复选择，无线传感器网络通常部署在自主经营和无人值守的区域，集中式节点失效恢复策略是不可行的，恢复网络连接应为分布式的网络自愈合过程。

在恢复无线传感器网络连通性方面，主要采用通过移动执行器节点的位置来恢复连接，现有的方法可以归类成节点的级联运动和块体运动，块体运动往往需要故障前的网络具有高连通性，以便节点协调响应，级联运动是根据网络状态信息可进一步划分出来，为了避免过度的状态更新的开销和更好的恢复连接过程，之前的工作都是依靠于保持一跳或两跳路由表并决定参与恢复节点的标准，他们均使用分布式算法，需要保留两跳邻居的信息，增加了通信开销，还有的用递归重置过程处理任何节点失效时其邻居的移动，但是没有区分割点与叶节点的情况，带来不必要的恢复过程。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种无线传感网中节点最小移动的连接恢复方法，由于网络分区是割点(关键节点)失效引起的，先用基于深度优先的割点搜索算法判断节点是否是割点，一旦割点确定，再指定适当的邻居作为割点的备份节点来监听失效，备份节点检测到任何故障后，在其分区中选择一个最小连通支配集级联运动替换失效节点，替代节点不是直接移动到失效节点的确切位置，它只是移动到某个最佳位置来管理多个传感器，其子节点也相应移动与先驱节点保持连接，本发明将给出最佳位置的计算方法，目标是确保执行器节点的覆盖度减少最少，恢复过程中造成的节点移动和通信开销最小。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种无线传感网中节点最小移动的连接恢复方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)割点识别阶段：如果删除图中某点以及它所连接的边后，该图的连通分支的数目增加，则被删除的点称为图的割点，用基于深度优先的割点搜索算法，在连通图上寻找割点；

(2)备份最小连通支配集选择：割点确定后，它的失效就会造成网络分成几个分区块，在这些分区块中选择最小的连通支配集块作为他们的备份节点，为避免额外的通信开销，节点只保留最少的邻居状态信息，由于一个关键节点失效时与其邻居断开，备份节点确定后提前报告关键节点发生故障，一个节点可以作为多个节点的备份；

    (3)失效监测：节点会定期发送心跳消息给它们的邻居节点来确保他的功能有效，同时报告自己的更新状态；心跳消息包的丢失可作为节点失效检测的一种手段，节点与其邻居交换心跳消息作为网络操作的一部分，以更新自己的状态，通过这些消息通知选定的备份节点，一个执行器节点一旦收到备份通知，它开始通过心跳包监测割点，丢失一定数量的连续心跳包时，备份节点视割点失效；

(4)恢复过程：

    1.最佳位置：节点发生故障时，替换节点并不需要移动到失效节点的位置，这个替代节点的新位置有以下几个特点：它可以与周围尽可能多的传感器通信，也就是说，它能收到的节点间的通信消息越多越好；为了减少开销，它从原来位置移动到最佳位置的距离应尽可能短同时由于移动导致的覆盖面积减少应到最小，符合上述条件，就是最佳位置；

2.父节点的移动：一个节点是在最小连通支配集中失效节点的一跳邻居节点，确定好最佳位置点后，使失效节点的一跳邻居节点向最佳位置点移动；

3.子节点的移动：父节点向最佳位置点移动，并发送恢复消息给它的子节点，在父节点移动过程中，其子节点产生级联运动始终与父节点保持连接，子节点的级联运动对当前的拓扑连接不产生影响；

    (5)重复以上步骤直至整个网络连接恢复。

本发明的有益效果是：

本发明专利设计一种无线传感网中节点最小移动的连接恢复方法， 该方法具备容错能力，能以一种分布式的、及时的、节能的方式自我恢复：首先，恢复过程采用分布式方法，因为这些无线传感器网络通常是自治的；第二，对监测到的事件迅速反应，恢复过程足够快；最后，恢复过程中的能源开销减少，延长网络寿命。

附图说明

图1为无线传感器网络连接恢复系统模型图。

图2（a）为割点识别阶段连通图；图2(b)为连通图生成树图。

图3为最小连通支配集选择示意图。

图4为最佳位置计算示意图。

图5为连接恢复过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

无线传感器网络是由传感器节点和少量的执行器节点组成并随机部署在感知区域，一旦部署完成节点就试图发现其他节点并通过现有的技术形成一个连通的网络，执行器节点为了在更大的区域执行任务或者提高网络的连通性可以根据应用的需求移动，如图1所示的无线传感器网络连接恢复系统模型图，一个执行器节点收集来自他邻居传感器节点的数据并与其它的执行器节点协作，其中一些关键执行器节点可以通过很长的通信链路（卫星）连接远区域的命令中心来报告他的活动状态和探测到的事件，具体的连接恢复步骤如下：

    步骤一：割点识别阶段：如果删除图中某点以及它所连接的边后，该图的连通分支的数目增加，则被删除的点称为图的割点，割点是无线传感器网络拓扑中非常重要的节点，它与网络连通性关系密切，割点的存在使得无线传感器网络的连通存在薄弱环节，一旦割点失效，将直接影响网络的性能，因此如何在网络拓扑中检测到割点显得尤为重要，接下来研究一种基于深度优先的割点搜索算法，在连通图上寻找割点，图2（a）是连通图，图中有四个割点，包括A，B，D，G，可以在图的深度优先遍历（深度优先搜索）基础上求出割点，图2（b）是图2（a）从A点开始的深度优先遍历生成树，该生成树有如下性质：

   （1）若生成树的根由两棵或者两棵以上子树，则根节点为割点，图4中A是此类情况中的割点；

   （2）对于树中的非叶子节点v，如果v的子树根节点以及子树中的其他节点均没有指向v的祖先的回边（图2（b）中的虚线，指不在生成树上的边），则v为割点；

基于上述性质，下述算法可以找到连通图中的割点，对图2（a）进行深度优先遍历，选择任意节点作为开始节点，对某一邻居节点遍历，并沿着该邻居节点继续对更深层次的邻居节点遍历，如果节点v的所有邻居节点都被遍历过，则返回到v的祖先节点重新按照上述过程深度遍历，直到所有节点都被遍历，由此得到最小遍历生成树，遍历时需要记录每个节点的两个信息：visit_num[v]和small[v]。visit_num[v]为生成树中前序遍历时的节点序号，small[v]=min(visit_num[v],visit_num[ n ],small[ m])，m是v在深度优先生成树上的子节点，n是v在深度优先生成树上由回边连接的祖先节点，(m, v )，(n, v)均是图中的边，对于点v，如果存在子节点m有small [m ]≥visit _num[ v]，表明m及其子孙均没有指向v祖先的回边，则v是割点，通过上述基于深度优先的搜索算法，可以找到无向连通图中的割点。

步骤二：备份最小连通支配集选择：一旦割点确定，它的失效就会造成网络分成几个分区块，下一步就要在这些分区块中选择最小的连通支配集块作为他们的备份节点，指定备份支配集的目的是为了对割点的故障做出迅速反应，避免该故障对网络造成分区。

为避免额外的通信开销，节点只保留最少的邻居状态信息（一跳邻居：即以这个节点为中心一跳路由可以达到的节点），由于一个关键节点失效时与其邻居断开，备份节点确定后提前报告关键节点发生故障，一个节点可以作为多个执行器节点的备份，一跳邻居中备份节点的选择基于以下标准：

   （1）一跳邻居位置（NP）：割点失效，就从它的一条邻居列表中找到离他最近的节点。

   （2）一跳邻居节点的节点度（AD）：移动一个有许多邻居的节点的影响是巨大的。因此，搜索到一跳邻居节点节点度最小的，这将限制级联移动的范围，从而降低恢复过程的开销。

   （3）执行器节点的ID：在失效节点一跳邻居中，可能有两个或两个以上的节点离失效节点最近并且有相同的节点度，这时有着ID号大的节点将被选择去恢复连接。

根据以上标准如果图3中割点A9失效，图3中圆圈圈起来的将是备份的最小连通支配集。

步骤三：失效监测：节点会定期发送心跳消息（就是这个节点还在正常工作的消息）给它们的邻居节点来确保他的功能有效，同时报告自己的更新状态，心跳消息包的丢失可作为节点失效检测的一种手段，节点与其邻居交换心跳消息作为网络操作的一部分，以更新自己的状态，通过这些消息通知选定的备份节点，一个执行器节点一旦收到备份通知，它开始通过心跳包监测割点，丢失一定数量的连续心跳包时，备份节点视割点失效。

步骤四：连接恢复实施阶段：图4定义了一个最佳位置，执行器节点发生故障时，替换节点并不需要移动到失效节点的位置，这个替代节点的新位置有以下几个特点：它可以与周围尽可能多的传感器通信，也就是说，它能收到的节点间的通信消息越多越好；为减少开销，它从原来位置移动到最佳位置的距离应尽可能短同时由于移动覆盖面积减少最小，符合上述条件，就是最佳位置，选择最佳位置包括以下两个条件：

   （a）若要保证移动的节点距离最短且由于移动覆盖面积减少最小，则移动的节点应放置在边的中垂线上；

   （b）节点A与E的通信半径R_C为感知半径R_S 的2 倍。显然，只要A 在E 的通信半径内，则线段AE 上所有点都能被A或E所覆盖。若ΔABE 的3 个顶点均能直接通信，则三角形三边的边长均不大于R_C；

图5显示了当执行器节点A9失效时，最小节点块怎样移动来恢复连接，显然的，节点A9是一个割点并为其备份最小连通支配集来检测失效，节点A11是在最小连通支配集中失效节点A9的一跳邻居节点，图5（a）-（b）确定最佳位置点，使失效节点的一跳邻居节点向最佳位置点移动，在图5（c）中，节点A11向最佳位置点移动，并发送恢复消息给它的子节点，在节点A11移动过程中，其子节点产生级联运动始终与节点A11保持连接见图5（d），子节点的级联运动对当前的拓扑连接不产生影响，在图5（e）中子节点A13,A14移动前通知它们的子节点移动保持连接。

步骤五：重复以上步骤直至整个网络连接恢复。

综上所述,本发明提供了一种无线传感网中节点最小移动的连接恢复方法，通过对无线传感器网进行系统初始化，然后通过一种基于深度优先的割点搜索算法寻找到网络中的割点，通过选取最小的连通支配集为其备份节点，接着通过心跳包监测割点的工作状态判断其是否失效，备份节点检测到任何故障后，在其分区中选择一个最小连通支配集级联运动替换失效节点，替代节点不是直接移动到失效节点的确切位置，它只是移动到某个最佳位置来管理多个传感器，其子节点也相应移动与先驱节点保持连接，直到完成对整个网络的恢复，本方法适用于任意一个的无线传感器网，既能保证覆盖减少最小又能减少网络开销。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (1)

1.一种无线传感网中节点最小移动的连接恢复方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)割点识别阶段：如果删除图中某点以及它所连接的边后，该图的连通分支的数目增加，则被删除的点称为图的割点，用基于深度优先的割点搜索算法，在连通图上寻找割点；

(2)备份最小连通支配集选择：割点确定后，它的失效就会造成网络分成几个分区块，在这些分区块中选择最小的连通支配集块作为他们的备份节点，为避免额外的通信开销，节点只保留最少的邻居状态信息，由于一个关键节点失效时与其邻居断开，备份节点确定后提前报告关键节点发生故障，一个节点可以作为多个节点的备份；

    (3)失效监测：节点会定期发送心跳消息给它们的邻居节点来确保他的功能有效，同时报告自己的更新状态；心跳消息包的丢失可作为节点失效检测的一种手段，节点与其邻居交换心跳消息作为网络操作的一部分，以更新自己的状态，通过这些消息通知选定的备份节点，一个执行器节点一旦收到备份通知，它开始通过心跳包监测割点，丢失一定数量的连续心跳包时，备份节点视割点失效；

(4)恢复过程：

    a.最佳位置：节点发生故障时，替换节点并不需要移动到失效节点的位置，这个替代节点的新位置有以下几个特点：它可以与周围尽可能多的传感器通信，也就是说，它能收到的节点间的通信消息越多越好；为了减少开销，它从原来位置移动到最佳位置的距离应尽可能短同时由于移动导致的覆盖面积减少应到最小，符合上述条件，就是最佳位置；

b.父节点的移动：一个节点是在最小连通支配集中失效节点的一跳邻居节点，确定好最佳位置点后，使失效节点的一跳邻居节点向最佳位置点移动；

c.子节点的移动：父节点向最佳位置点移动，并发送恢复消息给它的子节点，在父节点移动过程中，其子节点产生级联运动始终与父节点保持连接，子节点的级联运动对当前的拓扑连接不产生影响；

    (5)重复以上步骤直至整个网络连接恢复。