CN104837158A - 物联网中失效节点的覆盖空洞修复方法、系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种失效节点的覆盖空洞的修复方法及其系统。该方法包括：sink节点每隔T秒对网络中所有传感器节点的剩余能量Er_j进行轮询；sink节点依据预定条件判断各传感器节点是否为有效传感器节点；sink节点根据判断结果，剔除失效传感器节点，并根据剩余能量Er_j和基于拓扑势的爬山算法对全网中的有效传感器节点重新分簇；sink节点发送冗余传感器节点信息至所有失效传感器节点；失效传感器节点计算其与各个冗余传感器节点之间的拓扑势，按照拓扑势最大、或先到先得、或拓扑势最大与先到先得结合的方式，选择匹配的冗余传感器节点以替换该失效传感器节点。本发明采用拓扑势对有效传感器节点重新分簇，依据拓扑势大小和先到先得原则选择最佳冗余传感器节点，通过二者结合，使得网络能够获取统一的能量分布，在通信高密度区中始终保持局部的冗余覆盖，在保证网络通信质量的同时，延长了网络生存时间。

Description

物联网中失效节点的覆盖空洞修复方法、系统

技术领域

本发明涉及广域物联网领域，更具体地，涉及无线传感器网络领域中的网络部署和修复的方法。

背景技术

物联网是指通过射频识别(RFID)、红外感应器等信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的网络。物联网由感知层、网络层和应用层构成。其中，感知层用于获取物品的信息，包括传感器等数据采集设备、传感器网络等。用于环境信息收集的无线传感器网络由无线传感节点和接入网关组成，无线节点感知温度、湿度等信息，并自行组网传递到上层网关接入点，由网关将收集到的信息通过网络层提交到后台处理。

在传感器网络中，对目标监测区域实现网络覆盖是网络部署的关键问题。网络覆盖情况严重影响该监测区域服务质量。在网络运行过程中，需要考虑两个重要问题：一是传感器节点部署后的网络连通性，二是传感器节点的能量有效性。因为在监测区域内，部分传感器节点可能会由于过多转发数据而导致其能量消耗过快，或者由于不可知的原因受到攻击、故障造成传感器节点失效的情况。无论哪种情况都会造成覆盖区域出现“空洞”而导致传感器节点采集的有效信息不完全，或者由于空洞阻隔使有效信息无法传送到接收(sink)节点从而造成网络覆盖度与连通性的下降，进一步导致网络传输功能失效的问题。即使网络仍有正常工作的传感器节点也会因为部分传感器节点失效而导致网络整体失效，进而导致网络资源浪费。因此，需要采用有效的方法对网络覆盖进行修复或者重新进行网络部署，提高网络的覆盖率，延长网络寿命。

移动传感器节点不仅可以作为移动冗余节点对网络的初始分布做局部冗余覆盖，而且还可以随时移动到失效传感器节点处进行替换。因此在考虑节点能量的情况下，综合考虑移动传感器节点的较高成本，静止传感器节点和移动传感器节点共同部署的混合网络模型受到了越来越多的关注。

目前，针对无线传感器网络中存在的覆盖空洞问题，大致可以概括为两种解决策略：(1)激活网络中存在的休眠传感器节点；(2)在空洞区域部署新的静态传感器节点或者移动传感器节点。在大多数静态传感器网络应用中，为了避免网络出现覆盖空洞，比较常见的部署方式是多重覆盖，即让监测区域内的每个目标对象至少被k个传感器节点覆盖。多重覆盖机制保证了在部分传感器节点能量耗尽无法正常工作后，网络依然能保证对监测区域的覆盖质量，从而提高在恶劣条件下传感器网络的生存能力。

对整个网络的多重覆盖可以解决网络覆盖质量，但是在广域物联网中多个传感器节点同时覆盖一个目标对象会增加节点成本，不适合大面积应用。此外，传统传感器网络中在分簇和对覆盖空洞的修复过程中，并没有考虑传感器节点的实时剩余能量。因此修复后也无法保证网络的生存时间。但是在实际应用场景中，传感器节点的能量消耗决定着传感器节点的使用寿命，进而决定了整个传感器网络的生存时间。

发明内容

为了克服上述缺陷，对于因传感器节点失效而引起的覆盖空洞问题，提出了sink节点周期性全网络分簇算法，从而保证广域覆盖物联网的网络连通有效，且由于加入了冗余传感器节点的匹配替换，使得网络中始终存在局部冗余覆盖，保证了网络质量的同时延长了网络的生存时间。

具体地，本发明提供一种失效节点的覆盖空洞的修复方法，包括：

sink节点每隔T秒对网络中所有传感器节点的剩余能量Er_j进行轮询；

sink节点依据预定条件判断各传感器节点是否为有效传感器节点；

sink节点根据判断结果，剔除失效传感器节点，并根据剩余能量Er_j和基于拓扑势的爬山算法对全网中的有效传感器节点重新分簇；

sink节点发送冗余传感器节点信息至所有失效传感器节点；

失效传感器节点计算其与各个冗余传感器节点之间的拓扑势按照拓扑势最大、或先到先得、或拓扑势最大与先到先得结合的方式，选择匹配的冗余传感器节点以替换该失效传感器节点。

进一步地，所述轮询步骤包括：sink节点广播剩余能量请求信息至网络中的所有传感器节点。

进一步地，所述判断有效传感器节点的步骤包括：由簇头节点在sink周期内接收各传感器节点的剩余能量Er_j，并转发至sink节点；由sink节点比较各传感器节点的剩余能量Er_j与传感器节点失效的能量门限值E_τ的大小关系，以判定该传感器节点为有效传感器节点或失效传感器节点。

进一步地，拓扑势计算方法包括：给定传感器网络G＝(V，E)，其中，V＝{v₁，...，v_n}为传感器节点的非空有限集，为传感器节点偶对或边的集合，|E|＝m，根据数据场的势函数定义，任意节点v_i∈V的拓扑势可表示为：

其中，d_ij表示传感器节点v_i与v_j间的网络距离，影响因子σ用于控制每个传感器节点的影响范围，基于网络拓扑而配置。

进一步地，在所述匹配替换步骤之后，失效传感器节点向sink节点发送该失效传感器节点与冗余传感器节点的匹配替换结果；sink节点保存该匹配替换结果。

进一步地，所述匹配替换步骤包括：失效传感器节点将计算得到的拓扑势信息与该冗余传感器节点的ID一一对应地存入该失效传感器节点的替换数组中，数组中的各冗余传感器节点按拓扑势值降序排列，每个失效传感器节点首先选择替换数组中的第一项所对应的冗余传感器节点进行替换。

进一步地，所述匹配替换步骤还包括：冗余传感器节点接收各个失效传感器节点的匹配请求信息，若只检测到一个匹配请求信息，则直接向该失效传感器节点发送匹配成功确认信息；若检测到多个匹配请求信息，则向第一个到达的匹配请求信息对应的失效传感器节点发送匹配成功确认消息；若多个匹配请求信息同时到达，则向拓扑势值较大的失效传感器节点发送匹配成功确认消息；向其余匹配失败的失效传感器节点发送匹配失败确认信息。

进一步地，所述匹配替换步骤还包括：匹配失败的失效传感器节点继续搜索替换数组中的下一项进行匹配，直到所有失效传感器节点均成功匹配冗余传感器节点。

进一步地，所述冗余传感器节点是可以移动的，在匹配替换完成之后，该冗余传感器节点移动到失效传感器节点处，开始感知数据。

本发明还提供了一种失效节点的覆盖空洞的修复系统，包括sink节点、有效传感器节点、失效传感器节点、冗余传感器节点，其中，所述sink节点包括：

轮询模块，用于每隔T秒对网络中所有传感器节点的剩余能量Er_j进行轮询；

判断模块，用于依据预定条件判断各传感器节点是否为有效传感器节点；

重新分簇模块，用于根据判断结果，剔除失效传感器节点，并根据剩余能量Er_j和基于拓扑势的爬山算法对全网中的有效传感器节点重新分簇；和

传送模块，用于发送冗余传感器节点信息至所有失效传感器节点；

所述失效传感器节点包括：

匹配替换模块，用于计算该失效传感器节点与各个冗余传感器节点之间的拓扑势按照拓扑势最大、或先到先得、或拓扑势最大与先到先得结合的方式，选择匹配的冗余传感器节点以替换该失效传感器节点。

本发明中sink节点每隔T秒对全网传感器节点的Er_j轮询，依据Er_j剔除掉失效传感器节点，采用拓扑势对有效传感器节点重新分簇，使得网络能够获取统一的能量分布，保证较好的网络覆盖质量。

此外，sink节点周期性全网络分簇后，各失效传感器节点依据拓扑势大小和先到先得原则选择最佳冗余传感器节点对自己做替换，保证了替换的高效率和替换后节点生存时间。

并且，sink节点周期性全网络分簇与失效传感器节点匹配替换相结合，使得网络在通信高密度区中始终保持局部的冗余覆盖，在保证网络通信质量的同时，延长了网络生存时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单介绍，显而易见地，以下描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他技术内容。

图1是依据本发明实施例的sink节点周期性全网络分簇步骤示意图；

图2是依据本发明实施例的基于拓扑势的爬山分簇算法示意图；

图3是依据本发明实施例的失效传感器节点匹配最佳冗余传感器节点示意图；

图4是依据本发明实施例的失效传感器节点的替换数组示意图；

图5(a)-5(d)是依据本发明实施例的各匹配信息数据包格式的示意图；

图6是依据本发明实施例的匹配冲突时冗余传感器节点的替换策略示意图。

图7是依据本发明实施例的失效节点的覆盖空洞的修复系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，详细说明本发明的实现过程。

混合传感器网络中包含负责感知事件的静态传感器节点和具有移动能力、可用于调度的冗余传感器节点，两者相互协调完成网络的部署。二者在通信、计算能力和所携带的能量方面均相同。初始部署时，网络由所有静态传感器节点完全覆盖，其他冗余传感器节点则以局部冗余覆盖的方式部署在指定的静态节点所覆盖的区域中。正常工作后，静态传感器节点负责感知数据，而冗余传感器节点则只与它所在位置的静态传感器节点交互剩余能量信息，不负责感知数据。当静态传感器节点失效而此时未启动全网分簇时，冗余传感器节点将代替该位置的失效节点感知数据，直到全网络的重新分簇。sink节点为冗余传感器节点分配ID号，记为v₁，v₂，v₃，……，为静态传感器节点分配编号，记为n₁，n₂，n₃……，簇头编号为ch₁，ch₂，ch₃……。

本发明利用已有的数据场的簇形成算法，在已有的基于拓扑势场描述的相互作用中，引入剩余能量参数作为传感器节点间作用的量度。将每个簇视为拓扑势场的局部高势区，通过寻找被低势区域所分割的连通高势区域实现传感器网络的簇划分。本发明的算法主要包括两个部分：其一，sink节点周期性全网络分簇。sink节点每隔T秒统计网络中所有传感器节点的剩余能量，结合剩余能量和拓扑势分簇算法对全网中的有效传感器节点分簇。其二，失效传感器节点匹配最佳冗余传感器节点算法。所有失效传感器节点探测其周围的冗余传感器节点，根据与各个冗余传感器节点之间的拓扑势大小并结合冗余传感器节点的先到先得的准则，使得每个失效传感器节点能尽量获得最佳的冗余传感器节点以替换自己。

图1示出了依据本发明的sink节点周期性全网络分簇步骤。

步骤一：在每个sink周期开始后，sink节点广播剩余能量请求信息至所有传感器节点，要求传感器节点上传其剩余能量信息。本发明以Er_j代表第j个传感器节点的剩余能量。

步骤二：sink节点利用基于拓扑势的爬山算法对网络进行分簇。

具体方法如图2所示。传感器节点在各自时隙内传输Er_j至簇头，由簇头转发至sink节点。设置剩余能量门限值E_τ，sink节点判断Er_j>E_τ的传感器节点为有效传感器节点，Er_j≤E_τ的传感器节点为失效传感器节点。sink节点依据判断结果，剔除失效传感器节点，对有效传感器节点根据基于拓扑势值的爬山算法对全网重新分簇。

本发明中引入剩余能量的拓扑势概念。拓扑势定义如下：给定传感器网络G＝(V，E)，其中，V＝{v₁，...，v_n}为传感器节点的非空有限集，为传感器节点偶对或边的集合，E＝m。根据数据场的势函数定义，任意节点v_i∈V的拓扑势可表示为：

其中，d_ij表示传感器节点v_i与v_j间的网络距离(本发明采用最短路径长度来度量。)影响因子σ用于控制每个传感器节点的影响范围，可以根据网络拓扑自行配置。

爬山算法是一种局部择优的方法，包括：从当前的节点开始，和周围邻居节点的值(例如拓扑势值)进行比较。如果当前节点是最大的，那么返回当前节点，作为最大值(既山峰最高点)；反之用最高的邻居节点替换当前节点，从而实现向山峰的高处攀爬的目的，如此循环直到达到最高点。

本发明采用基于拓扑势的爬山算法，有助于高效地对节点排序，避免遍历所造成的时间和资源的浪费。

步骤三：sink节点发送冗余传感器节点信息至所有失效传感器节点。各失效传感器节点按拓扑势最大原则，冗余传感器节点按先到先得原则，完成二者的匹配替换。

失效传感器节点匹配最佳冗余传感器节点的过程如图3所示。采用基于冗余传感器节点拓扑势最大原则和失效传感器节点先到先得原则的匹配替换算法。此算法中sink节点发送冗余传感器节点的信息至失效传感器节点。失效传感器节点计算其与各个冗余传感器节点之间的拓扑势值并将拓扑势信息与该冗余传感器节点的ID一一对应存入该失效传感器节点的替换数组中。数组内各冗余传感器节点v₁，v₂，v₃，……按拓扑势值降序排列，如图4所示。每个失效传感器节点首先选择替换数组中第一项来对自身做替换。冗余传感器节点根据匹配请求信息到达的时间，遵循先到先得，替换请求信息第一个到达的失效传感器节点。

更具体而言，步骤三的实现过程如下：

步骤1：sink节点发送冗余传感器节点信息至所有失效传感器节点。

步骤2：各失效传感器节点，利用公式一，计算与各个冗余传感器节点之间的拓扑势值并将拓扑势信息与冗余传感器节点的ID一一对应存入该失效传感器节点的替换数组中。替换数组中拓扑势值自大而小降序排列。每个失效传感器节点首先选择替换数组中第一项来对自身做替换。

步骤3：冗余传感器节点接收来自各个失效传感器节点匹配请求信息，若只检测到一个匹配请求信息，则直接向该失效传感器节点发送匹配成功确认消息；

若检测到多个匹配请求信息，则按照先到先得的原则，向请求信息第一个到达的失效传感器节点发送匹配成功确认消息；若多个匹配请求信息同时到达(如A、B失效传感器节点请求信息同时到达)，则向拓扑势值较大的失效传感器节点发送匹配成功确认消息，拓扑势值相等的情况下，则随机选择一个失效传感器节点发送匹配成功确认消息，整个匹配过程如图6所示；

冗余传感器节点发送匹配成功确认消息(如图5(b))至成功匹配的失效传感器节点，向其余匹配失败的节点发送匹配失败确认消息(如图5(c))。

步骤4：收到匹配失败的节点继续搜索替换数组的下一项执行步骤3，直到所有失效传感器节点均成功匹配冗余传感器节点。匹配替换完成后，冗余传感器节点移动到失效传感器节点处开始感知数据。

步骤5：各失效传感器节点得到匹配节点后，向sink节点发送最终的匹配信息，格式如图5(d)。sink检测到所有失效节点均匹配结束，保存该匹配结果并等待下一sink周期的到来。

为了便于理解本发明如何实现网络覆盖空洞的修复，进一步对本发明混合传感器网络中的各节点功能作出如下说明。

1、sink节点:

1)每隔T秒对网络中所有传感器节点的Er_j周期轮询，比较各传感器节点的剩余能量Er_j与传感器节点失效的能量门限E_τ的大小关系，判定传感器节点为有效传感器节点或失效传感器节点。

2)向失效传感器节点发送冗余传感器节点信息，保存失效传感器节点与冗余传感器节点的匹配替换结果。

2、簇头节点

sink周期内接收静止传感器节点的Er_j，转发至sink节点。

3、失效传感器节点

1)在sink周期中传输实时剩余能量Er_j至簇头节点。

2)接收来自sink节点的冗余传感器节点信息，匹配冗余传感器节点对失效节点进行替换。

3)向sink节点发送与冗余传感器节点的匹配结果。

4、冗余传感器节点

1)可以移动，初始部署时以局部冗余覆盖的方式部署在指定的静态节点所覆盖的区域中。正常工作后，只与它所在位置的静态传感器节点交互剩余能量信息，不负责感知数据。而当静态传感器节点失效而此时未启动全网分簇时，冗余传感器节点将代替该位置的失效节点感知数据，直到全网络的重新分簇。

2)接收失效传感器节点的匹配请求信息并根据先到先得的原则做匹配替换。向失效传感器节点回送匹配成功确认信息或匹配失败确认信息。

相对应地，本发明还提供了一种失效节点的覆盖空洞的修复系统，如图7所示。该系统包括sink节点、一个或多个有效传感器节点、一个或多个失效传感器节点、一个或多个冗余传感器节点，其中，所述sink节点包括：

轮询模块，用于每隔T秒对网络中所有传感器节点的剩余能量Er_j进行轮询；

判断模块，用于依据Er_j和E_τ的大小关系判断各传感器节点是否为有效传感器节点；

重新分簇模块，用于根据判断结果，剔除失效传感器节点，并根据剩余能量Er_j和基于拓扑势的爬山算法对全网中的有效传感器节点重新分簇；和传送模块，用于发送冗余传感器节点信息至所有失效传感器节点；

所述失效传感器节点包括：

匹配替换模块，用于计算该失效传感器节点与各个冗余传感器节点之间的拓扑势按照拓扑势最大、或先到先得、或拓扑势最大与先到先得结合的方式，选择匹配的冗余传感器节点以替换该失效传感器节点。

进一步地，轮询模块还用于广播剩余能量请求信息至网络中的所有传感器节点。判断模块具体用于：根据簇头节点在sink周期内接收并转发至sink节点的各传感器节点的剩余能量Er_j，比较各传感器节点的剩余能量Er_j与传感器节点失效的能量门限值E_τ的大小关系，以判定该传感器节点为有效传感器节点或失效传感器节点。

所述失效传感器节点还用于向sink节点发送该失效传感器节点与冗余传感器节点的匹配替换结果。sink节点将保存该匹配替换结果。

所述匹配替换模块具体用于：将计算得到的拓扑势信息与该冗余传感器节点的ID一一对应地存入该失效传感器节点的替换数组中，数组中的各冗余传感器节点按拓扑势值降序排列。每个失效传感器节点首先选择替换数组中的第一项所对应的冗余传感器节点进行替换。冗余传感器节点接收各个失效传感器节点的匹配请求信息，若只检测到一个匹配请求信息，则直接向该失效传感器节点发送匹配成功确认信息；若检测到多个匹配请求信息，则向第一个到达的匹配请求信息对应的失效传感器节点发送匹配成功确认消息；若多个匹配请求信息同时到达，则向拓扑势值较大的失效传感器节点发送匹配成功确认消息；向其余匹配失败的失效传感器节点发送匹配失败确认信息。匹配失败的失效传感器节点继续搜索替换数组中的下一项进行匹配，直到所有失效传感器节点均成功匹配冗余传感器节点。

所述冗余传感器节点是可以移动的，在匹配替换完成之后，该冗余传感器节点移动到失效传感器节点处，开始感知数据。

以上是对本发明的优选实施例进行的详细描述，但本领域的普通技术人员应该意识到，在本发明的范围内和精神指导下，各种改进、添加和替换都是可能的，这些都在本发明的权利要求所限定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种失效节点的覆盖空洞的修复方法，其特征在于，该方法包括：

sink节点每隔T秒对网络中所有传感器节点的剩余能量Er_j进行轮询；

sink节点依据预定条件判断各传感器节点是否为有效传感器节点；

sink节点根据判断结果，剔除失效传感器节点，并根据剩余能量Er_j和基于拓扑势的爬山算法对全网中的有效传感器节点重新分簇；

sink节点发送冗余传感器节点信息至所有失效传感器节点；

失效传感器节点计算其与各个冗余传感器节点之间的拓扑势按照拓扑势最大、或先到先得、或拓扑势最大与先到先得结合的方式，选择匹配的冗余传感器节点以替换该失效传感器节点。

2.如权利要求1所述的方法，所述轮询步骤进一步包括：sink节点广播剩余能量请求信息至网络中的所有传感器节点。

3.如权利要求1所述的方法，所述判断有效传感器节点的步骤进一步包括：由簇头节点在sink周期内接收各传感器节点的剩余能量Er_j，并转发至sink节点；以及由sink节点比较各传感器节点的剩余能量Er_j与传感器节点失效的能量门限值E_τ的大小关系，以判定该传感器节点为有效传感器节点或失效传感器节点。

4.如权利要求1所述的方法，其中拓扑势的计算方法包括：给定传感器网络G＝(V，E)，其中，V＝{v₁，…，v_n}为传感器节点的非空有限集，为传感器节点偶对或边的集合，|E|＝m，根据数据场的势函数定义，任意节点v_i∈V的拓扑势可表示为：

其中，d_ij表示传感器节点v_i与v_j间的网络距离，影响因子σ用于控制每个传感器节点的影响范围，基于网络拓扑而配置。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述匹配替换步骤之后进一步包括：失效传感器节点向sink节点发送该失效传感器节点与冗余传感器节点的匹配替换结果；以及sink节点保存该匹配替换结果。

6.如权利要求1所述的方法，所述匹配替换步骤进一步包括：失效传感器节点将计算得到的拓扑势信息与该冗余传感器节点的ID一一对应地存入该失效传感器节点的替换数组中，数组中的各冗余传感器节点按拓扑势值降序排列，每个失效传感器节点首先选择替换数组中的第一项所对应的冗余传感器节点进行替换。

7.如权利要求6所述的方法，所述匹配替换步骤进一步包括：冗余传感器节点接收各个失效传感器节点的匹配请求信息，若只检测到一个匹配请求信息，则直接向该失效传感器节点发送匹配成功确认信息；

若检测到多个匹配请求信息，则向第一个到达的匹配请求信息对应的失效传感器节点发送匹配成功确认消息；

若多个匹配请求信息同时到达，则向拓扑势值较大的失效传感器节点发送匹配成功确认消息；以及

向其余匹配失败的失效传感器节点发送匹配失败确认信息。

8.如权利要求7所述的方法，所述匹配替换步骤进一步包括：匹配失败的失效传感器节点继续搜索替换数组中的下一项进行匹配，直到所有失效传感器节点均成功匹配冗余传感器节点。

9.如权利要求1所述的方法，其中，冗余传感器节点是可以移动的，在匹配替换完成之后，该冗余传感器节点移动到失效传感器节点处，开始感知数据。

10.一种失效节点的覆盖空洞的修复系统，包括sink节点、有效传感器节点、失效传感器节点、冗余传感器节点，其特征在于，

所述sink节点包括：

轮询模块，用于每隔T秒对网络中所有传感器节点的剩余能量Er_j进行轮询；

判断模块，用于依据预定条件判断各传感器节点是否为有效传感器节点；

重新分簇模块，用于根据判断结果，剔除失效传感器节点，并根据剩余能量Er_j和基于拓扑势的爬山算法对全网中的有效传感器节点重新分簇；和

传送模块，用于发送冗余传感器节点信息至所有失效传感器节点；

所述失效传感器节点包括：

匹配替换模块，用于计算该失效传感器节点与各个冗余传感器节点之间的拓扑势按照拓扑势最大、或先到先得、或拓扑势最大与先到先得结合的方式，选择匹配的冗余传感器节点以替换该失效传感器节点。