CN106686758A - 一种无线传感网络连通性恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感网络连通性恢复方法，主要解决无线传感网络中因为节点故障引发的连通性丢失，对网络的安全可靠造成影响的问题。该方法更适用于动态拓扑关系的无线传感网络。该方法利用有限状态机模型筛选连通支配集，并实时更新节点的状态，依据节点关键性及距离选择最佳替换节点迁移到原故障节点位置，完成恢复网络状态。该方法区分节点关键性，从而可以节省网络能量开销，且节点状态实时更新变化，适应于动态网络拓扑环境。

Description

一种无线传感网络连通性恢复方法

技术领域

本发明涉及无线传感网络、安全拓扑控制技术领域，具体涉及一种分布式网络连通性恢复方法。

背景技术

物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。作为物联网的核心技术之一，无线传感网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)近年来受到越来越多研究学者的关注。无线传感网络可根据监测数据做出相应的动作，与环境进行信息交互，从而可以执行更加复杂的监测任务。WSNs在边境保护、战场侦察、搜索及救援等领域具有很大的应用前景。

无线传感器网络通常被部署在环境恶劣、无人值守的环境中执行任务，节点易发生故障，从而致使网络无法正常运行，如何提高网络的容错性显得至关重要。实际中大多数应用依靠传感器节点之间的连通性来传送数据或协同运作，如何在节点发生故障时及时高效地恢复传感器之间的连通性关系到网络功能能否正常使用，因此，网络的连通性恢复已成为许多国内外学者研究的热点问题。网络的鲁棒性即稳定性是衡量一个网络的重要参数，另外，如何实时快速地恢复网络连通性也具有非常重要的研究意义。

现有连通性恢复方法以及容错机制分为预防式和反应式，预防式机制是在网络部署和正常运行阶段预先配置一些备份节点，反应式机制通过迁移健康节点来完成实时恢复。

预防式机制旨在保护网络的拓扑结构不被破坏，消除网络可能的分块割裂。该机制通常是在网络初始部署阶段为每个关键节点周围多部署一个冗余节点，当关键节点发生故障时，备份节点替代故障节点发挥作用。在选择合适的备份节点时，预防式机制关注的是节点对网络连通性的重要性以及对覆盖度的影响。

由于使用预防式机制的网络中存在大量冗余节点，保证网络连通性的同时网络规模也会增大。反应式的连通恢复机制仅当检测到一个节点发生故障的时候才执行恢复过程，这样的机制更适合应用于动态的网络。该机制是迁移网络中现存的可移动节点到合适的位置从而达到连通恢复效果。分布式执行器恢复方法(DARA)就属于反应式机制，该方法首先在故障节点的两跳邻居节点中选择合适节点并迁移到故障节点位置，若迁移节点引起网络的分块，再次执行恢复方法直到整个网络的连通性得以恢复。因此，当节点发生故障并不引起网络分块时，这种方法的执行会带来大量且不必要的开销。

与DARA方法类似，向内运动方法(RIM)也属于反应式机制，但是RIM只需维护一跳信息表，避免了选择替换节点的复杂机制。RIM方法只涉及一跳邻节点的移动，且单个节点最大移动距离不会超过通信半径的一半，在保持整个网络的能量均衡方面具有优势。RIM方法追求最小化通信开销及单个节点的运动开销。级联地向内运动会导致总迁移节点数、总移动距离开销增大，并且网络覆盖范围也会随之缩小。

现有方法中并没有针对动态拓扑结构的网络提出有效的连通恢复方法，并且连通恢复过程节点的运动会产生大量能耗消耗，对网络节点的生存时间产生挑战。另外，涉及运动的节点数量高会造成额外的通信开销及运动开销。

发明内容

本发明是一种基于有限状态机的分布式连通性恢复方法，适用于动态拓扑关系的无线传感网络。本发明主要有三个技术组成：1)基于有限状态机模型的连通支配集筛选及更新方法；2)依据节点关键性的最佳替代节点选择方法；3)级联型迁移节点恢复网络连通性的方法。

本发明通过如下技术方案实现：

1、一种基于有限状态机模型的连通支配集筛选及更新方法，初始的网络为连通的无线传感网络，网络节点与任意其他节点进行通信，骨干网络节点数量很多，通过建立有限状态机模型，利用相邻节点之间的状态影响，筛选并减少连通支配集中的节点数量。包括以下步骤：

步骤(1)在初始的无线传感网络中，利用现有的泛洪信息方法生成一个包含网络骨干节点的连通支配集CDS，每个节点根据是否包含在CDS中设置自己的节点状态信息，是支配节点则状态号设置为3，状态颜色标记为黑色，是非支配节点则状态号设置为2，状态颜色对应为灰色，状态3是一种稳定的支配节点状态，状态2是一中稳定的非支配节点状态。

步骤(2)支配节点向周围的邻居节点发送消息包，若没有收到所有相邻节点的回复消息，则进行状态转移，更改状态号为0，颜色标记为白色，这样的节点处于不稳定状态，有可能转化成支配节点，也有可能转化成非支配节点。

步骤(3)若节点i处于状态0，向一跳邻节点N_i发送状态信息；当对任意的两个节点V，U∈N_i，有V∈N_u，则节点i标记为是非支配节点，状态号为2，否则节点标记为不稳定的状态号1。

步骤(4)当节点i处于状态1，而且所有邻居节点N_i都不为状态0时，节点若满足条件：1)V为黑色节点，且D_i≤D_v；2)V1,V2∈N_i并且是两个黑色互连节点，且i＝Del(V1,V2,i)；则节点状态转移为2，否则转移为状态3，减少网络中状态不稳定的节点，使每个网络节点确定自己的支配信息。

步骤(5)当网络节点i处于状态2时，且所有邻居节点N_i都不处于状态0和1时，在N_i中选择节点号最小的节点作为支配节点，状态转移为1；节点状态号为3的节点为支配节点，其余的都为一般的被支配节点，进一步减少无线传感器网络中的骨干节点数量。

2、依据节点关键性的最佳替代节点选择方法，选择出最终将被迁移的节点。步骤包括：

步骤(6)通过节点间的下一跳信息检测到节点i处于故障状态，节点i的一跳邻居节点N_i中非支配节点j依据各自的2跳信息表判断N_i中距离最近的节点作为替代故障节点A_S。

步骤(7)判断N_i中是否存在非支配节点，若不存在则选择节点度最小且距离最近的支配节点作为替换节点A_S。最终选择的节点号用S表示：

D_s＝min(d_i1,d_i2,d_i3,…,d_in)

D_s是最佳替代节点S到故障节点的距离，是从d_in中选择最小的值。其中d_ij可以从节点的坐标中计算出来：

其中i代表故障节点号，可以取值网络中任意节点号，j为故障节点的邻节点。

3、级联型迁移节点恢复网络连通性的方法包括以下步骤：

步骤(8)迁移在步骤(7)中计算出的最佳替代节点到故障节点的位置，更新节点物理坐标位置，发送消息给周围节点建立邻居关系；故障节点引起的连通性丢失问题得到解决。

步骤(9)迁移替代节点后网络若仍然处于分区状态，则计算并保存此替换节点的原有位置信息，在替换节点原有一跳节点中选择距离最近的非支配节点作为替代节点，迁移此节点到保存位置，网络的连通性得到恢复，任意节点可以骨干网络节点相互通信，执行步骤(2)的动作，发送消息给周围节点更新节点状态。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

1、在区分关键节点问题上，现有技术并不生成连通支配集来区分关键节点，网络中存在大量非关键节点的失效并不影响网络的整体连通性，但是却要执行节点迁移运动，大量节点的运动会引起不必要的能耗。本发明具有区分关键节点机制，并利用状态机模型减少连通支配集中节点数量，使本方法只在故障节点是连通支配集中的节点时才执行节点迁移运动，网络发生故障并做迁移运动的几率减少，从而大大减少迁移的节点数量。与现有技术相比，不管是大规模网络中还是小规模网络中，该方法在总移动距离上数值都非常小。所以本发明在恢复网络连通性的同时带来的能量消耗也特别少。

2、对于动态的网络拓扑结构，有限状态机模型能及时地调整更新连通支配集，避免发生关键节点检测错误致使的额外开销。现有技术并不适用于动态的网络，当周围节点动态变化时，备份的节点会失去网络开始部署时的重要作用，不能及时对割点进行跟踪修复，增加有限状态机模型，节点的状态一直在实时更新变化，可以在动态拓扑下对节点的状态及时更新并产生新的连通支配集。在动态网络环境下具有很好的适应性。

3、在通信开销方面，本发明中网络连通性恢复的过程中并不依赖全部节点信息，只涉及很少的迁移节点，该方法发送的消息数量维持在很低的水平，所以在通信开销方面也具有很大的优势。

附图说明

图1为节点状态转换的模型

图2为最佳节点选择及迁移过程示意图

图3为级联替换故障节点的过程示意图

图4为修复网络连通性的整体方法流程

具体实施方案

为使本发明的目的和技术方案更加清晰，下面结合附图对本发明的原理和具体步骤进行描述：

步骤(1)在初始的无线传感网络中，利用现有的泛洪信息方法生成一个包含网络骨干节点的连通支配集CDS，每个节点根据是否包含在CDS中设置自己的节点状态信息，是支配节点则状态号设置为3，状态颜色标记为黑色，是非支配节点则状态号设置为2，状态颜色对应为灰色，状态3是一种稳定的支配节点状态，状态2是一中稳定的非支配节点状态。

步骤(2)周围的邻居节点向发生故障节点发送消息，没有收到回复消息且状态号为3的邻居节点进行状态转移，更改状态号为0，颜色标记为白色，这样的节点处于初始状态，有可能转化成支配节点，也有可能转化成非支配节点。如图1所示，状态3黑色通过步骤(2)改变为状态0白色。

步骤(3)若节点i处于状态0，向一跳邻节点N_i发送状态信息。当对任意的两个节点V，U∈N_i，有V∈N_u，则节点i标记为状态2，否则节点标记为状态1，状态1则表明该节点是处于不稳定状态，节点处于状态2则表明该节点是非支配节点。如图1所示，状态0白色通过步骤(3)转化为状态2灰色或者状态1黑色。

步骤(4)当节点i处于状态1，而且所有邻居节点N_i都不为状态0时，节点若满足条件：1)V为黑色节点，且D_i≤D_v；2)V1,V2∈N_i并且是两个黑色互连节点，且i＝Del(V1,V2,i)；则节点状态转移为2，否则转移为状态3。如图1所示，状态1黑色通过步骤(4)转化为状态2灰色或者状态3黑色。其中定义Del(V1,V2,V3)为可删除集，它的值是可删除的黑色节点集合，意思是删除这些节点，由剩余节点仍然能构成网络中的骨干网。减少网络中不稳定的节点，使每个网络节点确定自己的支配信息。

步骤(5)当网络节点i处于状态2时，且所有邻居节点N_i都不处于状态0和1时，在N_i中选择节点号最小的节点作为支配节点，状态转移为1。如图1所示，状态2灰色通过步骤(5)转化为状态1黑色。节点状态号为3的节点为支配节点，其余的都为一般的被支配节点。无线传感器网络中的骨干节点数量得到进一步减少。

步骤(6)通过邻居节点间定期的收发消息检测到节点i无响应，则判定i处于故障状态，节点i的一跳邻居节点N_i中非支配节点j依据各自的2跳信息表判断N_i中距离最近的节点作为替代故障节点A_S。

步骤(7)判断N_i中是否存在非支配节点，若不存在则选择节点度最小且距离最近的支配节点作为替换节点A_S。最终选择的节点号用S表示：

D_s＝min(d_i1,d_i2,d_i3,…,d_in)

D_s是最佳替代节点S到故障节点的距离，是从d_in中选择最小的值。其中d_ij可以从节点的坐标中计算出来：

其中i代表故障节点号，可以取值网络中任意节点号，j为故障节点的邻节点。如图2(a)所示，A1节点发生故障，引发A2、A7所在区与N7、N9所在区节点间的通信链路中断，如图2(b)所示，从A2、A7、N9、N7中选择最近的非关键节点N9作为最佳替代节点，以及图3(a)所示，A4发生故障，引发A5、N19与A3的通信链路断开，由于A4邻节点中没有非支配节点，则选择距离最近的支配节点A3作为最佳替代节点。

步骤(8)迁移在步骤(7)中计算出的最佳替代节点到故障节点的位置，更新节点坐标位置，发送消息给周围节点建立邻居关系。故障节点引起的连通性丢失问题得到解决。如图3替换节点的示意图，A4节点发生故障，由步骤(7)计算出最佳替代节点为A3。

步骤(9)迁移A3后的网络仍然处于分区状态，如图3(b)所示，接着执行步骤(2)的动作，更新节点状态信息并生成最新的连通支配集，在节点A3原有一跳节点中选择距离最近的非支配节点N11作为替代节点，迁移节点后网络的连通性得到恢复，任意节点可以通过支配集中的节点相互通信，如图3(c)所示。

图4为本发明的整体流程图，首先在一个初始网络中生成连通支配集，对节点进行状态设置，包括步骤(1)；接着利用有限状态机模型进行骨干节点的筛选，确定每个节点是否为割点，包括步骤(2)、(3)、(4)、(5)；步骤(6)对发生故障的节点进行关键性判断，若是关键节点进行选择替代节点过程，包括步骤(7)；迁移选择的替换节点，之后判断这个迁移节点是否为关键节点，若是则返回步骤(6),若不是则进行节点状态信息更新，发送消息给周围节点，建立关系，完成连通性恢复包括步骤(8)、(9)。

Claims (1)

1.一种无线传感网络连通性恢复方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤(1)在初始的无线传感网络中，利用现有的泛洪信息方法生成一个包含网络骨干节点的连通支配集CDS，每个节点根据是否包含在CDS中设置自己的节点状态信息，是支配节点则状态号设置为3，状态颜色标记为黑色，是非支配节点则状态号设置为2，状态颜色对应为灰色，状态3是一种稳定的支配节点状态，状态2是一中稳定的非支配节点状态；

步骤(2)支配节点向周围的邻居节点发送消息包，若没有收到所有相邻节点的回复消息，则进行状态转移，更改状态号为0，颜色标记为白色，这样的节点处于不稳定状态，有可能转化成支配节点，也有可能转化成非支配节点；

步骤(3)若节点i处于状态0，向一跳邻节点N_i发送状态信息；当对任意的两个节点V，U∈N_i，有V∈N_u，则节点i标记为是非支配节点，状态号为2，否则节点标记为不稳定的状态号1；

步骤(4)当节点i处于状态1，而且所有邻居节点N_i都不为状态0时，节点若满足条件：1)V为黑色节点，且D_i≤D_v；2)V1,V2∈N_i并且是两个黑色互连节点，且i＝Del(V1,V2,i)；则节点状态转移为2，否则转移为状态3，减少网络中状态不稳定的节点，使每个网络节点确定自己的支配信息；

步骤(5)当网络节点i处于状态2时，且所有邻居节点N_i都不处于状态0和1时，在N_i中选择节点号最小的节点作为支配节点，状态转移为1；节点状态号为3的节点为支配节点，其余的都为一般的被支配节点，进一步减少无线传感器网络中的骨干节点数量；

步骤(6)通过节点间的下一跳信息检测到节点i处于故障状态，节点i的一跳邻居节点N_i中非支配节点j依据各自的2跳信息表判断N_i中距离最近的节点作为替代故障节点A_S；

步骤(7)判断N_i中是否存在非支配节点，若不存在则选择节点度最小且距离最近的支配节点作为替换节点A_S。最终选择的节点号用S表示：

D_s＝min(d_i1,d_i2,d_i3,…,d_in)

D_s是最佳替代节点S到故障节点的距离，是从d_in中选择最小的值。其中d_ij可以从节点的坐标中计算出来：

$d_{ij}=\sqrt{{(X_i-X_j)}^2+{(Y_i-Y_j)}^2},\∀i=1,2,3,...,n$

其中i代表故障节点号，可以取值网络中任意节点号，j为故障节点的邻节点；步骤(8)迁移在步骤(7)中计算出的最佳替代节点到故障节点的位置，更新节点物理坐标位置，发送消息给周围节点建立邻居关系；

步骤(9)迁移替代节点后网络若仍然处于分区状态，则计算并保存此替换节点的原有位置信息，在替换节点原有一跳节点中选择距离最近的非支配节点作为替代节点，迁移此节点到保存位置，网络的连通性得到恢复，任意节点可以与骨干网络节点相互通信，执行步骤(2)的动作，发送消息给周围节点更新节点状态。