CN107708170A - 一种基于四边形斯坦纳树的网络避障、连通、恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于四边形斯坦纳树的网络避障、连通、恢复方法，属于无线传感器网络连通技术领域。本方法充分考虑到现有的技术没有考虑网络连通恢复中的障碍物问题，此算法首先探测出各分区并确定各分区的代表节点及其位置，然后寻找合适的四边形连接分割的网络分区，确定这些四边形的斯坦纳点；最后沿着斯坦纳树的边在相应位置布置中继节点，实现网络连通的恢复；如果发现的位置位于障碍物的区域，则中继节点将被放置到最接近所找到位置的边界位置，如果网络仍然不能连通，则根据左手规则从上述节点位置开始，沿障碍物的边界将中继节点部署在适当位置，最终实现整个网络恢复连通。

Description

一种基于四边形斯坦纳树的网络避障、连通、恢复方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络连通技术领域，涉及一种基于四边形斯坦纳树的网络避障、连通、恢复方法。

背景技术

随着电子技术的飞速发展，无线传感器网络WSN(wireless sensor network)已经得到越来越广泛的应用，并且WSN真正实现了无处不在的理念，因此不管是在民用还是特殊行业，特别是在一些恶劣环境下如矿井监测、环境监测、军事侦查、水下监测、海岸线监测和目标跟踪等方面得到广泛应用。由于传感器自身资源的限制，其能量有限，并且在恶劣环境下很容易被损坏，而在WSN中网络的连通性非常重要，特别是在如军事、环境监测等行业中有可能由于网络的损坏导致不可估量的损失，因此在出现网络分割时能否及时准确地恢复网络连通非常重要。

在网络遭到大规模损坏时，最关键的问题是如何部署或移动最少的节点到关键的位置恢复网络的连通，此问题已被证明是NP问题，因此几乎所有文献在解决这一问题时都采用启发式算法寻找部署位置，其中最常见是斯坦纳最小树SMT(Steiner Minimum Tree)算法，此算法在很多情况下会退化为最小生成树算法MST_1TRNP(Minimum Spanning Treebased on a Single-tiered Relay Node Placement)。最近也有很多研究者提出了其他一些近似算法部署中继节点，如基于特定的蜘蛛网式模型、网格模型CORP(Cell-basedOptimized Relay node Placement)布置中继节点，基于斯坦纳三角近似算法FeSTA(Federating network Segments via Triangular steiner tree Approximation)布置中继节点等。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种基于四边形斯坦纳树的网络避障、连通、恢复方法，本发明所要解决的技术问题是用以减少了连通恢复中所需中继节点的数量，并且恢复后的拓扑结构中节点的连通度更高，容错性更好。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于四边形斯坦纳树的网络避障、连通、恢复方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一：获取无线网络被破坏后各个分离分区的信息，把各个分离的分区假设为点；

步骤二：将所有可能连接各个分区的四边形列举出来，从小到大寻找符合求解四边形斯坦纳点要求的四边形，找出相应的斯坦纳点，通过布置相应中继节点使此四个分区实现连通；

步骤三：如果发现的位置位于障碍物的区域，则中继节点将被放置到最接近所找到位置的边界位置，如果网络仍然不能连接，则中继节点将根据左手规则从上述节点开始的障碍物的边界来定位适当的位置；

步骤四：用上述同样方法继续寻找其他四边形连接四个分区；

步骤五：对不能用四边形方法连接的各连接部分用基于斯坦纳三角近似算法(FeSTA)或最小生成树算法(MST_1TRNP)布置中继节点到相应的位置，实现整个网络连通。

进一步的，获取无线网络被破坏后各个分离分区的信息为探测孤立的分区及找到每个分区的代表传感器节点。

进一步的，在所述步骤一中，分区探测与代表节点确定的方法为：

使用构造连通支配集的方法构造出每个孤立分区的连通子树，每个未被损坏的节点从而可以确定自己属于的分区并了解分区的信息。对于每个孤立的分区，我们取连通子树中节点度最大(邻居节点最多)的节点作为每个分区的代表节点。

进一步的，在所述步骤二中，求解四边形斯坦纳点的具体方法为：

先必须保证四边形为凸非退化型四边形，再根据波拉克定理确定较短的一棵树，即θ≤90°的区域，然后分别四边形相对的两条向外作正三角形，并连接两个正三角形的另外两个顶点，最后再分别做正三角形的外接圆，与直线另外两顶点连线分别相交于两点，则这两点即为所求斯坦纳点。

进一步的，在所述步骤二中，布置中继节点的方法为：先在得到的斯坦纳点上布置一个中继节点，然后根据通信半径沿着斯坦纳树边布置中继节点，直到四边形四个顶点代表的分区标记为已经连接。

进一步的，在所述步骤三中，在障碍物区域布置中继节点的方法是：

将中继节点放置到最接近所找到位置的边界位置，尝试连接两端节点，如果连接不成功，则根据左手规则向左探索次接近所找到位置的边界位置布置节点继续尝试连接，如果连接不成功则继续探索，以此类推。

进一步的，在所述步骤五中如四边形一样需要找到斯坦纳点。

进一步的，在所述步骤五中找到三角形斯坦纳点的方法是：

分别对三角形任意两边向外作等边三角形，然后再对每个等边三角形做外接圆，则两个外接圆在三角形内部的交点即为斯坦纳点。

附图说明

图1是本发明中基于四边形斯坦纳树的无线传感器网络的避障连通恢复方法的流程图。

图2是本实施例的步骤二中四边形斯坦纳点的示例图。

图3是本实施例的步骤五中寻找三角形斯坦纳点的示例图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

由图1可知，本发明提供的基于四边形斯坦纳树的无线传感器网络的避障连通恢复方法，包括下述步骤：

步骤一：获取无线网络被破坏后各个分离分区的信息，把各个分离的分区假设为点,具体方法为：首先使用相关的分簇算法选取簇头节点，然后簇头节点广播消息给其邻居节点，经过一段收敛时间后收到各邻居节点的回复消息，根据收到的回复消息(其中包含邻居节点的位置信息)取距离此簇头节点最远的邻居节点作为支配节点。相应的支配节点继续执行上述过程，最终可以确定每个孤立分区的支配集，进而形成多个连通子树。最后取连通子树中节点度最大(邻居节点最多)的节点作为每个分区的代表节点，若有多个度相同的节点，则取ID小的节点作为代表节点。；

步骤二：将所有可能连接各个分区的四边形列举出来，从小到大寻找符合求解四边形斯坦纳点要求的四边形，找出相应的斯坦纳点，通过布置相应中继节点使此四个分区实现连通；

本步骤二中求解四边形斯坦纳点的具体方法举例如下：

如图2所示，先必须保证四边形为凸非退化型四边形，再根据波拉克定理确定较短的一棵树，即θ≤90°的区域，然后分别对图1中的边AD和BC向外作正三角形ADE和BCF，并连接两个正三角形的另外两个顶点E和F，最后再分别做正三角形ADE和BCF的外接圆，与直线EF分别相交于G和H两点，则G和H即为所求斯坦纳点。

步骤三：如果发现的位置位于障碍物的区域，则中继节点将被放置到最接近所找到位置的边界位置，如果网络仍然不能连接，则中继节点将根据左手规则从上述节点开始的障碍物的边界来定位适当的位置；

步骤四：用上述同样方法继续寻找其他四边形连接四个分区；

步骤五：对不能用四边形方法连接的各连接部分用基于斯坦纳三角近似算法(FeSTA)或最小生成树算法(MST_1TRNP)布置中继节点到相应的位置，实现整个网络连通。

例如：分别对三角形任意两边向外作等边三角形，然后再对每个等边三角形做外接圆，则两个外接圆在三角形内部的交点即为斯坦纳点。如图3所示，该图即为构造三角形中斯坦纳点的示意图，其中F点即为此三角形的斯坦纳点。

优选的，在步骤二中判断四边形是否属于符合斯坦纳点要求的方法为：

首先从某点出发连接四边形两个相邻点i和i+1，得到一直线方程，然后将其它两点的横坐标值代入上述直线方程，得到一纵坐标值，通过比较得到的值与此点的纵坐标值，从而判断此点在上述直线的哪一侧，如此也可判断另一点在直线的哪一侧，若两点不在上述直线两侧则为凹四边形，直接结束判断；否则继续上述判断，直到四边形四个相邻节点均进行判断，都在直线两侧，则此四边形为凸四边形，调用波拉克定理判断函数确定斯坦纳点应由哪两条边确定，对这两条边分别向外作等边三角形，得到上述两个等边三角形外面的两个点的坐标值；根据上面两个坐标值得到经过此两点的直线方程；然后分别判断四个顶点在直线的哪一侧，若有三个顶点在同一侧则为非退化型四边形，否则为退化型四边形。

在步骤二中求解四边形斯坦纳点的方法是：

首先根据波拉克定理判断函数，找到所需要的两条边，从而得到这两条边两个端点的坐标。假设其中一条边两点坐标为(x1,y1)和(x2,y2)；先求出两点间的夹角:

tanα＝(y₂-y₁)/(x₂-x₁) (1)

从而得到：

α＝tan^-1(y₂-y₁)/(x₂-x₁) (2)

根据两点坐标可求得两点间距离：

从而求得等边三角形的另一点坐标：

x₃＝x₁+L*cos(α+60°) (4)

y₃＝y₁+L*cos(α+60°) (5)

用同样的方法可得到另外一边向外作等边三角形后的坐标假设为(x4,y4)；从而可以求得此四边形中所需布置的总节点个数为：

根据上面所求的两个点坐标，可以求得此四边形对应的两个斯坦纳点坐标，假设其中一个所求斯坦纳点坐标为(x6,y6)，首先根据等边三角形三个已知坐标，求的其外接圆的圆心坐标为：

x₅＝(x₁+x₂+x₃)/3 (7)

y₅＝(y₁+y₂+y₃)/3 (8)

然后根据上面求得的两个边向外作等边三角形求得的两点坐标求得此直线斜率为：

(y₄-y₃)/(x₄-x₃) (9)

又因为斯坦纳点在此直线上故有下式成立:

(y₆-y₄)/(x₆-x₄)＝(y₄-y₃)/(x₄-x₃) (10)

再有圆心坐标与此点距离为圆的半径，圆的半径r很容易可计算出：

又已知下式成立：

联立(10)(11)(12)式即可求得坐标(x6,y6)的值；用同样方法可以求得四边形中另外一个斯坦纳点的坐标(x7,y7)，最后再根据求得的这两个斯坦纳点坐标及四边形四个顶点的坐标和传感器节点的通信半径R，即可求得所要布置节点的坐标位置。

通过本发明提出的基于四边形斯坦纳树的无线传感器网络的避障连通恢复的步骤如下：

步骤一：获取无线网络被破坏后各个分离分区的信息，把各个分离的分区假设为点；

步骤二：将所有可能连接各个分区的四边形列举出来，从小到大寻找符合求解四边形斯坦纳点要求的四边形，找出相应的斯坦纳点，通过布置相应中继节点使此四个分区实现连通；

步骤三：如果发现的位置位于障碍物的区域，则中继节点将被放置到最接近所找到位置的边界位置，如果网络仍然不能连接，则中继节点将根据左手规则从上述节点开始的障碍物的边界来定位适当的位置；

步骤四：用上述同样方法继续寻找其他四边形连接四个分区；

步骤五：对不能用四边形方法连接的各连接部分用基于斯坦纳三角近似算法(FeSTA)或最小生成树算法(MST_1TRNP)布置中继节点到相应的位置，实现整个网络连通。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种基于四边形斯坦纳树的网络避障、连通、恢复方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一：获取无线网络被破坏后各个分离分区的信息，把各个分离的分区假设为点；

步骤二：将所有可能连接各个分区的四边形列举出来，从小到大寻找符合求解四边形斯坦纳点要求的四边形，找出相应的斯坦纳点，通过布置相应中继节点使此四个分区实现连通；

步骤三：如果发现的位置位于障碍物的区域，则中继节点将被放置到最接近所找到位置的边界位置，如果网络仍然不能连接，则中继节点将根据左手规则从上述节点开始的障碍物的边界来定位适当的位置；

步骤四：用上述同样方法继续寻找其他四边形连接四个分区；

步骤五：对不能用四边形方法连接的各连接部分用基于斯坦纳三角近似算法(FeSTA)或最小生成树算法(MST_1TRNP)布置中继节点到相应的位置，实现整个网络连通。

2.根据权利要求1所述一种基于四边形斯坦纳树的网络避障、连通、恢复方法，其特征在于，在所述步骤一中无线网络被破坏后获各分区的信息并将分区抽象为点。

3.根据权利要求2所述一种基于四边形斯坦纳树的网络避障、连通、恢复方法，其特征在于，在所述步骤一中获取分区信息和代表节点确定的方法为：

使用构造连通支配集的方法构造出每个孤立分区的连通子树，每个未被损坏的节点从而可以确定自己属于的分区并了解分区的信息。对于每个孤立的分区，我们取连通子树中节点度最大(邻居节点最多)的节点作为每个分区的代表节点。

4.根据权利要求3所述一种基于四边形斯坦纳树的网络避障、连通、恢复方法，其特征在于，在所述步骤二中寻找四边形斯坦纳点的方法是：

先必须保证四边形为凸非退化型四边形，再根据波拉克定理确定较短的一棵树，即θ≤90°的区域，然后分别四边形相对的两条向外作正三角形，并连接两个正三角形的另外两个顶点，最后再分别做正三角形的外接圆，与直线另外两顶点连线分别相交于两点，则这两点即为所求斯坦纳点。

5.根据权利要求4所述一种基于四边形斯坦纳树的网络避障、连通、恢复方法，其特征在于，在所述步骤三中布置节点方法为：

将中继节点放置到最接近所找到位置的边界位置，尝试连接两端节点，如果连接不成功，则根据左手规则向左探索次接近所找到位置的边界位置布置节点继续尝试连接，如果连接不成功则继续探索，以此类推。

6.根据权利要求5所述一种基于四边形斯坦纳树的网络避障、连通、恢复方法，其特征在于，在所述步骤五中寻找三角形斯坦纳点的方法是：

分别对三角形任意两边向外作等边三角形，然后再对每个等边三角形做外接圆，则两个外接圆在三角形内部的交点即为斯坦纳点。