CN108650680B - 一种基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法 - Google Patents

一种基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法，首先基于现有方法得到的覆盖空洞边界，根据感知节点相对空洞的权重选择移动备用节点，利用相邻感知节点的波达角信息判断修复节点所处位置并计算出前进方向并引导节点进入空洞。在空洞中，修复节点根据节点间连通信息和波达角信息移动至理想位置进行修复并更新空洞边界，不断迭代进行以上过程直至空洞消失。该方法的优点在于：一方面本方法不依赖于节点的位置信息或节点间的距离信息，能够应用于上述信息不明的场景；另一方面对比同类型的修复方法，本方法的计算复杂度较低。

Description

一种基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法
技术领域
本发明涉及一种基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
无线传感器网络(WSNs，Wireless Sensor Networks)的实际应用中，因各种不可控的因素影响，目标区域不可避免的会出现覆盖空洞，这些因素可能是源于无线传感器节点本身的有限能量和不可靠性，也可能来自外部非人为或人为的破坏。为了维持目标区域的全覆盖，空洞修复方法必不可少。
现存的WSNs空洞修复方法大多需要精确的节点位置信息，这可以通过GPS或其他方法获得但在很多情况下位置信息的获得存在困难且精度难以达到方法实现的需求。还有一些方法需要精确的节点间相对距离信息，而距离信息在WSNs中的精度同样难以保证，这种类型同样在可行性方面有所欠缺。另有少部分方法仅以节点间是否可通信，即只需求节点间连通信息支持来实施空洞修复，但这些方法通常因为无法调动移动节点，不能解决在随机布置的WSNs中节点密度不均而带来的覆盖空洞问题。还有部分这类型的方法通过大量的投放修复节点以量取胜，实施起来的效率与实际效果无法保证。因此，在位置信息和相对距离信息不明的环境下的空洞修复策略还有待研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法，利用邻近节点间相对角度信息进行WSNs覆盖空洞修复，在维护原来无空洞区域不产生新空洞的前提下，尽可能减少空洞修复工作的资源需求，以及增强空洞修复效果。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法，所述无线传感器网络中包含各个固定设置的感知节点，以及具有移动能力的各个移动备用节点，并且各个节点的通信半径RC为其感知半径RS的2倍；所述空洞修复方法包括如下步骤：
步骤A.针对无线传感器网络构建Rips复形，并对Rips复形进行检测，判断是否存在空洞，是则获得无线传感器网络中各个空洞边界，然后进入步骤B；否则无线传感器网络空洞修复结束；
步骤B.分别针对各个空洞，获得空洞分别相对各个感知节点的最小跳数，作为该空洞分别相对各个感知节点的权重，然后进入步骤C；
步骤C.分别针对各个空洞，执行如下步骤C1至步骤C6，然后返回步骤A；
步骤C1.根据空洞边界上感知节点的数量N，依次针对相对该空洞权重由低至高顺序的各个感知节点，随机选择感知节点通信半径范围内的各个移动备用节点，获得N个移动备用节点，更新作为N个待使用移动备用节点，并进入步骤C2；
步骤C2.协调该空洞所选择的待使用移动备用节点与其它空洞所选择的待使用移动备用节点，保证各空洞分别所选择的待使用移动备用节点彼此均互不相同，且各空洞所选择待使用移动备用节点的数量分别与该空洞边界上感知节点的数量相等，然后将该空洞所选择的待使用移动备用节点，作为该空洞所对应的待使用移动备用节点，并进入步骤C3；
步骤C3.分别针对该空洞所对应的各个待使用移动备用节点，根据与待使用移动备用节点相邻各个感知节点的波达角信息，以及与该待使用移动备用节点相邻各个感知节点之间的连通信息，基于Rips复形结构，判断该待使用移动备用节点位于该空洞内或该空洞外，即获得该空洞所对应各个待使用移动备用节点分别位于该空洞内或该空洞外，然后判断是否存在该空洞所对应、且位于该空洞外的待使用移动备用节点，是则进入步骤C4；否则进入步骤C6；
步骤C4.分别针对该空洞所对应、且位于该空洞外的各个待使用移动备用节点，根据与待使用移动备用节点相邻各个感知节点的波达角信息，以及与该待使用移动备用节点相邻各个感知节点之间的连通信息，获得该待使用移动备用节点趋向该空洞的趋向移动方向与趋向移动距离，并使得该待使用移动备用节点按趋向移动方向与趋向移动距离进行移动，进而实现位于该空洞外各个待使用移动备用节点分别向该空洞的移动，然后进入步骤C5；
步骤C5.分别针对该空洞所对应、并经趋向移动方向与趋向移动距离进行移动的各个待使用移动备用节点，按步骤C3方法判断待使用移动备用节点位于该空洞内或该空洞外，即获得该各个待使用移动备用节点分别位于该空洞内或该空洞外，然后判断是否存在该空洞所对应、且位于该空洞外的待使用移动备用节点，是则返回步骤C4；否则进入步骤C6；
步骤C6.依次针对该空洞所对应、且位于该空洞内的各个待使用移动备用节点，根据与待使用移动备用节点相邻各个感知节点的波达角信息，以及与该待使用移动备用节点相邻各个感知节点之间的连通信息，获得该待使用移动备用节点趋向该空洞内最优位置的最优趋向移动方向与最优趋向移动距离，并使得该待使用移动备用节点按最优趋向移动方向与最优趋向移动距离进行移动，并更新作为固定设置的修复节点，进而依次实现位于该空洞内各个待使用移动备用节点分别向该空洞内最优位置的移动，并依次更新作为固定设置的修复节点。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A中，针对无线传感器网络构建Rips复形，并采用基于同调理论的空洞边界检测算法对Rips复形进行检测，判断是否存在空洞，是则获得无线传感器网络中各个空洞边界，然后进入步骤B；否则无线传感器网络空洞修复结束。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤C2包括如下步骤：
步骤C2-1.判断该空洞所选择的N个待使用移动备用节点中，是否存在被其它空洞同时选择的待使用移动备用节点，是则由该待使用移动备用节点在被选择的各个空洞中，任选其中一个空洞保持与其的选择关系，并取消其它空洞与其的选择关系，然后进入步骤C2-2；否则将该空洞所选择的待使用移动备用节点，作为该空洞所对应的待使用移动备用节点，并进入步骤C3；
步骤C2-2.判断该空洞所选择待使用移动备用节点的数量是否等于N，是则进入步骤C3；否则依次针对相对该空洞权重由低至高顺序的各个感知节点，随机选择感知节点通信半径范围内的各个移动备用节点，更新作为待使用移动备用节点，直至该空洞所选择待使用移动备用节点的数量等于N，然后返回步骤C2-1。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤C3中，分别针对该空洞所对应的各个待使用移动备用节点，根据与待使用移动备用节点相邻各个感知节点的波达角信息，以及与该待使用移动备用节点相邻各个感知节点之间的连通信息，基于Rips复形结构，按如下判断条件，判断该待使用移动备用节点位于该空洞内或该空洞外；
空间中的待使用移动备用节点处于无线传感器网络覆盖空洞中的充分必要条件为：该待使用移动备用节点与相邻感知节点中任意两两相连的3个节点之间连线，对该待使用移动备用节点圆周角的划分中存在一个大于180度的优角。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤C4中，分别针对该空洞所对应、且位于该空洞外的各个待使用移动备用节点，根据与待使用移动备用节点相邻各个感知节点的波达角信息，以及与该待使用移动备用节点相邻各个感知节点之间的连通信息，执行如下步骤C4-1至步骤C4-2，获得该待使用移动备用节点趋向该空洞的趋向移动方向与趋向移动距离；
步骤C4-1.根据如下公式：
Figure GDA0002280740900000041
获得该待使用移动备用节点由自身当前朝向转向趋向移动方向所需要转过的角度θAR，其中，j∈{1、…、J}，J表示该待使用移动备用节点相邻各感知节点的数量，β0表示该待使用移动备用节点当前朝向的单位向量，αj表示该待使用移动备用节点指向通信范围内各感知节点的单位向量，kj表示该待使用移动备用节点相邻各感知节点相对该空洞的权重系数，按如下公式计算得到；
Figure GDA0002280740900000042
其中，
Figure GDA0002280740900000043
表示对应感知节点相对该空洞的权重系数，
Figure GDA0002280740900000044
表示该待使用移动备用节点通信范围内、相对该空洞最小权重系数；
步骤C4-2.按如下公式：
Figure GDA0002280740900000045
计算趋向移动距离d，l表示该待使用移动备用节点当前第l次趋向该空洞移动。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤C6包括如下步骤：
步骤C6-1.针对该空洞所对应、且位于该空洞内的各个待使用移动备用节点进行任意排序，然后进入步骤C6-2；
步骤C6-2.基于该空洞所对应各个待使用移动备用节点的排序，选出第一个待使用移动备用节点，更新为当前主处理移动备用节点，并在排序中删除该待使用移动备用节点，然后进入步骤C6-3；
步骤C6-3.根据与当前主处理移动备用节点相邻各个感知节点的波达角信息，以及与该当前主处理移动备用节点相邻各个感知节点之间的连通信息，获得该当前主处理移动备用节点趋向该空洞内最优位置的最优趋向移动方向与最优趋向移动距离，并使得该当前主处理移动备用节点按最优趋向移动方向与最优趋向移动距离进行移动，并更新作为固定设置的修复节点，然后进入步骤C6-4；
步骤C6-4.判断该空洞是否存在所对应的待使用移动备用节点，是则返回步骤C6-5；否则步骤C6操作结束；
步骤C6-5.基于该空洞中的修复节点，判断该空洞是否包含至少两个子空洞，是则进入步骤C6-6；否则返回步骤C6-2；
步骤C6-6.分别针对该空洞所对应的各个待使用移动备用节点，获得待使用移动备用节点分别相对各个子空洞的最小跳数，作为该待使用移动备用节点分别相对各个子空洞的权重，然后进入步骤C6-7；
步骤C6-7.基于该空洞所对应各个待使用移动备用节点的排序，选出第一个待使用移动备用节点，更新为当前子处理移动备用节点，并在排序中删除该待使用移动备用节点，然后进入步骤C6-8；
步骤C6-8.选择相对该当前子处理移动备用节点、最小权重所对应的子空洞，建立该子空洞与该当前子处理移动备用节点之间的对应关系，然后根据与当前子处理移动备用节点相邻各个感知节点的波达角信息，以及与该当前子处理移动备用节点相邻各个感知节点之间的连通信息，获得该当前子处理移动备用节点趋向该子空洞内最优位置的最优趋向移动方向与最优趋向移动距离，并使得该当前子处理移动备用节点按最优趋向移动方向与最优趋向移动距离进行移动，并更新作为固定设置的修复节点，最后返回步骤C6-4。
本发明所述一种基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明设计的基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法，其中，依赖于节点自身获得相邻感知节点波达角信息和节点间连通信息，不需要获知网络中任何节点的坐标位置信息和任意两节点间的相对距离信息；本方法建立在各个空洞的存在，以及空洞边界节点已知的前提上，利用网络中可移动的移动备用节点进行空洞修复，每个空洞都有各自独立的空洞修复流程，有效提高了修复复数空洞的时间效率，并且在移动备用节点的选择阶段优先挑选距离空洞较近的，降低移动对能量的消耗；与此同时，移动方向的引导方面对AOA误差有一定程度的容忍能力，在少量AOA接收误差的影响下，算法仍能够有序正常地运作，完成空洞修复工作；本发明设计方法与同类方法相比，本方法用相近的总体移动距离量达到了更高的覆盖率，平均值皆高于99.5％。本方法计算复杂度低，为O(n2)，其中n为内部节点的平均邻节点数。
附图说明
图1是本发明所设计基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法的流程示意图
图2是本发明所设计基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法实施例中趋近空洞示意图；
图3是本发明所设计基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法实施例中移动修复步骤示意图；
图4是本发明所设计基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法实施例中空洞边界更新示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明设计了一种基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法，所述无线传感器网络中包含各个固定设置的感知节点，以及具有移动能力的各个移动备用节点，并且各个节点的通信半径RC为其感知半径RS的2倍；所述空洞修复方法包括如下步骤：
步骤A.针对无线传感器网络构建Rips复形，并采用基于同调理论的空洞边界检测算法对Rips复形进行检测，判断是否存在空洞，是则获得无线传感器网络中各个空洞边界，然后进入步骤B；否则无线传感器网络空洞修复结束。
步骤B.分别针对各个空洞，获得空洞分别相对各个感知节点的最小跳数，作为该空洞分别相对各个感知节点的权重，然后进入步骤C。
步骤C.分别针对各个空洞，执行如下步骤C1至步骤C6，然后返回步骤A。
步骤C1.根据空洞边界上感知节点的数量N，依次针对相对该空洞权重由低至高顺序的各个感知节点，随机选择感知节点通信半径范围内的各个移动备用节点，获得N个移动备用节点，更新作为N个待使用移动备用节点，并进入步骤C2。
步骤C2.协调该空洞所选择的待使用移动备用节点与其它空洞所选择的待使用移动备用节点，保证各空洞分别所选择的待使用移动备用节点彼此均互不相同，且各空洞所选择待使用移动备用节点的数量分别与该空洞边界上感知节点的数量相等，然后将该空洞所选择的待使用移动备用节点，作为该空洞所对应的待使用移动备用节点，并进入步骤C3。
上述步骤C2具体包括如下步骤：
步骤C2-1.判断该空洞所选择的N个待使用移动备用节点中，是否存在被其它空洞同时选择的待使用移动备用节点，是则由该待使用移动备用节点在被选择的各个空洞中，任选其中一个空洞保持与其的选择关系，并取消其它空洞与其的选择关系，然后进入步骤C2-2；否则将该空洞所选择的待使用移动备用节点，作为该空洞所对应的待使用移动备用节点，并进入步骤C3。
步骤C2-2.判断该空洞所选择待使用移动备用节点的数量是否等于N，是则进入步骤C3；否则依次针对相对该空洞权重由低至高顺序的各个感知节点，随机选择感知节点通信半径范围内的各个移动备用节点，更新作为待使用移动备用节点，直至该空洞所选择待使用移动备用节点的数量等于N，然后返回步骤C2-1。
步骤C3.分别针对该空洞所对应的各个待使用移动备用节点，根据与待使用移动备用节点相邻各个感知节点的波达角信息，以及与该待使用移动备用节点相邻各个感知节点之间的连通信息，基于Rips复形结构，按如下判断条件：
空间中的待使用移动备用节点处于无线传感器网络覆盖空洞中的充分必要条件为：该待使用移动备用节点与相邻感知节点中任意两两相连的3个节点之间连线，对该待使用移动备用节点圆周角的划分中存在一个大于180度的优角。
实现判断该待使用移动备用节点位于该空洞内或该空洞外，即获得该空洞所对应各个待使用移动备用节点分别位于该空洞内或该空洞外，然后判断是否存在该空洞所对应、且位于该空洞外的待使用移动备用节点，是则进入步骤C4；否则进入步骤C6。
步骤C4.分别针对该空洞所对应、且位于该空洞外的各个待使用移动备用节点，根据与待使用移动备用节点相邻各个感知节点的波达角信息，以及与该待使用移动备用节点相邻各个感知节点之间的连通信息，其中，如图2所示，首先待使用移动备用节点获得通信范围(即虚线圈)内的感知节点的波达角信息，然后执行如下步骤C4-1至步骤C4-2。
步骤C4-1.根据如下公式：
Figure GDA0002280740900000071
获得该待使用移动备用节点由自身当前朝向转向趋向移动方向所需要转过的角度θAR，其中，j∈{1、…、J}，J表示该待使用移动备用节点相邻各感知节点的数量，β0表示该待使用移动备用节点当前朝向的单位向量，αj表示该待使用移动备用节点指向通信范围内各感知节点的单位向量，kj表示该待使用移动备用节点相邻各感知节点相对该空洞的权重系数，按如下公式计算得到；
Figure GDA0002280740900000072
其中，
Figure GDA0002280740900000073
表示对应感知节点相对该空洞的权重系数，
Figure GDA0002280740900000074
表示该待使用移动备用节点通信范围内、相对该空洞最小权重系数；
步骤C4-2.按如下公式：
Figure GDA0002280740900000081
计算趋向移动距离d，l表示该待使用移动备用节点当前第l次趋向该空洞移动。
获得该待使用移动备用节点趋向该空洞的趋向移动方向与趋向移动距离，并使得该待使用移动备用节点按趋向移动方向与趋向移动距离进行移动，进而实现位于该空洞外各个待使用移动备用节点分别向该空洞的移动，然后进入步骤C5。
步骤C5.分别针对该空洞所对应、并经趋向移动方向与趋向移动距离进行移动的各个待使用移动备用节点，按步骤C3方法判断待使用移动备用节点位于该空洞内或该空洞外，即获得该各个待使用移动备用节点分别位于该空洞内或该空洞外，然后判断是否存在该空洞所对应、且位于该空洞外的待使用移动备用节点，是则返回步骤C4；否则进入步骤C6。
步骤C6.依次针对该空洞所对应、且位于该空洞内的各个待使用移动备用节点，根据与待使用移动备用节点相邻各个感知节点的波达角信息，以及与该待使用移动备用节点相邻各个感知节点之间的连通信息，获得该待使用移动备用节点趋向该空洞内最优位置的最优趋向移动方向与最优趋向移动距离，并使得该待使用移动备用节点按最优趋向移动方向与最优趋向移动距离进行移动，并更新作为固定设置的修复节点，进而依次实现位于该空洞内各个待使用移动备用节点分别向该空洞内最优位置的移动，并依次更新作为固定设置的修复节点。
上述步骤C6具体包括如下步骤：
步骤C6-1.针对该空洞所对应、且位于该空洞内的各个待使用移动备用节点进行任意排序，然后进入步骤C6-2。
步骤C6-2.基于该空洞所对应各个待使用移动备用节点的排序，选出第一个待使用移动备用节点，更新为当前主处理移动备用节点，并在排序中删除该待使用移动备用节点，然后进入步骤C6-3。
步骤C6-3.根据与当前主处理移动备用节点相邻各个感知节点的波达角信息，以及与该当前主处理移动备用节点相邻各个感知节点之间的连通信息，获得该当前主处理移动备用节点趋向该空洞内最优位置的最优趋向移动方向与最优趋向移动距离，并使得该当前主处理移动备用节点按最优趋向移动方向与最优趋向移动距离进行移动，并更新作为固定设置的修复节点，然后进入步骤C6-4。
步骤C6-4.判断该空洞是否存在所对应的待使用移动备用节点，是则返回步骤C6-5；否则步骤C6操作结束。
步骤C6-5.基于该空洞中的修复节点，判断该空洞是否包含至少两个子空洞，是则进入步骤C6-6；否则返回步骤C6-2。
步骤C6-6.分别针对该空洞所对应的各个待使用移动备用节点，获得待使用移动备用节点分别相对各个子空洞的最小跳数，作为该待使用移动备用节点分别相对各个子空洞的权重，然后进入步骤C6-7。
步骤C6-7.基于该空洞所对应各个待使用移动备用节点的排序，选出第一个待使用移动备用节点，更新为当前子处理移动备用节点，并在排序中删除该待使用移动备用节点，然后进入步骤C6-8。
步骤C6-8.选择相对该当前子处理移动备用节点、最小权重所对应的子空洞，建立该子空洞与该当前子处理移动备用节点之间的对应关系，然后根据与当前子处理移动备用节点相邻各个感知节点的波达角信息，以及与该当前子处理移动备用节点相邻各个感知节点之间的连通信息，获得该当前子处理移动备用节点趋向该子空洞内最优位置的最优趋向移动方向与最优趋向移动距离，并使得该当前子处理移动备用节点按最优趋向移动方向与最优趋向移动距离进行移动，并更新作为固定设置的修复节点，最后返回步骤C6-4。
步骤C6中，针对位于该空洞内的各个待使用移动备用节点，对于其中最优趋向移动方向与最优趋向移动距离，具体按如下代码执行，进行获得。
Figure GDA0002280740900000091
Figure GDA0002280740900000101
本发明所设计基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法，具体实际应用中，修复步骤分为两个部分。第一个部分为移动修复步骤，如图3所示，图中灰色阴影区域表示空洞区域的一部分，b0和b1标注的三角形是空洞边界上两个相邻的感知节点，以它们为圆心的两个圆是各自的通信范围，f为待使用移动备用节点，对应黑点表示待使用移动备用节点f进入修复阶段的初始位置，箭头显示修复阶段的移动路径，其他黑点则为每步移动完成后到达的位置。f首先沿着与b0b1所夹角的角平分线方向，即第一个箭头方向前进直至到达b1的通信范围边界，此时再次计算f与b0b1所夹角的角平分线方向、并取与其垂直的方向即第二个箭头方向前进，直至到达b0的通信范围边界，最后再次计算f与b0b1所夹角的角平分线方向、并取与其垂直的方向，即第三个箭头方向前进直至到达b1的通信范围边界，这一位置就是移动修复步骤最终到达的点。第二个部分为空洞边界更新步骤，如图4所示，图中原空洞为v0、v1、v2、v3、v4、v5、v6、v7、v8构成的闭环围成的空洞，即图左黑色实线标识的环，待使用移动备用节点f加入感知节点集合S后可以与v1、v2、v3、v6、v7通信，更新为修复节点，图左蓝色虚线即表示f与空洞节点间的通信关系，因此空洞将如图右所示一分为二，一个是v3、v4、v5、v6、f围成的空洞，另一个是v0、v1、f、v7、v8围成的空洞，本方法中的空洞边界更新部分就是实现空洞边界集合自发完成边界成员以及空洞拓扑的更新，以便下一轮空洞修复进行。
上述技术方案所设计基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法，其中，依赖于节点自身获得相邻感知节点波达角信息和节点间连通信息，不需要获知网络中任何节点的坐标位置信息和任意两节点间的相对距离信息；本方法建立在各个空洞的存在，以及空洞边界节点已知的前提上，利用网络中可移动的移动备用节点进行空洞修复，每个空洞都有各自独立的空洞修复流程，有效提高了修复复数空洞的时间效率，并且在移动备用节点的选择阶段优先挑选距离空洞较近的，降低移动对能量的消耗；与此同时，移动方向的引导方面对AOA误差有一定程度的容忍能力，在少量AOA接收误差的影响下，算法仍能够有序正常地运作，完成空洞修复工作；本发明设计方法与同类方法相比，本方法用相近的总体移动距离量达到了更高的覆盖率，平均值皆高于99.5％。本方法计算复杂度低，为O(n2)，其中n为内部节点的平均邻节点数。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法，其特征在于：所述无线传感器网络中包含各个固定设置的感知节点，以及具有移动能力的各个移动备用节点，并且各个节点的通信半径RC为其感知半径RS的2倍；所述空洞修复方法包括如下步骤：
步骤A.针对无线传感器网络构建Rips复形，并对Rips复形进行检测，判断是否存在空洞，是则获得无线传感器网络中各个空洞边界，然后进入步骤B；否则无线传感器网络空洞修复结束；
步骤B.分别针对各个空洞，获得空洞分别相对各个感知节点的最小跳数，作为该空洞分别相对各个感知节点的权重，然后进入步骤C；
步骤C.分别针对各个空洞，执行如下步骤C1至步骤C6，然后返回步骤A；
步骤C1.根据空洞边界上感知节点的数量N，依次针对相对该空洞权重由低至高顺序的各个感知节点，随机选择感知节点通信半径范围内的各个移动备用节点，获得N个移动备用节点，更新作为N个待使用移动备用节点，并进入步骤C2；
步骤C2.协调该空洞所选择的待使用移动备用节点与其它空洞所选择的待使用移动备用节点，保证各空洞分别所选择的待使用移动备用节点彼此均互不相同，且各空洞所选择待使用移动备用节点的数量分别与该空洞边界上感知节点的数量相等，然后将该空洞所选择的待使用移动备用节点，作为该空洞所对应的待使用移动备用节点，并进入步骤C3；
步骤C3.分别针对该空洞所对应的各个待使用移动备用节点，根据与待使用移动备用节点相邻各个感知节点的波达角信息，以及与该待使用移动备用节点相邻各个感知节点之间的连通信息，基于Rips复形结构，判断该待使用移动备用节点位于该空洞内或该空洞外，即获得该空洞所对应各个待使用移动备用节点分别位于该空洞内或该空洞外，然后判断是否存在该空洞所对应、且位于该空洞外的待使用移动备用节点，是则进入步骤C4；否则进入步骤C6；
步骤C4.分别针对该空洞所对应、且位于该空洞外的各个待使用移动备用节点，根据与待使用移动备用节点相邻各个感知节点的波达角信息，以及与该待使用移动备用节点相邻各个感知节点之间的连通信息，获得该待使用移动备用节点趋向该空洞的趋向移动方向与趋向移动距离，并使得该待使用移动备用节点按趋向移动方向与趋向移动距离进行移动，进而实现位于该空洞外各个待使用移动备用节点分别向该空洞的移动，然后进入步骤C5；
步骤C5.分别针对该空洞所对应、并经趋向移动方向与趋向移动距离进行移动的各个待使用移动备用节点，按步骤C3方法判断待使用移动备用节点位于该空洞内或该空洞外，即获得该各个待使用移动备用节点分别位于该空洞内或该空洞外，然后判断是否存在该空洞所对应、且位于该空洞外的待使用移动备用节点，是则返回步骤C4；否则进入步骤C6；
步骤C6.依次针对该空洞所对应、且位于该空洞内的各个待使用移动备用节点，根据与待使用移动备用节点相邻各个感知节点的波达角信息，以及与该待使用移动备用节点相邻各个感知节点之间的连通信息，获得该待使用移动备用节点趋向该空洞内最优位置的最优趋向移动方向与最优趋向移动距离，并使得该待使用移动备用节点按最优趋向移动方向与最优趋向移动距离进行移动，并更新作为固定设置的修复节点，进而依次实现位于该空洞内各个待使用移动备用节点分别向该空洞内最优位置的移动，并依次更新作为固定设置的修复节点。
2.根据权利要求1所述一种基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法，其特征在于，所述步骤A中，针对无线传感器网络构建Rips复形，并采用基于同调理论的空洞边界检测算法对Rips复形进行检测，判断是否存在空洞，是则获得无线传感器网络中各个空洞边界，然后进入步骤B；否则无线传感器网络空洞修复结束。
3.根据权利要求1所述一种基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法，其特征在于，所述步骤C2包括如下步骤：
步骤C2-1.判断该空洞所选择的N个待使用移动备用节点中，是否存在被其它空洞同时选择的待使用移动备用节点，是则由该待使用移动备用节点在被选择的各个空洞中，任选其中一个空洞保持与其的选择关系，并取消其它空洞与其的选择关系，然后进入步骤C2-2；否则将该空洞所选择的待使用移动备用节点，作为该空洞所对应的待使用移动备用节点，并进入步骤C3；
步骤C2-2.判断该空洞所选择待使用移动备用节点的数量是否等于N，是则进入步骤C3；否则依次针对相对该空洞权重由低至高顺序的各个感知节点，随机选择感知节点通信半径范围内的各个移动备用节点，更新作为待使用移动备用节点，直至该空洞所选择待使用移动备用节点的数量等于N，然后返回步骤C2-1。
4.根据权利要求1所述一种基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法，其特征在于，所述步骤C3中，分别针对该空洞所对应的各个待使用移动备用节点，根据与待使用移动备用节点相邻各个感知节点的波达角信息，以及与该待使用移动备用节点相邻各个感知节点之间的连通信息，基于Rips复形结构，按如下判断条件，判断该待使用移动备用节点位于该空洞内或该空洞外；
空间中的待使用移动备用节点处于无线传感器网络覆盖空洞中的充分必要条件为：该待使用移动备用节点与相邻感知节点中任意两两相连的3个节点之间连线，对该待使用移动备用节点圆周角的划分中存在一个大于180度的优角。
5.根据权利要求1所述一种基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法，其特征在于，所述步骤C4中，分别针对该空洞所对应、且位于该空洞外的各个待使用移动备用节点，根据与待使用移动备用节点相邻各个感知节点的波达角信息，以及与该待使用移动备用节点相邻各个感知节点之间的连通信息，执行如下步骤C4-1至步骤C4-2，获得该待使用移动备用节点趋向该空洞的趋向移动方向与趋向移动距离；
步骤C4-1.根据如下公式：
Figure FDA0002303648680000031
获得该待使用移动备用节点由自身当前朝向转向趋向移动方向所需要转过的角度θAR，其中，j∈{1、…、J}，J表示该待使用移动备用节点相邻各感知节点的数量，β0表示该待使用移动备用节点当前朝向的单位向量，αj表示该待使用移动备用节点指向通信范围内各感知节点的单位向量，kj表示该待使用移动备用节点相邻各感知节点相对该空洞的权重系数，按如下公式计算得到；
Figure FDA0002303648680000032
其中，
Figure FDA0002303648680000033
表示对应感知节点相对该空洞的权重系数，
Figure FDA0002303648680000034
表示该待使用移动备用节点通信范围内、相对该空洞最小权重系数；
步骤C4-2.按如下公式：
Figure FDA0002303648680000035
计算趋向移动距离d，l表示该待使用移动备用节点当前第l次趋向该空洞移动，RC表示节点的通信距离。
6.根据权利要求1所述一种基于波达角的无线传感器网络空洞修复方法，其特征在于，所述步骤C6包括如下步骤：
步骤C6-1.针对该空洞所对应、且位于该空洞内的各个待使用移动备用节点进行任意排序，然后进入步骤C6-2；
步骤C6-2.基于该空洞所对应各个待使用移动备用节点的排序，选出第一个待使用移动备用节点，更新为当前主处理移动备用节点，并在排序中删除该待使用移动备用节点，然后进入步骤C6-3；
步骤C6-3.根据与当前主处理移动备用节点相邻各个感知节点的波达角信息，以及与该当前主处理移动备用节点相邻各个感知节点之间的连通信息，获得该当前主处理移动备用节点趋向该空洞内最优位置的最优趋向移动方向与最优趋向移动距离，并使得该当前主处理移动备用节点按最优趋向移动方向与最优趋向移动距离进行移动，并更新作为固定设置的修复节点，然后进入步骤C6-4；
步骤C6-4.判断该空洞是否存在所对应的待使用移动备用节点，是则返回步骤C6-5；否则步骤C6操作结束；
步骤C6-5.基于该空洞中的修复节点，判断该空洞是否包含至少两个子空洞，是则进入步骤C6-6；否则返回步骤C6-2；
步骤C6-6.分别针对该空洞所对应的各个待使用移动备用节点，获得待使用移动备用节点分别相对各个子空洞的最小跳数，作为该待使用移动备用节点分别相对各个子空洞的权重，然后进入步骤C6-7；
步骤C6-7.基于该空洞所对应各个待使用移动备用节点的排序，选出第一个待使用移动备用节点，更新为当前子处理移动备用节点，并在排序中删除该待使用移动备用节点，然后进入步骤C6-8；
步骤C6-8.选择相对该当前子处理移动备用节点、最小权重所对应的子空洞，建立该子空洞与该当前子处理移动备用节点之间的对应关系，然后根据与当前子处理移动备用节点相邻各个感知节点的波达角信息，以及与该当前子处理移动备用节点相邻各个感知节点之间的连通信息，获得该当前子处理移动备用节点趋向该子空洞内最优位置的最优趋向移动方向与最优趋向移动距离，并使得该当前子处理移动备用节点按最优趋向移动方向与最优趋向移动距离进行移动，并更新作为固定设置的修复节点，最后返回步骤C6-4。
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