CN109474519B - 基于最小生成树的无线传感器网络故障恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线传感器技术领域，具体涉及一种基于最小生成树的无线传感器网络故障恢复方法。首先，采用基于截深度优先算法判断网络连通性是否可被破坏；其次，基于移动代价构建最小生成树，实现故障节点的最佳邻居节点选取；在此基础上，通过级联移动算法，将最佳邻居节点移动到故障节点并选择最小生成树的节点进行下一步级联移动。采用基于最小生成树的故障恢复方法，能有效的减少节点移动的单程距离和移动节点的总距离，从而节省了恢复网络连通性的时间和有效地保证网络的安全性。

Description

基于最小生成树的无线传感器网络故障恢复方法

技术领域

本发明属于无线传感器技术领域，具体涉及一种基于最小生成树的无线传感器网络故障恢复方法。

背景技术

无线传感器网络是由大量传感器节点以自组织方式构成的无线通信网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域感知对象的信息并对这些信息进行处理，使需要这些信息的用户获取大量详实而可靠的信息。由于工作在恶劣环境下，例如在战场，火灾等等，节点发生故障的概率就会相对更高。而发生故障的网络应该及时进行恢复工作才能确保正常的通信质量。单个节点的故障恢复技术有基于邻居节点替换故障节点的方法，该方法包括：S1.为整个网络构建强连通集CDS,并将该集合广播给所有节点；S2.根据CDS判断故障节点是否造成了网络连通性的破坏；S3.选取故障节点中距离最近的叶子节点或者强连通集中拥有最近叶子邻居节点的节点进行替换；还有在故障节点本身采取措施的技术：1.在网络监控端设置服务端，服务器端启动后，开启监听进程监听故障报警信息；2.节点启动后，向服务端发送启动消息；3.服务端根据所述节点发送的启动消息，维护节点信息表；4.节点判断自身是否发生故障，如果发生故障，节点判断故障级别，并根据故障级别进行相应处理。但是传统的单节点故障恢复方法或者在选取替换节点的算法上没有综合考虑节点的性能指标。

传感器节点具有自身能量限制，在故障恢复过程中不宜移动过长距离。因此，故障节点的邻居节点的选取策略尤为重要。但目前还没有有效解决因单个节点发送故障而导致网络联通性受到破坏的问题的成熟技术方案。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：在无线传感器网络节点发生故障问题时，在节点能量受限的情况下，如何选择合适的邻居节点替换故障节点的问题。

(二)技术方案

为解决现有技术问题，本发明提供一种基于最小生成树的无线传感器网络故障恢复方法，所述方法包括：

步骤1：基于网络联通性判断是否触发故障恢复；

在节点故障产生后，先判断当前网络是否发生连通性被破坏的问题，然后再根据判断结果触发故障恢复；

步骤2：基于最小生成树实施故障恢复；

为解决节点故障造成的网络连通性问题，指定故障的一个邻居节点移动到故障节点位置从而达到恢复网络连通性的目的。

其中，所述步骤1中包括：

步骤11：基于深度优先算法判断网络连通性；

选取故障节点的某一个邻居节点作为根节点，依次遍历搜索根节点的邻居节点，如果遍历过程遇到没有遍历过的节点，继续进行深度搜索；当某一个节点的所有邻居节点都被遍历，则返回到该节点的父节点进行再次深度搜索。在遍历过程中，如果遍历过的节点集合等于故障节点的邻居节点集合则停止深度搜索，否则深度遍历到从源节点可达的所有节点为止；搜索结束后，当故障节点的所有邻居节点都能被遍历到，则认为网络连通性没有受到破坏；

步骤12：根据网络连通性触发故障恢复；

根据深度优先算法判断出网络的连通性是否受到破坏，决定是否触发故障恢复；如果当前节点的故障不造成网络联通性破坏问题，则不采取故障恢复，反之则触发故障恢复。

其中，所述步骤2包括：

步骤21：计算相邻节点的移动代价，根据邻居节点的移动代价构建最小生成树，生成树上包含了每个节点到其他节点的最小移动代价路径；

步骤22：通过最小生成树，选择每个节点的最佳替代邻居节点；

步骤23：为避免邻居节点的移动对网络再次造成连通性破坏，采取级联移动的方法进行故障节点替换过程。

其中，所述步骤21中计算节点之间的移动代价为：

首先设定节点的能量、相邻节点间的距离、节点度数三个指标的参数因子，然后计算各指标与参数因子的乘积，最后对乘积求和计算出节点之间的移动代价。

其中，所述步骤21中基于移动代价构建最小生成树为：

将节点移动代价作为相邻节点之间的权值边，初始化最小生成树为空集，对当前的最小生成树子集加入一条权值边，如果仍然为最小生成树的子集则继续进行加入操作，否则停止。

其中，所述步骤22中基于最小生成树选取邻居节点为：

采取洪泛法将最小生成树信息广播给网络中所有节点，每个节点都能获悉自己的最佳替代邻居节点；当生成树上某一个节点移动时，选择其在生成树上最小移动代价路径上的邻居节点进行替换；每次邻居节点的选取根据最小生成树自动进行，达到快速选取的目的。

其中，所述步骤23中采取级联移动的方法进行故障节点替换过程为：

当一个节点开始移动前，先发消息给自己的最佳替代邻居节点，然后移动到目的位置，接收到消息的邻居节点移动前也进行同样操作，直到最小移动代价路径上的所有节点都完成移动过程。

(三)有益效果

本发明是在无线传感器网络发生节点故障的应用背景下，从解决网络连通性的问题出发，针对节点故障的情况，首先对网络进行深度搜索从而判断连通性是否破坏，并以此决定是否进行故障恢复策略，然后基于节点的移动代价建成最小生成树选择替代故障节点的邻居节点，最后根据级联移动理论将邻居节点移动到故障节点进行替换从而恢复网络故障。本发明简化了故障恢复策略的复杂度，缩短了节点移动的平均距离，并保证了网络系统能快速恢复连通性。

附图说明

图1为基于移动代价的网络示意图。

图2为本发明技术方案原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决现有技术问题，本发明提供一种基于最小生成树的无线传感器网络故障恢复方法，如图2所示，所述方法包括：

步骤1：基于网络联通性判断是否触发故障恢复；

在节点故障产生后，先判断当前网络是否发生连通性被破坏的问题，然后再根据判断结果触发故障恢复；

步骤2：基于最小生成树实施故障恢复；

为解决节点故障造成的网络连通性问题，指定故障的一个邻居节点移动到故障节点位置从而达到恢复网络连通性的目的。

其中，所述步骤1中包括：

步骤11：基于深度优先算法判断网络连通性；

选取故障节点的某一个邻居节点作为根节点，依次遍历搜索根节点的邻居节点，如果遍历过程遇到没有遍历过的节点，继续进行深度搜索；当某一个节点的所有邻居节点都被遍历，则返回到该节点的父节点进行再次深度搜索。在遍历过程中，如果遍历过的节点集合等于故障节点的邻居节点集合则停止深度搜索，否则深度遍历到从源节点可达的所有节点为止；搜索结束后，当故障节点的所有邻居节点都能被遍历到，则认为网络连通性没有受到破坏；

步骤12：根据网络连通性触发故障恢复；

根据深度优先算法判断出网络的连通性是否受到破坏，决定是否触发故障恢复；如果当前节点的故障不造成网络联通性破坏问题，则不采取故障恢复，反之则触发故障恢复。

其中，所述步骤2包括：

步骤21：计算相邻节点的移动代价，根据邻居节点的移动代价构建最小生成树，生成树上包含了每个节点到其他节点的最小移动代价路径；

步骤22：通过最小生成树，选择每个节点的最佳替代邻居节点；

步骤23：为避免邻居节点的移动对网络再次造成连通性破坏，采取级联移动的方法进行故障节点替换过程。

其中，所述步骤21中计算节点之间的移动代价为：

首先设定节点的能量、相邻节点间的距离、节点度数三个指标的参数因子，然后计算各指标与参数因子的乘积，最后对乘积求和计算出节点之间的移动代价。

其中，所述步骤21中基于移动代价构建最小生成树为：

将节点移动代价作为相邻节点之间的权值边，初始化最小生成树为空集，对当前的最小生成树子集加入一条权值边，如果仍然为最小生成树的子集则继续进行加入操作，否则停止。

其中，所述步骤22中基于最小生成树选取邻居节点为：

采取洪泛法将最小生成树信息广播给网络中所有节点，每个节点都能获悉自己的最佳替代邻居节点；当生成树上某一个节点移动时，选择其在生成树上最小移动代价路径上的邻居节点进行替换；每次邻居节点的选取根据最小生成树自动进行，达到快速选取的目的。

其中，所述步骤23中采取级联移动的方法进行故障节点替换过程为：

当一个节点开始移动前，先发消息给自己的最佳替代邻居节点，然后移动到目的位置，接收到消息的邻居节点移动前也进行同样操作，直到最小移动代价路径上的所有节点都完成移动过程。

实施例1

本实施例提供一种基于最小生成树的无线传感器网络故障恢复方法，其包括：

(1)基于深度优先的网络连通性判断,根据本步骤可以判断当前网络是否连通，从而决定是否需要采取恢复策略；

(2)基于最小生成树实施故障恢复策略，由本步骤可以根据节点的移动代价来选取符合约束条件的最佳邻居节点，同时基于移动代价构建最小生成树；同时通过，同时利用最小生成树，快速选择下一个移动的节点，以级联移动的方式可以将邻居节点移动到故障节点进行替换，从而实现恢复连通性的目的，并且有效的减少了节点的移动距离和节省了节点的能量。

其中，所述步骤(1)实现了网络发生连通性被破坏情况下的判断过程和对节点故障情况的处理机制。

其中，所述步骤(2)实现了基于节点移动代价的最小生成树的构建，并通过最小生成树进行最佳邻居节点选取，用邻居节点将故障节点进行替换，实现恢复网络连通性的目的。

实施例2

为了解决在节点发送故障的情况下网络实时恢复连通性的问题，本实施例采用基于深度优先的方法来判断整个网络是否连通，如果不连通则需要进行故障恢复，在故障恢复策略中根据最小生成树算法进行邻居节点选取，最后将邻居节点经过级联移动到故障节点进行故障节点的替换。经过上述步骤，网络恢复成正常情况下的工作模式，在此基础上本实施例进行了基于节点代价的最小生成树重构过程，将进行故障恢复后的节点重新计算其节点代价，更新最小生成树。下面对本实施例的内容作进一步描述。

1、基于网络连通性触发故障恢复策略

(1)基于深度优先算法判断网络连通性

假设某一网络G＝(V,E),V代表节点集合，E代表节点之间的连接边集合。故障发生后的网络定义为G’＝(V’,E’)。故障节点定义为u∈{v-v’}。在深度优先中，对节点进行状态标注。开始时，每个节点均为-1，搜索中被发现时被置为0，结束时被置为1。对于网络中的每个节点，采用如下表示：对每个节点u∈V，其状态值用status[u]表示，u的父母节点用π[u]表示。如果u没有父母节点(例如u＝s(s为根节点)或u尚未被发现)，则π[u]＝NIL。具体步骤如下：

①:初始化所有节点状态为-1，且设置父母节点为空；

②:选择当前节点的邻居节点u。

③:判断u状态是否为-1，如果是则进行深度搜索。

④:将u的状态设置为0，搜索u的邻居节点，对于每个邻居节点v执行以下操作：

假如节点v的状态为-1，先将v的父母节点u保存到π[v]，再对节点v进行深度搜索,跳转到步骤2。

⑤如果u的每一个邻居节点都被深度搜索遍历过，则将u的状态置为1。

⑥判断故障节点的邻居节点是否都为1，或者网络中的所有除故障节点之外的节点是否都被遍历。满足其中一项就停止搜索过程。

⑦返回到当前节点的父母节点跳转到步骤2继续进行

(2)根据网络连通性触发故障恢复策略

如果故障节点的每个邻居节点都能在深度搜索中被遍历，说明该网络的连通性没被破坏，不需要触发恢复策略。反之，则需要继续进行下面步骤。

2、基于最小生成树实施故障恢复策略

(1)计算节点之间的移动代价

如果经过上述网络连通性的判断过程，故障恢复策略确定被执行，则对故障节点的邻居节点进行选择。本实施例以节点之间的移动代价为依据设计生成最小生成树的选择方法。节点的能量等级划分为3个阶段：低、中、高，能量越高被选取的概率越高。将3个能量等级赋予不同的因子数，记为N1、N2、N3,设定N1＝100,N2＝10,N3＝1。同时，本实施例也将考虑节点之间的距离和节点的度数(指与邻居节点相连接的边数)。距离过长会影响节点的能量消耗和生命周期，同时也影响恢复策略的时间。而节点的度数越大，涉及到级联移动的规模大小，将影响整体的节点移动总距离。因此本实施例设定节点距离的因子数为a，a的固定系数是0.1,设定节点度数的固定系数b为0.2(a和b的系数值都可根据实际情况调整)。计算节点A和B的移动代价公式为：

cost(AB)＝N_Ai+N_Bi+a*L+b*(D_A+D_B)

其中Ni为当前节点的能量等级，i∈{1,2,3}，L为节点A距离B节点的距离，D为节点的度数。依次类推，我们能算出每对相邻节点的移动代价。

(2)基于移动代价构建最小生成树

以节点之间移动代价作为权值边建立最小生成树，具体步骤如下：

Step 1：在每次循环迭代之前，M是某个最小生成树一个子集。

Step 2：在每一次循环中，确定一条权值边(u,v),使得将它加入集合M后，仍然不违反整个循环不变式；亦即，M∪{(u,v)}仍然是某一个最小生成树的子集。称这样的边为M的安全边(safe edge),因为可以安全地把它加入到M中，而不会破坏上述的循环不变式。

通过最小生成树的构成，每个节点的最佳替换邻居节点都能迅速被查找到，为后面的级联移动节省大量的时间。

(3)基于级联移动进行故障节点替换

当最佳邻居节点(BN)移动到故障节点的指定位置前，先检测它是否有邻居节点。如果有，则需要发送一个移动的消息给最小生成树上的邻居节点，最后开始移动到故障节点位置。邻居节点接收到信息后，移动到BN的位置前也发送消息给最小生成树上的邻居节点，如此反复进行。当BN节点到达目的地时，就发送一个停止信息给路径上的所有节点，通知停止移动过程。

假定节点的通信半径为r，级联移动的公式可以归纳成如下：

其中V表示需要参与移动的节点集合，Li代表节点i的移动过程中的总距离。

利用上述技术方案，采用上述操作步骤，本发明可以解决无线传感器网络因节点故障造成连通性破坏问题，该方法已经经过了算法验证，并进行了仿真实验检验。结果表明，该方案可以很好的解决故障节点的替换问题且能有效地缩短节点的移动距离，保障整个网络的安全性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于最小生成树的无线传感器网络故障恢复方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：基于网络联通性判断是否触发故障恢复；

在节点故障产生后，先判断当前网络是否发生连通性被破坏的问题，然后再根据判断结果触发故障恢复；

步骤2：基于最小生成树实施故障恢复；

为解决节点故障造成的网络连通性问题，指定故障的一个邻居节点移动到故障节点位置从而达到恢复网络连通性的目的；

所述步骤2包括：

步骤21：计算相邻节点的移动代价，根据邻居节点的移动代价构建最小生成树，生成树上包含了每个节点到其他节点的最小移动代价路径；

步骤22：通过最小生成树，选择每个节点的最佳替代邻居节点；

步骤23：为避免邻居节点的移动对网络再次造成连通性破坏，采取级联移动的方法进行故障节点替换过程；

其中，所述步骤22中基于最小生成树选取邻居节点为：

采取洪泛法将最小生成树信息广播给网络中所有节点，每个节点都能获悉自己的最佳替代邻居节点；当生成树上某一个节点移动时，选择其在生成树上最小移动代价路径上的邻居节点进行替换；每次邻居节点的选取根据最小生成树自动进行，达到快速选取的目的。

2.如权利要求1所述的基于最小生成树的无线传感器网络故障恢复方法，其特征在于，所述步骤1中包括：

步骤11：基于深度优先算法判断网络连通性；

选取故障节点的某一个邻居节点作为根节点，依次遍历搜索根节点的邻居节点，如果遍历过程遇到没有遍历过的节点，继续进行深度搜索；当某一个节点的所有邻居节点都被遍历，则返回到该节点的父节点进行再次深度搜索；在遍历过程中，如果遍历过的节点集合等于故障节点的邻居节点集合则停止深度搜索，否则深度遍历到从源节点可达的所有节点为止；搜索结束后，当故障节点的所有邻居节点都能被遍历到，则认为网络连通性没有受到破坏；

步骤12：根据网络连通性触发故障恢复；

根据深度优先算法判断出网络的连通性是否受到破坏，决定是否触发故障恢复；如果当前节点的故障不造成网络联通性破坏问题，则不采取故障恢复，反之则触发故障恢复。

3.如权利要求1所述的基于最小生成树的无线传感器网络故障恢复方法，其特征在于，所述步骤21中计算节点之间的移动代价为：

首先设定节点的能量、相邻节点间的距离、节点度数三个指标的参数因子，然后计算各指标与参数因子的乘积，最后对乘积求和计算出节点之间的移动代价。

4.如权利要求3所述的基于最小生成树的无线传感器网络故障恢复方法，其特征在于，所述步骤21中基于移动代价构建最小生成树为：

将节点移动代价作为相邻节点之间的权值边，初始化最小生成树为空集，对当前的最小生成树子集加入一条权值边，如果仍然为最小生成树的子集则继续进行加入操作，否则停止。

5.如权利要求4所述的基于最小生成树的无线传感器网络故障恢复方法，其特征在于，所述步骤23中采取级联移动的方法进行故障节点替换过程为：

当一个节点开始移动前，先发消息给自己的最佳替代邻居节点，然后移动到目的位置，接收到消息的邻居节点移动前也进行同样操作，直到最小移动代价路径上的所有节点都完成移动过程。

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