CN109788498A - 传感器网络中基于冗余节点选择调度模型的拓扑修复方法 - Google Patents

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Abstract

一种传感器网络中基于冗余节点选择调度模型的拓扑修复方法：基于分布式的方法选择水下传感器网络中的关键节点；分别计算每个传感器节点的冗余度；分别判断水下传感器网络中每个传感器节点是否为冗余节点；计算完成水下传感器网络修复所需要的步数；移动传水下传感器网络中的感器节点完成水下传感器网络的修复。本发明进行移动修复的传感器节点能量较高，在完成水下传感器网络修复的同时，能够较长时间的完成数据转发工作，同时进入睡眠状态的冗余节点的能量都比较高，进入睡眠状态的冗余节点被唤醒后，能够优先承担能量较低的相邻传感器节点的转发任务，均衡了水下传感器网络能耗，避免了以缩短水下传感器网络寿命为代价完成水下传感器网络拓扑修复。

Description

传感器网络中基于冗余节点选择调度模型的拓扑修复方法
技术领域
本发明涉及一种水下无线传感器网络拓扑修复方法。特别是涉及一种传感器网络中基于冗余节点选择调度模型的拓扑修复方法。
背景技术
水下传感器网络是由具有声学通信与计算能力的传感器节点构成的水下检测网络系统。水下传感器网络由固定在海底或悬浮在水中的传感器节点组成。节点搭载的传感器负责采集温度、深度、海洋生物、突发事件信息等参数，这些数据通过声学通信方式传递给漂浮在水面的基站或船舶。
在水下传感器网络中，水下传感器网络的连通性是进行数据转发，数据交换的基础。但是由于水下环境的特殊性，传感器节点存在着易失效，不易恢复的可能性。特别是当起着桥梁作用的传感器节点失效后，会将水下传感器网络分割成几个不连通的部分。在这种情况下，也无法通过选择新的路径将数据发送到sink节点。
当前，水下传感器网络领域的研究工作主要围绕水下通信技术、路由、同步、定位等方面展开，而对网络拓扑的研究工作较少。在水下传感器网络中，数据的收集、传递和转发都需要网络保持连通，当由于传感器节点失效造成网络不再连通，很有必要使用拓扑修复方法对水下传感器网络进行修复。
国内外在水下传感器网络拓扑修复方面均取得了一定的进展。有学者提出增强失效节点的邻居节点通信功率，从而增大邻居节点的通信半径来重新建立连接，完成拓扑修复。但是在水下传感器网络中，节点的能量是有限的，因此这种方式将会加快失效节点的邻居节点能耗，可能会很快出现新的失效节点，最终导致网络寿命的缩短。还有学者提出基于水下自组织航行器AUV(autonomous underwater vehicle)节点使用Steiner树问题的拓扑愈合方法来进行拓扑修复。但这种修复方法没有考虑到水下环境的特殊性，而且在失效节点的发现和AUV节点如何移动方面没有给出具体的说明。
水下传感器网络中节点通常被高密度的进行部署。传感器节点在水平方向上的移动较为困难，在竖直方向上进行移动的能量消耗较低、实现较为容易。基于此有学者提出了BMR(block movement recovery)拓扑修复方法。该方法只是单纯的将失效节点下方的所有传感器节点向上移动，完成了水下传感器网络连通性的修复，但是由于大量传感器节点的移动，会造成水下传感器网络的能耗加快，水下传感器网络寿命缩短。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种避免了以缩短水下传感器网络寿命为代价完成拓扑修复的传感器网络中基于冗余节点选择调度模型的拓扑修复方法。
本发明所采用的技术方案是：一种传感器网络中基于冗余节点选择调度模型的拓扑修复方法，包括如下步骤：
1)基于分布式的方法选择水下传感器网络中的关键节点；
2)分别计算每个传感器节点的冗余度；
3)分别判断水下传感器网络中每个传感器节点是否为冗余节点；
4)计算完成水下传感器网络修复所需要的步数；
5)移动传水下传感器网络中的感器节点完成水下传感器网络的修复。
步骤1)所述的水下传感器网络中关键节点是：在传感器网络中当传感器节点u存在相邻的传感器节点a必须通过传感器节点u才能与其他传感器节点进行通信的情况时，则计算邻居表中是否有其它传感器节点能够与传感器节点u和传感器节点a进行通信，如果有，则传感器节点u是非关键节点，否则，传感器节点u是关键节点。
所述的计算邻居表中是否有其它传感器节点能够与传感器节点b和传感器节点v进行通信包括：
计算每个传感器节点与相邻传感器节点间的距离，设与传感器节点u相邻的传感器节点a和传感器节点b之间的距离为dab，dab由下式获得：
其中，xa、ya和za为传感器节点a的坐标，xb、yb和zb为传感器节点b的坐标；
如果传感器节点a和传感器节点b之间的距离dab大于两倍通信半径r，传感器节点a和传感器节点b无法实现直接通信，要判断与传感器节点u相邻的传感器节点中是否存在能够与传感器节点a和传感器节点b同时通信的传感器节点v，如果存在传感器节点a与传感器节点v之间的距离dav＜r同时，传感器节点b与传感器节点v之间的距离dbv＜r，则传感器节点a和传感器节点b能够通过传感器节点v进行通信，此时，传感器节点u是非关键节点；反之，则传感器节点u是关键节点。
步骤2)所述的分别计算各个传感器节点的冗余度公式如下：
其中，RDi代表传感器节点i所能达到的传感范围，ψi表示与传感器节点i相邻的传感器节点的集合，RDj代表与传感器节点i相邻的传感器节点集合中的任一传感器节点j的传感范围，ξ(i)为冗余度，是指任一个传感器节点自身的传感范围与相邻传感器节点传感范围相重合的部分与自身传感范围的比值。
步骤3)所述的判断是：在水下传感器网络中，如果与任一个传感器节点i相邻的传感器节点数目满足如下公式，则传感器节点i是一个冗余节点，
其中，k表示与传感器节点i相邻的传感器节点数目，EDQ表示期望覆盖度，w为正态分布参数，同时将传感器节点的传感半径设定为服从N(w0,δ2)正态分布。
步骤4)是采用如下公式计算计算完成水下传感器网络修复所需要的步数：
stepcount＝|Min.z-u.z|/(r/20) (4)
其中，stepcount为水下传感器网络修复所需要的步数，即是失效关键节点下方的冗余节点到达所述失效关键节点的深度位置所需要的最大步数，Min.z表示失效的关键节点下方在一倍通信半径r内最深的传感器节点的z|坐标，u.z|来表示失效关键节点的深度，设定水下传感器网络中的传感器节点每次移动的距离为r/20，r为通信半径。
步骤5)所述的完成水下传感器网络的修复，是移动在以失效的关键节点为圆心、以通信半径r为半径以及以失效的关键节点下方一倍通信半径r为高的圆柱体范围内的冗余节点；对于所述圆柱体范围之外的冗余节点，先进入睡眠状态，当与所述的进入睡眠状态的冗余节点相邻的传感器节点的能量低于设定的阈值时，所述相邻的传感器节点向进入睡眠状态的冗余节点发送唤醒包，进行数据的转发。
当冗余节点到达相应失效关键节点的深度位置后，获取与失效关键节点相邻传感器节点信息，判断相邻传感器节点中是否有其他的失效关键节点，如果有，则通过检测冗余节点的两跳传感器节点的信息来确认其他的失效关键节点是否完成修复，如果没有完成修复，则等待其它冗余节点移动到其他的失效关键节点相应的深度位置；如果完成修复后失效关键节点发送消息，通知其它正在移动的冗余节点停止移动。
本发明的传感器网络中基于冗余节点选择调度模型的拓扑修复方法，在选择冗余节点时，就考虑到传感器节点的剩余能量问题，进行移动修复的传感器节点能量较高，在完成水下传感器网络修复的同时，能够较长时间的完成数据转发工作，同时进入睡眠状态的冗余节点的能量都比较高，进入睡眠状态的冗余节点被唤醒后，能够优先承担能量较低的相邻传感器节点的转发任务，均衡了水下传感器网络能耗，避免了以缩短水下传感器网络寿命为代价完成水下传感器网络拓扑修复。除此之外，本发明在关键节点选择方面进行了优化，能够较大程度上减少传感器节点移动的总距离。最后，本发明在数据投递率方面也体现出良好的性能。
附图说明
图1是本发明中关键节点选择模型示意图；
图2是本发明实施例中传感器节点移动总距离随传感器节点数目变化的趋势图；
图3是本发明实施例中水下传感器网络寿命与传感器节点数目的关系图；
图4是本发明实施例中投递率与传感器节点数目的关系图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的传感器网络中基于冗余节点选择调度模型的拓扑修复方法做出详细说明。
本发明的传感器网络中基于冗余节点选择调度模型的拓扑修复方法，包括如下步骤：
1)基于分布式的方法选择水下传感器网络中的关键节点；
所述的水下传感器网络中关键节点是：如图1所示，在传感器网络中当传感器节点u存在相邻的传感器节点a必须通过传感器节点u才能与其他传感器节点进行通信的情况时，则计算邻居表中是否有其它传感器节点能够与传感器节点u和传感器节点a进行通信，如果有，则传感器节点u是非关键节点，否则，传感器节点u是关键节点。
其中，所述的计算邻居表中是否有其它传感器节点能够与传感器节点b和传感器节点v进行通信包括：
计算每个传感器节点与相邻传感器节点间的距离，设与传感器节点u相邻的传感器节点a和传感器节点b之间的距离为dab，dab由下式获得：
其中，xa、ya和za为传感器节点a的坐标，xb、yb和zb为传感器节点b的坐标；
如果传感器节点a和传感器节点b之间的距离dab大于两倍通信半径r，也就意味着传感器节点a与传感器节点b可能位于两个不同的区域，传感器节点a和传感器节点b无法实现直接通信，要判断与传感器节点u相邻的传感器节点中是否存在能够与传感器节点a和传感器节点b同时通信的传感器节点v，如果存在传感器节点a与传感器节点v之间的距离dav＜r同时，传感器节点b与传感器节点v之间的距离dbv＜r，则传感器节点a和传感器节点b能够通过传感器节点v进行通信，此时，传感器节点u是非关键节点；反之，则认为传感器节点a和传感器节点b必须要通过传感器节点u才能够实现通信，传感器节点u承担着桥梁的作用，如果传感器节点u失效，会造成传感器节点a所在区域与传感器节点b所在区域无法实现通信，水下传感器网络被分割，因此传感器节点u是关键节点。
2)分别计算每个传感器节点的冗余度；
所述的分别计算各个传感器节点的冗余度公式如下：
其中，RDi代表传感器节点i所能达到的传感范围，ψi表示与传感器节点i相邻的传感器节点的集合，RDj代表与传感器节点i相邻的传感器节点集合中的任一传感器节点j的传感范围，ξ(i)为冗余度，是指任一个传感器节点自身的传感范围与相邻传感器节点传感范围相重合的部分与自身传感范围的比值。
3)分别判断水下传感器网络中每个传感器节点是否为冗余节点；
所述的判断是：在水下传感器网络中，如果与任一个传感器节点i相邻的传感器节点数目满足如下公式，则传感器节点i是一个冗余节点，
其中，k表示与传感器节点i相邻的传感器节点数目，EDQ表示期望覆盖度，w为正态分布参数，同时将传感器节点的传感半径设定为服从N(w0,δ2)正态分布。
4)计算完成水下传感器网络修复所需要的步数；
是采用如下公式计算计算完成水下传感器网络修复所需要的步数：
stepcount＝|Min.z-u.z|/(r/20) (4)
其中，stepcount为水下传感器网络修复所需要的步数，即是失效关键节点下方的冗余节点到达所述失效关键节点的深度位置所需要的最大步数，Min.z表示失效的关键节点下方在一倍通信半径r内最深的传感器节点的z|坐标，u.z|来表示失效关键节点的深度，设定水下传感器网络中的传感器节点每次移动的距离为r/20，r为通信半径。
5)移动传水下传感器网络中的感器节点完成水下传感器网络的修复。
在冗余节点选择完成之后，通过对冗余节点进行调度来完成水下传感器网络拓扑的修复。所述的完成水下传感器网络的修复，是移动在以失效的关键节点为圆心、以通信半径r为半径以及以失效的关键节点下方一倍通信半径r为高的圆柱体范围内的冗余节点；对于所述圆柱体范围之外的冗余节点，先进入睡眠状态，数据的转发主要通过与所述的进入睡眠状态的冗余节点相邻的传感器节点进行。当与所述的进入睡眠状态的冗余节点相邻的传感器节点的能量低于设定的阈值时，所述相邻的传感器节点向进入睡眠状态的冗余节点发送唤醒包，进行数据的转发，来延长网络寿命。
当冗余节点到达相应失效关键节点的深度位置后，获取与失效关键节点相邻传感器节点信息，判断相邻传感器节点中是否有其他的失效关键节点，如果有，则通过检测冗余节点的两跳传感器节点的信息来确认其他的失效关键节点是否完成修复，如果没有完成修复，则等待其它冗余节点移动到其他的失效关键节点相应的深度位置；如果完成修复后失效关键节点发送消息，通知其它正在移动的冗余节点停止移动。
下面给出示范性实例分析与相关工作比较
仿真平台为拓展自NS2的包含水声网络仿真模块的Aqua-Sim。本实例设定在450m×350m×500m的水下区域内随机部署传感器节点，传感器节点数目从100增加到500。传感器节点的通信距离为100m。每个传感器节点的初始能量为200，传感器节点的通信功率为2，接收功率为0.75，空闲状态的功率为0.008。仿真时间为1800s。发送数据包的传感器节点设为5个，发送数据包的时间间隔为35s。传感器节点移动的速度为2.4m/min,传感器节点每次移动的能耗为2.4。Sink节点位于水面位置，坐标为(225,175,0)，用来接收数据包。
为了更好地说明本发明的方法在水下传感器网络具有更好的效率。给出本发明的方法与BMR方法在仿真平台Aqua-Sim中进行的三组对比试验。
仿真实验一是比较两个方法随传感器节点数目增加在传感器节点移动总距离方面的表现。仿真结果如图2所示，当传感器节点数目从400增大到600，本发明的方法完成修复时，传感器节点移动距离从446m增加到618m。而BMR方法则由1451m增加到2450m。当关键节点失效时，BMR方法移动了其下方所有传感器节点来完成修复，传感器节点数目越多，移动距离越长。本发明的方法在关键节点选择方面进行了优化，因此能够较大程度上减少传感器节点移动总的距离。
仿真实验二是比较采用不同修复方法对水下传感器网络进行拓扑修复时，水下传感器网络寿命随传感器节点数目的变化情况。仿真结果如图3所示，在仿真中设定传感器节点能量为0时传感器节点死亡，水下传感器网络中的传感器节点死亡超过10％的时候认为水下传感器网络瘫痪，水下传感器网络寿命终止。在最初始状态，即传感器节点数目为400时，本发明的方法同BMR方法均能在仿真时间内存活。当传感器节点数目增多时，本发明的方法使得水下传感器网络的寿命缩减速度较为缓慢，而BMR方法则造成水下传感器网络寿命较为明显的缩短。在对关键节点进行修复的过程中，BMR方法移动了大量传感器节点，而且在移动的传感器节点中，不对传感器节点的能量情况进行判断，造成某些传感器节点能量消耗加快，过快的死亡，从而降低水下传感器网络寿命。随着传感器节点数目的增多，所需移动的传感器节点数目也随之增加，同时，由于传感器节点的大量移动可能会造成某些区域传感器节点过于密集，大量数据被重复转发，也会造成水下传感器网络能耗的加剧，缩短网络寿命。当传感器节点数目达到600时，采用BMR方法进行拓扑修复的水下传感器网络的网络寿命减少到2090s。而本发明的方法在选择冗余节点时，就考虑到传感器节点的剩余能量问题，进行移动修复的传感器节点能量较高，在完成修复的同时，能够较长时间的完成数据转发工作，同时进入睡眠状态的冗余节点的能量均较高，在其被唤醒后，能够优先承担能量较低的邻居节点的转发任务，均衡了网络能耗，避免了以缩短水下传感器网络寿命为代价完成拓扑修复。
仿真实验三是比较采用不同修复方法对水下传感器网络进行拓扑修复时，投递率随节点数目变化的情况。如图4所示，本发明的方法的投递率均要高于BMR的投递率。BMR方法对下方传感器节点同时进行移动，同时消耗了下方传感器节点的能量，相比较于本发明的方法，其更容易死亡，导致数据包无法转发。而本发明的方法移动的只是符合条件的冗余节点，较大程度上避免了某一区域传感器节点过于密集造成网络拥塞，同时分层进行冗余节点选择能够较大程度上保证数据包转发到Sink节点。

Claims (8)

1.一种传感器网络中基于冗余节点选择调度模型的拓扑修复方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)基于分布式的方法选择水下传感器网络中的关键节点；
2)分别计算每个传感器节点的冗余度；
3)分别判断水下传感器网络中每个传感器节点是否为冗余节点；
4)计算完成水下传感器网络修复所需要的步数；
5)移动传水下传感器网络中的感器节点完成水下传感器网络的修复。
2.根据权利要求1所述的传感器网络中基于冗余节点选择调度模型的拓扑修复方法，其特征在于，步骤1)所述的水下传感器网络中关键节点是：在传感器网络中当传感器节点u存在相邻的传感器节点a必须通过传感器节点u才能与其他传感器节点进行通信的情况时，则计算邻居表中是否有其它传感器节点能够与传感器节点u和传感器节点a进行通信，如果有，则传感器节点u是非关键节点，否则，传感器节点u是关键节点。
3.根据权利要求2所述的传感器网络中基于冗余节点选择调度模型的拓扑修复方法，其特征在于，所述的计算邻居表中是否有其它传感器节点能够与传感器节点b和传感器节点v进行通信包括：
计算每个传感器节点与相邻传感器节点间的距离，设与传感器节点u相邻的传感器节点a和传感器节点b之间的距离为dab，dab由下式获得：
其中，xa、ya和za为传感器节点a的坐标，xb、yb和zb为传感器节点b的坐标；
如果传感器节点a和传感器节点b之间的距离dab大于两倍通信半径r，传感器节点a和传感器节点b无法实现直接通信，要判断与传感器节点u相邻的传感器节点中是否存在能够与传感器节点a和传感器节点b同时通信的传感器节点v，如果存在传感器节点a与传感器节点v之间的距离dav＜r同时，传感器节点b与传感器节点v之间的距离dbv＜r，则传感器节点a和传感器节点b能够通过传感器节点v进行通信，此时，传感器节点u是非关键节点；反之，则传感器节点u是关键节点。
4.根据权利要求1所述的传感器网络中基于冗余节点选择调度模型的拓扑修复方法，其特征在于，步骤2)所述的分别计算各个传感器节点的冗余度公式如下：
其中，RDi代表传感器节点i所能达到的传感范围，ψi表示与传感器节点i相邻的传感器节点的集合，RDj代表与传感器节点i相邻的传感器节点集合中的任一传感器节点j的传感范围，ξ(i)为冗余度，是指任一个传感器节点自身的传感范围与相邻传感器节点传感范围相重合的部分与自身传感范围的比值。
5.根据权利要求1所述的传感器网络中基于冗余节点选择调度模型的拓扑修复方法，其特征在于，步骤3)所述的判断是：在水下传感器网络中，如果与任一个传感器节点i相邻的传感器节点数目满足如下公式，则传感器节点i是一个冗余节点，
其中，k表示与传感器节点i相邻的传感器节点数目，EDQ表示期望覆盖度，w为正态分布参数，同时将传感器节点的传感半径设定为服从N(w0,δ2)正态分布。
6.根据权利要求1所述的传感器网络中基于冗余节点选择调度模型的拓扑修复方法，其特征在于，步骤4)是采用如下公式计算计算完成水下传感器网络修复所需要的步数：
stepcount＝|Min.z-u.z|/(r/20) (4)
其中，stepcount为水下传感器网络修复所需要的步数，即是失效关键节点下方的冗余节点到达所述失效关键节点的深度位置所需要的最大步数，Min.z表示失效的关键节点下方在一倍通信半径r内最深的传感器节点的z|坐标，u.z|来表示失效关键节点的深度，设定水下传感器网络中的传感器节点每次移动的距离为r/20，r为通信半径。
7.根据权利要求1所述的传感器网络中基于冗余节点选择调度模型的拓扑修复方法，其特征在于，步骤5)所述的完成水下传感器网络的修复，是移动在以失效的关键节点为圆心、以通信半径r为半径以及以失效的关键节点下方一倍通信半径r为高的圆柱体范围内的冗余节点；对于所述圆柱体范围之外的冗余节点，先进入睡眠状态，当与所述的进入睡眠状态的冗余节点相邻的传感器节点的能量低于设定的阈值时，所述相邻的传感器节点向进入睡眠状态的冗余节点发送唤醒包，进行数据的转发。
8.根据权利要求7所述的传感器网络中基于冗余节点选择调度模型的拓扑修复方法，其特征在于，当冗余节点到达相应失效关键节点的深度位置后，获取与失效关键节点相邻传感器节点信息，判断相邻传感器节点中是否有其他的失效关键节点，如果有，则通过检测冗余节点的两跳传感器节点的信息来确认其他的失效关键节点是否完成修复，如果没有完成修复，则等待其它冗余节点移动到其他的失效关键节点相应的深度位置；如果完成修复后失效关键节点发送消息，通知其它正在移动的冗余节点停止移动。
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