CN110446223A - 一种无线传感器网络覆盖空洞检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络覆盖空洞检测方法及系统。所述检测方法包括：根据无线传感器网络中各节点之间的连通信息构建整个无线传感器网络所对应的Rips复形；在无线传感器网络中删除Rips复形中的冗余节点，确定删除冗余点后的简化无线传感器网络结构；在简化无线传感器网络结构内的3‑单形所构成的四边图形中，判断四边图形中的对角边所组成的所有2‑单形是否在所述四边图形中，若是，删除简化无线传感器网络结构中的冗余边；获取删除冗余节点以及冗余边之后的剩余无线传感器网络结构；根据剩余无线传感器网络结构确定覆盖空洞。采用本发明所提供的检测方法及系统能够在保证网络拓扑的特性的前提下，高效和准确地识别覆盖空洞。

Description

一种无线传感器网络覆盖空洞检测方法及系统

技术领域

本发明涉及覆盖空洞检测领域，特别是涉及一种无线传感器网络覆盖空洞检测方法及系统。

背景技术

无线传感器网络可以被广泛应用于环境监控、入侵检测、智能交通等各个领域，这些实际应用对无线传感器网络的服务质量具有很高的要求，而覆盖是传感器网络服务质量重要的度量指标，但由于节点的随机部署，节点的失效，节点的位置变化以及覆盖区域内出现障碍物等原因导致覆盖空洞的产生，因此检测覆盖空洞成为一项必要的工作。

已有的单纯复形简化方法往往通过计算同调群的贝蒂数休眠节点，实现简化，但缺点在于计算贝蒂数的过程复杂度很高，不适用于大规模的无线传感器网络；同时，在简化复形的过程中需要改变网络拓扑特性以识别网络中的覆盖空洞，而由于网络拓扑结构复杂，继而无法正确识别网络中的覆盖空洞。由此可见，已有的单纯复形简化方法在检测覆盖空洞时，计算复杂度高，网络拓扑结构复杂以至于无法准确识别覆盖空洞。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线传感器网络覆盖空洞检测方法及系统，能够解决已有的单纯复形简化方法在检测覆盖空洞时，计算复杂度高，无法准确识别覆盖空洞的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种无线传感器网络覆盖空洞检测方法，包括：

根据无线传感器网络中各节点之间的连通信息构建整个无线传感器网络所对应的Rips复形；所述Rips复形包括0-单形，1-单形，2-单形以及3-单形；所述0-单形为所述无线传感器网络中任一节点，1-单形为所述无线传感器网络中两个邻居节点形成的边，2-单形为三个互为邻居的节点构成的三角图形，3-单形为四个互为邻居的节点构成的四边图形；

在所述无线传感器网络中删除所述Rips复形中的冗余节点，确定删除冗余点后的简化无线传感器网络结构；

在所述简化无线传感器网络结构内的所述3-单形所构成的四边图形中，判断所述四边图形中的对角边所组成的所有2-单形是否在所述四边图形中，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示为所述四边图形中的对角边所组成的所有2-单形在所述四边图形中，删除所述简化无线传感器网络结构中的冗余边；

获取删除所述冗余节点以及所述冗余边之后的剩余无线传感器网络结构；

根据所述剩余无线传感器网络结构确定覆盖空洞。

可选的，所述在所述无线传感器网络中删除所述Rips复形中的冗余节点，确定删除冗余点后的简化无线传感器网络结构，具体包括：

计算所述Rips复形内所有节点的度以及聚类系数；

根据所述度以及所述聚类系数确定确定节点集合和非确定节点集合；

判断所述确定节点集合和所述非确定节点集合中的节点是否满足删点规则，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示为所述确定节点集合和所述非确定节点集合中的节点满足删点规则，将满足删点规则的确定节点与非确定节点分别放入第一待筛选序列和第二待筛选序列；其中，所述删点规则为①节点v的邻居图连通；②节点v的邻居图中的所有环路均可三角化即节点v的邻居图中的每个环路均可由长度为3的环构成。

可选的，所述将满足删点规则的确定节点与非确定节点分别放入第一待筛选序列和第二待筛选序列，之后还包括：

①判断所述第一待筛选序列中第一节点的邻居图中是否有聚类系数比第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的确定节点，得到第三判断结果；

②若所述第三判断结果表示为第一节点的邻居图中有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的确定节点，删除所述第一节点的邻居节点中聚类系数最大的且满足删点规则的确定节点，同时将删除节点的所有邻居节点分别移出所述第一待筛选序列和所述第二待筛选序列；

③若所述第三判断结果表示为第一节点的邻居图中没有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的确定节点，删除所述第一节点，同时将所述第一节点的所有邻居节点分别移出所述第一待筛选序列和所述第二待筛选序列。

④重复步骤①②③，直到第一待筛选序列中的节点全部检查完毕；

⑤判断所述第二待筛选序列中第一节点的邻居图中是否有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的非确定节点，得到第四判断结果；

⑥若所述第四判断结果表示为所述第二待筛选序列中第一节点的邻居图中有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的非确定节点，删除所述第一节点的邻居节点中聚类系数最大的且满足删点规则的非确定节点，同时将所述删除节点的所有邻居节点移出所述第二待筛选序列；

⑦若所述第四判断结果表示为所述第二待筛选序列中第一节点的邻居图中没有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的非确定节点，删除所述第一节点，同时将所述第一节点的所有邻居节点移出所述第二待筛选序列。

⑧重复步骤⑤⑥⑦，直到第二待筛选序列中的节点全部检查完毕。

可选的，所述删除所述简化无线传感器网络结构中的冗余边，具体包括：

获取所述3-单形中的两条对角边，并根据所述对角边删除冗余边。

可选的，所述根据所述剩余无线传感器网络结构确定覆盖空洞，具体包括：

获取所述剩余无线传感器网络的边界边；

删除所述边界边内的假边界边，确定剩余边界边；

根据所述剩余边界边确定边界环路；

对所述边界环路进行筛选处理，确定筛选后的边界环路；

缩短所述筛选后的边界环路，确定覆盖空洞。

一种无线传感器网络覆盖空洞检测系统，包括：

Rips复形构建模块，用于根据无线传感器网络中各节点之间的连通信息构建整个无线传感器网络所对应的Rips复形；所述Rips复形包括0-单形，1-单形，2-单形以及3-单形；所述0-单形为所述无线传感器网络中任一节点，1-单形为所述无线传感器网络中两个邻居节点形成的边，2-单形为三个互为邻居的节点构成的三角图形，3-单形为四个互为邻居的节点构成的四边图形；

冗余节点删除模块，用于在所述无线传感器网络中删除所述Rips复形中的冗余节点，确定删除冗余点后的简化无线传感器网络结构；

第一判断模块，用于在所述简化无线传感器网络结构内的所述3-单形所构成的四边图形中，判断所述四边图形中的对角边所组成的所有2-单形是否在所述四边图形中，得到第一判断结果；

冗余边删除模块，用于若所述第一判断结果表示为所述四边图形中的对角边所组成的所有2-单形在所述四边图形中，删除所述简化无线传感器网络结构中的冗余边；

剩余无线传感器网络结构获取模块，用于获取删除所述冗余节点以及所述冗余边之后的剩余无线传感器网络结构；

覆盖空洞确定模块，用于根据所述剩余无线传感器网络结构确定覆盖空洞。

可选的，所述冗余节点删除模块具体包括：

度以及聚类系数计算单元，用于计算所述Rips复形内所有节点的度以及聚类系数；

确定节点集合和非确定节点集合确定单元，用于根据所述度以及所述聚类系数确定确定节点集合和非确定节点集合；

第二判断单元，用于判断所述确定节点集合和所述非确定节点集合中的节点是否满足删点规则，得到第二判断结果；

冗余节点删除单元，用于若所述第二判断结果表示为所述确定节点集合和所述非确定节点集合中的节点满足删点规则，将满足删点规则的确定节点与非确定节点分别放入第一待筛选序列和第二待筛选序列；其中，所述删点规则为①节点v的邻居图连通；②节点v的邻居图中的所有环路均可三角化即节点v的邻居图中的每个环路均可由长度为3的环构成。

可选的，还包括：

第三判断单元，用于①判断所述第一待筛选序列中第一节点的邻居图中是否有聚类系数比第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的确定节点，得到第三判断结果；

第一移除单元，用于②若所述第三判断结果表示为第一节点的邻居图中有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的确定节点，删除所述第一节点的邻居节点中聚类系数最大的且满足删点规则的确定节点，同时将删除节点的所有邻居节点分别移出所述第一待筛选序列和所述第二待筛选序列；

第二移除单元，用于③若所述第三判断结果表示为第一节点的邻居图中没有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的确定节点，删除所述第一节点，同时将所述第一节点的所有邻居节点分别移出所述第一待筛选序列和所述第二待筛选序列。

第一待筛选序列确定单元，用于④重复步骤①②③，直到第一待筛选序列中的节点全部检查完毕；

第四判断单元，用于⑤判断所述第二待筛选序列中第一节点的邻居图中是否有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的非确定节点，得到第四判断结果；

第三移除单元，用于⑥若所述第四判断结果表示为所述第二待筛选序列中第一节点的邻居图中有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的非确定节点，删除所述第一节点的邻居节点中聚类系数最大的且满足删点规则的非确定节点，同时将所述删除节点的所有邻居节点移出所述第二待筛选序列；

第四移除单元，用于⑦若所述第四判断结果表示为所述第二待筛选序列中第一节点的邻居图中没有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的非确定节点，删除所述第一节点，同时将所述第一节点的所有邻居节点移出所述第二待筛选序列。

第二待筛选序列确定单元，用于⑧重复步骤⑤⑥⑦，直到第二待筛选序列中的节点全部检查完毕。

可选的，所述冗余边删除模块具体包括：

冗余边删除单元，用于获取所述3-单形中的两条对角边，并根据所述对角边删除冗余边。

可选的，所述覆盖空洞确定模块具体包括：

边界边获取单元，用于获取所述剩余无线传感器网络的边界边；

剩余边界边确定单元，用于删除所述边界边内的假边界边，确定剩余边界边；

边界环路确定单元，用于根据所述剩余边界边确定边界环路；

筛选后的边界环路确定单元，用于对所述边界环路进行筛选处理，确定筛选后的边界环路；

覆盖空洞确定单元，用于缩短所述筛选后的边界环路，确定覆盖空洞。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种无线传感器网络覆盖空洞检测方法及系统，根据无线传感器网络中各节点之间的连通信息构建整个无线传感器网络所对应的Rips复形，将无线传感器网络简化为仅包括0-单形，1-单形，2-单形以及3-单形的Rips复形，大大简化了网络复杂度；同时，在所述无线传感器网络中删除所述Rips复形中的冗余节点以及冗余边，从而高效无误的简化网络拓扑结构；通过剩余无线传感器网络确定覆盖空洞，不仅保证了网络拓扑结构的简单化，同时还能够保证网络拓扑的特性，从而准确识别覆盖空洞。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的无线传感器网络覆盖空洞检测方法流程图；

图2为本发明所提供的Rips复形示意图；图2(a)为本发明所提供的0-单形示意图；图2(b)为本发明所提供的1-单形示意图；图2(c)为本发明所提供的2-单形示意图；图2(d)为本发明所提供的3-单形示意图；

图3为本发明所提供的四阶完全图；图3(a)为本发明所提供的无空洞存在的四阶完全图；图3(b)为本发明所提供的断开AC连接，无空洞产生的四阶完全图；图3(c)为本发明所提供的断开BD连接，无空洞产生的四阶完全图；图3(d)为本发明所提供同时断开AC、BD连接，新空洞产生的四阶完全图；

图4为本发明所提供的两种缩短边界环路示意图；其中图4(a)为直接连接缩短环路示意图，图4(b)为节点替代缩短环路示意图；

图5为本发明所提供的无线传感器网络覆盖空洞检测系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种无线传感器网络覆盖空洞检测方法及系统，能够准确识别覆盖空洞。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的无线传感器网络覆盖空洞检测方法流程图，如图1所示，一种无线传感器网络覆盖空洞检测方法，包括：

步骤101：根据无线传感器网络中各节点之间的连通信息构建整个无线传感器网络所对应的Rips复形；所述Rips复形包括0-单形，1-单形，2-单形以及3-单形；所述0-单形为所述无线传感器网络中任一节点，1-单形为所述无线传感器网络中两个邻居节点形成的边，2-单形为三个互为邻居的节点构成的三角图形，3-单形为四个互为邻居的节点构成的四边图形。

如图2所示，根据无线传感器网络中各节点之间的连通信息构建整个无线传感器网络所对应的Rips复形(Rips复形由0-单形，1-单形，2-单形，3-单形组成；所述0-单形为所述无线传感器网络中任一节点，1-单形为所述无线传感器网络中两个邻居节点形成的边，2-单形为三个互为邻居的节点构成的三角图形，3-单形为四个互为邻居的节点构成的四边图形)，k-单形代表k+1个节点构成的图形。通过广播hello消息构建Rips复形：第一次广播，每个节点均广播其ID，当节点获得其1跳邻居的所有ID时，它继续广播包含其1跳邻居的ID的hello消息；当节点收到其邻居节点列表后，节点可以得到1-单形，当节点收到邻居的邻居列表时，节点可以得到2-单形；同样，节点可得到每个单形的邻居节点，继而节点可得到3-单形。

Rips复形在n维空间内给定有限点集V和固定半径∈，则点集V的Rips复形(R_∈(V))是一个抽象单纯复形，并且构成该单纯复形的k-单形由有限点集V中的k+1个顶点构成，且k+1个顶点两两之间的距离小于固定半径∈；本发明中∈＝Rc，Rc为通信半径。

步骤102：在所述无线传感器网络中删除所述Rips复形中的冗余节点，确定删除冗余点后的简化无线传感器网络结构。

所述步骤102具体包括：

计算所述Rips复形内所有节点的度以及聚类系数；

确定确定节点集合与非确定节点集合，若所述节点度与聚类系数满足所述节点为确定节点；否则，为非确定节点。其中，k_i为节点i的度，C_i为节点i的聚类系数，n＝k_i，；

判断确定节点集合和非确定节点集合中的节点是否满足删点规则，将满足删点规则的确定节点与非确定节点分别放入第一待筛选序列和第二待筛选序列；其中删点规则为网络中任一内部节点(v)，若满足以下两个条件，则该节点可作为冗余节点进行删除：①节点v的邻居图连通；②节点v的邻居图中的所有环路均可三角化即节点v的邻居图中的每个环路均可由长度为3的环构成。

判断第一待筛选序列和第二待筛选序列中的节点是否可删除

依次检查第一待筛选序列中的所有节点是否可删除；检查节点v_i的邻居图中是否有聚类系数比节点v_i的聚类系数大的且满足删点规则的确定节点，若有，则删除节点v_i的邻居节点中聚类系数最大的且满足删点规则的确定节点，同时将该节点的所有邻居节点分别移出第一待筛选序列和第二待筛选序列；否则删除节点v_i，同时将节点v_i的所有邻居节点分别移出第一待筛选序列和第二待筛选序列。直到第一待筛选序列中的节点全部检查完毕。

依次检查第二待筛选序列中的所有节点是否可删除；检查节点v_i的邻居图中是否有聚类系数比节点v_i的聚类系数大的且满足删点规则的非确定节点，若有，则删除节点v_i的邻居节点中聚类系数最大的且满足删点规则的非确定节点，同时将该节点的所有邻居节点移出第二待筛选序列；否则删除节点v_i，同时将节点v_i的所有邻居节点移出第二待筛选序列。直到第二待筛选序列中的节点全部检查完毕。

在实际应用中，所述步骤102可以为以下步骤：

删除网络中的冗余内部节点

步骤1：给定一个顶点集合V以及一个整数k，一个k-单形S，是由k+1个顶点[v₀,v₁,v₂,.....v_k]，随机组成的一个子集，其中v_i∈V并且v_i≠v_j。

如图2所示，0-单形是一个点，1-单形是一条线段，2-单形是一个实心三角形，3-单形是一个实心四面体；一个k-单形的面是由构成k-单形的K+1个顶点组成的所有的k-1单形构成；一个抽象单纯复形是由一系列单形构成，这些单形属于复形的一部分，并构成复形的面。

步骤2：对所有的内部节点计算度k_i和聚类系数C_i；

其中：节点v_i的度k_i为与该节点之间存在直接连边的节点数量。

聚类系数(C_i)：节点v_i的聚类系数是其直接相连的k_i个邻居节点之间实际存在的边数E_i与总可能边数(排列组合问题，一共k_i个节点，任意两点可连接成边。所以，总可能存在边数为)之间的比值，表达式为：

步骤3：把满足以下条件的节点称之为确定节点，并放入确定节点集合(确定节点集合中的节点满足邻居图中必然有三角环)；否则，称为非确定节点，放入非确定节点集合(非确定节点集合中的节点不确定邻居图中是否有三角环)；

其中，k_i为节点i的度，C_i为节点i的聚类系数，n＝k_i。

步骤4：判断确定节点集合与非确定节点集合中的节点是否满足删点规则，将满足规则的节点分别放入第一待筛选序列和第二待筛选序列中；

检验规则如下：(以节点v_i为例，判断节点v_i是否可删除)

①找出节点v_i的邻居节点所形成的邻居图，判断其是否连通；

②并求出邻居图中所有的环路，检验这些环路是否可三角化，即每个环路是否可由长度为3的环构成；

③若满足条件①②，则该节点可删除。

注：①节点v_i的邻居图是指由节点v_i的邻居节点所构成的图形；②假设网络图用G表示，若存在一个子图R，R中每个节点度为2且子图R可连通，则称子图R为网络图中的一个环路。环路的长度即为环路中边的数目。

步骤5：对第一待筛选序列和第二待筛选序列中的节点进行选点删除工作。

依次检查第一待筛选序列中的所有节点是否可删除；检查节点v_i的邻居图中是否有聚类系数比节点v_i的聚类系数大的且满足删点规则的确定节点，若有，则删除节点v_i的邻居节点中聚类系数最大的且满足删点规则的确定节点，同时将该节点的所有邻居节点分别移出第一待筛选序列和第二待筛选序列；否则删除节点v_i，同时将节点v_i的所有邻居节点分别移出第一待筛选序列和第二待筛选序列。直到第一待筛选序列中的节点全部检查完毕。

依次检查第二待筛选序列中的所有节点是否可删除；检查节点v_i的邻居图中是否有聚类系数比节点v_i的聚类系数大的且满足删点规则的非确定节点，若有，则删除节点v_i的邻居节点中聚类系数最大的且满足删点规则的非确定节点，同时将该节点的所有邻居节点移出第二待筛选序列；否则删除节点v_i，同时将节点v_i的所有邻居节点移出第二待筛选序列。直到第二待筛选序列中的节点全部检查完毕。

①假设B＝{a，b，c，d，e}，D＝{m，n}，其中集合B表示第一待筛选序列，集合D表示第二待筛选序列，节点a与节点b，节点e，节点m互为邻居节点且聚类系数C_a>C_b>C_e>C_m.首先检查节点a的聚类系数是否在邻居节点b和e的聚类系数最大，经检查是，则删除节点a同时将节点a的邻居节点b和e移除B，将节点m移除D；此时B＝{c，d},D＝{n}，检查节点c是否可删。

②假设B＝{a，b，c，d，e}，D＝{m，n}，若节点a与节点b和节点e互为邻居节点，节点e的邻居节点为节点a，节点b和节点n，且聚类系数C_e>C_b>C_a..首先检查节点a的聚类系数是否在邻居节点b和e的聚类系数最大，经检查节点e的聚类系数最大，则删除节点e同时将节点e的邻居节点b和a移除B，将节点n移除D；此时B＝{c，d},D＝{m}，检查节点c是否可删。

此时完成一轮节点的删除工作，网络中可能还有其他冗余节点。但由于网络中节点的度与聚类系数已发生改变，重复以上步骤2-5，直到网络中没有节点可删除为止。

步骤103：在所述简化无线传感器网络结构内找到所有所述3-单形所构成的四边图形，找到所有所述四边图形的对角边，依次判断每条对角边所组成的所有2-单形是否在所述四边图形中，得到第一判断结果，若是，执行步骤104，若否，执行步骤107。

步骤104：删除所述简化无线传感器网络结构中的冗余边。

所述步骤104具体包括：获取所述3-单形中的两条对角边，并根据所述对角边删除冗余边。

如图3所示，若A,B,C,D四个点构成四阶完全图，其中AC,BD为对角边，则AC,BD中至多有一条边可作为冗余边删除；删除判断标准：(以AC为例)检验由AC生成的所有2-单形是否均在四阶完全图内，若是，则AC边可作为冗余边删除，否则检验BD边是否可作为冗余边删除。

删边步骤：

①找到网络中所有长度为4的环；

②对第①步找到的环进行筛选工作，若四边图形的每个节点都与四边图形其他三个节点互为邻居节点，将该环保存在矩阵E中，否则，删除该环(矩阵E中存放网络中所有的四阶完全图)；

③依次寻找矩阵E中每个环的两条对角线；

④将所有的对角线依次放入矩阵F中；

⑤依次判断矩阵F中的对角线是否可删。

步骤105：获取删除所述冗余节点以及所述冗余边之后的剩余无线传感器网络结构。

步骤106：根据所述剩余无线传感器网络结构确定覆盖空洞。

所述步骤106具体包括：获取所述剩余无线传感器网络的边界边；删除所述边界边内的假边界边，确定剩余边界边；根据所述剩余边界边确定边界环路；对所述边界环路进行筛选处理，确定筛选后的边界环路；缩短所述筛选后的边界环路，确定覆盖空洞。

识别网络中空洞的边界

在删除网络中冗余节点和冗余边之后的网络上进行以下操作：

①寻找边界环路

首先要识别出网络中的边界边才能寻找边界环路。对于平面Rips复形来讲，边界边最多含有一个邻居，因此，本发明从边邻居节点的数量出发识别网络中的边界边。由于网络中存在内部节点和边缘节点(边缘节点采用人工部署方式分布在目标区域的边缘，内部节点采用随机部署的方式分布在目标区域内部)，边的组成方式不同，不能统一判定是否为边界边；因此，本发明分情况给节点设置权重，权重为2的节点被认为边界节点；由边界节点组成边界边。

a.对于两个直接连接的边缘节点组成的边，若邻居节点的数量为零，则这两个边缘节点的权重均为2；

b.对于一个内部节点和一个边缘节点直接相连组成的边，如果邻居节点的数量不大于1，则这两个节点的权重均为2；

c.对于两个内部节点直接相连组成的边，如果邻居节点数量不大于1，则这两个节点的权重均为2。

d.除a,b,c三种情况之外，其他节点权重为1。

权重为2的节点之间通过邻接矩阵确定邻居节点并连接成边，称这些边为边界边；但网络中可能会存在假边界边的情况即该边并没有在空洞边界上，定义以下规则删除假边界边。

假边界边：若某条边界边的邻居节点存在分布在该边异侧的情况，则称这条边界边为假边界边。

删除假边界边之后，剩余边界边所形成的环路即为边界环路。

②筛选边界环路

为确保准确找到边界环路，需要设定以下规则，删除不必要的环路。

筛选环路规则：若在上一小节中找到的环路满足以下三个条件中任一个，则删除该条环路。(1)环路长度为3；(2)环路长度为4，且环路中有两个不相邻节点互为邻居节点；(3)其他长度的环路有两个不相邻节点之间互为邻居节点，且环路中其他节点分布在连线两端。

③缩短边界环路

尽管已经筛选过边界环路，这些剩余的边界环路依然可能不是限定空洞的最短路径或者是几个环路都限定一个空洞。因此，识别空洞的最后一个环节:缩短边界环路。

将从环路中节点的角度出发，缩短环路。具体做法为:

a.若环路中某个节点(v_i)和其环中不相邻的节点(v_j)互为邻居节点，则检查直接连接v_iv_j所形成的环路面积是否比原空洞面积小，若是，则直接连接v_iv_j缩短边界环路。如图4(a)；

b.若v_i，v_j，v_k是环路中三个相邻节点，节点v_m是这三个点的公共邻居节点，则检查用节点v_m替代节点v_j所形成的环路面积以及环路周长是否均比原环路小，若是，则用节点v_m替代节点v_j形成新环路，如图4(b)。

步骤107：检查下一条对角边是否满足所组成的所有2-单形在所述四边图形中，直到所有对角边检查完毕为止。

图5为本发明所提供的无线传感器网络覆盖空洞检测系统结构图，如图5所示，一种无线传感器网络覆盖空洞检测系统，包括：

Rips复形构建模块501，用于根据无线传感器网络中各节点之间的连通信息构建整个无线传感器网络所对应的Rips复形；所述Rips复形包括0-单形，1-单形，2-单形以及3-单形；所述0-单形为所述无线传感器网络中任一节点，1-单形为所述无线传感器网络中两个邻居节点形成的边，2-单形为三个互为邻居的节点构成的三角图形，3-单形为四个互为邻居的节点构成的四边图形。

冗余节点删除模块502，用于在所述无线传感器网络中删除所述Rips复形中的冗余节点，确定删除冗余点后的简化无线传感器网络结构。

所述冗余节点删除模块502具体包括：度以及聚类系数计算单元，用于计算所述Rips复形内所有节点的度以及聚类系数；确定节点集合和非确定节点集合确定单元，用于根据所述度以及所述聚类系数确定确定节点集合和非确定节点集合；第二判断单元，用于判断所述确定节点集合和所述非确定节点集合中的节点是否满足删点规则，得到第二判断结果；冗余节点删除单元，用于若所述第二判断结果表示为所述确定节点集合和所述非确定节点集合中的节点满足删点规则，将满足删点规则的确定节点与非确定节点分别放入第一待筛选序列和第二待筛选序列；其中，所述删点规则为①节点v的邻居图连通；②节点v的邻居图中的所有环路均可三角化即节点v的邻居图中的每个环路均可由长度为3的环构成。

第三判断单元，用于①判断所述第一待筛选序列中第一节点的邻居图中是否有聚类系数比第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的确定节点，得到第三判断结果；

第一移除单元，用于②若所述第三判断结果表示为第一节点的邻居图中有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的确定节点，删除所述第一节点的邻居节点中聚类系数最大的且满足删点规则的确定节点，同时将删除节点的所有邻居节点分别移出所述第一待筛选序列和所述第二待筛选序列；

第二移除单元，用于③若所述第三判断结果表示为第一节点的邻居图中没有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的确定节点，删除所述第一节点，同时将所述第一节点的所有邻居节点分别移出所述第一待筛选序列和所述第二待筛选序列。

第一待筛选序列确定单元，用于④重复步骤①②③，直到第一待筛选序列中的节点全部检查完毕；

第四判断单元，用于⑤判断所述第二待筛选序列中第一节点的邻居图中是否有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的非确定节点，得到第四判断结果；

第三移除单元，用于⑥若所述第四判断结果表示为所述第二待筛选序列中第一节点的邻居图中有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的非确定节点，删除所述第一节点的邻居节点中聚类系数最大的且满足删点规则的非确定节点，同时将所述删除节点的所有邻居节点移出所述第二待筛选序列；

第四移除单元，用于⑦若所述第四判断结果表示为所述第二待筛选序列中第一节点的邻居图中没有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的非确定节点，删除所述第一节点，同时将所述第一节点的所有邻居节点移出所述第二待筛选序列。

第二待筛选序列确定单元，用于⑧重复步骤⑤⑥⑦，直到第二待筛选序列中的节点全部检查完毕。

第一判断模块503，用于在所述简化无线传感器网络结构内的所述3-单形所构成的四边图形中，判断所述四边图形中的对角边所组成的所有2-单形是否在所述四边图形中，得到第一判断结果。

冗余边删除模块504，用于若所述第一判断结果表示为所述四边图形中的对角边所组成的所有2-单形在所述四边图形中，删除所述简化无线传感器网络结构中的冗余边。

所述冗余边删除模块504具体包括：冗余边删除单元，用于获取所述3-单形中的两条对角边，并根据所述对角边删除冗余边。

剩余无线传感器网络结构获取模块505，用于获取删除所述冗余节点以及所述冗余边之后的剩余无线传感器网络结构。

覆盖空洞确定模块506，用于根据所述剩余无线传感器网络结构确定覆盖空洞。

所述覆盖空洞确定模块506具体包括：边界边获取单元，用于获取所述剩余无线传感器网络的边界边；剩余边界边确定单元，用于删除所述边界边内的假边界边，确定剩余边界边；边界环路确定单元，用于根据所述剩余边界边确定边界环路；筛选后的边界环路确定单元，用于对所述边界环路进行筛选处理，确定筛选后的边界环路；覆盖空洞确定单元，用于缩短所述筛选后的边界环路，确定覆盖空洞。

本发明利用复杂网络理论以及完全图的相关概念简化无线传感器网络所对应的Rips复形，从而在不改变网络拓扑结构的前提下，准确检测出无线传感器网络中的覆盖空洞。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种无线传感器网络覆盖空洞检测方法，其特征在于，包括：

根据无线传感器网络中各节点之间的连通信息构建整个无线传感器网络所对应的Rips复形；所述Rips复形包括0-单形，1-单形，2-单形以及3-单形；所述0-单形为所述无线传感器网络中任一节点，1-单形为所述无线传感器网络中两个邻居节点形成的边，2-单形为三个互为邻居的节点构成的三角图形，3-单形为四个互为邻居的节点构成的四边图形；

在所述无线传感器网络中删除所述Rips复形中的冗余节点，确定删除冗余点后的简化无线传感器网络结构；

在所述简化无线传感器网络结构内的所述3-单形所构成的四边图形中，判断所述四边图形中的对角边所组成的所有2-单形是否在所述四边图形中，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示为所述四边图形中的对角边所组成的所有2-单形在所述四边图形中，删除所述简化无线传感器网络结构中的冗余边；

获取删除所述冗余节点以及所述冗余边之后的剩余无线传感器网络结构；

根据所述剩余无线传感器网络结构确定覆盖空洞。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络覆盖空洞检测方法，其特征在于，所述在所述无线传感器网络中删除所述Rips复形中的冗余节点，确定删除冗余点后的简化无线传感器网络结构，具体包括：

计算所述Rips复形内所有节点的度以及聚类系数；

根据所述度以及所述聚类系数确定确定节点集合和非确定节点集合；

判断所述确定节点集合和所述非确定节点集合中的节点是否满足删点规则，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示为所述确定节点集合和所述非确定节点集合中的节点满足删点规则，将满足删点规则的确定节点与非确定节点分别放入第一待筛选序列和第二待筛选序列；其中，所述删点规则为①节点v的邻居图连通；②节点v的邻居图中的所有环路均可三角化即节点v的邻居图中的每个环路均可由长度为3的环构成。

3.根据权利要求2所述的无线传感器网络覆盖空洞检测方法，其特征在于，所述将满足删点规则的确定节点与非确定节点分别放入第一待筛选序列和第二待筛选序列，之后还包括：

①判断所述第一待筛选序列中第一节点的邻居图中是否有聚类系数比第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的确定节点，得到第三判断结果；

②若所述第三判断结果表示为第一节点的邻居图中有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的确定节点，删除所述第一节点的邻居节点中聚类系数最大的且满足删点规则的确定节点，同时将删除节点的所有邻居节点分别移出所述第一待筛选序列和所述第二待筛选序列；

③若所述第三判断结果表示为第一节点的邻居图中没有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的确定节点，删除所述第一节点，同时将所述第一节点的所有邻居节点分别移出所述第一待筛选序列和所述第二待筛选序列。

④重复步骤①②③，直到第一待筛选序列中的节点全部检查完毕；

⑤判断所述第二待筛选序列中第一节点的邻居图中是否有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的非确定节点，得到第四判断结果；

⑥若所述第四判断结果表示为所述第二待筛选序列中第一节点的邻居图中有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的非确定节点，删除所述第一节点的邻居节点中聚类系数最大的且满足删点规则的非确定节点，同时将所述删除节点的所有邻居节点移出所述第二待筛选序列；

⑦若所述第四判断结果表示为所述第二待筛选序列中第一节点的邻居图中没有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的非确定节点，删除所述第一节点，同时将所述第一节点的所有邻居节点移出所述第二待筛选序列。

⑧重复步骤⑤⑥⑦，直到第二待筛选序列中的节点全部检查完毕。

4.根据权利要求3所述的无线传感器网络覆盖空洞检测方法，其特征在于，所述删除所述简化无线传感器网络结构中的冗余边，具体包括：

获取所述3-单形中的两条对角边，并根据所述对角边删除冗余边。

5.根据权利要求4所述的无线传感器网络覆盖空洞检测方法，其特征在于，所述根据所述剩余无线传感器网络结构确定覆盖空洞，具体包括：

获取所述剩余无线传感器网络的边界边；

删除所述边界边内的假边界边，确定剩余边界边；

根据所述剩余边界边确定边界环路；

对所述边界环路进行筛选处理，确定筛选后的边界环路；

缩短所述筛选后的边界环路，确定覆盖空洞。

6.一种无线传感器网络覆盖空洞检测系统，其特征在于，包括：

Rips复形构建模块，用于根据无线传感器网络中各节点之间的连通信息构建整个无线传感器网络所对应的Rips复形；所述Rips复形包括0-单形，1-单形，2-单形以及3-单形；所述0-单形为所述无线传感器网络中任一节点，1-单形为所述无线传感器网络中两个邻居节点形成的边，2-单形为三个互为邻居的节点构成的三角图形，3-单形为四个互为邻居的节点构成的四边图形；

冗余节点删除模块，用于在所述无线传感器网络中删除所述Rips复形中的冗余节点，确定删除冗余点后的简化无线传感器网络结构；

第一判断模块，用于在所述简化无线传感器网络结构内的所述3-单形所构成的四边图形中，判断所述四边图形中的对角边所组成的所有2-单形是否在所述四边图形中，得到第一判断结果；

冗余边删除模块，用于若所述第一判断结果表示为所述四边图形中的对角边所组成的所有2-单形在所述四边图形中，删除所述简化无线传感器网络结构中的冗余边；

剩余无线传感器网络结构获取模块，用于获取删除所述冗余节点以及所述冗余边之后的剩余无线传感器网络结构；

覆盖空洞确定模块，用于根据所述剩余无线传感器网络结构确定覆盖空洞。

7.根据权利要求6所述的无线传感器网络覆盖空洞检测系统，其特征在于，所述冗余节点删除模块具体包括：

度以及聚类系数计算单元，用于计算所述Rips复形内所有节点的度以及聚类系数；

确定节点集合和非确定节点集合确定单元，用于根据所述度以及所述聚类系数确定确定节点集合和非确定节点集合；

第二判断单元，用于判断所述确定节点集合和所述非确定节点集合中的节点是否满足删点规则，得到第二判断结果；

冗余节点删除单元，用于若所述第二判断结果表示为所述确定节点集合和所述非确定节点集合中的节点满足删点规则，将满足删点规则的确定节点与非确定节点分别放入第一待筛选序列和第二待筛选序列；其中，所述删点规则为①节点v的邻居图连通；②节点v的邻居图中的所有环路均可三角化即节点v的邻居图中的每个环路均可由长度为3的环构成。

8.根据权利要求7所述的无线传感器网络覆盖空洞检测系统，其特征在于，还包括：

第三判断单元，用于①判断所述第一待筛选序列中第一节点的邻居图中是否有聚类系数比第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的确定节点，得到第三判断结果；

第一移除单元，用于②若所述第三判断结果表示为第一节点的邻居图中有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的确定节点，删除所述第一节点的邻居节点中聚类系数最大的且满足删点规则的确定节点，同时将删除节点的所有邻居节点分别移出所述第一待筛选序列和所述第二待筛选序列；

第二移除单元，用于③若所述第三判断结果表示为第一节点的邻居图中没有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的确定节点，删除所述第一节点，同时将所述第一节点的所有邻居节点分别移出所述第一待筛选序列和所述第二待筛选序列。

第一待筛选序列确定单元，用于④重复步骤①②③，直到第一待筛选序列中的节点全部检查完毕；

第四判断单元，用于⑤判断所述第二待筛选序列中第一节点的邻居图中是否有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的非确定节点，得到第四判断结果；

第三移除单元，用于⑥若所述第四判断结果表示为所述第二待筛选序列中第一节点的邻居图中有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的非确定节点，删除所述第一节点的邻居节点中聚类系数最大的且满足删点规则的非确定节点，同时将所述删除节点的所有邻居节点移出所述第二待筛选序列；

第四移除单元，用于⑦若所述第四判断结果表示为所述第二待筛选序列中第一节点的邻居图中没有聚类系数比所述第一节点的聚类系数大的且满足删点规则的非确定节点，删除所述第一节点，同时将所述第一节点的所有邻居节点移出所述第二待筛选序列。

第二待筛选序列确定单元，用于⑧重复步骤⑤⑥⑦，直到第二待筛选序列中的节点全部检查完毕。

9.根据权利要求8所述的无线传感器网络覆盖空洞检测系统，其特征在于，所述冗余边删除模块具体包括：

冗余边删除单元，用于获取所述3-单形中的两条对角边，并根据所述对角边删除冗余边。

10.根据权利要求9所述的无线传感器网络覆盖空洞检测系统，其特征在于，所述覆盖空洞确定模块具体包括：

边界边获取单元，用于获取所述剩余无线传感器网络的边界边；

剩余边界边确定单元，用于删除所述边界边内的假边界边，确定剩余边界边；

边界环路确定单元，用于根据所述剩余边界边确定边界环路；

筛选后的边界环路确定单元，用于对所述边界环路进行筛选处理，确定筛选后的边界环路；

覆盖空洞确定单元，用于缩短所述筛选后的边界环路，确定覆盖空洞。