一种无线传感器网络的k-覆盖空洞检测方法技术

本发明专利技术公开了一种无线传感器网络的k‑覆盖空洞检测方法。将无线传感器网络建模为一个图G＝(V,E)，V为所有节点的集合，E为所有相邻节点连线的集合；根据相邻节点间的距离信息，发现目前网络中所有1‑覆盖空洞的边界线段，并计算其权重；在发现的边界线段中，寻找合适的起始边界线段，并由此边界起始线段开始向其他相连的边界线段依次传递消息，发现所有1‑覆盖空洞的边界圆周；在当前网络中寻找一个能够完全覆盖目标区域的节点集合，休眠此集合中的节点使当前网络的覆盖度减去1，再次检测当前网络中存在的1‑覆盖空洞；再重复k‑1次，发现所有k‑覆盖空洞的边界线段和边界圆周。本发明专利技术在仅知局部化距离信息的情况下，能够准确检测网络中存在的k‑覆盖空洞。 1

A k- coverage hole detection method for Wireless Sensor Networks

The invention discloses a K hole coverage hole detection method for wireless sensor networks. The wireless sensor network is modeled as a graph G = (V, E), V is the set of all nodes, and E is the set of all adjacent nodes. According to the distance information between adjacent nodes, the boundary line segment of all 1 covered holes in the network is found and its weight is calculated; and the appropriate starting edge is found in the current boundary line segment. The boundary line segment, and the starting line segment of the boundary begins to transfer messages to the other connected boundary line segments in turn, and discovers the circumference of the boundary of all 1 covered holes; in the current network, we find a set of nodes that can completely cover the target area, and sleep the nodes in the set to subtract 1 of the coverage of the front network and detect again when the coverage of the front network is reduced. In the former network, there are 1 holes covering holes; after repeating K 1 times, we find that all k covers cover empty boundary lines and boundary circles. The present invention can detect the K hole covered holes in the network accurately only when localization distance information is known. One

【技术实现步骤摘要】
一种无线传感器网络的k-覆盖空洞检测方法
本专利技术属于无线传感器网络领域，特别涉及了一种无线传感器网络的k-覆盖空洞检测方法。
技术介绍
无线传感器网络由大量具有感知能力、通讯能力和计算能力的微型传感器节点组成，被广泛应用于环境监控、入侵检测等领域。为了提高系统容错能力，或是在对覆盖度要求较高的应用如军事监控、三角定位中，往往要求目标区域中的每一个点都至少被k个节点的感知范围覆盖，其中k为大于等于1的整数；而在现实应用中，传感器节点的随机撒布、能量耗尽及节点被破坏等因素又会造成覆盖空洞的产生，严重影响无线传感器网络所能提供的服务质量。因此，k-覆盖空洞的检测是一项重要的工作。目前，针对无线传感器网络的覆盖空洞检测问题已经有一些不同的方案，主要可以分为三类：基于坐标、基于距离和基于同调理论；其中，基于坐标的覆盖空洞检测方法可以准确地发现所有空洞的边界线段和边界圆周，但此方法需要获得网络中所有传感器节点的坐标信息，而这些信息在实际中难以得到；现有的基于距离的k-覆盖空洞检测方法仅能发现所有的边界节点，而不能同时发现所有k-覆盖空洞的边界线段和边界圆周；基于同调理论的覆盖空洞检测方法仅通过连通信息发现网络中的覆盖空洞，但此方法不能发现所有的覆盖空洞。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
提出的技术问题，本专利技术旨在提供一种无线传感器网络的k-覆盖空洞检测方法，在仅知局部化距离信息的情况下，准确检测网络中存在的k-覆盖空洞，并确定每个k-覆盖空洞的具体区域。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：一种无线传感器网络的k-覆盖空洞检测方法，包括以下步骤：(1)将无线传感器网络建模为一个图G＝(V,E)，其中，V为所有节点的集合，E为所有相邻节点连线的集合；根据相邻节点间的距离信息，发现目前网络中所有1-覆盖空洞的边界线段，并计算其权重；(2)在步骤(1)发现的边界线段中，寻找合适的起始边界线段，并由此边界起始线段开始向其他相连的边界线段依次传递消息，发现所有1-覆盖空洞的边界圆周；(3)在当前网络中寻找一个能够完全覆盖目标区域的节点集合，休眠此集合中的节点使当前网络的覆盖度减去1，再次检测当前网络中存在的1-覆盖空洞；(4)再重复步骤(1)-(3)k-1次，发现所有k-覆盖空洞的边界线段和边界圆周。进一步地，在步骤(1)中，发现目前网络中所有1-覆盖空洞的边界线段并计算其权重的方法如下：对于图G中的每一对相邻节点，判断其感知圆盘的交点是否被其他公共邻居节点所覆盖，若两个交点均被其他公共邻居节点的感知圆盘覆盖，则该对相邻节点的连线不是1-覆盖空洞的边界线段，其权重设为0；若两个交点中仅有一个交点被其他公共邻居节点覆盖，则该对相邻节点的连线是权重为1的边界线段；若两个交点均未被其他公共邻居节点所覆盖，则该对相邻节点的连线是权重为2的边界线段。进一步地，在步骤(2)中，寻找合适的起始边界线段的方法如下：存在公共边界线段的两个空洞，选择该公共边界线段作为起始边界线段；存在公共边界节点的两个空洞，选择与该公共边界节点相连的一条边界线段作为起始边界线段；彼此分离的两个空洞，各自选择任意一条边界线段作为它们的起始边界线段。进一步地，在步骤(2)中，由边界起始线段开始向其他相连的边界线段依次传递消息并发现所有覆盖空洞的边界圆周的方法如下：选择起始边界线段uv后，从节点v开始，向除去节点u之外所有与节点v相连的边界线段传递消息，消息的内容包括节点u和v的ID序号；当某一边界节点接收到一条消息，存在以下四种情况：情况1：节点已经收到过来自同一条起始边界线段的消息，则把此条消息判定为重复并忽略；情况2：节点未收到过来自于该起始边界线段的消息，将自己的ID序号加到消息末尾，并传递给其他与本节点相连的边界线段；情况3：接收消息的节点与该消息的起始节点为同一节点，且之前已经收到过与本条消息相似的消息，则把此条消息判定为重复并忽略；情况4：接收消息的节点与该消息的起始节点为同一节点，且之前未收到过与本条消息相似的消息，判定发现了一个边界圆周；每发现一个边界圆周，将组成该边界圆周的所有边界线段的权重减1，继续发现其他空洞的边界圆周，直到不存在权重大于0的边界线段。进一步地，在步骤(3)中，对所有处于唤醒状态的非边界节点，判断其感知圆盘区域是否被其他节点完全覆盖，若是，将该节点归入集合S并休眠；若否，节点保持唤醒，继续判断下一节点；对所有处于唤醒状态的非边界节点执行过一次判断之后，仍然处于唤醒状态的非边界节点构成了一个完全覆盖目标区域的节点集合，将这些节点全部休眠，并唤醒S中的全部节点，当前无线传感器网络的覆盖度减去1。采用上述技术方案带来的有益效果：本专利技术能够仅利用网络中相邻节点间的局部化距离信息，通过简单的几何计算，发现所有1-覆盖空洞的边界线段和边界圆周，通过递减网络覆盖度并迭代1-覆盖空洞检测的方式，进一步发现网络中所有k-覆盖空洞的边界线段和边界圆周，确定每个k-覆盖空洞的具体区域，为后续的空洞修复等工作提供基础。附图说明图1为无线传感器网络1-覆盖空洞检测示例图；图2为网络覆盖度减去1后的无线传感器网络示例图；图3为迭代1-覆盖空洞检测后发现的2-覆盖空洞示例图；图4为本专利技术的方法流程图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细说明。对于由N个随机分布在矩形目标区域内的传感器节点组成的无线传感器网络，网络中的每个节点具有唯一且互不相同的ID标识号，所有节点具有相同的感知半径Rs和通信半径Rc；为保证网络覆盖即连通，节点需要满足Rc≥2Rs，这里假设Rc＝2Rs，本专利技术对Rc>2Rs的情况同样适用。每个传感器节点采用圆盘覆盖模型，即节点的感知范围是以节点为圆心、半径为Rs的圆盘。对于任意两个节点u和v，若它们之间的欧式距离du,v≤Rc，称它们互为相邻节点，相邻节点之间可以互相通信，获得彼此间的距离信息。任意两个相邻节点u、v的感知圆周必然相交于一段圆弧Su,v，其长度μu,v可以由余弦定理计算得：根据圆周覆盖的性质，若节点的感知圆周被其他节点完全覆盖，那么此节点就不与覆盖空洞相邻。对于节点u、v的连线uv，若圆弧Su,v的两侧端点被其他节点所覆盖，那么线段uv就不与覆盖空洞相邻，即线段uv不是一条边界线段。假设节点w为节点u、v的公共邻居节点，那么节点w与u的感知圆周必然相交于一段圆弧Su,w。根据余弦定理，同样可以求得圆弧Su,w的长度μu,w以及线段uv与线段uw之间的夹角θvuw：那么圆弧Su,v与Su,w之间存在三种有用的位置关系：关系(1-1)：Su,v与Su,w不相交，即节点w不覆盖圆弧Su,v的任意一个端点；关系(1-2)：即节点w同时覆盖Su,v的两个端点，此时，他们之间满足公式：μu,w≥μu,v+2θvuw(3)关系(1-3)：Su,v与Su,w相交但不存在包含关系，即节点w仅覆盖Su,v的一个端点，此时，他们之间满足公式：对任意一对相邻节点u、v，判断他们所有的公共邻居节点对圆弧Su,v两个端点的覆盖情况；若满足关系(1-2)，那么线段uv不是一条边界线段，不再判断余下的公共邻居节点；若邻居节点满足关系(1-3)，将该节点加入到集合S1；若均不满足关系(1-2)、(1-3)，继本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线传感器网络的k‑覆盖空洞检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络的k-覆盖空洞检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将无线传感器网络建模为一个图G＝(V,E)，其中，V为所有节点的集合，E为所有相邻节点连线的集合；根据相邻节点间的距离信息，发现目前网络中所有1-覆盖空洞的边界线段，并计算其权重；(2)在步骤(1)发现的边界线段中，寻找合适的起始边界线段，并由此边界起始线段开始向其他相连的边界线段依次传递消息，发现所有1-覆盖空洞的边界圆周；(3)在当前网络中寻找一个能够完全覆盖目标区域的节点集合，休眠此集合中的节点使当前网络的覆盖度减去1，再次检测当前网络中存在的1-覆盖空洞；(4)再重复步骤(1)-(3)k-1次，发现所有k-覆盖空洞的边界线段和边界圆周。2.根据权利要求1所述无线传感器网络的k-覆盖空洞检测方法，其特征在于，在步骤(1)中，发现目前网络中所有1-覆盖空洞的边界线段并计算其权重的方法如下：对于图G中的每一对相邻节点，判断其感知圆盘的交点是否被其他公共邻居节点所覆盖，若两个交点均被其他公共邻居节点的感知圆盘覆盖，则该对相邻节点的连线不是1-覆盖空洞的边界线段，其权重设为0；若两个交点中仅有一个交点被其他公共邻居节点覆盖，则该对相邻节点的连线是权重为1的边界线段；若两个交点均未被其他公共邻居节点所覆盖，则该对相邻节点的连线是权重为2的边界线段。3.根据权利要求1所述无线传感器网络的k-覆盖空洞检测方法，其特征在于，在步骤(2)中，寻找合适的起始边界线段的方法如下：存在公共边界线段的两个空洞，选择该公共边界线段作为起始边界线段；存在公共边界节点的两个空洞，选择与该公共边界节点相连的一条边界线段作为起始边...

【专利技术属性】
技术研发人员：燕锋，马文钰，夏玮玮，沈连丰，胡静，宋铁成，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32