一种用于无线传感器网络的单纯复形简化方法及设备技术

本发明专利技术提供一种用于无线传感器网络的单纯复形简化方法及设备，属于无线通信的技术领域，该方法包括：基于代数拓扑的同调理论，利用传感器节点之间的连通信息，构建无线传感器网络对应的Rips复形；在Rips复形拓扑中，根据各节点及其邻节点之间的关系，选择冗余节点进行休眠；计算剩余节点的权重大小；按权重值排序节点，根据节点之间的相对方位角信息断开冗余节点之间的连接。本发明专利技术方法摒弃了位置和距离等难以精确获取的信息，从节点根本属性出发，利用节点之间的连通信息构建单纯复形—Rips复形，在无线传感器网络中结合节点的相对方位角信息，将复杂的网络拓扑结构简单化，同时保证网络拓扑特性的不变，减低检测覆盖空洞的计算复杂度。

【技术实现步骤摘要】
一种用于无线传感器网络的单纯复形简化方法及设备
本专利技术涉及一种无线传感器网络中的拓扑结构简化技术，具体涉及一种用于无线传感器网络的单纯复形简化方法及设备，属于无线通信的

技术介绍
无线传感器网络被广泛地应用于入侵检测、战场监督、环境监控等方面，这些场景都需要保证全方位的覆盖。由于传感器的随机分布、能量耗尽、遭受破坏等因素的存在，实际的目标场景中会存在不受传感器的监控的区域，即为覆盖空洞。检测覆盖空洞的复杂度随单形数目的增多而增加，所以简化单纯复形是分析大规模无线传感器网络拓扑特性的必要环节。已有的单纯复形简化方法适用于不存在空洞的全覆盖拓扑结构。这类方法基于单纯复形，通过计算同调群的贝蒂数休眠节点，实现简化。当待休眠的节点的邻节点形成的单纯复形拥有与原始单纯复形相同的拓扑特性，可关闭该节点。当目标区域是全覆盖状态时，利用该方法能达到很好的简化效果，但实际中的无线传感器网络几乎不存在全覆盖情形，并且构建同调群，计算贝蒂数的过程复杂度很高，不适用于大规模且存在覆盖空洞的无线传感器网络的简化。已有的单纯复形简化方法还存在扩大空洞的问题。利用节点的连通信息，考察它的连通图，按照不改变连通性的准则对节点进行休眠，这种方法无法对空洞附近的敏感节点休眠，将导致空洞附近区域仍存在多重覆盖的情形。进一步通过删除冗余边消除重复覆盖区域，当删除存在交叉现象的空洞边界时，将会扩大覆盖空洞的大小，改变单纯复形体现的拓扑特性。这种简化方法无法保证拓扑特性的不变性，将对空洞检测环节产生致命的错误。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种用于无线传感器网络的单纯复形简化的方法及设备，利用节点之间的连通信息构建单纯复形，基于节点之间的相对方位角信息，休眠节点，切断节点之间的冗余连接，在保证拓扑特性不变的前提下，对单纯复形进行简化，拥有较低的计算复杂度，可用于存在覆盖空洞的大规模无线传感器网络中。技术方案：本专利技术提出的用于无线传感器网络的单纯复形简化方法，摒弃了位置和距离等难以精确获取的信息，从节点根本属性出发，利用节点之间的连通信息构建单纯复形—Rips复形。综合分析节点及其邻节点之间的关系，休眠节点，利用节点之间的相对方位角信息，切断节点之间存在的冗余连接，在保持拓扑特性不变的基础上，实现对Rips复形的简化。该简化方法包括以下步骤：(1)根据无线传感器网络中各传感器节点之间的连通信息构建整个无线传感器网络对应的Rips复形，所述Rips复形包括1-单形、2-单形和3-单形，一个节点与其邻节点形成所述1-单形，两两互为邻节点的三个节点形成所述2-单形，形成2-单形的三个节点及其公共邻节点形成所述3-单形；其中某个节点的邻节点为能接收到该节点的广播消息的节点；(2)判断是否存在被其他节点控制的冗余节点，若存在则休眠该冗余节点并更新Rips复形；若某一节点的所有邻节点均为另一节点的邻节点则该节点为所述被其他节点控制的冗余节点；(3)根据节点的分布情况计算剩余节点的权重值，栅栏节点的权重值为0，内部节点的权重值等于节点生成的3-单形的数目；(4)对于权重值不为0的节点，利用节点之间的相对方位角信息判断节点之间的连接能否被切断，对于一个节点生成的3条边中，如果存在一条边在另两边构成的角区域内，并且该边生成的所有2-单形均有公共邻节点，则将这条边作为冗余边删除。作为优选，所述步骤(2)中包括如下步骤：(2.1)统计Rips复形中所有节点的邻节点信息，以集合形式表示，设节点v的所有邻节点集合为Nv；(2.2)对每个节点v遍历其余节点，若存在节点w的邻节点集合Nw满足则休眠节点v；(2.3)更新节点v生成的所有单形，按步骤(2.2)继续判断下一个节点能否被删除，直到Rips复形中不存在能被休眠的节点。作为优选，所述步骤(3)中的内部节点的权重值的计算方法为：对于一个内部节点v，它生成的1-单形集合为E(v)，2-单形集合为T(v)，如果E(v)中的元素不是任何2-单形的面，那节点v的权重为0，如果T(v)中的元素不是任何3-单形的面，那节点v的权重也为0，除以上两种情况，其他节点的权重等于它生成的3-单形的数目。作为优选，节点生成的3-单形的数目计算方法为：比较节点及其两个互为邻节点的邻节点拥有的邻节点列表，节点生成的3-单形的数目设置为这三个邻节点列表的公共节点数目。作为优选，所述步骤(4)中包括如下步骤：(4.1)遍历所有权重值不为0的节点，选择权重值最大的节点vm作为初始节点，如果存在权重值相同的几个节点，选择ID最小的节点为vm；(4.2)对节点vm生成的所有3-单形考察，它生成的3条边中，如果存在一条边在另两边构成的角区域内，并且该边生成的所有2-单形均有公共邻节点，则将这条边作为冗余边删除。(4.3)更新该节点生成的所有单形，按步骤(4.2)继续考察下一个节点是否存在冗余边，直到Rips复形所有边都不能被删除。作为优选，所述步骤(4.2)中具体判断方法为：设[vm,vm1,vm2]是一个2-单形，vj是[vm,vm1,vm2]的公共邻节点，如果存在并且节点vm和vj生成的2-单形存在公共邻节点，则切断节点vm和vj的连接；其中为节点vm相对于节点vj的方位角，为节点vm相对于节点vm1的方位角，为节点vm相对于节点vm2的方位角。本专利技术另一方面还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现上述用于无线传感器网络的单纯复形简化方法。有益效果：本专利技术提出的用于无线传感器网络的单纯复形简化方法，其优点在于引入代数拓扑的同调理论知识，只利用节点之间的连通信息，构建相应的Rips复形，通过休眠Rips复形中的受控节点，根据计算的节点权重值依次切断交叉的节点的连通状态，实现在保持拓扑特性的基础上简化Rips复形的目的，既能减少整个网络的能源消耗，增加网络的寿命，还能为后期覆盖空洞检测、修复、优化等分析降低计算复杂度。附图说明图1是本专利技术实施例的无线传感器网络结构示意图。图2是本专利技术实施例的单纯复形简化方法总体流程图。图3是本专利技术优选实施例的单纯复形简化方法详细流程图。图4是本专利技术优选实施例的用于无线传感器网络的单纯复形简化效果图。具体实施方式图1是本专利技术实施例中涉及的无线传感器网络结构示意图。如图1所示，无线传感器网络是一种分布式传感网络，它的每个节点是可以感知和检查外部世界的传感器。在无线传感器网络中，传感器节点可以分为普通节点和汇聚节点两类，这些节点一般在目标区域内被随机部署分布，普通节点彼此可以通信，也可以与汇聚节点通信，再通过汇聚节点和基站通信，实现对网络的实时监控和相应配置。节点a,b,c,d,e,f,g处于整个区域的外边界，因此它们为栅栏节点，而且每个栅栏节点可以和两个相邻的栅栏节点通信，其余的区域内节点都是内部节点。图2是本专利技术实施例的方法总体流程图，如图2所示，本专利技术实施例公开的一种用于无线传感器网络的单纯复形简化方法，主要包括：(1)根据无线传感器网络中各传感器节点之间的连通信息构建整个无线传感器网络对应的Rips复形。利用传感器节点之间的连通信息，建立彼此的联系，基于同调理论，依次形成1-单形，2-单形，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于无线传感器网络的单纯复形简化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据无线传感器网络中各传感器节点之间的连通信息构建整个无线传感器网络对应的Rips复形，所述Rips复形包括1‑单形、2‑单形和3‑单形，一个节点与其邻节点形成所述1‑单形，两两互为邻节点的三个节点形成所述2‑单形，形成2‑单形的三个节点及其公共邻节点形成所述3‑单形；其中某个节点的邻节点为能接收到该节点的广播消息的节点；(2)判断是否存在被其他节点控制的冗余节点，若存在则休眠该冗余节点并更新Rips复形；若某一节点的所有邻节点均为另一节点的邻节点则该节点为所述被其他节点控制的冗余节点；(3)根据节点的分布情况计算剩余节点权重值，栅栏节点的权重值为0，内部节点的权重值等于节点生成的3‑单形的数目；(4)对于权重值不为0的节点，利用节点之间的相对方位角信息判断节点之间的连接能否被切断，对于一个节点生成的3条边中，如果存在一条边在另两边构成的角区域内，并且该边生成的所有2‑单形均有公共邻节点，则将这条边作为冗余边删除。

【技术特征摘要】
1.一种用于无线传感器网络的单纯复形简化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据无线传感器网络中各传感器节点之间的连通信息构建整个无线传感器网络对应的Rips复形，所述Rips复形包括1-单形、2-单形和3-单形，一个节点与其邻节点形成所述1-单形，两两互为邻节点的三个节点形成所述2-单形，形成2-单形的三个节点及其公共邻节点形成所述3-单形；其中某个节点的邻节点为能接收到该节点的广播消息的节点；(2)判断是否存在被其他节点控制的冗余节点，若存在则休眠该冗余节点并更新Rips复形；若某一节点的所有邻节点均为另一节点的邻节点则该节点为所述被其他节点控制的冗余节点；(3)根据节点的分布情况计算剩余节点权重值，栅栏节点的权重值为0，内部节点的权重值等于节点生成的3-单形的数目；(4)对于权重值不为0的节点，利用节点之间的相对方位角信息判断节点之间的连接能否被切断，对于一个节点生成的3条边中，如果存在一条边在另两边构成的角区域内，并且该边生成的所有2-单形均有公共邻节点，则将这条边作为冗余边删除。2.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的单纯复形简化方法，其特征在于，所述步骤(2)中包括如下步骤：(2.1)统计Rips复形中所有节点的邻节点信息，以集合形式表示，设节点v的所有邻节点集合为Nv；(2.2)对每个节点v遍历其余节点，若存在节点w的邻节点集合Nw满足则休眠节点v；(2.3)更新节点v生成的所有单形，按步骤(2.2)继续判断下一个节点能否被删除，直到Rips复形中不存在能被休眠的节点。3.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的单纯复形简化方法，其特征在于，所述步骤(3)中的内部节点的权重值的计算方法为：对于一个内部节点v，它生成的1-单形集合为E(v)，2-单形集合为T(v)，如果E(...

【专利技术属性】
技术研发人员：燕锋，董雨晴，康泓，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