本发明专利技术公开了一种基于移动中继节点调度的分块无线传感器网络修复方法，主要解决现有技术连通成功率低、连通开销大的问题。其实现步骤是：1.给任意两个处于不同分块的边界传感器间建立一条边；2.分别计算每条边的权重，并得到连通每条边时移动中继节点的最优位置；3.按权重从小到大的顺序依次添加边，直到整个分块网络连通，记录添加的边和相应的移动中继节点最优位置；4.利用二部图匹配的方法计算得到一个移动中继节点调度方案，使用该方案对各分块网络进行连通。仿真结果表明，在进行分块无线传感器网络的修复时，本发明专利技术比现有的其它方法连通成功率高、连通开销小，可用于危险或者有害环境下的无线传感器网络的修复。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无线传感器网络WSN
，更进一步涉及无线传感器
中的修复被分割成块的无线传感器网络的方法，可用于监视与追踪、火灾或地震搜索与营救、有害环境下的数据收集等应用场景下的无线传感器网络的修复。
技术介绍
无线传感器网络的一项基本功能是将网络中所有传感器节点收集到的数据高效地传送到基站。要实现此功能，必须满足两大基本要求。首先，目标区域必须被传感器节点很好地覆盖，以保证特定场景下的信息，如环境监测信息、战场监测信息和森林火灾监测信息等，可以被传感器节点精确地感知。其次，无线传感器网络必须能全网连通，以保证收集到的数据可以被传送到基站。然而，在一些特殊的情况下，无线传感器网络可能无法正常连通。例如，在许多无线传感器网络应用中，如军事监视与追踪、火灾或地震搜索与营救、有害环境下的数据收集等，由于高风险性，目标区域的传感器节点不得不随机部署，如使用直升机或无人机进行部署，这样，由于传感器节点分布的不均匀性和位置的非精确性，网络的连通性可能很难保证。即使最初部署的网络是连通的，它也可能被敌方、火灾、洪水等破坏，从而使得网络处于非连通状态。由于上述的情况，一个无线传感器网络将被分成了几个分块或分区，每个分块内的传感器节点无法与其他分块中的传感器节点通信。为了将分割的无线传感器网络重新连通，一种可行的解决方法是在目标区域内增加更多的传感器节点使网络连通。然而，特别是当传感器节点随机部署时，这种方法的代价高，效率低。另一种解决方法是在分块间增加一些中继节点，从而实现网络的重新连通。与传感器节点相比，中继节点携有更多的能量，且具有更大的传输半径，但是也更昂贵。与传感节点不同，中继节点的主要任务是连接普通传感节点以及其他中继节点。由于中继节点的开销高，一个问题是如何使用尽可能少的中继节点来实现网络的重新连通，这就需要研究中继节点的部署问题。现有的很多部署中继节点的方法都是基于最小生成树MST的思想。这种思想的实现步骤可以概括为以下三步：一、计算任意两个分块间的最短距离，而两个分块间的最短距离也就是分别处于这两个分块中的传感器节点对的最短距离；二、根据步骤一计算得到的所有的任意两个分块间的最短距离，构建连通所有分块的最小生成树MST；三、将移动中继部署到最小生成树MST边上的理想位置，从而使得分块的无线传感器网络连通。该思想在连通任意两个分块时是通过连通最近的传感器节点对来连通的，即将分块的形状考虑在内，从而使得连通所用的移动中继数目尽可能的少。然而，基于最小生成树的方法没有将中继节点部署的可行性考虑在内，在某些危险环境下，不可能人为地将中继节点准确地部署到指定的位置，从而大大地降低了重新连通的成功率。Fatih Senel and Mohamed Younis发表的“Optimized Connectivity Restoration in a Partitioned Wireless Sensor Network”(the Proceedings of the 54th IEEE Global Telecommunications Conference，Houston,TX,December2011)论文，文中公开了连接块间拓扑(Connected Inter-Segment Topology,CIST)方案。CIST方案可以概括为以下两步：一、使用给定的两种方法计算任意三个邻分块所需的中继节点数目，并对这两种方法计算的所需中继节点数目的差进行降序排列。对于任意的三个邻分块，有两种方法连通处于这三个分块的三个边界传感器节点：第一种是在这三个节点构成的三角形较短的两条边上部署中继节点；第二种是在这三个节点构成的三角形的费马点部署一个中继节点，接着在费马点与这三个边界传感器节点间部署一系列中继节点。第一种方法和第二种方法所需的中继节点数目的差被称为增益，CIST方案仅仅考虑其中的正增益，并将这些正增益进行降序排列。二、根据正增益的降序依次使用第二种方法连接邻分块，重复这个连接过程直到不存在有正增益的三个邻分块，将中继节点部署到这些连线上来保证它们的连通。对于其他仍没有连通的分块，通过在分块间的最小生成树MST的边上部署中继节点来连通它们。CIST方案理论上可以使得分块的无线传感器网络连通，然而，该方案假设中继节点可以部署到所确定的位置。但是，当传感器网络工作在危险或者有害的环境时，这种方法就不可行。Jonathan L.Bredin and Erik D.Demaine等人发表的“Deploying Sensor Network With Guaranteed Fault Tolerance”一文中公开了基于最小生成树的k连通方法MST-k。MST-k方法可以概括为以下三步：1)构建一个包含所有传感器节点的全连通加权图G；2)利用MST的一般性生成方法找到加权图G的一个连通子图；三，将中继节点部署到子图的边上，使得整个网络k连通。尽管通过该方法修复后得到的网络是一个可容错的网络，但MST-k方法同样使用的是没有移动能力的中继节点，该方法同样假设中继节点可以部署到所确定的位置上，这种假设在危险或者有害的部署环境下是不可行的。此外，MST-k方法在进行连通时没有考虑到“分块”和“边界传感器节点”的思想，使得连通成功率较低、连通开销很大。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于移动中继节点调度的分块无线传感网络修复方法，以提高连通成功率，减小连通开销。本专利技术的技术方案实现如下：技术方案1，一种基于移动中继节点调度的无线传感器网络修复方法MRSC，包括如下步骤：(1)对于一个非连通的无线传感器网络，假定它由n个静态传感器节点s1,s2,...,si,...,sn,i＝1,...,n和N个移动中继节点m1,m2,...,mj,...,mN,j＝1,...,N构成，用这n个静态传感器节点构成一个传感器节点集用这N个移动中继节点构成一个中继节点集M＝{m1,m2,...,mj,...,mN,j＝1,...,N本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于移动中继节点调度的分块无线传感器网络修复方法MRSC，包括如下步骤：(1)对于一个非连通的无线传感器网络，假定它由n个静态传感器节点s1,s2,...,si,...,sn,i＝1,...,n和N个移动中继节点m1,m2,...,mj,...,mN,j＝1,...,N构成，用这n个静态传感器节点构成一个传感器节点集用这N个移动中继节点构成一个中继节点集M＝{m1,m2,...,mj,...,mN,j＝1,...,N}；(2)将静态传感器节点集中的n个传感器节点分到Y个分块B1,B2,...,Bx,...,BY,x＝1,...,Y,Y≥2中，用每个分块内的传感器节点构成一个可连通的子网，即每个分块内的传感器节点间能相互通信，不同分块间的传感器节点不能通信；用静态传感器节点集中所有边界传感器节点s组成顶点集V，将处于不同分块的边界传感器节点对之间的连线集合作为边集E，构建一个初始无向图G＝(V,E)，其中：E＝{(u,v)|u,v∈V,u,v是分别处于不同分块的边界传感器节点}；(3)估算边集E中的每条边(u,v)的权重w(u,v)；(4)将静态传感器节点集中所有的边界传感器节点s的集合作为顶点集V，将空集作为边集E'，构造一个临时图G'＝(V,E')；(5)令初始时连通全网所需移动中继节点最优位置集(6)对于每个分块，分别建立一条包含该分块内所有边界传感器节点的非闭合路径，在这条路径上这些边界传感器节点一个接一个地连接起来，并将连接这些边界传感器节点的边添加到边集E'中；(7)按权重w(u,v)从小到大的顺序将初始无向图G的边集E中所有的边(u,v)进行升序排列；(8)对于初始无向图G的边集E中已排好序的每条边(u,v)，按从小到大的顺序依次检查临时图G'是否连通：若临时图G'是连通的，则执行到步骤(9)；若临时图G'是非连通的，且在临时图G'中边界传感器节点u与v也是非连通的，则进行下列操作后再执行步骤(9)：利用移动中继节点将临时图G'中的边界传感器节点u与v连通，即E'←E'∪(u,v)，同时得到连通u与v所需的移动中继节点最优位置集Puv，并将连通u与v的移动中继节点最优位置集Puv中的所有位置都添加到连通全网所需移动中继节点最优位置集P中，即P←P∪Puv；(9)将移动中继节点集M和连通全网所需移动中继节点最优位置集P的并集作为顶点集Vb，将移动中继节点集M中的中继节点m与它能移动到的移动中继节点最优位置pl的连线作为边集Eb，构建一个二部图Gb＝(Vb,Eb)，即Vb＝M∪P，Eb＝{(m,pl)|m∈M,pl∈P,m可以移动到移动中继节点最优位置pl}，c(m,pl)是将移动中继节点m移动到移动中继节点最优位置pl的移动开销；(10)移动中继节点集M和连通全网所需移动中继节点最优位置集P是二部图Gb的两个不相交的顶点集，计算二部图Gb的所有最大匹配，得到二部图Gb的最大匹配基(11)判断二部图Gb的最大匹配基数与连通全网所需移动中继节点最优位置集P中的所有位置数|P|是否相等：若说明不存在最优移动中继调度方案，则不进行网络修复；若则分别计算所有的最大匹配的开销，取开销最小的最大匹配，这个最小开销下的最大匹配就是一个最优移动中继节点调度方案，使用该方案进行移动中继节点的移动就可将被分割成块的无线传感器网络重新连通，完成分块无线传感器网络的修复。...
【技术特征摘要】
1.一种基于移动中继节点调度的分块无线传感器网络修复方法MRSC，包括如下步骤：
(1)对于一个非连通的无线传感器网络，假定它由n个静态传感器节点
s1,s2,...,si,...,sn,i＝1,...,n和N个移动中...
【专利技术属性】
技术研发人员：沈中，杨璐璐，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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