物聯(lián)網(wǎng)中失效節(jié)點(diǎn)的覆蓋空洞修復(fù)方法、系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及廣域物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，更具體地，設(shè)及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中的網(wǎng)絡(luò)部署 和修復(fù)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)射頻識(shí)別（RFID)、紅外感應(yīng)器等信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議， 把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和 管理的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成。其中，感知層用于獲取物品的信息， 包括傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備、傳感器網(wǎng)絡(luò)等。用于環(huán)境信息收集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由無(wú)線 傳感節(jié)點(diǎn)和接入網(wǎng)關(guān)組成，無(wú)線節(jié)點(diǎn)感知溫度、濕度等信息，并自行組網(wǎng)傳遞到上層網(wǎng)關(guān)接 入點(diǎn)，由網(wǎng)關(guān)將收集到的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層提交到后臺(tái)處理。
[0003] 在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋是網(wǎng)絡(luò)部署的關(guān)鍵問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)覆 蓋情況嚴(yán)重影響該監(jiān)測(cè)區(qū)域服務(wù)質(zhì)量。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，需要考慮兩個(gè)重要問(wèn)題；一是傳 感器節(jié)點(diǎn)部署后的網(wǎng)絡(luò)連通性，二是傳感器節(jié)點(diǎn)的能量有效性。因?yàn)樵诒O(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，部分傳 感器節(jié)點(diǎn)可能會(huì)由于過(guò)多轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)而導(dǎo)致其能量消耗過(guò)快，或者由于不可知的原因受到攻 擊、故障造成傳感器節(jié)點(diǎn)失效的情況。無(wú)論哪種情況都會(huì)造成覆蓋區(qū)域出現(xiàn)"空洞"而導(dǎo)致 傳感器節(jié)點(diǎn)采集的有效信息不完全，或者由于空洞阻隔使有效信息無(wú)法傳送到接收（sink) 節(jié)點(diǎn)從而造成網(wǎng)絡(luò)覆蓋度與連通性的下降，進(jìn)一步導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸功能失效的問(wèn)題。即使網(wǎng) 絡(luò)仍有正常工作的傳感器節(jié)點(diǎn)也會(huì)因?yàn)椴糠謧鞲衅鞴?jié)點(diǎn)失效而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)整體失效，進(jìn)而導(dǎo) 致網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)。因此，需要采用有效的方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)行修復(fù)或者重新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署， 提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。
[0004] 移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)不僅可W作為移動(dòng)冗余節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的初始分布做局部冗余覆蓋， 而且還可W隨時(shí)移動(dòng)到失效傳感器節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行替換。因此在考慮節(jié)點(diǎn)能量的情況下，綜合 考慮移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)的較高成本，靜止傳感器節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)共同部署的混合網(wǎng)絡(luò) 模型受到了越來(lái)越多的關(guān)注。
[0005] 目前，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在的覆蓋空洞問(wèn)題，大致可W概括為兩種解決策 略；（1)激活網(wǎng)絡(luò)中存在的休眠傳感器節(jié)點(diǎn)；（2)在空洞區(qū)域部署新的靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)或者 移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)。在大多數(shù)靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，為了避免網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)覆蓋空洞，比較常見(jiàn) 的部署方式是多重覆蓋，即讓監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的每個(gè)目標(biāo)對(duì)象至少被k個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋。多 重覆蓋機(jī)制保證了在部分傳感器節(jié)點(diǎn)能量耗盡無(wú)法正常工作后，網(wǎng)絡(luò)依然能保證對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū) 域的覆蓋質(zhì)量，從而提高在惡劣條件下傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存能力。
[0006] 對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的多重覆蓋可W解決網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量，但是在廣域物聯(lián)網(wǎng)中多個(gè)傳感器 節(jié)點(diǎn)同時(shí)覆蓋一個(gè)目標(biāo)對(duì)象會(huì)增加節(jié)點(diǎn)成本，不適合大面積應(yīng)用。此外，傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中 在分簇和對(duì)覆蓋空洞的修復(fù)過(guò)程中，并沒(méi)有考慮傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)剩余能量。因此修復(fù)后 也無(wú)法保證網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。但是在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗決定著傳感 器節(jié)點(diǎn)的使用壽命，進(jìn)而決定了整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服上述缺陷，對(duì)于因傳感器節(jié)點(diǎn)失效而引起的覆蓋空洞問(wèn)題，提出了sink 節(jié)點(diǎn)周期性全網(wǎng)絡(luò)分簇算法，從而保證廣域覆蓋物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)連通有效，且由于加入了冗 余傳感器節(jié)點(diǎn)的匹配替換，使得網(wǎng)絡(luò)中始終存在局部冗余覆蓋，保證了網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的同時(shí)延 長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。
[000引具體地，本發(fā)明提供一種失效節(jié)點(diǎn)的覆蓋空洞的修復(fù)方法，包括：
[0009] sink節(jié)點(diǎn)每隔T秒對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量化進(jìn)行輪詢；
[0010] sink節(jié)點(diǎn)依據(jù)預(yù)定條件判斷各傳感器節(jié)點(diǎn)是否為有效傳感器節(jié)點(diǎn)；
[ocm] sink節(jié)點(diǎn)根據(jù)判斷結(jié)果，剔除失效傳感器節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)剩余能量化j.和基于拓?fù)鋭?shì) 的爬山算法對(duì)全網(wǎng)中的有效傳感器節(jié)點(diǎn)重新分簇；
[0012] sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送冗余傳感器節(jié)點(diǎn)信息至所有失效傳感器節(jié)點(diǎn)；
[0013] 失效傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算其與各個(gè)冗余傳感器節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)鋭?shì)口，按照拓?fù)鋭?shì)最 大、或先到先得、或拓?fù)鋭?shì)最大與先到先得結(jié)合的方式，選擇匹配的冗余傳感器節(jié)點(diǎn)W替換 該失效傳感器節(jié)點(diǎn)。
[0014] 進(jìn)一步地，所述輪詢步驟包括；sink節(jié)點(diǎn)廣播剩余能量請(qǐng)求信息至網(wǎng)絡(luò)中的所有 傳感器節(jié)點(diǎn)。
[0015] 進(jìn)一步地，所述判斷有效傳感器節(jié)點(diǎn)的步驟包括；由簇頭節(jié)點(diǎn)在sink周期內(nèi)接收 各傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量化j，并轉(zhuǎn)發(fā)至sink節(jié)點(diǎn)；由sink節(jié)點(diǎn)比較各傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余 能量化j與傳感器節(jié)點(diǎn)失效的能量口限值ET的大小關(guān)系，W判定該傳感器節(jié)點(diǎn)為有效傳感 器節(jié)點(diǎn)或失效傳感器節(jié)點(diǎn)。
[0016] 進(jìn)一步地，拓?fù)鋭?shì)計(jì)算方法包括：給定傳感器網(wǎng)絡(luò)G= (V，E)，其中，V= {vi，...， V。}為傳感器節(jié)點(diǎn)的非空有限集，EE^"x(/為傳感器節(jié)點(diǎn)偶對(duì)或邊的集合，|E| =111，根據(jù)數(shù) 據(jù)場(chǎng)的勢(shì)函數(shù)定義，任意節(jié)點(diǎn)ViGV的拓?fù)鋭?shì)可表示為：
[0017]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種失效節(jié)點(diǎn)的覆蓋空洞的修復(fù)方法，其特征在于，該方法包括： sink節(jié)點(diǎn)每隔T秒對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量Erj進(jìn)行輪詢； sink節(jié)點(diǎn)依據(jù)預(yù)定條件判斷各傳感器節(jié)點(diǎn)是否為有效傳感器節(jié)點(diǎn)； s i nk節(jié)點(diǎn)根據(jù)判斷結(jié)果，剔除失效傳感器節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)剩余能量Er』和基于拓?fù)鋭?shì)的爬 山算法對(duì)全網(wǎng)中的有效傳感器節(jié)點(diǎn)重新分簇； sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送冗余傳感器節(jié)點(diǎn)信息至所有失效傳感器節(jié)點(diǎn)； 失效傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算其與各個(gè)冗余傳感器節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)鋭?shì)P，按照拓?fù)鋭?shì)最大、或 先到先得、或拓?fù)鋭?shì)最大與先到先得結(jié)合的方式，選擇匹配的冗余傳感器節(jié)點(diǎn)以替換該失 效傳感器節(jié)點(diǎn)。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，所述輪詢步驟進(jìn)一步包括：sink節(jié)點(diǎn)廣播剩余能量請(qǐng)求 信息至網(wǎng)絡(luò)中的所有傳感器節(jié)點(diǎn)。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，所述判斷有效傳感器節(jié)點(diǎn)的步驟進(jìn)一步包括：由簇頭節(jié) 點(diǎn)在sink周期內(nèi)接收各傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量Er j,并轉(zhuǎn)發(fā)至sink節(jié)點(diǎn)；以及由sink節(jié)點(diǎn) 比較各傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量Eh與傳感器節(jié)點(diǎn)失效的能量門(mén)限值E τ的大小關(guān)系，以判定 該傳感器節(jié)點(diǎn)為有效傳感器節(jié)點(diǎn)或失效傳感器節(jié)點(diǎn)。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中拓?fù)鋭?shì)的計(jì)算方法包括：給定傳感器網(wǎng)絡(luò)G = (V， Ε)，其中，V = Iv1，…，νη}為傳感器節(jié)點(diǎn)的非空有限集，為傳感器節(jié)點(diǎn)偶對(duì)或邊 的集合，|eI = m，根據(jù)數(shù)據(jù)場(chǎng)的勢(shì)函數(shù)定義，任意節(jié)點(diǎn)ViG V的拓?fù)鋭?shì)可表示為：
其中，Clij表示傳感器節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)距離，影響因子。用于控制每個(gè)傳感器節(jié) 點(diǎn)的影響范圍，基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠渲谩?br>5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述匹配替換步驟之后進(jìn)一步包括：失效傳感器節(jié) 點(diǎn)向sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送該失效傳感器節(jié)點(diǎn)與冗余傳感器節(jié)點(diǎn)的匹配替換結(jié)果；以及sink節(jié)點(diǎn) 保存該匹配替換結(jié)果。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，所述匹配替換步驟進(jìn)一步包括：失效傳感器節(jié)點(diǎn)將計(jì)算 得到的拓?fù)鋭?shì)信息與該冗余傳感器節(jié)點(diǎn)的ID -一對(duì)應(yīng)地存入該失效傳感器節(jié)點(diǎn)的替換數(shù) 組中，數(shù)組中的各冗余傳感器節(jié)點(diǎn)按拓?fù)鋭?shì)值降序排列，每個(gè)失效傳感器節(jié)點(diǎn)首先選擇替 換數(shù)組中的第一項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的冗余傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行替換。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，所述匹配替換步驟進(jìn)一步包括：冗余傳感器節(jié)點(diǎn)接收各 個(gè)失效傳感器節(jié)點(diǎn)的匹配請(qǐng)求信息，若只檢測(cè)到一個(gè)匹配請(qǐng)求信息，則直接向該失效傳感 器節(jié)點(diǎn)發(fā)送匹配成功確認(rèn)信息； 若檢測(cè)到多個(gè)匹配請(qǐng)求信息，則向第一個(gè)到達(dá)的匹配請(qǐng)求信息對(duì)應(yīng)的失效傳感器節(jié)點(diǎn) 發(fā)送匹配成功確認(rèn)消息； 若多個(gè)匹配請(qǐng)求信息同時(shí)到達(dá)，則向拓?fù)鋭?shì)值較大的失效傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送匹配成功確 認(rèn)消息；以及 向其余匹配失敗的失效傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送匹配失敗確認(rèn)信息。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，所述匹配替換步驟進(jìn)一步包括：匹配失敗的失效傳感器 節(jié)點(diǎn)繼續(xù)搜索替換數(shù)組中的下一項(xiàng)進(jìn)行匹配，直到所有失效傳感器節(jié)點(diǎn)均成功匹配冗余傳 感器節(jié)點(diǎn)。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，冗余傳感器節(jié)點(diǎn)是可以移動(dòng)的，在匹配替換完成之 后，該冗余傳感器節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到失效傳感器節(jié)點(diǎn)處，開(kāi)始感知數(shù)據(jù)。
10. -種失效節(jié)點(diǎn)的覆蓋空洞的修復(fù)系統(tǒng)，包括sink節(jié)點(diǎn)、有效傳感器節(jié)點(diǎn)、失效傳感 器節(jié)點(diǎn)、冗余傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于， 所述sink節(jié)點(diǎn)包括： 輪詢模塊，用于每隔T秒對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量Eh進(jìn)行輪詢； 判斷模塊，用于依據(jù)預(yù)定條件判斷各傳感器節(jié)點(diǎn)是否為有效傳感器節(jié)點(diǎn)； 重新分簇模塊，用于根據(jù)判斷結(jié)果，剔除失效傳感器節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)剩余能量Eh和基于 拓?fù)鋭?shì)的爬山算法對(duì)全網(wǎng)中的有效傳感器節(jié)點(diǎn)重新分簇；和 傳送模塊，用于發(fā)送冗余傳感器節(jié)點(diǎn)信息至所有失效傳感器節(jié)點(diǎn)； 所述失效傳感器節(jié)點(diǎn)包括： 匹配替換模塊，用于計(jì)算該失效傳感器節(jié)點(diǎn)與各個(gè)冗余傳感器節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)鋭?shì)#， 按照拓?fù)鋭?shì)最大、或先到先得、或拓?fù)鋭?shì)最大與先到先得結(jié)合的方式，選擇匹配的冗余傳感 器節(jié)點(diǎn)以替換該失效傳感器節(jié)點(diǎn)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種失效節(jié)點(diǎn)的覆蓋空洞的修復(fù)方法及其系統(tǒng)。該方法包括：sink節(jié)點(diǎn)每隔T秒對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量Erj進(jìn)行輪詢；sink節(jié)點(diǎn)依據(jù)預(yù)定條件判斷各傳感器節(jié)點(diǎn)是否為有效傳感器節(jié)點(diǎn)；sink節(jié)點(diǎn)根據(jù)判斷結(jié)果，剔除失效傳感器節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)剩余能量Erj和基于拓?fù)鋭?shì)的爬山算法對(duì)全網(wǎng)中的有效傳感器節(jié)點(diǎn)重新分簇；sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送冗余傳感器節(jié)點(diǎn)信息至所有失效傳感器節(jié)點(diǎn)；失效傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算其與各個(gè)冗余傳感器節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)鋭?shì)，按照拓?fù)鋭?shì)最大、或先到先得、或拓?fù)鋭?shì)最大與先到先得結(jié)合的方式，選擇匹配的冗余傳感器節(jié)點(diǎn)以替換該失效傳感器節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明采用拓?fù)鋭?shì)對(duì)有效傳感器節(jié)點(diǎn)重新分簇，依據(jù)拓?fù)鋭?shì)大小和先到先得原則選擇最佳冗余傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)二者結(jié)合，使得網(wǎng)絡(luò)能夠獲取統(tǒng)一的能量分布，在通信高密度區(qū)中始終保持局部的冗余覆蓋，在保證網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的同時(shí)，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。
【IPC分類(lèi)】H04W40-10, H04W24-04
【公開(kāi)號(hào)】CN104837158
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510227352
【發(fā)明人】肖霖, 焦金寧, 楊鼎成, 張?zhí)炜? 周樂(lè)
【申請(qǐng)人】南昌大學(xué), 北京郵電大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2015年5月6日