[发明专利]基于移动中继调度的分块无线传感器网络修复方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络WSN技术领域，更进一步涉及无线传感器技术领域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。

背景技术

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 54^th 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。