[发明专利]面向双层结构无线传感器网络的中继节点鲁棒覆盖方法

说明书

本发明涉及一种面向双层结构无线传感器网络的中继节点鲁棒覆盖方法。本发明是一种基于本地搜索的中继节点2‑覆盖部署算法，通过将全局部署问题降解到局部部署问题，在保证鲁棒的同时实现了最优部署。该方法具体包括两个步骤：首次1‑覆盖以及二次1‑覆盖。其中首次1‑覆盖包括中继节点候选部署位置构建、传感器节点分组以及中继节点局部部署三个步骤，其中通过一种新颖的分组方法把传感器进行分组，降低了算法复杂度的同时保证了部署的最有性；二次1‑覆盖调整阈值，对每个分组挑选出只被一个中继节点覆盖的传感器节点，使用1‑覆盖方法对这些传感器节点再进行一次1‑覆盖，既保证了鲁棒性，又节省了中继节点部署数量，缩短了问题求解时间。

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术，具体地说是一种面向双层结构无线传感器网络的中继节点鲁棒覆盖方法。

背景技术

无线传感器网络由低成本、低能耗的传感器节点组成，完成信息感知、简单数据处理以及短距离通信等功能。由于无线传感器网络在战场监视、环境监控、工业自动化、农业生产等方面的巨大应用潜力，一直以来都是研究的热点。但是传感器节点通常由电池供电，一经部署则难于更换，限制了无线传感器网络的寿命。现有技术中针对延长网络寿命的问题，提出一种双层的无线传感器网络结构。双层结构的网络中部署了少量的具有充足能源和较大通信半径的中继节点，扮演簇首的角色；1-跳邻居传感器节点将采集到的数据发送给中继节点，中继节点收集1-跳邻居传感器节点采集到的数据，并转发到汇聚节点。在采用双层结构的无线传感器网络中，传感器节点能够以节能方式转发采集到的信息。显然，中继节点在双层结构的无线传感器网络中至关重要。然而，中继节点成本较高，如何在保证网络网络覆盖及连通的前提下，降低中继节点部署成本(减少中继节点数量)成为目前的一个研究热点。

现有针对中继节点的部署方法包括几何单位圆覆盖阶段和网络连通性构建两类。其中，几何单位圆覆盖算法主要包括基于划分移动的方式、基于网格的方式、基于集覆盖的方式。基于划分移动方式的算法复杂度随着划分移动因子呈指数增长趋势；基于网格方式与基于集覆盖方式的算法，最终结果会部署较多的中继节点。总之，目前几何单位圆覆盖算法的计算复杂度较高，部署成本较高。

虽然无线传感器网络设计过程受限于成本因素，但是网络鲁棒性仍然是无线传感器网络设计的一个至关重要的问题。因此常规方法是采用对传感器节点进行2-覆盖的策略，即每个传感器节点至少被两个中继节点覆盖。传统的2-覆盖设计在1-覆盖的基础上，对少于被两个中继节点覆盖的传感器节点，仅仅使用1-覆盖算法进行简单地再次覆盖。

发明内容

针对无线传感器网络2-覆盖算法设计过程中缺乏对中继节点部署数量、网络负载平衡、网络鲁棒性的综合考虑所导致的鲁棒性和最优性差等问题，本发明提出了一种面向双层结构无线传感器网络的中继节点鲁棒覆盖方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种面向双层结构无线传感器网络的中继节点鲁棒覆盖方法，包括以下步骤：

首次1-覆盖：包括中继节点候选位置构建阶段、传感器节点分组阶段和局部部署阶段；所述中继节点候选位置构建阶段根据所需覆盖的传感器节点方位信息，构建全部中继节点的候选部署方位；所述传感器节点分组阶段将所需覆盖的传感器节点划分为独立的分组；所述局部部署阶段在各个独立的分组中进行中继节点部署，最终的中继节点部署由各个分组的局部部署结果组成；

二次1-覆盖：对首次1-覆盖结果中只被一个中继节点覆盖的传感器节点进行二次1-覆盖；

将二次1-覆盖结果与首次1-覆盖所得到的结果进行合并，输出合并后的最终结果。

所述中继节点候选位置构建阶段包括以下步骤：

(1)输入所需覆盖的n个传感器节点位置信息X＝{x₁,x₂,…,x_n}；