[发明专利]物联网中失效节点的覆盖空洞修复方法、系统

说明书

本发明公开了一种失效节点的覆盖空洞的修复方法及其系统。该方法包括：sink节点每隔T秒对网络中所有传感器节点的剩余能量Erj进行轮询；sink节点依据预定条件判断各传感器节点是否为有效传感器节点；sink节点根据判断结果，剔除失效传感器节点，并根据剩余能量Erj和基于拓扑势的爬山算法对全网中的有效传感器节点重新分簇；sink节点发送冗余传感器节点信息至所有失效传感器节点；失效传感器节点计算其与各个冗余传感器节点之间的拓扑势，按照拓扑势最大、或先到先得、或拓扑势最大与先到先得结合的方式，选择匹配的冗余传感器节点以替换该失效传感器节点。本发明采用拓扑势对有效传感器节点重新分簇，依据拓扑势大小和先到先得原则选择最佳冗余传感器节点，通过二者结合，使得网络能够获取统一的能量分布，在通信高密度区中始终保持局部的冗余覆盖，在保证网络通信质量的同时，延长了网络生存时间。

技术领域

本发明涉及广域物联网领域，更具体地，涉及无线传感器网络领域中的网络部署和修复的方法。

背景技术

物联网是指通过射频识别(RFID)、红外感应器等信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的网络。物联网由感知层、网络层和应用层构成。其中，感知层用于获取物品的信息，包括传感器等数据采集设备、传感器网络等。用于环境信息收集的无线传感器网络由无线传感节点和接入网关组成，无线节点感知温度、湿度等信息，并自行组网传递到上层网关接入点，由网关将收集到的信息通过网络层提交到后台处理。

在传感器网络中，对目标监测区域实现网络覆盖是网络部署的关键问题。网络覆盖情况严重影响该监测区域服务质量。在网络运行过程中，需要考虑两个重要问题：一是传感器节点部署后的网络连通性，二是传感器节点的能量有效性。因为在监测区域内，部分传感器节点可能会由于过多转发数据而导致其能量消耗过快，或者由于不可知的原因受到攻击、故障造成传感器节点失效的情况。无论哪种情况都会造成覆盖区域出现“空洞”而导致传感器节点采集的有效信息不完全，或者由于空洞阻隔使有效信息无法传送到接收(sink)节点从而造成网络覆盖度与连通性的下降，进一步导致网络传输功能失效的问题。即使网络仍有正常工作的传感器节点也会因为部分传感器节点失效而导致网络整体失效，进而导致网络资源浪费。因此，需要采用有效的方法对网络覆盖进行修复或者重新进行网络部署，提高网络的覆盖率，延长网络寿命。

移动传感器节点不仅可以作为移动冗余节点对网络的初始分布做局部冗余覆盖，而且还可以随时移动到失效传感器节点处进行替换。因此在考虑节点能量的情况下，综合考虑移动传感器节点的较高成本，静止传感器节点和移动传感器节点共同部署的混合网络模型受到了越来越多的关注。

目前，针对无线传感器网络中存在的覆盖空洞问题，大致可以概括为两种解决策略：(1)激活网络中存在的休眠传感器节点；(2)在空洞区域部署新的静态传感器节点或者移动传感器节点。在大多数静态传感器网络应用中，为了避免网络出现覆盖空洞，比较常见的部署方式是多重覆盖，即让监测区域内的每个目标对象至少被k个传感器节点覆盖。多重覆盖机制保证了在部分传感器节点能量耗尽无法正常工作后，网络依然能保证对监测区域的覆盖质量，从而提高在恶劣条件下传感器网络的生存能力。

对整个网络的多重覆盖可以解决网络覆盖质量，但是在广域物联网中多个传感器节点同时覆盖一个目标对象会增加节点成本，不适合大面积应用。此外，传统传感器网络中在分簇和对覆盖空洞的修复过程中，并没有考虑传感器节点的实时剩余能量。因此修复后也无法保证网络的生存时间。但是在实际应用场景中，传感器节点的能量消耗决定着传感器节点的使用寿命，进而决定了整个传感器网络的生存时间。

发明内容