[发明专利]一种时延受限无线传感器网络中的中继节点部署方法

说明书

本发明涉及无线网络技术，具体地说是一种时延受限无线传感器网络中的中继节点部署方法。该方法包括覆盖与连通两个步骤，覆盖步骤的主要目的是在时延约束条件下用尽量少的中继节点覆盖所有传感器节点，而连通步骤的主要目的是在时延约束条件下用尽量少的中继节点构建网络连通性。其中覆盖包括可行部署位置分组、分组选择和可行位置选择三个步骤；连通包括可行性检验、连通性构建和中继修剪三个步骤。本发明充分考虑时延受限无线传感器网络对于时延和部署成本的要求，提出一种时延受限双层无线传感器网络中基于集合覆盖的中继节点部署方法，在满足网络时延要求的前提下通过部署尽量少的中继节点构建网络连通性。

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术，具体地说是一种时延受限双层无线传感器网络中的中继节点部署方法。

背景技术

典型的无线传感器网络由分布于各处的传感器节点以及一个或多个汇聚节点构成。传感器节点负责感知特定信息，汇聚节点负责收集传感器节点发送的数据。由于供电能力和天线高度有限，传感器节点的通信半径十分有限。因此，需要部署额外的节点构建网络连通性，而这些节点扮演中继的角色，只负责转发接收到的信息。考虑到部署成本，自然希望部署尽量少的中继节点来构建连通性，这就是所谓的中继节点部署问题。近十年来涌现出大量中继节点部署研究的相关工作，这些工作大致可以分为两类，分别为单层无线传感器网络中的中继节点部署问题和双层无线传感器网络中的中继部署问题。在单层无线传感器网络中，传感器节点可以充当中继节点的角色，既可以发送数据也可以接收数据。而在双层无线传感器网络中，传感器节点只能将其感知到的信息发送至其1-跳邻居中继节点，不能接收任何数据。

由于低成本、易安装、方便维护的优点，无线传感器网络已经开始应用于工厂自动化和智能电网等领域。在这些应用中，传感器节点采集的信息主要用于反馈控制或安全监控，实时性和可靠性是评价网络性能的两个最重要的指标。因此，考虑时延约束的无线传感器网络中继部署问题变得尤为重要。

目前的研究集中在单层无线传感器网络中的中继节点容错部署。有些学者针对该问题提出基于最短路径树的算法。该算法基于剪枝技术通过不断修剪生成树，逐步缩减中继节点的部署数量。但这些算法只能通过删除原始生成树上的节点来节省开销，这个缺陷使得该算法会错过不在原始生成树上且能大量节省开销的中继节点，从而导致局部最优。还有学者提出基于分支-切割法的算法，但该算法要求给定的中继部署问题必须满足“任何节点的删除不能使部署问题无解”的条件，且其时间复杂度呈指数级增长，因此无法适用于大规模部署。

发明内容

针对目前缺乏双层无线传感器网络的时延受限中继节点部署方法的现状，提出一种时延受限双层无线传感器网络中的中继节点部署方法，在满足网络时延要求的前提通过部署尽量少的中继节点构建网络连通性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种时延受限双层无线传感器网络中的中继节点部署方法，包括以下步骤：

覆盖：通过最短路径树算法得到用于部署中继节点且不违反时延约束的候选部署位置，并将覆盖相同传感器节点的候选部署位置划分入同一个分组；再利用GSC算法选择能够覆盖所有传感器节点的分组后，从每个分组中挑选出一个候选部署位置部署中继节点；

连通：通过将受时延约束的连通性问题转化为每一次迭代中的集合覆盖问题进行求解，得到最终部署的中继节点。

所述覆盖包括以下步骤：

可行部署位置分组阶段：根据可行部署位置所能覆盖的传感器节点将可行部署位置进行分组，每个分组中的可行部署位置都覆盖相同的传感器节点；

分组选择阶段：根据每个分组所能覆盖的传感器节点对分组进行选择，使得所选分组能够覆盖所有传感器节点；

可行位置选择阶段：从每个上阶段选择的分组中挑选一个可行部署位置，并在这些挑选的位置上部署中继节点。

所述可行部署位置分组阶段的实现步骤包括：