物联网中失效节点的覆盖空洞修复方法、系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及广域物联网领域，更具体地，设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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 移动传感器节点不仅可W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W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。
[0005] 目前，针对无线传感器网络中存在的覆盖空洞问题，大致可W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。
[0006] 对整个网络的多重覆盖可W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】
[0007] 为了克服上述缺陷，对于因传感器节点失效而引起的覆盖空洞问题，提出了sink 节点周期性全网络分簇算法，从而保证广域覆盖物联网的网络连通有效，且由于加入了冗 余传感器节点的匹配替换，使得网络中始终存在局部冗余覆盖，保证了网络质量的同时延 长了网络的生存时间。
[000引具体地，本发明提供一种失效节点的覆盖空洞的修复方法，包括：
[0009] sink节点每隔T秒对网络中所有传感器节点的剩余能量化进行轮询；
[0010] 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；
[ocm] sink节点根据判断结果，剔除失效传感器节点，并根据剩余能量化j.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；
[0012] sink节点发送冗余传感器节点信息至所有失效传感器节点；
[0013] 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口，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W替换 该失效传感器节点。
[0014] 进一步地，所述轮询步骤包括；sink节点广播剩余能量请求信息至网络中的所有 传感器节点。
[0015] 进一步地，所述判断有效传感器节点的步骤包括；由簇头节点在sink周期内接收 各传感器节点的剩余能量化j，并转发至sink节点；由sink节点比较各传感器节点的剩余 能量化j与传感器节点失效的能量口限值ET的大小关系，W判定该传感器节点为有效传感 器节点或失效传感器节点。
[0016] 进一步地，拓扑势计算方法包括：给定传感器网络G= (V，E)，其中，V= {vi，...， V。}为传感器节点的非空有限集，EE^"x(/为传感器节点偶对或边的集合，|E| =111，根据数 据场的势函数定义，任意节点ViGV的拓扑势可表示为：
[0017]
【主权项】
1. 一种失效节点的覆盖空洞的修复方法，其特征在于，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； s i nk节点根据判断结果，剔除失效传感器节点，并根据剩余能量Er』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P，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。
2. 如权利要求1所述的方法，所述轮询步骤进一步包括：sink节点广播剩余能量请求 信息至网络中的所有传感器节点。
3. 如权利要求1所述的方法，所述判断有效传感器节点的步骤进一步包括：由簇头节 点在sink周期内接收各传感器节点的剩余能量Er j,并转发至sink节点；以及由sink节点 比较各传感器节点的剩余能量Eh与传感器节点失效的能量门限值E τ的大小关系，以判定 该传感器节点为有效传感器节点或失效传感器节点。
4. 如权利要求1所述的方法，其中拓扑势的计算方法包括：给定传感器网络G = (V， Ε)，其中，V = Iv1，…，νη}为传感器节点的非空有限集，为传感器节点偶对或边 的集合，|eI = m，根据数据场的势函数定义，任意节点ViG V的拓扑势可表示为：
其中，Clij表示传感器节点间的网络距离，影响因子。用于控制每个传感器节 点的影响范围，基于网络拓扑而配置。
5. 如权利要求1所述的方法，其中，所述匹配替换步骤之后进一步包括：失效传感器节 点向sink节点发送该失效传感器节点与冗余传感器节点的匹配替换结果；以及sink节点 保存该匹配替换结果。
6. 如权利要求1所述的方法，所述匹配替换步骤进一步包括：失效传感器节点将计算 得到的拓扑势信息与该冗余传感器节点的ID -一对应地存入该失效传感器节点的替换数 组中，数组中的各冗余传感器节点按拓扑势值降序排列，每个失效传感器节点首先选择替 换数组中的第一项所对应的冗余传感器节点进行替换。
7. 如权利要求6所述的方法，所述匹配替换步骤进一步包括：冗余传感器节点接收各 个失效传感器节点的匹配请求信息，若只检测到一个匹配请求信息，则直接向该失效传感 器节点发送匹配成功确认信息； 若检测到多个匹配请求信息，则向第一个到达的匹配请求信息对应的失效传感器节点 发送匹配成功确认消息； 若多个匹配请求信息同时到达，则向拓扑势值较大的失效传感器节点发送匹配成功确 认消息；以及 向其余匹配失败的失效传感器节点发送匹配失败确认信息。
8. 如权利要求7所述的方法，所述匹配替换步骤进一步包括：匹配失败的失效传感器 节点继续搜索替换数组中的下一项进行匹配，直到所有失效传感器节点均成功匹配冗余传 感器节点。
9. 如权利要求1所述的方法，其中，冗余传感器节点是可以移动的，在匹配替换完成之 后，该冗余传感器节点移动到失效传感器节点处，开始感知数据。
10. -种失效节点的覆盖空洞的修复系统，包括sink节点、有效传感器节点、失效传感 器节点、冗余传感器节点，其特征在于， 所述sink节点包括： 轮询模块，用于每隔T秒对网络中所有传感器节点的剩余能量Eh进行轮询； 判断模块，用于依据预定条件判断各传感器节点是否为有效传感器节点； 重新分簇模块，用于根据判断结果，剔除失效传感器节点，并根据剩余能量Eh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；和 传送模块，用于发送冗余传感器节点信息至所有失效传感器节点； 所述失效传感器节点包括： 匹配替换模块，用于计算该失效传感器节点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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】H04W40-10, H04W24-04
【公开号】CN104837158
【申请号】CN201510227352
【发明人】肖霖, 焦金宁, 杨鼎成, 张天魁, 周乐
【申请人】南昌大学, 北京邮电大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年5月6日