不依赖位置信息的无线传感器网络边缘节点识别方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种不依赖位置信息的无线传感器网络边缘节点识别方法，属于无线 传感器网络技术领域。
【背景技术】
[0002] 在微电子机械系统和无线通信技术的驱动下，现代无线传感器节点具有制造成本 低、使用功耗低、体积小和进行短距离通信的特点，其能够感知多种物理环境，在军事和民 用领域具有极大的潜在应用价值。无线传感器网络是由数量众多的传感器节点组成的能进 行多跳通信的自组织型网络，通常采用机载抛洒的方式部署于危险或无人坚守的区域执行 监测任务。
[0003] 衡量无线传感器网络服务质量的一个重要因素是网络覆盖，然而由于无线传感器 网络部署方式的限制，节点抛洒不均匀所形成的覆盖空洞成为制约其服务质量的一个重要 因素，而且无人值守的工作方式是传感器节点非常容易遭受外力破坏和节点能源耗竭而失 效从而产生更多更大的覆盖空洞。覆盖空洞的产生不仅制约了无线传感器网络的服务质量 导致监测失败，监测数据无法传送或传送错误。因而覆盖空洞是无线传感器网络研究和应 用中不可回避的问题。
[0004] 针对覆盖空洞问题，现有的研究中提出一些相应的解决方案，现有的边缘节点识 别方法分为三类：基于节点地理位置信息、基于统计方法和基于拓扑的方法。然而目前的方 案中存在对网络节点度要求高，能耗高和识别精度低的问题。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种不依赖位置信息的无线传感器网络 边缘节点识别方法，利用节点连接信息和节点环绕包围的思想能够精确识别无线传感器网 络中的边界节点，识别精度达到90 %以上。
[0006] 本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种不依赖位置信息的无 线传感器网络边缘节点识别方法，包括以下步骤：
[0007] (1)确认无线传感器网络中各节点的1跳邻居节点和2跳邻居节点；
[0008] (2)将无线传感器网络中的一个节点作为当前节点，搜索当前节点的所有2跳邻 居节点，
[0009] (2a)判断当前节点的所有2跳邻居节点能否形成一个闭合环；如果能，则进入步 骤⑶；否则进入步骤（2b);
[0010] (2b)判断当前节点的2跳邻居节点和1跳邻居节点能否构成闭合环，如果能，进入 步骤（5);否则当前节点是边界节点，进入步骤（9);
[0011] ⑶随机选择当前节点的1个2跳邻居作为控制节点，以控制节点为根节点针对当 前节点的2跳邻居节点生成最短路径树T;
[0012] (4)如果最短路径树T的深度小于3,则当前节点为边缘节点，进入步骤（9);否则 进入步骤（5)开始压缩闭合环；
[0013] (5)选择闭合环中的2跳邻居节点，判断该2跳邻居节点是否满足以下条件：该2 跳邻居节点同时为当前节点的2个以上1跳邻居节点的1跳邻居节点，并且所述2个以上 1跳邻居节点中至少2个节点互为1跳邻居节点；
[0014] (6)若该2跳邻居节点满足步骤（5)所述条件，则将步骤（5)所述的当前节点的2 个以上1跳邻居节点插入闭合环，将满足步骤（5)所述条件的2跳邻居节点及其连接的边 从闭合环中删除；所述满足步骤（5)所述条件的2跳邻居节点为粘连节点；若该2跳邻居节 点不满足步骤（5)所述条件，则进入步骤（8);
[0015] (7)重复步骤（5)至步骤（6)直到闭合环的每个2跳邻居节点执行完毕；
[0016] (8)如果压缩后的闭合环仅包含当前节点的1跳邻居节点，则当前节点为内部节 点；如果闭合环包含当前节点的2跳邻居节点，则当前节点为边缘节点；
[0017] (9)重复步骤⑵至步骤（8)，直到无线传感器网络中的每个节点判断完毕。
[0018] 步骤（1)中，通过以下步骤确认无线传感器网络中各节点的1跳邻居节点和2跳 邻居节点：无线传感器网络中各节点通过广播发送包含自身ID和剩余能量的请求报文，该 发送请求报文的节点为广播节点；邻近节点如能收到该广播节点的请求报文，则邻近节点 在广播节点的通信范围内，邻近节点将自己设为广播节点的1跳邻居节点，向其返回包含 自身ID和剩余能量的应答报文；广播节点收到应答报文后检查邻近节点是否存在于自己 的1跳邻居表内，如果不存在则将邻近节点添加至1跳邻居表；经过设置的阈值时间后广播 节点不再接收应答报文，而向其所有1跳邻居节点发送交换报文；邻居节点收到交换报文 后向广播节点发送自己的1跳邻居表，广播节点根据该1跳邻居表确定其2跳邻居节点。
[0019] 广播节点根据该1跳邻居表通过以下公式计算其2跳邻居节点：
[0021] 其中，SRN表示广播节点，Su表示SRN的1跳邻居邻居节点，Ni(SJ表示SRN的1跳 邻居节点集，N2 (SRN)表示SRN的2跳邻居节点集，Ni(Su)表示Su的1跳邻居节点集，由1跳 邻居表获得。
[0022] 本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
[0023] (1)本发明实现了在无节点坐标位置信息的情况下基于节点之间的连接信息识别 无线传感器网络的网络边缘和覆盖空洞的边缘节点，解决了传统识别算法需要节点位置信 息的缺陷；
[0024] (2)本发明由于不需要节点位置信息降低了无线传感器网络的部署成本，拓展了 其应用范围，例如地下等无法获取节点位置信息的环境；
[0025] (3)本发明不依赖位置信息，有效降低了节点由于定位带来的高能耗问题；
[0026] (4)本发明不需要定位装置，有效缩小了节点的体积；
[0027] (5)本发明算法复杂度低，节省了运行时间，仅需2跳节点信息即能完成对边缘节 点的精确识别，识别精度达到90 %以上。
【附图说明】
[0028] 图1是网络结构初始示意图。
[0029] 图2是虚线控制节点构建的2跳邻居环示意图。
[0030] 图3是闭合环压缩单个2跳节点示意图。
[0031] 图4是闭合环压缩所有符合条件的2跳节点后的示意图。
[0032] 图5是本发明流程不意图。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0034] 本发明提供了一种不依赖位置信息的无线传感器网络边缘节点识别方法，参照图 5,包括以下步骤：
[0035] (1)确认无线传感器网络中各节点的1跳邻居节点和2跳邻居节点；
[0036] 可以通过以下过程确认无线传感器网络中各节点的1跳邻居节点和2跳邻居节 点：无线传感器网络中各节点通过广播发送包含自身ID和剩余能量的请求报文（Hello_ request)，该发送请求报文的节点为广播节点；邻近节点如能收到该广播节点的请求报文， 则邻近节点在广播节点的通信范围内，邻近节点将自己设为广播节点的1跳（lhop)邻居 节点，向其返回包含自身ID和剩余能量的应答报文（Hello_response);广播节点收到应答 报文后检查邻近节点是否存在于自己的1跳邻居表内，如果不存在则将邻近节点添加至1 跳邻居表；经过设置的阈值时间后广播节点不再接收应答报文，而向其所有1跳邻居节点 发送交换报文（Hell〇_SWitch);邻居节点收到交换报文后向广播节点发送自己的1跳邻居 表，广播节点根据该1跳邻居表确定其2跳（2hop)邻居节点；
[0037] 广播节点根据该1跳邻居表通过以下公式计算其2跳邻居节点：
[0039] 其中，SRN表示广播节点，Su表示SRN的1跳邻居邻居节点，Ni(SRN)