一种面向障碍的无线传感器网络连通性恢复方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及通信领域，特别设及一种面向障碍的无线传感器网络连通性恢复方法 及装置。
【背景技术】
[0002] 随着微电子技术和通信技术的不断进步，无线传感器网络广泛应用于军事、环境 监测等多个领域，具有重要的研究价值及应用前景。无线传感器网络（WSNs ,Wireless Sensor Networks)往往布置在无人值守的恶劣环境，节点容易发生故障，并且，节点可能因 电量耗尽而无法工作。网络中关键节点的故障会将无线传感器网络分割成多个不连通的分 区，不同分区之间的节点无法协作完成任务，对网络性能产生严重影响。尤其在捜救等应用 中，无线传感器网络中的运些故障人工很难干预，网络连通性的自主恢复就非常重要。
[0003] 现有技术中自主恢复网络连通性的方案如下：
[0004] 现有技术方案一:提出了一种容错路由恢复方法，其是针对异构无线传感器网络 中由于节点故障而使网络中某条路径断开的情况。该方案中，通过构建簇内多路径路由生 成图，进行路径编码;采用多粒子群免疫协同优化算法来选择最优替代路径，进行路由恢 复，同时也采用了基于该算法的协议来维护网络系统。但是，该方案是针对由于节点故障造 成的多条路径不连通的情况进行路由恢复，不适用于大规模网络中由于节点故障而造成网 络分区的情况。
[0005] 现有技术方案二：其针对无线网络传感器网络节点故障造成网络孤立区域的问 题，提供了一种无线传感器网络连通性恢复方法，该方法通过转置节点将失去连通的孤立 区域重新连接到最近的连通集，然后再将运些连通集连接起来，从来恢复网络的连通性。在 该方案中，需要确定连通集，适用于大面积节点同时故障造成的网络分区情况，而对少数节 点故障造成的网络的不连通的情况并不适用。
[0006] 现有技术方案本方案对于无线传感器网络中节点故障造成的网络分区问题， 采用的是一种通过节点移动恢复网络连通性的算法，该算法主要利用了一个分区中的非关 键节点向另一个分区移动，产生级联移动，直到两个分区连通，同时在节点移动过程中考虑 了地形的变化对算法的影响。由于该算法采用的是级联移动，多个节点参与移动的同时又 要保证该分区的连通性，运样就增加了能量消耗和算法复杂度，同时，只是考虑了节点在移 动过程中移动路径上的地形变化的影响，没有考虑移动过程中遇到障碍的情况，而在现实 中障碍总是不可避免的。
【发明内容】
[0007] 本发明实施例的目的在于提供一种面向障碍的无线传感器网络连通性恢复方法 及装置，旨在及时有效地恢复网络的连通性，既适用于节点故障造成的多条路径不连通的 情况，又适用于大面积节点同时故障造成的网络不连通的情况，考虑了移动中继节点的移 动路径中存在障碍的问题。
[0008] 为达到上述目的，本发明实施例公开了一种面向障碍的无线传感器网络连通性恢 复方法，应用于无线传感器网络，且所述网络中具有中继节点，设无线传感器网络存在n个 网络分区，每个网络分区用一个分区节点表示，则整个无线传感器网络由n个分区节点表 示;所述方法包括：
[0009] 构建障碍情况下的n个分区节点的最小生成树；
[0010] 在所述构建的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树的边上分配静止中继节点 和/或移动中继节点；
[0011] 利用所分配的静止中继节点和/或移动中继节点，获得所述中继节点所连接的分 区节点内的网络数据，根据所获得的网络数据连通各分区节点，从而恢复所述n个网络分区 的无线传感器网络的连通。
[0012] 具体的，所述障碍所构成的障碍区域是凸多边形区域，且所述凸多边形顶点个数 不小于4个，所述构建障碍情况下的n个分区节点的最小生成树的步骤包括：
[OOU]利用prim算法构建n个分区节点的最小生成树；
[0014]依次判断所述最小生成树的每条边是否穿过障碍区域，对每条穿过所述障碍区域 的边进行如下处理：
[001引如果边ei读过障碍区域，所述边eu的两个顶点为vi，vj，计算该边与障碍区域的交 点，若只有一个交点，则该边不做处理;若与障碍区域有两个交点，则做如下处理：
[0016]若两交点之间只有一个凸多边形顶点Pn,则用链{vi，Pn，vj代替最小生成树中边 Sij ；
[0017]若两交点之间有多个凸多边形顶点Pm，Pm+l…，Pm+k-1，则从边eu的一个顶点Vi按照 顺时针方向连接障碍区域顶点Pm,并依次连接直到连接到该边的另一个顶点Vj,形成链 Iinel: {vi，Pm，Pm+r'' .Pm+k-i，Vj}，其中，k为两交点之间的按顺时针方向凸多边形顶点个数； 并且，从边61撕该顶点Vi按照逆时针方向连接障碍区域顶点，形成链line2:{vi，Pm+q-lPm+q-2， Pm, Vj，其中，q为两交点之间的按逆时针方向凸多边形顶点个数；比较所述链Iinel和链 line2的长度，取长度小的那条链作为该最小生成树中代替边eu的链Iineij，其中length (lineij)=min{ length (Iinel), length (I ine2)}；
[0018] 获得由边和链构成的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树。
[0019] 具体的，所述依次判断最小生成树的每条边是否穿过障碍区域的方法为：
[0020] 选定最小生成树的任意一条边eij，顶点分别为Vi(xi，yi)，vj(xj，yj)，选定障碍区域 的任意一条边efg，顶点分别为乂八町7:)兩(如78)，利用所述边6^和边6:8的顶点坐标分别 建立所述边eu、边6扣所在直线的直线方程，
[0021] 求解方程组：
，约束条件为：
[0022] 若方程组有解，识别出最小生成树的该边穿过障碍区域，若方程组无解，则识别最 小生成树的该边未穿过障碍区域。
[0023] 具体的，所述方法还包括:优化所构建的障碍情况下的n个分区节点的最小生成 树，包括：
[0024] 查看最小生成树中任意两个分区节点之间的边，如果某条边的边长小于某条链的 链长，且该边不经过障碍区域，且不与其他边形成环，则用所述边代替所述链；
[0025] 如果最小生成树中有多条边穿过障碍区域，且如果所生成的最小生成树中存在由 多个边构成的环，则将该环中最长的边去掉。
[0026] 具体的，所述在所述构建的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树的边上分配 静止中继节点/或移动中继节点，包括:设恢复网络连通性需要h个静止中继节点，当前可用 的中继节点为1个，Kh,且1大于最小生成树边和链的个数和；
[0027] 对于所述最小生成树中的链，若链长小于所述最小生成树中边长的平均值，则直 接在该链上分配一个移动中继节点，否则，在该链整体长度的中点分配一静止中继节点，在 所述中点到所述链的两个端点之间分别分配静止中继节点和/或移动中继节点，静止中继 节点和/或移动中继节点的个数满足如下:使得每个移动中继节点在链上移动的距离小于 所有边长的平均值，此时，相对于在该链整体上分配静止中继节点能够节省中继节点X个； [002引将所述最小生成树的边按照长度从小到大的顺序排序，形成序列化；
[0029] 捜寻所述最小生成树中至少与两条边相连的所有的分区节点，将运些分区节点组 成集合9=地，92，一如}^为集合9中分区节点的个数;对于集合9中任一分区节点如，从电出 发的两条边连接的另外两个分区节点分别为Vi、Vj，=个分区节点构成=角形QrViVj，将集合 Q中所有的分区节点都分别按照上述处理，获得多个=角形，由所有的=角形构成=角形集 合，对该=角形集合中的=角形按照周长从小到大排序形成序列H2;
[0030] 设置指针hi指向序列化内的第一个边，指针h2指向序列肥内的第一个S角形；
[0031] a)若指针hi指向的边eij的边长小于指针h2指向的S角形QrViVj的周长，则选择边 eij，在边eu的两个顶点(vi，vj)之间分配一个移动中继节点，W使所分配的移动中继节点在 边eij的两个顶点(Vi，Vj)之间移动，此时，相对于在该边整体上分配静止中继节点能够节省 中继节点y个，hi指向下一个边;否则选择S角形QrViVj,对S角形QrViVj分配一个按照预设 轨迹移动的移动中继节点，此时，相对于在该=角形上分配静止中继节点能够节省中继节 点Z个，h2指向下一个S角形；
[0032] b)依次对序列Hl中的边和序列H2中的执行步骤a)中的判断操作，直到对序列Hl中 所有的边和序列肥中所有的=角形分配完毕中继节点;或者，直到所节省的中继节点总数X +y+z等于第一差值，所述第一差值为需要的h个静止中继节点的个数与当前可用的中继节 点个数1的差值，结束分配移动中继节点，只给剩余的边分配静止中继节点。
[0033] 具体的，所述方法还包括:在连通性算法计算过程中，移动中继节点按照预设轨迹 移动周期性在分区之间移动并接收目标分区节点的网络数据，当所述移动节点接收到所述 目标分区节点的网络数据时，停止再向所述目标分区节点移动；
[0034] 所述移动中继节点按照预设轨迹移动包括两种情况：
[0035] 当移动中继节点在两个分区节点组成的边上移动时，所述预设轨迹为两分区节点 的连线上且不在两分区节点的通信范围内的部分线段；
[0036] 当移动中继节点在=个分区节点组成的=角形上移动时，所述预设轨迹为第一= 角形的=条边，所述第一=角形的获得方法为：将所述=个分区节点组成的=角形的重屯、 分别与所述=个分区节点连线，并得到与相应的分区节点的通信范围所对应的圆的交点， 将所得到的=个交点组成第一=角形。
[0037] 为达到上述目的，本发明实施例还公开了一种面向障碍的无线传感器网络连通性 恢复装置，应用于无线传感器网络，且所述网络中具有中继节点，设无线传感器网络存在n 个网络分区，每个网络分区用一个分区节点表示，则整个无线传感器网络由n个分区节点表 示;所述装置包括：
[0038] 最小生成树构建单元，用于构建障碍情况下的n个分区节点的最小生成树；
[0039] 中继节点分配单元，用于在所述构建的障碍情况下的n个分区节点的最小生成树 的边上分配静止中继节点和/或移动中继节点；
[0040] 网络连通性恢复单元，用于利用所分配的静止中继节点和/或移动中继节点，获得 所述中继节点所连接的分区节点内的网络数据，根据所获得的网络数据连通各分区节点， 从而恢复所述n个网络分区的无线传感器网络的连通。
[0041] 具体的，所述障碍所构成的障碍区域是凸多边形区域，且所述凸多边形顶点个数 不小于4个，所述最小生成树构建单元，包括：
[0042] 原始最小生成树构建子单元，用于利用prim算法构建n个分区节点的最小生成树；
[0043] 判断子单元，用于依次判断所述最小生成树的每条边是否穿过障碍区域，对每条 穿过所述障碍区域的边进行如下处理：
[0044] 如果边ei读过障碍区域，所述边eu的两个顶点为vi，vj，计算该边与障碍区域的交 点，若只有一个交点，则该边不做处理;若与障碍区域有两个交