面向双层结构无线传感器网络的中继节点鲁棒覆盖方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线传感器网络技术，具体地说是一种面向双层结构无线传感器网络 的中继节点鲁棒覆盖方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络由低成本、低能耗的传感器节点组成，完成信息感知、简单数据处 理W及短距离通信等功能。由于无线传感器网络在战场监视、环境监控、工业自动化、农业 生产等方面的巨大应用潜力，一直W来都是研究的热点。但是传感器节点通常由电池供电， 一经部署则难于更换，限制了无线传感器网络的寿命。现有技术中针对延长网络寿命的问 题，提出一种双层的无线传感器网络结构。双层结构的网络中部署了少量的具有充足能源 和较大通信半径的中继节点，扮演簇首的角色；1-跳邻居传感器节点将采集到的数据发送 给中继节点，中继节点收集1-跳邻居传感器节点采集到的数据，并转发到汇聚节点。在采 用双层结构的无线传感器网络中，传感器节点能够W节能方式转发采集到的信息。显然，中 继节点在双层结构的无线传感器网络中至关重要。然而，中继节点成本较高，如何在保证网 络网络覆盖及连通的前提下，降低中继节点部署成本（减少中继节点数量）成为目前的一 个研究热点。
[0003] 现有针对中继节点的部署方法包括几何单位圆覆盖阶段和网络连通性构建两类。 其中，几何单位圆覆盖算法主要包括基于划分移动的方式、基于网格的方式、基于集覆盖的 方式。基于划分移动方式的算法复杂度随着划分移动因子呈指数增长趋势；基于网格方式 与基于集覆盖方式的算法，最终结果会部署较多的中继节点。总之，目前几何单位圆覆盖算 法的计算复杂度较高，部署成本较高。
[0004] 虽然无线传感器网络设计过程受限于成本因素，但是网络鲁棒性仍然是无线传感 器网络设计的一个至关重要的问题。因此常规方法是采用对传感器节点进行2-覆盖的策 略，即每个传感器节点至少被两个中继节点覆盖。传统的2-覆盖设计在1-覆盖的基础上， 对少于被两个中继节点覆盖的传感器节点，仅仅使用1-覆盖算法进行简单地再次覆盖。
【发明内容】
阳0化]针对无线传感器网络2-覆盖算法设计过程中缺乏对中继节点部署数量、网络负 载平衡、网络鲁棒性的综合考虑所导致的鲁棒性和最优性差等问题，本发明提出了一种面 向双层结构无线传感器网络的中继节点鲁棒覆盖方法。
[0006] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种面向双层结构无线传感器网络 的中继节点鲁棒覆盖方法，包括W下步骤：
[0007] 首次1-覆盖：包括中继节点候选位置构建阶段、传感器节点分组阶段和局部部署 阶段；所述中继节点候选位置构建阶段根据所需覆盖的传感器节点方位信息，构建全部中 继节点的候选部署方位；所述传感器节点分组阶段将所需覆盖的传感器节点划分为独立的 分组；所述局部部署阶段在各个独立的分组中进行中继节点部署，最终的中继节点部署由 各个分组的局部部署结果组成；
[0008] 二次1-覆盖：对首次1-覆盖结果中只被一个中继节点覆盖的传感器节点进行二 次1-覆盖；
[0009] 将二次1-覆盖结果与首次1-覆盖所得到的结果进行合并，输出合并后的最终结 果。
[0010] 所述中继节点候选位置构建阶段包括W下步骤： W11] (1)输入所需覆盖的n个传感器节点位置信息X= {X1，X2,…，X。};
[001引 似i从1开始，标记Xi为已捜索节点，构造一个W X1节点的物理位置为圆心通信 半径r为半径的圆，并在圆周上每隔f :弧度取一个点，一个圆周共取k个点Y = (yi，72,… ,yj ；
[001引 做从yi点开始，按照顺时针或者逆时针顺序，依次捜索Wy ,点（j = 1，2…k)的 物理位置为圆屯、，通信半径r为半径的圆所能覆盖的传感器节点；
[0014] (4)取步骤（3)中至少覆盖两个传感器节点的点作为中继节点候选位置，记为集 合 P =如，口2,…，Pm};
[001引 （5)标记X中的第i+1个传感器节点为已捜索节点，重复步骤似-(4)，并存储每 次捜索到的候选位置P = P U Pi,直到X中所有传感器节点都标记为已捜索，并输出捜索结 果P。
[0016] 所述步骤（4)中，如果k个点都只覆盖一个传感器节点，则选择距离基站最近的点 a巧mm i| P,-公Ii作为中继节点候选位置Pi,其中P康示y 1的坐标，B表示基站的坐标。
[0017] 所述传感器节点分组阶段包括W下步骤：
[0018] (1)从中继节点候选位置集合P中选择位置Pi:P 1覆盖最多的未被覆盖的传感器 节点I巧n ZI，其中m表示集合P中元素个数，Z表示剩余传感器节点的集合；将 所有被Pi所覆盖的传感器节点组成的集合记为S1;
[0019] 似将P中覆盖Si中传感器节点的中继节点候选位置的集合记为Ni,并将被Ni覆 盖的传感器节点组成的集合称为Tl,将集合Si与集合T1中所有的传感器节点统称为一个属 于位置Pi的分组Gi;
[0020] (3)重复步骤（1)-(2)，存储每次的分组信息G = G U Gi,直到所有传感器节点都 被分配至某一分组，并输出分组结果G。
[0021] 所述局部部署阶段包括W下步骤：
[0022] (1)从G中依次选取属于位置Pi的分组Gi,从P中捜寻所有覆盖Gi中传感器节点 的中继节点候选位置Fi,将几何圆盘覆盖问题就转换为最小集覆盖问题；
[002引似使用贪婪算法，从F冲捜索出（Gi-Si)的一个最小集覆盖MSCi, Pi的权重定义 为Wi= |C|，其中C为N冲未被MSC遷盖的中继节点候选位置；如果Wi〉0,则选择MSCi与 Pi作为局部部署结果；如果W 1= 0且P 1中含有只被P 1覆盖的传感器节点，则选择MSC 1与 Pi作为局部部署结果；如果W 1 = 0且P 1中含没有只被P 1覆盖的传感器节点，则选择MSC 1作 为局部部署结果；记录本次本地捜索结果为Yi;
[0024] 做重复步骤（1)-似，捜索Gw,存储对每个分组的最小集覆盖，即Y = Y U Yi,直 到每个组中的传感器节点都被覆盖，输出最终捜索结果Y。
[00巧]所述二次1-覆盖阶段包括W下步骤：
[00%] (1)从首次1-覆盖结果中挑选出只被一个中继节点覆盖的传感器节点X' = (又' 1，X' 2,…，X' J，1《1《n ;
[0027] (2)根据应用于不同场合的无线传感器网络对于网络性能要求，人为调整中继节 点的阔值H使得^nfcl巧I ^ if，其中m为中继节点候选位置构建阶段输出中继节点候选位 \<i<m 置总数，阔值H为一个中继节点所能覆盖的传感器节点数量上限；
[0028] (3)利用面向1-覆盖的本地捜索方法LSAA对（1)所选择的传感器节点进行1-覆 盖，从而使得所有传感器节点被至少两个中继节点所覆盖；
[0029] (4)本次覆盖结果D与首次1-覆盖所得到的结果进行合并，即T = Y U D，输出合 并后的最终结果T。
[0030] 本发明提出的一种面向双层结构无线传感器网络的中继节点鲁棒覆盖方法，是在 充分考虑双层结构的无线传感器网络应用的特殊性前提下提出的，该方法能够有效地降低 中继节点部署成本，并保证所需的负载平衡、鲁棒性等网络性能。具体表现在：
[0031] 1.本发明在考虑中继节点部署数量、网络负载平衡、网络鲁棒性的基础上，首先对 节点进行分组，将全局覆盖问题降解到局部覆盖问题，降低问题求解复杂度；然后进行首次 1-覆盖；二次1-覆盖针对每个分组，在调整算法的阔值后，使用1-覆盖算法进行覆盖；从 而在保证覆盖鲁棒性的同时实现了中继节点最优部署。
[0032] 2.本发明提出的首次1-覆盖，通过将所需覆盖的传感器节点划分为独立的不同 分组，将部署问题从整体降解到局部，从而有效地减少所需部署中继节点的数量W及方法 求解时间；
[0033] 3.本发明提出的二次1-覆盖，针对每个分组，通过调整中继节点阔值，改变部署 中继节点数量、网络负载平衡、鲁棒性等特性，从而有效地改善网络性能。
【附图说明】
[0034] 图1为中继节点候选位置构建示意图；
[0035] 图2为传感器节点分组示意图；
[0036] 图3为中继节点局部部署示意图；
[0037] 图4为阔值对中继节点部署数量的影响；
[0038] 图5为阔值对传感器节点被覆盖次数影响；
[0039] 图6为阔值对中继节点所覆盖传感器节点数量影响；
[0040] 图7为一个最终输出结果示意图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0042] 本发明提出的一种面向双层结构无线传感器网络的中继节点鲁棒覆盖方法，其主 要思想在于：在考虑中继节点部署数量、网络负载平衡、网络鲁棒性的基础上，通过将所需 覆盖的传感器节点划分为独立的不同分组进行首次1-覆盖；然后针对每个分组，在调整算 法的阔值后，在此使用I-覆盖算法进行覆盖；W确保无线传感器网络对于继节点部署数 量、负载平衡、鲁棒性等网络性能的要求。
[0043] 本发明方法包括首次1-覆盖与二次1-覆盖两个步骤。
[0044] 步骤（1)首次1-覆盖，包括中继节点候选部位置构建阶段、传感器节点分组阶段 W及局部部署阶段，具体包括W下步骤： W45] (1. 1)中继节点候选部位置构建阶段如图1所示：
[0046] (1. 1. 1)输入所需覆盖的传感器节点位置信息X = {xi,而，X3, X4,馬，Xe,町，Xs, Xg};
[0047] (1. 1. 2)标记传感器节点Xi为已捜索节点；
[0048] (1. 1.3)构造 Xi为圆屯、，通信半径r为半径的圆，并在其圆周上均匀取4个点， 依次捜寻4个点所能覆盖的传感器节点，取其中至少覆盖两个传感器节点的点作为中继 节点候选位置，如果4个点都只覆盖一个传感器节点，