则选择距离基站最近的点作为中继 节点候选位置；Xi上的候选位置分别为P 2= Ix 1，町，Xs, Xg}，Ps= Ix 1，X4,馬，Xe,町}，Pz = {Xi, X2, X3, xj ； |；0〇49] (1. 1. 4)重复（1. 1.。- (1. 1. ：3)，直到 X = (xi,而，X3, X4,馬,Xe,町，Xs, Xg}全部标记 为已捜索节点。
[0050] (1. 2)传感器节点分组阶段如图2所示：
[0051] (1. 2. 1)在中继节点候选位置中选择位置Pi:该位置覆盖最多的未被覆盖的传感 器节点。将所有被位置Pi所覆盖的传感器节点组成的集合称为S 1。图2中绿色圆即为Pi 所覆盖的范围，其中绿色圆内的黑色点即为Si;
[0052] (1. 2. 2)将P中覆盖S冲传感器节点的中继节点候选位置的集合记为N 1，并将被 Ni覆盖的传感器节点组成的集合称为T 1，将集合Si与集合T 1中所有的传感器节点统称为一 个属于位置Pi的分组Gi。图2中黑色圆即为Ni,其中红色点即为Tl,黑色点与红色点共同 组成了一个分组Gi;
[0053] (1. 2. 3)重复（1. 2. 1)-(1. 2. 2)直到所有传感器节点都被分配至某一分组。
[0054] (1.如局部部署分组阶段如图3所示：
[0055] (1.3. 1)从G中依次（从1开始）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F 1，将几何圆盘覆盖GDC问题就转换为最小集覆盖 MSC问题；
[0056] (1. 3.。使用贪婪算法，从F冲捜索出（G I-Si)的一个最小集覆盖MSCi, Pi的权重 定义为Wi = I CI，其中C为N1中未被MSC 1覆盖的中继节点候选位置；如果W 1〉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作为局部部署结果姻果W 1= 0且P冲含没有只被P遷盖的传感器节点，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;图3中，绿色圆即为Pi,其中红色圆表示 MSCi，可W看出N冲尚有一个位置未被MSC遷盖，所W其权重W 1 = 1〉0，因此选择MSC 1与P 1 作为局部部署结果，即选择红色圆与绿色圆为本次局部部署结果； 阳057] (1. 3.如重复（1. 3. 1)-(1. 3. 3)，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。
[0058] 步骤（2)二次1-覆盖阶段，具体包括W下步骤：
[0059] (2. 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' = lx' 1，X' 2,…，X' J，（I《k《n); W60] (2.。根据无线传感器网络对于中继节点部署数量、网络负载平衡、网络鲁棒性等 网络性能要求，人为调整中继节点的阔值扎使得〇13\|巧|5^//，其中"1为中继节点候选位 l<i<m 置总数；该阔值代表了每个中继节点候选位置所能覆盖的传感器节点数量上限。图4-图 6表示阔值对中继节点部署数量的影响、阔值对传感器节点被中继节点覆盖的次数的影响、 阔值对中继节点所覆盖传感器节点数量的影响；根据特定网络环境对性能的要求调整阔值 H，保证良好的网络性能；
[006U (2. 3)利用首次1-覆盖的本地捜索方法对化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；
[0062] (2.4)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。
[0063] 图7为一个最终输出结果示意图，其中蓝色曲线表示对传感器节点的分组。可W 看出分组内的每个传感器节点都至少被两个中继节点覆盖，因此中继节点的故障对整个网 络的影响减小，从而提高了网络的鲁棒性，其中绿色圆为1-覆盖输出中继节点的覆盖范 围，红色圆为2-覆盖输出中继节点的覆盖范围。同时每个中继节点所覆盖的传感器节点数 量不能超过设定的阔值，因此本发明所提出的方法可W在提高无线传感器网络鲁棒性的基 础上进一步保证负载平衡。
【主权项】
1. 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，其特征在于，包括W 下步骤： 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； 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； 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。2. 根据权利要求1所述的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 特征在于，所述中继节点候选位置构建阶段包括W下步骤： (1)输入所需覆盖的η个传感器节点位置信息X = {Xi, X2,…，xj ; 似i从1开始，标记xi为已捜索节点，构造一个W 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Υ= (yi，y2,…，yj ; (3) 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； (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 = {Pl, 口2,…，Pm}; (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（2)-(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。3. 根据权利要求2所述的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 特征在于，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 点作为中继节点候选位置Pi，其中Pi表示的坐标，B表示基站的坐标。4. 根据权利要求1所述的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 特征在于，所述传感器节点分组阶段包括W下步骤： (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，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S 1; (2) 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Ti，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; (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。5. 根据权利要求1所述的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 特征在于，所述局部部署阶段包括W下步骤： (1)从G中依次选取属于位置Pi的分组G 1，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； (2)使用贪婪算法，从Fi中捜索出（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Wi= 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P 1作 为局部部署结果；如果Wi= 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; 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。6.根据权利要求1所述的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 特征在于，所述二次1-覆盖阶段包括W下步骤： (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《η ; (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Η使箱I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置总 数，阔值Η为一个中继节点所能覆盖的传感器节点数量上限； (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； (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Τ = Υ U D，输出合并后 的最终结果Τ。
【专利摘要】本发明涉及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。本发明是一种基于本地搜索的中继节点2-覆盖部署算法，通过将全局部署问题降解到局部部署问题，在保证鲁棒的同时实现了最优部署。该方法具体包括两个步骤：首次1-覆盖以及二次1-覆盖。其中首次1-覆盖包括中继节点候选部署位置构建、传感器节点分组以及中继节点局部部署三个步骤，其中通过一种新颖的分组方法把传感器进行分组，降低了算法复杂度的同时保证了部署的最有性；二次1-覆盖调整阈值，对每个分组挑选出只被一个中继节点覆盖的传感器节点，使用1-覆盖方法对这些传感器节点再进行一次1-覆盖，既保证了鲁棒性，又节省了中继节点部署数量，缩短了问题求解时间。
【IPC分类】H04W16/26, H04W16/20
【公开号】CN105704732
【申请号】CN201410705060
【发明人】梁炜, 于海斌, 马超凡, 张晓玲
【申请人】中国科学院沈阳自动化研究所
【公开日】2016年6月22日
【申请日】2014年11月27日
【公告号】WO2016082254A1