专利名称：一种结合能量有效性的传感器网络覆盖空洞检测方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络领域，具体涉及一种结合能量有效性的传感器网络覆盖空洞检测方法。
背景技术：
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的具有感知和计算能力的廉价微型传感器节点组成，通过无线方式构成多跳自组织网络，用以完成感知、采集和处理监测区域内感知对象信息的任务。无线传感器网络以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场革命，并正在被越来越多的应用于军事、灾难救援、环境监测、医疗护理、智能建筑等领域。然而，在无线传感器网络的实际应用中，对于已部署的传感器网络，节点可能会因环境因素、外力作用、电子器件损坏等原因而失效；另一方面，由于节点的能量有 限，当能量耗尽时，失效节点也会对网络的覆盖造成影响。由这些原因产生的覆盖空洞会对网络工作质量造成影响。由此，研究者开始讨论如何对传感器网络的覆盖空洞进行检测。传感器网络覆盖空洞的检测方法的关键问题在于，快速、准确的获取传感器网络的覆盖空洞位置，并使基于该检测结果的修复工作具有良好的修复效果。目前传感器网络空洞检测方法较多，主要包括基于计算几何的方法，基于VOTonoi图的方法和基于单纯复形的方法等。基于计算几何的方法是通过计算某一节点与其相邻节点间所构成的夹角判断是否存在覆盖空洞，可以准确给出某区域的空洞个数，但无法对覆盖空洞的位置进行精确描述。而经典的利用VOTonoi图的方法根据网络节点的位置信息，利用Voronoi图将覆盖区域划分成若干单元,每个单元中仅包含一点。根据Voronoi图的原理，各节点的Voronoi区域是距离该点最近的凸区域,在某一特定的Voronoi区域中，若存在该区域对应的节点无法覆盖到的区域，那么其他节点也无法覆盖到，则该区域便是一块覆盖空洞。这种方法可以简便、快速发现覆盖空洞，但只能用VOTonoi图多边形的顶点来表示空洞位置，而不能对空洞的位置和形状进行精确描述。基于单纯复检测覆盖空洞的方法，是通过建立最大单纯复形子网，并由覆盖空洞边际节点的覆盖边缘交点所连接成的多边形来描述空洞；这种方法较VOTonoi图法更加精确，但由于覆盖空洞的形状往往是不规则的，用多边形描述空洞还是会存在误差。综上所述，传统的覆盖空洞搜索方法基于不同的理论基础对传感器网络的覆盖空洞进行搜索，但都无一例外的利用网络的节点位置和节点间的距离等地理位置信息进行空洞搜索，并以此搜索结果作为进一步的空洞修复的基础。然而这些方法都忽略了空洞搜索时各工作节点的能量差异对空洞搜索的影响，由于这些现有工作节点在空洞修复后能量耗尽产生的能量空洞问题可能会对网络的覆盖率产生影响，进而在修复后的短时间内再次出现覆盖空洞，影响网络的修复效果。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种结合能量有效性的传感器网络覆盖空洞检测方法，该方法空洞搜索位置精确，基于该空洞检测结果修复后的传感器网络具有较长工作时间。本发明的一种结合能量有效性的传感器网络覆盖空洞检测方法，包括基于能量有效性的传感器网络工作节点能量评价和筛选，基于概率感知模型及联合探测概率的覆盖空洞位置检测。具体地基于确定的传感器网络能量消耗模型，计算网络每工作一个周期后各传感器节点的剩余能量情况。若出现传感器节点剩余能量小于该传感器节点的初始能量的情况，说明该传感器节点失效，基于传感器节点概率感知模型及联合探测概率的概念计算监测区域中各位置的探测概率，同要求的覆盖率指标进行比较，获得各点的覆盖情况，判断是否出现覆盖空洞。若未出现覆盖空洞，传感器网络继续工作，若出现覆盖空洞，需要对该覆盖空洞的位置进行确定并修复。在覆盖空洞搜索时，需要结合能量有效性对传感器网络中寿命较短的工作节点进行筛选。需要筛选出的寿命较短的工作节点所占剩余工作节点数目的比例可通过绘制网络修复成本和网络能量浪费随该比例变化的曲线获得，两条曲线的 焦点所对应的比例即为所确定的比例值。在确定需要通过筛选删除的寿命较短的节点的比例后，可以计算出需要删除的节点个数。之后通过计算各剩余工作节点的剩余工作寿命筛选掉确定数目的寿命较短的节点。最后利用满足能量有效性要求的工作节点，对网络监测区域各点的探测概率进行计算，获得各点的覆盖情况。并通过二值化处理及开运算和闭运算的降噪处理，提取出空洞边缘，获得传感器网覆盖空洞的位置。本发明的技术方案是这样实现的本发明方法所采用的传感器网络，包括若干传感器节点和一个Sink节点(即汇聚节点)，各传感器节点是同构的，具有相同的工作参数和初始能量。传感器节点和Sink节点随机部署，各传感器节点采用单跳方式传输数据，即每个传感器节点直接向Sink节点发送数据，传感器网络以周期性方式工作，各传感器节点完成一次感知和数据发送工作所经历的时间为一个周期。一个节点在一个周期内完成对被监测对象的数据采集，并将所获得的数据包发往基站。一种结合能量有效性的传感器网络覆盖空洞检测方法，包括如下步骤步骤一传感器网络开始工作；步骤二 传感器网络工作一个周期后，计算传感器网络中各传感器节点的剩余能量;采用能量消耗模型计算传感器网络中各传感器节点的剩余能量能量消耗模型描述如下发送端和接收端之间的距离为d，设定一个阈值Cltl，近距离传输即(Kdtl时，采用自由空间模型(d2能量损耗)计算能量消耗；当较大距离传输即d > Cltl时，由于发送端和接收端都贴近地面，干扰较大，障碍物较多，能量损耗随着距离的增大而急剧增加，故设通信能耗与距离的四次方d4成正比，此时采用多路衰减模型(d4能量损耗)计算能量消耗。发送端向距离d的接收端发送I比特数据时消耗的能量为Etx (1，d)
IEelec +l￡hd2, d <di}Elj (l,d) = E1^eiec (I) + ETx—amp (l,d) = \ — — — J- ApIEi +Is d\ d>dn ⑴
^ efecmp ’O
其中，ETx_elee(l)为发射电路损耗总能量，ETx_amp(l，d)为功率放大损耗总能量，d为发送端到接收端的距离。计算各传感器节点和Sink节点的距离并确定各能量参数，能量参数包括电子能量E6l6。、自由空间模型下的放大器能量参数e fs、多里衰减模型下的放大器能量参数Smp、距离阈值Cltl，代入能量消耗模型公式(1)，确定各传感器节点每工作一个周期后所消耗的能量￡￥(1，(1)，进而计算出各传感器节点的剩余能量民，Ert为当前周期开始前节点的剩余能量。Er=Er0-Ew(I, d)(2)Er0为0的节点即为失效节点，不为0则为当前有效节点。步骤三根据计算出的各传感器节点的剩余能量，判断是否有传感器节点能量耗尽而失效是，则计算传感器网络的探测概率，并执行步骤四；否，则传感器网络继续工作，返回步骤二；
传感器网络节点在部署时具有一定的初始能量Etl，网络每工作一个周期，传感器网络节点的剩余能量便有所减少。当剩余能量减少到0时，该节点能量耗尽，节点不再继续工作。计算传感器网络的探测概率，具体如下采用的概率感知模型计算传感器网络探测概率，根据该模型的描述，一个传感器节点能够发现到它的距离为d的一个事件的概率为p (d)
权利要求
1.一种结合能量有效性的传感器网络覆盖空洞检测方法，该方法所采用的传感器网络，包括若干传感器节点和一个Sink节点，各传感器节点是同构的，具有相同的工作参数和初始能量；传感器节点和Sink节点随机部署，各传感器节点采用单跳方式传输数据，即每个传感器节点直接向Sink节点发送数据，传感器网络以周期性方式工作，各传感器节点完成一次感知和数据发送工作所经历的时间为一个周期； 其特征在于方法包括如下步骤 步骤一传感器网络开始工作； 步骤二 传感器网络工作一个周期后，计算传感器网络中各传感器节点的剩余能量； 步骤三根据计算出的各传感器节点的剩余能量，判断是否有传感器节点能量耗尽而失效是，则计算传感器网络的探测概率，并执行步骤四；否，则传感器网络继续工作，返回步骤二 ； 步骤四根据计算的传感器网络的探测概率判断是否出现覆盖空洞是，则计算覆盖空洞的位置，并执行步骤五；否，则传感器网络继续工作，返回步骤二 ； 步骤五结合能量有效性对当前有效传感器节点进行筛选，删除不满足能量有效性要求的传感器节点； 步骤六对满足能量有效性要求的剩余节点计算传感器网络覆盖空洞的位置。
2.根据权利要求I所述的结合能量有效性的传感器网络覆盖空洞检测方法，其特征在于步骤二所述的计算传感器网络中各传感器节点的剩余能量，采用能量消耗模型。
3.根据权利要求I所述的结合能量有效性的传感器网络覆盖空洞检测方法，其特征在于步骤五所述的结合能量有效性对当前有效传感器节点进行筛选，删除不满足能量有效性要求的传感器节点，具体按如下步骤进行 步骤I :计算节点删除比例变化时传感器网络修复成本的变化； 节点删除比例为需要删除的不满足能量有效性的传感器节点所占当前有效传感器节点的比例； 步骤2 :计算节点删除比例变化时传感器网络浪费能量的变化； 步骤3 :将计算得出的传感器网络修复成本及传感器网络浪费能量进行归一化处理； 步骤4 :根据归一化后的数据在同一坐标系下绘制传感器网络修复成本及传感器网络能量浪费变化曲线，取两曲线交点对应的横坐标值作为所采用的节点删除比例，进而确定需要删除的节点个数。
全文摘要
一种结合能量有效性的传感器网络覆盖空洞检测方法，包括如下步骤传感器网络工作一个周期后，计算传感器网络中各传感器节点的剩余能量；根据剩余能量判断是否有传感器节点能量耗尽而失效是，则计算传感器网络的探测概率，并执行步骤四；否，则返回步骤二；根据探测概率判断是否出现覆盖空洞是，则计算覆盖空洞的位置，并执行步骤五；否，则返回步骤二；结合能量有效性对当前有效传感器节点进行筛选，删除不满足能量有效性要求的传感器节点；对满足能量有效性要求的剩余节点计算传感器网络覆盖空洞的位置。本方法在保证传感器网络能量浪费较小情况下，延长修复后网络的工作寿命，减少网络修复的代价，提高空洞检测结果对实际修复的指导意义。
文档编号H04W24/08GK102724681SQ20121021549
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月27日 优先权日2012年6月27日
发明者刘红蕾, 张云洲, 张校华, 王泽宇 申请人:东北大学