专利名称：一种基于移动节点的无线传感执行网络覆盖方法
一种基于移动节点的无线传感执行网络覆盖方法技术领域
本发明属于无线传感执行网络技术和智能计算两大领域，具体涉及一种基于移动节点的无线传感执行网络覆盖方法。
背景技术：
无线传感执行网络的组网方式介于机器人网络和静态无线传感器网络之间，一部分节点是具有信息采集能力的传感器节点，另外的节点是具有信息汇聚和中继、信息融合、 信息解释执行等能力的执行节点，这种由不对等节点组成的网络更适用于实际的应用环境，在网络能力和代价之间取得权衡。
自无线传感执行网络的概念提出以来[I]，相关技术多拟照传统传感器网络的应用环境，针对静态环境下无线传感执行网络的通信和协作方式。然而，对于空间监视巡航、 环境污染控制、应急安全处理等多方面的迫切应用需求，多类传感信息平台往往在大尺度空间进行分布，并且信息数量和采集地点随时间而改变，所形成的“传感信息簇”相隔甚远或者由于基础通信设施损坏无法覆盖整个信息空间，而相应应用往往需要综合多个“传感信息簇”的信息从而作出决策和执行相应的命令，因此，传感执行网络需要利用能力强的执行节点满足动态的网络互联需求。该类网络具有承载业务对网络传输可靠性和实时性要求高、执行节点可移动和节点非对称的特点。
执行节点的移动性和强大计算能力有利于动态环境下互联“传感信息簇”，但针对大尺度空间信息分布的相关应用，仍然存在以下难点
( I)难以形成稳定的网络互联骨干。传感信息分布不均匀，并且动态变化，很难形成类似最小支配集的稳定的互联骨干，因此需要网络具有自组装的能力。
(2)难以在各节点上规划全局一致的互联拓扑。执行节点感知信息受限，不可能获取所有“传感信息簇”的全部精确信息，因而不能效法因特网中的互联方式，难以在互联节点上进行全局一致的网络拓扑规划，只能依靠各执行节点的分布式智能获得相应的网络互联结构。
国外研究者陆续针对无线传感执行网络的协作机制、通信协议、QoS保证、信息解析等多方面开展研究，取得了一系列研究成果。国内不少高校和研究所也对无线传感执行网络展开了研究国防科技大学并行与分布式国家重点实验室率先开始对无线传感反应网络进行研究；浙江大学网络传感与控制研究组重点研究了无线传感执行网络的分布式协调控制；复旦大学钟亦平教授领导的研究小组主要针对无线传感执行网络的密钥管理展开探索；西安电子科技大学应用数学系的冯海林副教授则对无线传感执行网络的容错拓扑控制机制进行理论研究。
目前，有关无线传感执行网络覆盖的研究主要集中在以下来两个方面
(I)执行节点的有效部署——在网络连通的情况下获得最大化的覆盖范围。 KemalAkkaya[2]等人在考虑最大化覆盖面积和最小化延迟双重目标下,提出了先部署执行节点形成簇，后调整其位置最小化延迟的经典策略；后又考虑节点移动性，在此基础上提出了一种分布式的部署方法，以在保持连接的情况下最大化覆盖面积[3]。Ka. Selvaradjou 在能量、资源、实时性约束的环境下，以最小化执行节点的移动距离为目标，采用混合整数非线性规划，解决事件分配问题，使所有事件可以被相应执行节点收集[4]。Krishnakumar 则在其论文[5]中讨论了在稀疏网络中，如何规划一个执行节点的移动路线，变相互联网络中的传感节点。
(2)网络容错机制——网络失效时及时进行路径恢复。文献[6-7]考虑已被连接的传感执行网络，当关键割点失效时，以最小化移动距离为目标，通过分层次移动执行节点， 替代失效的割点。文献[8]则针对机器人网络，在2连通网络的基础上，讨论失效后的执行节点的移动方法，使路径得到迅速恢复；文献[9]则讨论了该方法的具体分布式实现方式。
F. Senel和K. Akkaya[10_ll]的方法与本发明类似，探讨网络分割情况下基于移动执行节点的无线传感执行网络的覆盖问题。但其研究单纯从簇内执行节点的最小支撑集部署和层次化移动角度出发，在稳定网络拓扑基础上考虑网络连通性问题，并没有考虑网络的冗余性和有效性。目前，无线传感执行网络技术从单纯的静态拓扑控制转向利用节点移动性保证网络的连通性，从集中式的网络规划转向利用分布式局部规划获得全局网络的连通。然而，无论是执行节点的有效部署还是网络容错机制，现有的技术都是单纯从拓扑连通性的角度出发，而未考虑到信息分布的不均匀和动态性，从而在实际应用中无法满足信息传输的可靠性和实时性需求。
相应参考文献
[I]Ian F. Akyildiz, Ismail H. Kasimoglu, Wireless Sensor and Actor Network s: ResearchChallenges，Journal on Ad Hoc Networks, 2004, Vol. 2, No. 4, pp. 351-367
[2]Kemal Akkayaj Mohamed Younisj COLA:A Coverage and Latency aware Actor Placement forWireless Sensor and Actor Networks, in Proceedings of IEEE 64th Vehicular TechnologyConference，Sept. 25-28，2006，pp:25-28
[3]K. AkkayajM.Younisj Coverage-aware and Connectivity-constrained Actor Positioning inWireless Sensor and Actor Networks, in Proceedings of IEEE International Conference onPerformance，Computing and Communications, New Orleans,LA, April 2007，pp:281-288
[4]Ka. Selvaradjou，M. Dhanaraj，C. Siva Ram Murthy, Energy Efficient Assignment of Events inWireless Sensor and Mobile Actor Networks, in Proceedings of IEEE International Conferenceon Networks, Sept. 2006, Vol. 2, pp:1-6
[5]Sita Srinivasaraghavan Krishnakumarj Intelligent Actor Mobility in Wireless Sensor andActor Networks, dissertation, Aug. 2008, Georgia Institute of Technology
[6] A. Abbasij K. Akkayaj M. Younisj A distributed connectivity restoration algorithm in wirelesssensor and actor networks, in Proceedings of IEEE Local Computer Networks, Dublin, Ireland, October 15-18，2007，pp:496-503
[7]K. Akkayaj A. Thimmapuramj F. Senelj S. Uludagj Distributed recovery of actor failures inwireless sensor and actor networks, in Proceedings of IEEE Wireless Communication andNetworking Conference, Las Vegas, NV, April42008，pp:2480-2485
[8]B.Basuj J. Redij Movement control algorithms for realization of fault-tolerant ad hoc robotnetworks, IEEE Networks, July-August, 2004, Vol. 18, No. 4 ，pp:36-44
[9] S. Das，H. Liuj A. Kamathj A. Nayakj I. Stojmenovicj Localized movement control for faulttolerance of mobile robot networks, in Proceedings of the First IFIP International Conferenceon Wireless Sensor and Actor Networks, Albacetej Sp ain，Sept. 2007，pp: 1-12
[10]F. Senelj K. Akkayaj M. Younisj An efficient mechanism for establishing connectivity inwireless sensor and actor networks, in Proceedings of IEEE Globe com, Washington, DC, Nov. 26-30，2007，pp: 1129-1133
[II]Kernal Akkayaj Fatih Senelj Detecting and Connecting Disjoint Sub-networks in WirelessSensor and Actor Networks,Journal of Ad hoc Networks, Feb. 4，2009发明内容
为解决现有技术缺陷，本发明提出一种能同时满足冗余结构和路径尽可能短两个要求，基于移动节点的无线传感执行网络覆盖方法。
本发明的技术方案为一种基于移动节点的无线传感执行网络覆盖方法，包括以下步骤
步骤一、无线传感执行网络中的各传感信息簇中的执行节点选举产生领导执行节占.
步骤二、各领导执行节点获取所属传感信息簇的信息量；
步骤三、各领导执行节点估计无线传感执行网络中的其它各传感信息簇的位置， 并将其它各传感信息簇的信息量设为固定值E ;
步骤四、假设传感信息簇的数量为N，每个传感信息簇由领导执行节点执行如下操作分配各执行节点的初始化移动方向，
如果某传感信息簇中执行节点的数目η > N-I，将其它N-I个传感信息簇的方向各分配为一个执行节点的初始化移动方向，剩余的η-Ν+1个执行节点的初始化移动方向平分其它N-I个传感信息簇所形成的扇形区域角度；
如果某传感信息簇中执行节点的数目η < N-I，这η个执行节点的初始化移动方向直接平分其它N-I个传感信息簇所形成的扇形区域角度；
步骤五、在保证与传感信息簇内其他传感节点和执行节点连通的情况下，各执行节点沿初始化移动方向进行移动，直到与另外传感信息簇的传感节点或者执行节点在相互之间的通信范围内；
对于任意一个移动的执行节点，
如果该执行节点即将与所属传感信息簇的连通断开，那么停止移动，并标记为暂停节点，通知所属传感信息簇的领导执行节点；
如果该执行节点的通信范围内新增了其它传感信息簇的传感节点或者执行节点成为新的邻居节点，那么该执行节点更新所在传感信息簇的剩余信息量，与新的邻居节点交互各自所在传感信息簇的剩余信息量，并判断新的邻居节点所在传感信息簇的剩余信息量是否为0，是则将该执行节点标记为冗余节点，该执行节点将剩余信息量连同自身的位置信息汇报给本簇的领导执行节点；否则执行节点制定自身的移动方向和移动速度策略继续移动；
对于领导执行节点，
每隔T时间，分析所属传感信息簇的执行节点和其它传感信息簇的邻接关系，当存在暂停节点，将冗余节点沿暂停节点路线方向继续移动；
每隔3T时间，分析有无暂停节点，如果没有则结束。
而且，执行节点制定自身的移动方向和移动速度策略的实现方式如下，
设该执行节点为Ni,若执行节点Ni的当前运动角度处于无线传感执行网络中的其它两个相邻传感信息簇所形成的扇形区域角度之间，在收到这两个相邻传感信息簇的信息量更新消息e/或者 /+1之后按照如下方式更新节点运动速度和角度，
如果收到的信息量更新消息为0，那么执行节点Ni停止运动，并标记为冗余节点， 通知执行节点Ni所在传感信息簇中的领导执行节点；
否则，相应地更新运动速度V = U或者<其中α为常e/ +Ie/ +1数，t为节点运动的时间，Vi为当前运动速度；当Vi' ( O时,节点停止运动。
本发明利用执行节点移动性解决分离的“传感信息簇”的互联问题，突破了静态环境下集中式部署执行节点方案的缺陷，部署结果满足信息分布的不均匀和动态性；模拟多头绒泡菌的生长过程，解决无线传感执行网络的互联问题，采用该方法自组装形成的网络互联结构，能够同时保证信息传输的可靠性和实时性。
图I是本发明实施例动节点自组织优化无线传感执行网络覆盖的流程图。
图2是本发明实施例领导执行节点选举的流程图。
图3是本发明实施例剩余信息量更新的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。
本发明实施例根据无线传感执行网络的信息分布状况，利用节点移动性模拟多头绒泡菌的生长特性，逐步演化生成互联多个“传感信息簇”的网络结构，保持网络覆盖的冗余性和有效性，以满足业务对网络传输可靠性和实时性要求。多头绒泡菌的有关实验表明该真菌可以演化形成满足冗余路径和路径尽可能短两个要求的网状结构。该网状结构非常适合于解决无线传感执行网络的覆盖问题。将无线传感执行网络比照多头绒泡菌的变形体“传感信息簇”类似于营养物质，路径带宽类似于管状菌丝的直径，簇内信息越多，需要的传输带宽也越大；当有另外的路径和该“传感信息簇”相连时，由于分流作用，所需要的带宽将减小，类似于营养物质的减少将减缓管状菌丝的生长。
为便于理解起见，提供以下理论基础说明
生物个体或者单个细胞组织表现出无序性，然而其群体(或者整个生物体)往往表现出有序性，该现象被称为“涌现”。T. Nakagaki等人在对多头绒泡菌(一种特殊的变形虫) 的研究中，发现该类真菌也具有以上特点，在营养物质多点分布的培养液中，多头绒泡菌可以通过自组装形成网状结构，这种网状结构是Steiner最小生成树和环的混合物，使营养物质分布点之间既有较短的通路也有冗余的路径，该网络结构符合大尺度空间上的无线传感执行网络互联需求。根据实验结果，多头绒泡菌的这种生长特性满足以下的数学模型。
假设节点i和j为营养物质节点，节点上的压力分别为Pi和Pp这两个节点由长度为Lu、半径为的菌丝相连，营养物质的粘性为ξ。那么，菌丝内的营养物质流量满足以下等式 Dij
my .其中，Di1为该管状菌丝的导流率(Pi-Pi)(!)
Dij 二(2)H
等式
对于多头绒泡菌，管状菌丝的半径随营养物质流量Q的变化而改变，Dij满足以下 ODdt其中，f (O)是满足f (O) = O的单调增函数；a是一个正常数，以保证流量Q为零时菌丝会消退，t表示时间。
本发明将无线传感执行网络比照多头绒泡菌的变形体传感信息簇类似于营养物质，路径带宽类似于管状菌丝的半径，簇内信息越多，需要的传输带宽也越大；当有另外的路径和该传感信息簇相连时，由于分流作用，所需要的带宽将减小，类似于营养物质的减少将减缓管状菌丝的生长。为便于说明，传感信息簇也简称信息簇。那么对于信息较多的簇， 需要更多的执行节点与其相连，才能分流簇内的信息；执行节点的个数类似管状菌丝的半径，需要能够越多越快地与该信息簇进行互联。
实施例的前提条件和术语说明如下
前提条件
(I)无线传感执行网络由多个分割的信息簇组成，每个信息簇由多个传感节点和少数执行节点组成。
(2)各信息簇内的传感节点和执行节点形成一个连通的子网。
(3)各信息簇内的执行节点相对于传感节点具有移动能力和较强的计算能力，能量充足，携带GPS，能感知地理位置信息。
(4)初始化阶段，各信息簇内的位置估计误差在30%以内。
术语说明
(I)各信息簇的信息量是指单位时间内该信息簇内所有传感节点所采集的信息量之和；各信息簇的剩余信息量是指由已与其它信息簇相连通的执行节点分流后所剩余的信息量。
(2)各信息簇的位置信息用极坐标G(d，Θ )表示。该极坐标的极点O为本信息簇领导执行节点初始位置点，极轴Ox为向正东方向所引的射线。d为信息簇的重心点P到极点之间的阿基米德距离；Θ为从Ox到OP的逆时针方向角度。
具体实施时，可以采用软件技术实现本发明技术方案所提供流程的自动运行。如图I所示，实施例的实现过程如下
步骤一、无线传感执行网络中的各传感信息簇中的执行节点选举产生领导执行节
领导执行节点选举的流程如图2所示
对于各传感信息簇中的执行节点，如果未获知领导执行节点，则采用定向扩散路由的方式泛洪一个领导执行节点请求消息，消息中携带请求节点的ID，并设定超时时间T1 ； 其他执行节点在收到领导执行节点请求消息后，如果已知领导执行节点，则返回一个应答消息给请求执行节点，并停止泛洪领导执行节点请求消息，如果也未获知领导执行节点(那么该执行节点也必然设定了超时时间T1),则比较请求节点和自身的ID，如果自身ID较小， 则记录该请求执行节点的ID。在收到领导执行节点应答消息后，如果自身是应答消息的目的节点，则记录领导执行节点，否则转发该应答消息；如果在T1时间内，请求执行节点未收到领导执行节点返回的应答消息，则比较所记录的所有执行节点的ID，如果自身的ID最小，那么将自身作为领导执行节点，并且泛洪一个领导执行节点应答消息，通知其它执行节点将自己作为领导执行节点。
步骤二、各领导执行节点获取所属传感信息簇的信息量。
实施例中领导执行节点采用定向扩散路由的方式泛洪一个信息量请求消息，传感节点在收到信息量请求消息以后，将信息量返回给领导执行节点，领导执行节点计算本信息簇的信息量e,并且记本簇的剩余信息量e^e。
步骤三、各领导执行节点估计无线传感执行网络中的其它各传感信息簇的位置， 并将其它各传感信息簇的信息量设为固定值E。
各信息簇中的领导执行节点根据已知信息估计其它传感信息簇的位置，设第k个传感信息簇的中的领导执行节点估计第i个传感信息簇的位置记为GiWi, Θ J，记其它所有传感信息簇的所形成的最大夹角为朽=1 1呲处i、j的取值为I，2，. . . N-I, 且满足i古j，i古k，j古k ;其它各传感信息簇的信息量都记为E，如第i个传感信息簇的信息量t =I E为常数。
步骤四、各信息簇中的领导执行节点计算各执行节点的初始运动角度
假设传感信息簇的数量为N，对于每个传感信息簇，如果执行节点的数目为n，执行节点用N^N2......Nn表示；
如果η > N-I，对其它N_1个传感信息簇的方向各分配为一个执行节点的初始化移动方向，剩余的η-Ν+1个执行节点的初始化移动方向平分其它N-I个传感信息簇所形成的扇形区域角度实施例中执行节点NpN2......Nim将以角度Ii= Θ i，i = 1，"·，Ν-1运动， 执行节点 Nn、Nn+1......Nn 以角度
权利要求
1.一种基于移动节点的无线传感执行网络覆盖方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一、无线传感执行网络中的各传感信息簇中的执行节点选举产生领导执行节点； 步骤二、各领导执行节点获取所属传感信息簇的信息量；步骤三、各领导执行节点估计无线传感执行网络中的其它各传感信息簇的位置，并将其它各传感信息簇的信息量设为固定值E ;步骤四、假设传感信息簇的数量为N，每个传感信息簇由领导执行节点执行如下操作分配各执行节点的初始化移动方向，如果某传感信息簇中执行节点的数目η 3N-1，将其它N-I个传感信息簇的方向各分配为一个执行节点的初始化移动方向，剩余的η-Ν+1个执行节点的初始化移动方向平分其它 N-I个传感信息簇所形成的扇形区域角度；如果某传感信息簇中执行节点的数目η <Ν-1，这η个执行节点的初始化移动方向直接平分其它N-I个传感信息簇所形成的扇形区域角度；步骤五、在保证与传感信息簇内其他传感节点和执行节点连通的情况下，各执行节点沿初始化移动方向进行移动，直到与另外传感信息簇的传感节点或者执行节点在相互之间的通信范围内；对于任意一个移动的执行节点，如果该执行节点即将与所属传感信息簇的连通断开，那么停止移动，并标记为暂停节点，通知所属传感信息簇的领导执行节点；如果该执行节点的通信范围内新增了其它传感信息簇的传感节点或者执行节点成为新的邻居节点，那么该执行节点更新所在传感信息簇的剩余信息量，与新的邻居节点交互各自所在传感信息簇的剩余信息量，并判断新的邻居节点所在传感信息簇的剩余信息量是否为O，是则将该执行节点标记为冗余节点，该执行节点将剩余信息量连同自身的位置信息汇报给本簇的领导执行节点；否则执行节点制定自身的移动方向和移动速度策略继续移动；对于领导执行节点，每隔T时间，分析所属传感信息簇的执行节点和其它传感信息簇的邻接关系，当存在暂停节点，将冗余节点沿暂停节点路线方向继续移动；每隔3Τ时间，分析有无暂停节点，如果没有则结束。
2.基于权利要求I所述的一种基于移动节点的无线传感执行网络覆盖方法，其特征在于执行节点制定自身的移动方向和移动速度策略的实现方式如下，设该执行节点为Ni,若执行节点Ni的当前运动角度处于无线传感执行网络中的其它两个相邻传感信息簇所形成的扇形区域角度之间，在收到这两个相邻传感信息簇的信息量更新消息d或者V 后按照如下方式更新节点运动速度和角度，如果收到的信息量更新消息为O，那么执行节点Ni停止运动，并标记为冗余节点，通知执行节点Ni所在传感信息簇中的领导执行节点；否则，相应地更新运动速度V =<或者，其中α为常数，te/ +1e； +1为节点运动的时间，Vi为当前运动速度；当Vi' ^ O时,节点停止运动。
全文摘要
本发明提出一种基于移动节点的无线传感执行网络覆盖方法，利用执行节点移动性解决分离的“传感信息簇”的互联问题，突破了静态环境下集中式部署执行节点方案的缺陷，部署结果满足信息分布的不均匀和动态性；模拟多头绒泡菌的生长过程，解决无线传感执行网络的互联问题，采用该方法自组装形成的网络互联结构，能够同时保证信息传输的可靠性和实时性。
文档编号H04W84/18GK102984713SQ20121049862
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月29日 优先权日2012年11月29日
发明者吴静, 杨剑锋, 郭成城, 周建国, 江昊 申请人:武汉大学