一种蜂窝结构无线传感器网络节点调度方法与流程

本发明涉及蜂窝结构无线传感器网络领域，尤其是涉及一种蜂窝结构无线传感器网络节点调度方法。
背景技术：
：目前使用的无线网络传感器节点布置模型，特别是在二维平面上，多数情况下仍然以蜂窝模型为基础，蜂窝结构是覆盖二维平面的最佳拓扑结构。但是这种结构模型是在理论条件下达到最优，当结合实际条件时，模型不能够实现整个传感器网络的“全感知连通”和“全通信覆盖”。现有技术中的蜂窝结构无线传感器节点调度具有以下缺点：第一，在随机节点布置的情况下，由于节点所处地理位置的不确定性，可能会造成初始节点在扩散过程中找不到合适的节点，从而导致节点扩散的中止，使得选出的初始节点覆盖集不能达到整个网络的连通；第二，由于工作节点构成的蜂窝模型会出现扭曲，可能不会使区域中的每个点都被覆盖，即会有空洞的出现。而空洞的存在会严重影响到整个网络的覆盖度，使整个网络不能达到全覆盖。中国专利cn108055683a中公开了一种水下无线传感器网络均衡能耗并保持覆盖的方法，该方法通过唤醒死亡节点周围二倍通信距离的节点来保持一定程度的网络覆盖率。该方法虽然保证无线传感器网络具有一定的覆盖率，但是该方法不能实现整个传感器网络的全感知连通和全通信覆盖。技术实现要素：本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现全感知连通和全通信覆盖、网络剩余有效节点数衰减、覆盖率衰减和系统能耗都比较慢的蜂窝结构无线传感器网络节点调度方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种蜂窝结构无线传感器网络节点调度方法，该方法为内嵌在计算机内的程序，包括：步骤1：构建初始节点覆盖集；步骤2：优化覆盖节点集；步骤3：填补覆盖节点集内空洞区域；步骤4：使用leach协议进行无线传感器节点调度。优选地，所述的步骤1具体为：步骤1-1：选取发起节点；步骤1-2：进行节点扩散。更加优选地，所述的步骤1-1具体为：步骤1-1-1：发起节点a将自身地理位置作为第一个战略点a，在倍的节点感知半径rs内寻找距其最远的节点b1作为待命工作节点，并利用相似三角形原理，求解在此方向上的子战略点b1，将战略点a、战略点b1的地理位置信息告知节点b1；子战略点b1的求解方法为：其中，distab1为第一个战略点a与节点b1之间的距离；(x,y)为节点的地理位置坐标；步骤1-1-2：将节点b1作为端点，发起节点a作为中点，求解子战略点b2，并在节点a的一跳邻居节点中选取距离子战略点b2最近的节点作为待命工作节点b2；子战略点b2的求解方法为：步骤1-1-3：结合战略点a和子战略点b1，求解子战略点c1和d1，具体方法为：步骤1-1-4：在节点a的一跳邻节点中选取距离子战略点c1和d1最近的节点作为对应战略点的待命工作节点c1和d1，并将战略点a及对应战略点的地理信息告知c1和d1；步骤1-1-5：结合战略点a和子战略点b2，求解待命工作节点c2和d2；步骤1-1-6：完成发起节点的选取。更加优选地，所述的步骤1-2具体为：步骤1-2-1：待命工作节点i向该节点的全部一跳邻节点组合n(i)发出征询，在距其工作节点允许存在其它工作节点的最大区域半径thrd范围内是否有骨干节点，若经过时长τ内没有收到骨干节点反馈的消息，则表示自己为工作节点，并标记n(i)，否则，标示自己为待命休眠节点，执行步骤1-2-5；步骤1-2-2：待命工作节点i将结合战略点i和父战略点i.f的坐标，求解三个子战略点i,s1，i,s2和i,s3的坐标；步骤1-2-3：分别判断子战略点的是否满足下式，若是，则将该子战略点判断为合理战略点，否则，将该子战略点判断为不合理战略点，若合理战略点个数为零，则执行步骤1-2-5；步骤1-2-4：在n(i)中选择在父战略点一跳范围内离战略点最近的节点作为合理子战略点的待命工作节点，i将对应战略点i、合理子战略点i.s的位置信息告知，并通知其成为待命工作节点，开始节点扩散；步骤1-2-5：完成节点的扩散。优选地，所述的步骤2具体为：步骤2-1：工作节点广播消息，标记感知范围rs内的待命节点为初始状态节点；步骤2-2：剩余的初始状态节点随机回退一段时间t后醒来，查看自己的连通范围内是否存在非初始状态节点，若存在，则进行桥梁节点的选取，通过桥梁节点选取新的工作节点；步骤2-3：新的工作节点广播标记消息，标记感知范围rs内的节点为点名休眠节点；步骤2-4：如果在回退过程中，初始状态节点收到了标记消息，则放弃成为工作节点。更加优选地，所述桥梁节点的选取方法为：方法1：若某个未被初始节点集连通的节点在查看自己的连通范围内的节点后，如果存在工作节点，则选择该工作节点为桥梁节点；方法2：若某个未被初始节点集连通的节点在查看自已的连通范围内的节点后，如果存在初始节点集连通范围内的非工作节点，则选择该工作节点为桥梁节点。更加优选地，所述的回退时间t的计算方法为：ti＝βi*t0其中，distij为节点i与节点j的欧氏距离。更加优选地，所述的步骤3具体为：节点在回退时间t结束后，醒来判断自己是否冗余，若是，则继续休眠，否则，醒来称为工作节点。更加优选地，所述的节点判断自己是否冗余的方法包括非边界节点的冗余判断子方法和边界节点的冗余判断子方法；所述的非边界节点的冗余判断子方法具体为：步骤3-1-1：待命休眠节点i遍历n(i)内的节点，选取节点j；步骤3-1-2：节点j计算张角∠j→i；步骤3-1-3：节点j遍历空洞边缘节点集s(j)，计算每个节点对节点j的张角；步骤3-1-4：判断张角∠j→i是否被s(j)中的节点覆盖，若是，则发送wake0消息给节点i，否则发送wake1消息给节点i；步骤3-1-5：若节点i收到wake1，则醒来称为工作节点，否则，继续休眠；所述的边界节点的冗余判断子方法具体为：步骤3-2-1：创建虚拟节点；步骤3-2-2：结合虚拟节点判断是否冗余，判断方法同非边界节点，若冗余，继续判断其边界线中点是否被某一工作节点覆盖，若不冗余，则醒来作为工作节点；若边界线中点被覆盖，则休眠成为休眠节点，若没有被覆盖，则醒来成为工作节点。优选地，所述的步骤4具体为：步骤4-1：工作节点进入leach协议的簇头建立阶段，簇头形成后进入稳定工作阶段；步骤4-2：查看轮转次数是否达到冗余判断阶段，若是，则执行步骤4-4，否则，执行步骤4-3：步骤4-3：查看是否有死亡节点，若是，则标记为死亡节点，其余节点回复为正常节点，然后返回步骤4-1；步骤4-4：通知休眠节点判定自己是否为冗余节点，若是，则该节点继续保持休眠状态，否则，该节点醒来作为工作节点，并返回步骤4-1。与现有技术相比，本发明具有以下优点：一、实现全感知连通和全通信覆盖：本发明中的节点调度方法通过添加桥梁节点，实现了整个网络的全通信覆盖，通过设置改进的空洞填补方法实现了全感知的连通。二、网络剩余有效节点数衰减、覆盖率衰减和系统能耗都比较慢：本发明中的节点调度方法在进行与leach协议进行共同调度前设有一个调度阶段，因此每一轮只有一部分的节点在工作，而其它节点处于非常节能的休眠状态，当某些工作节点失效后，休眠节点才会醒来成为工作节点，开始为整个网络感知数据和通信数据。附图说明图1为本发明中节点调度方法的流程示意图；图2为本发明中使用leach协议进行无线传感器节点调度的流程示意图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。一种蜂窝结构无线传感器网络节点调度方法，该方法为内嵌在计算机内的程序，具体流程如图1所示，包括：步骤1：构建初始节点覆盖集；步骤1-1：选取发起节点，具体为：步骤1-1-1：发起节点a将自身地理位置作为第一个战略点a，在倍的节点感知半径rs内寻找距其最远的节点b1作为待命工作节点，并利用相似三角形原理，求解在此方向上的子战略点b1，将战略点a、战略点b1的地理位置信息告知节点b1；子战略点b1的求解方法为：其中，distab1为第一个战略点a与节点b1之间的距离；(x,y)为节点的地理位置坐标；步骤1-1-2：将节点b1作为端点，发起节点a作为中点，求解子战略点b2，并在节点a的一跳邻居节点中选取距离子战略点b2最近的节点作为待命工作节点b2；子战略点b2的求解方法为：步骤1-1-3：结合战略点a和子战略点b1，求解子战略点c1和d1，具体方法为：步骤1-1-4：在节点a的一跳邻节点中选取距离子战略点c1和d1最近的节点作为对应战略点的待命工作节点c1和d1，并将战略点a及对应战略点的地理信息告知c1和d1；步骤1-1-5：结合战略点a和子战略点b2，求解待命工作节点c2和d2；步骤1-1-6：完成发起节点的选取。步骤1-2：进行节点扩散，具体为：步骤1-2-1：待命工作节点i向该节点的全部一跳邻节点组合n(i)发出征询，在距其工作节点允许存在其它工作节点的最大区域半径thrd范围内是否有骨干节点，若经过时长τ内没有收到骨干节点反馈的消息，则表示自己为工作节点，并标记n(i)，否则，标示自己为待命休眠节点，执行步骤1-2-5；步骤1-2-2：待命工作节点i将结合战略点i和父战略点i.f的坐标，求解三个子战略点i,s1，i,s2和i,s3的坐标；步骤1-2-3：分别判断子战略点的是否满足下式，若是，则将该子战略点判断为合理战略点，否则，将该子战略点判断为不合理战略点，若合理战略点个数为零，则执行步骤1-2-5；步骤1-2-4：在n(i)中选择在父战略点一跳范围内离战略点最近的节点作为合理子战略点的待命工作节点，i将对应战略点i、合理子战略点i.s的位置信息告知，并通知其成为待命工作节点，开始节点扩散；步骤1-2-5：完成节点的扩散。步骤2：优化覆盖节点集；步骤2-1：工作节点广播消息，标记感知范围rs内的待命节点为初始状态节点；步骤2-2：剩余的初始状态节点随机回退一段时间t后醒来，查看自己的连通范围内是否存在非初始状态节点，若存在，则进行桥梁节点的选取，通过桥梁节点选取新的工作节点；步骤2-3：新的工作节点广播标记消息，标记感知范围rs内的节点为点名休眠节点；步骤2-4：如果在回退过程中，初始状态节点收到了标记消息，则放弃成为工作节点。桥梁节点的选取方法为：方法1：若某个未被初始节点集连通的节点在查看自己的连通范围内的节点后，如果存在工作节点，则选择该工作节点为桥梁节点；方法2：若某个未被初始节点集连通的节点在查看自已的连通范围内的节点后，如果存在初始节点集连通范围内的非工作节点，则选择该工作节点为桥梁节点。回退时间t的计算方法为：ti＝βi*t0其中，distij为节点i与节点j的欧氏距离。步骤3：填补覆盖节点集内空洞区域，具体为：节点在回退时间t结束后，醒来判断自己是否冗余，若是，则继续休眠，否则，醒来称为工作节点。节点判断自己是否冗余的方法包括非边界节点的冗余判断子方法和边界节点的冗余判断子方法。(1)非边界节点的冗余判断子方法具体为：步骤3-1-1：待命休眠节点i遍历n(i)内的节点，选取节点j；步骤3-1-2：节点j计算张角∠j→i；步骤3-1-3：节点j遍历空洞边缘节点集s(j)，计算每个节点对节点j的张角；步骤3-1-4：判断张角∠j→i是否被s(j)中的节点覆盖，若是，则发送wake0消息给节点i，否则发送wake1消息给节点i；步骤3-1-5：若节点i收到wake1，则醒来称为工作节点，否则，继续休眠；(2)边界节点的冗余判断子方法具体为：步骤3-2-1：创建虚拟节点；步骤3-2-2：结合虚拟节点判断是否冗余，判断方法同非边界节点，若冗余，继续判断其边界线中点是否被某一工作节点覆盖，若不冗余，则醒来作为工作节点；若边界线中点被覆盖，则休眠成为休眠节点，若没有被覆盖，则醒来成为工作节点。步骤4：使用leach协议进行无线传感器节点调度，具体流程如图2所示，包括：步骤4-1：工作节点进入leach协议的簇头建立阶段，簇头形成后进入稳定工作阶段；步骤4-2：查看轮转次数是否达到冗余判断阶段，若是，则执行步骤4-4，否则，执行步骤4-3：步骤4-3：查看是否有死亡节点，若是，则标记为死亡节点，其余节点回复为正常节点，然后返回步骤4-1；步骤4-4：通知休眠节点判定自己是否为冗余节点，若是，则该节点继续保持休眠状态，否则，该节点醒来作为工作节点，并返回步骤4-1。为了验证上述算法的性能，在节点通信半径rc/节点感知半径的条件下将上述算法与现有算法进行了比较。为了能够计算仿真过程中的覆盖率，本实施例采用的方法是染色法。在节点分布图上，对感应范围内的工作节点的感知范围着色，其黑色区域为被覆盖区域，白色区域为未被覆盖区域。然后通过计算黑色区域的像素大小来确定感应区域的覆盖率大小。仿真使用的模型选用第一顺序无线电能量模型，模型的具体参数如表1所示。表1模型参数参数数值参数数值区域范围50m*50mεamp0.0013pj/bit/m4节点数量100εfs10pj/bit/m2汇聚节点坐标(0,0)eelec50nj/bit节点初始能量2jed50nj/bit/signal数据包长度2000bitp0.1感知半径10mts10s由于leach协议运行的周期为10s，而频繁地进行冗余节点判定反而会加重网络负担，造成能量浪费，因此在仿真中每隔20轮才进行一次冗余节点判定，即休眠机制的周期为200s。经过验证，本实施例中的调度方法能量消耗要比leach协议能量消耗慢得多，因此，在相同的系统能量下，本实施例中的调度方法可以使无线传感器网络维持更长时间。同时，本实施例中的调度方法比leach协议的网络剩余有效节点数的衰减速度要慢得多。这是由于在leach协议中，所有具有能量的节点都一直处于工作状态。本实施例中的算法由于之前具有一个调度阶段，因此每一轮只有一部分的节点在工作，而其它节点处于非常节能的休眠状态。当某些工作节点失效后，休眠节点才会醒来成为工作节点，开始为整个网络感知数据和通信数据。最主要的是本发明中算法相较于原始leach协议，网络覆盖率的衰减速度要慢的多。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。当前第1页12