[发明专利]一种中心式的无线传感器网络拓扑重构方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种中心式的无线传感器网络拓扑重构方法，能够实现无线传感器网络中支援节点的优化分配，对网络中的失效节点进行快速替换和修复，保证网络的监测性能，体现网络的智能化和自组织能力。

背景技术

无线传感器网络与传统网络相比具有组网方式灵活、监测信息全面、智能化程度高的特点，是一种全新的信息采集和处理技术，大大地扩展了人类获取信息的能力。基于无线传感器网络的诸多优点，它在工农业生产、国防军事、交通物流、医疗卫生、空间探索，以及楼宇管理、灾情预报等多个领域具有广阔的应用前景和巨大的应用价值。尽管有效的节点部署策略能够在网络初始部署时对网络监测性能进行优化，然而由于单个节点结构简单、能量有限，常因环境干扰、能量耗尽等原因而失效，这使网络的拓扑结构发生变化，网络监测性能受到显著影响。

发明内容

发明目的：如果在出现节点失效时，能够充分利用网络中的剩余节点资源对网络拓扑结构进行重新调整，即通过网络拓扑重构来改善网络的监测性能，不仅可以最大程度地延长网络寿命，还可以显著提高网络的自适应性、容错性和智能化程度，这对于促进无线传感器网络的实际应用是十分有意义的。针对无线传感器网络中部分节点失效，网络监测性能下降的问题，本发明提供一种中心式的无线传感器网络拓扑重构方法。

技术方案：一种中心式的无线传感器网络拓扑重构方法，网络环境特点如下：(1)任一节点i都能进行全方向感知，其覆盖范围是一个以节点i为圆心，以节点i的感知距离r为半径的圆，即(2)任一节点i都能进行全方向通讯，其通讯范围是一个以节点i为圆心，以节点i的通讯距离R为半径的圆，即(3)所有节点的感知距离r和通讯距离R分别相同；(4)所有节点满足R≥2r的条件；(5)所有节点具有位置意识；(6)所有节点都在同一个二维平面内。

无线传感器网络包括多个无线传感器节点，简称节点。节点根据是否具有移动能力分为固定节点和支援节点。固定节点被部署之后始终处于活跃状态，用于获取被监测区域的信息。在网络运行过程中会因能量耗尽及外界干扰而失效。支援节点在网络初始部署时处于休眠状态以节约能量，在出现固定节点失效的情况下可以转为活跃状态，用于修复失效的固定节点。

无线传感器网络的覆盖性能可以通过求解网络覆盖率来评价。由于达到并保持整个被监测区域的完全覆盖往往需要花费比较高的代价，而在失效节点数目不超过一定数量的情况下，网络覆盖性能仍然能够满足应用需求，本发明通过计算，得到网络覆盖率随失效节点数目变化的规律曲线，根据该曲线可方便地确定为了达到某一覆盖率所应最少修复的失效节点数目。

在网络运行过程中，网络中的汇聚中心负责收集并融合固定节点所传递的信息，汇聚中心具有充足的能量和较高的计算处理能力，能够获得网络全局信息，包括节点所处位置、节点工作状态(活跃、休眠或失效)和当前的网络覆盖率等。利用这些信息，汇聚中心定期对网络监测性能进行评估，判断是否需要进行网络重构，即支援节点修复失效节点。此外，该汇聚中心还可以根据网络的覆盖性能要求自主地确定必须修复的失效节点的最小数目，一旦检测到网络覆盖率低于某一设定值，该汇聚中心将根据所需修复的失效节点的最小数目进行支援节点优化分配方法的设计，对网络重构策略进行规划。

在网络重构中同时兼顾单个支援节点能耗和所有支援节点能耗，即讨论如下两个优化问题：（P1）在能够修复所需最少数目失效节点的情况下，如何分配需要移动的支援节点，使单个支援节点的最大移动距离最小？（P2）在能够修复所需最少数目失效节点的情况下，如何分配需要移动的支援节点，使这些支援节点的移动总距离最小？

网络覆盖率被定义为所有活跃固定节点的覆盖范围与整个网络覆盖范围的比值，即：

cr=SsS×100%---(1)]]>

其中，S_s表示所有活跃固定节点的覆盖面积，S表示被监测区域的范围。