一种无线传感器网络的覆盖性能的修复增强方法以及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种无线传感器网络的覆盖性能的修复增强方法以及装置，涉及无线传感器网络领域。其中，所述方法包括：基于不规则感知区域最优节点选择方法获取无线传感器网络中的最优覆盖节点集；根据最优覆盖节点集中各传感器节点的属性和感知不规则性构建无线传感器网络的最小连通覆盖集；基于最小连通覆盖集，采用基于连通性的覆盖修复增强方法对无线传感器网络中存在的覆盖盲区和覆盖冗余区进行修复，提高无线传感器网络的覆盖性能。本发明专利技术将能量作为主要的因素加以考虑，基于信号传播的不规则性和网内节点感知范围的不规则性，针对网内覆盖连通性等特点进行覆盖修复，从而达到节约网络能量，提高网络覆盖质量，实现了延长网络有效寿命的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线传感器网络领域，具体地，涉及一种无线传感器网络的覆盖性能的修复增强方法以及装置。
技术介绍
无线传感器网络由大量具备感知、信息处理及无线通信能力的传感器节点组成，低成本、扩展性、可靠性、准确性及部署的便易性使其被广泛应用于不同领域中。由于传感器节点以电池供电为主，其能量具有一定的局限性，如何在有效的能量中提高无线传感器网络的覆盖性能，在较为复杂的传输环境中，适应应用场景的多样性变化是无线传感器网络亟待解决的问题。无线传感器网络最主要的任务就是监测物理环境，并将节点感知的信息转发至网内其它节点。连通性覆盖是无线传感器网络中的一个重要问题，其所解决的是如何保证监测区域中所有节点形成的监测范围可以满足应用需求。同时，任何一个节点都可以将其感知的数据转发至网内其它节点，而不会产生网络分隔。目前，网络连通性覆盖研究的工作大多依赖于外部基础设施或者一些定位机制等，使每个传感器节点获得其物理位置。然而，Stojmenovic通过实验表明，在传感器节点中嵌入GPS或有向天线等，不仅成本相对较高，而且需要消耗大量的能量。同时，存在一些准确定位的问题。因此，需要解决在没有节点位置信息的情况下，如何能够有效地解决网络连通性覆盖的问题。在现有的网络覆盖研究中，根据节点的地理位置信息计算覆盖信息，但是，地理位置信息的获得依赖于外部基础设施，极大地增加了节点的硬件成本和能量消耗。在没有精确位置信息的情况下，对网络节点间的覆盖关系进行计算，由于计算精度存在一定误差，导致网络部分区域可能会形成覆盖盲区，使得网络监测信息不准确。Liu C等人将传感器节点随机划分为k个子集，每个子集中的传感器节点周期性地执行感知任务，但是存在由于子集分配的随机性导致覆盖率优劣不可预知。由于应用场景的不同，故对网络覆盖的要求也会有所不同，只要网络对监测区域维持一个合理的覆盖率就可以满足应用需求，故覆盖率可以作为衡量网络服务质量的指标之一。网络研究中提出了许多构建连通支配集算法，用于选择骨干节点进行数据通信。当节点感知范围等于通信范围时，节点可以覆盖网络中所有节点，即节点覆盖，同时也保证网络的连通性。虽然文献认为在节点部署密度很大时，通过构建CDS得到的节点覆盖可以近似于区域覆盖，但是，节点覆盖并不等于区域覆盖。对于网络覆盖问题的研究，S等人提出了集中式的算法计算最大覆盖集，不具有良好的可扩展性，而且算法依赖节点的位置信息。C等人利用线性规划方法在监测区域中优化节点部署，以达到完全覆盖的目标。Tian等人提出了免职合格规则(off-duty eligibility rule)，根据节点的位置或信号达到角度计算节点间的覆盖关系。由于算法没有考虑节点覆盖区域可能出现过多的重叠，导致工作节点数量过多，造成额外的能耗。在概率感知模型下，如何准确地发现覆盖空洞并及时修补仍然是一个需要进一步研究的问题。现有概率模型下的研究也只是从连通集的角度提高目标覆盖，提高事件感知率。在概率覆盖问题上，Vibhav等人采用概率感知模型研究数据采集和网络生命周期。陆汉城等人对概率感知模型下的事件检测概率进行了分析研究。Tan等人指出，概率感知模型比0-1模型能够更有效地改善网络覆盖性能，0-1模型仅适用于信噪比较高的情形，而概率感知模型借助于数据融合，能够适用信噪比较低的情形。专利技术专利“一种基于改进粒子群优化的LTE网络覆盖优化方法”(公开号：CN105515629A)该专利技术设置候选天线倾角集合和天线倾角调整尺度；计算当前天线倾角集合对应的系统效用，即负载约束下系统覆盖的用户数；判断是否满足负载约束，重新初始化不满足负载约束的天线倾角集合；记录自身及全局最优天线倾角集合；更新候选天线倾角集合和天线倾角调整尺度；设置各天线倾角。该方法通过将天线倾角与改进粒子群优化中的粒子位置相联系，利用改进粒子群优化基站(eNB)的天线倾角，在保证网络负载约束的同时，获得网络覆盖性能的极大提升。专利技术专利“一种分布式无线传感器网络覆盖空洞识别方法”(公开号：CN105072631A)在边界节点集中以一个点为起始点在其1跳或2跳邻居节点中检索符合绝对角要求的后继，若搜索不到符合要求的后继则改变方向继续检索，在此过程中若后继为2跳邻居则插入最近公共1跳邻居，重复以上过程直到边界节点集为空，得到无线传感器网络的覆盖空洞，解决了目前无线传感器网络中覆盖空洞识别精度低，能耗要求高的技术难题，将覆盖空洞的识别问题转化为环绕其的边界节点识别和聚类问题，有效降低了算法复杂度，减少了运行时间和覆盖空洞识别过程中节点间的通信与能量消耗，提高了识别精度。随着无线信息技术的不断进展，无线传感器网络被广泛应用于各领域中，无线传感器网络的覆盖性能是衡量无线传感器网络服务质量的一项重要指标，直接影响着整个网络的服务质量。对传感器网络覆盖问题的研究大部分基于传统的全向感知模型，但在实际中，传感网络的覆盖性能会受到多种因素的影响，例如，由于很多应用环境较为复杂，网络的初始部署大都采用抛洒、投掷、喷射等随机部署策略，导致网络中节点的分布具有很大的随机性，易造成节点分布不均；再加上有向传感节点的感知方向随机分布，感知范围有限，这样就更加容易形成感知区域的覆盖空洞和覆盖重叠，这些都会影响网络的覆盖性能。另外，在网络节点数量较多的情况下，网络覆盖性能的影响因素多且关系复杂，难以优化。以上研究中，仅仅从网络覆盖质量的角度考虑，并未考虑到无线信号的不规则性对网络覆盖率及网络连通性带来的影响。对于大部分感知信号来说,当无线信号在传输的过程中若遇见障碍物，则会使得接收信号功率发生变化，存在信号遮挡或损耗等的现象，同时还可能使得网内节点不同方向的接收信号存在一定的差异性，无线传感器网络在传播过程中具有不规则性。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提供一种无线传感器网络的覆盖性能的修复增强方法，通过将能量作为主要的因素加以考虑，基于信号的不规则性和网内节点感知范围的不规则性，针对网内覆盖连通性等特点进行覆盖修复，从而达到节约网络能量，提高网络覆盖质量，实现了延长网络有效寿命的目的。依据本专利技术的第一方面，提出了一种无线传感器网络的覆盖性能的修复增强方法，所述方法包括：基于不规则感知区域最优节点选择方法获取所述无线传感器网络中的最优覆盖节点集；根据所述最优覆盖节点集中各传感器节点的属性和感知不规则性构建所述无线传感器网络的最小连通覆盖集；基于所述最小连通覆盖集，采用基于连通性的覆盖修复增强方法对所述无线传感器网络中存在的覆盖盲区和覆盖冗余区进行修复，提高所述无线传感器网络的覆盖性能。可选地，所述基于不规则感知区域最优节点选择方法获取所述无线传感器网络中的最优覆盖节点集，包括：计算所述无线传感器网络内任意传感器节点的邻居节点数和节点感知半径；根据所述任意传感器节点的邻居节点数和节点感知半径确定所述任意传感器节点的不规则感知区域，并将所述不规则感知区域近似为多边形区域；对所述多边形区域进行模糊最小处理，形成多个最小绑定不规则区域；将位于每个最小绑定不规则区域的几何中心点位置的传感器节点存放至第一覆盖节点集；对所述不规则感知区域进行离散化，把不属于所述不规则感知区域的部分区域及非覆盖任务区域标记为覆盖冗余区，并将对应的最小绑定不规则区本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线传感器网络的覆盖性能的修复增强方法，其特征在于，所述方法包括：基于不规则感知区域最优节点选择方法获取所述无线传感器网络中的最优覆盖节点集；根据所述最优覆盖节点集中各传感器节点的属性和感知不规则性构建所述无线传感器网络的最小连通覆盖集；基于所述最小连通覆盖集，采用基于连通性的覆盖修复增强方法对所述无线传感器网络中存在的覆盖盲区和覆盖冗余区进行修复，提高所述无线传感器网络的覆盖性能。

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络的覆盖性能的修复增强方法，其特征在于，所述方法包括：基于不规则感知区域最优节点选择方法获取所述无线传感器网络中的最优覆盖节点集；根据所述最优覆盖节点集中各传感器节点的属性和感知不规则性构建所述无线传感器网络的最小连通覆盖集；基于所述最小连通覆盖集，采用基于连通性的覆盖修复增强方法对所述无线传感器网络中存在的覆盖盲区和覆盖冗余区进行修复，提高所述无线传感器网络的覆盖性能。2.根据权利要求1所述的无线传感器网络的覆盖性能的修复增强方法，其特征在于，所述基于不规则感知区域最优节点选择方法获取所述无线传感器网络中的最优覆盖节点集，包括：计算所述无线传感器网络内任意传感器节点的邻居节点数和节点感知半径；根据所述任意传感器节点的邻居节点数和节点感知半径确定所述任意传感器节点的不规则感知区域，并将所述不规则感知区域近似为多边形区域；对所述多边形区域进行模糊最小处理，形成多个最小绑定不规则区域；将位于每个最小绑定不规则区域的几何中心点位置的传感器节点存放至第一覆盖节点集；对所述不规则感知区域进行离散化，把不属于所述不规则感知区域的部分区域及非覆盖任务区域标记为覆盖冗余区，并将对应的最小绑定不规则区域的几何中心点位置的传感器节点从所述第一覆盖节点集中剔除形成第二覆盖节点集；对所述多个最小绑定不规则区域中的最小绑定不规则区域进行调整，保证对所述不规则感知区域全覆盖，从而根据所述第二覆盖节点集得到最优覆盖节点集。3.根据权利要求2所述的无线传感器网络的覆盖性能的修复增强方法，其特征在于，所述计算所述无线传感器网络内任意传感器节点的邻居节点数和节点感知半径，包括：根据以下公式一计算得到所述无线传感器网络内任意传感器节点的节点感知半径：ri＝ιηΘ(α,d(i,j)) 公式一根据以下公式二计算得到所述无线传感器网络内任意传感器节点的邻居节点数：其中，d(i,j)表示传感器节点i和传感器节点j之间的距离，α表示传感器节点i和传感器节点j的连线与水平方向的夹角，Θ(α,d(i,j))表示α角度范围内的感知半径函数，η表示信号衰落因子，ι表示传播损耗比值，ri表示传感器节点i的节点感知半径，A表示所述无线传感器网络指定的覆盖率，p表示所述无线传感器网络的监测区域内任意传感器节点至少被1个传感器节点感知覆盖的概率，m表示任意传感器节点的感知区域被邻居节点覆盖的覆盖率不下于A时所需的最少邻居节点数。4.根据权利要求2所述的无线传感器网络的覆盖性能的修复增强方法，其特征在于，所述方法还包括：根据传感器节点和邻居节点的坐标位置计算得到传感器节点与每个邻居节点的距离；判断所述距离是否小于预设的距离阈值；若是，则判定所述传感器节点为冗余节点；或根据传感器节点和邻居节点的坐标位置计算得到传感器节点被邻居节点覆盖的概率；判断所述概率是否大于预设阈值；若是，则判定所述传感器节点为冗余节点。5.根据权利要求2所述的无线传感器网络的覆盖性能的修复增强方法，其特征在于，所述方法还包括：在最小绑定不规则区域的几何中心点位置不存在传感器节点的情况下，根据所述任意传感器节点与邻居节点之间的感测概率和邻居节点到所述几何中心点位置的距离确定存放至所述第一覆盖节点集的传感器节点。6.根据权利要求2所述的无线传感器网络的覆盖性能的修复增强方法，其特征在于，所述方法还包括：所述第一覆盖节点集中传感器节点向对应的邻居节点发送消息，获取所述邻居节点和自身的剩余能量值，并依据公平性原则选取剩余能量最多的传感器节点。7.根据权利要求1所述的无线传感器网络的覆盖性能的修复增强方法，其特征在于，所述根据所述最优覆盖节点集中各传感器节点的属性和感知不规则性构建所述无线传感器网络的最小连通覆盖集，包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：缪祎晟，王元胜，吴华瑞，孙想，彭程，朱华吉，
申请(专利权)人：北京农业信息技术研究中心，
类型：发明
国别省市：北京;11