一种基于回收替换的覆盖空洞消除方法技术

一种基于回收替换的覆盖空洞消除方法包括以下步骤：在N个节点随机部署后，采用网格法计算覆盖度，能量覆盖密度，空洞数和冗余节点数；计算移动机器人携带的节点数；根据距离空洞最近的冗余节点修补空洞的原则，移动机器人回收替换路径计算；移动机器人回收替换节点，移动节点回到能量站后立给回收的节点充电，给移动节点充电；回到步骤2，再次触发节点的回收替换。

【技术实现步骤摘要】
一种基于回收替换的覆盖空洞消除方法
本专利技术涉及一种无线传感器网络基于回收替换的覆盖空洞消除方法
技术介绍
在静态节点组成的传感器网络里，节点随机部署后，有覆盖空洞，冗余节点。找到冗余节点。冗余节点造成网络能量的浪费，空洞造成覆盖率，事件探测率的降低。另一方面，节点能量是有限的，事件频发的区域的节点能量会很快耗尽，产生覆盖空洞，而这个区域又是需要重点监控的区域，由于敌人攻击而损坏的节点也会产生新的空洞。这些都会导致传感器网络的性能下降。如何解决覆盖空洞，增强覆盖是近年的研究热点之一。解决此类问题的方法主要是冗余节点的重新部署和增量部署。Wang等人在所有节点都是可以移动的基础上提出了一种级联式通过平衡能耗和节点反应时间的方法来移动冗余节点去填补空洞区域。这些算法都是冗余节点的再部署，没有考虑需要新节点修补空洞的情况。而且节点的重新部署要求所有或大部分传感器节点具有移动性[6]，移动节点造价比较高，会造成成本的大量增加。YongguoMei等人提出了在一个大规模的静态传感器网络使用小数量的移动机器人来取代失效的传感器。他们分别采用集中式和分布式算法协调机器人运动，使移动机器人运动过程中能量消耗以及前期的消息最少。主要考察了失效节点的修补问题，没有综合考虑整个网络的不同节点状态。增量部署就是重新部署新的节点，由于节点硬件的不可再生，开销也比较大；二是硬件和废弃电池容易造成环境污染。针对此现状，本专利技术提出基于节点回收替换的空洞修复算法，以一个移动机器人回收冗余节点，对覆盖空洞区域增量部署新节点。对一系列冗余节点（二类节点）和覆盖空洞点，能量耗尽节点，组织适当的行车线路，使移动修理节点有序地通过它们，在满足一定的约束条件(货物需求量、发送量、交发货时间、车辆容量限制、行驶里程限制、时间限制等)下，达到一定问题的目标(如路程最短、费用最少、时间尽量少等)。这既保证网络覆盖性能，又回收了冗余节点。
技术实现思路
为了克服已有的覆盖空洞修补方法的不足,本专利技术提供一种无线传感器网络覆盖空洞消除实现方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：1基于网格的覆盖空洞检测算法在N个节点随机部署后，采用leach协议分簇，采用网格法计算覆盖度C0，覆盖空洞数H和冗余节点数R（网络中只有这二类节点）。sink节点收集这些信息后，通知移动节点。这时能量充电站，sink节点，移动机器人处于同一个位置。基于网格的覆盖空洞检测算法具体操作步骤如下：基于网格的覆盖空洞检测算法具体操作步骤如下：（1）将感知区间用边长为1的网格划分出来，确定网格的中心点。计算每个网格中心点与各个节点的距离，从而判断该网格是否被覆盖。将未被覆盖的网格位置记录下来。被第k个节点覆盖的网格标记定义一个矩阵，其元素表示网格点，由公式1来判定网格是否属于节点k的感应区域。（2）设置网格对应的覆盖矩阵，覆盖度为0的网格，ci,j=0，覆盖度为1的网格，ci,j=1。依此类推。（3）对连续的未被覆盖的网格进行合并，合并的时候，采用宽度搜索和深度搜索相结合的方法可以得空洞的数量和每一个空洞面积，同时确定漏洞的位置。（4）计算每个节点的覆盖网格被邻居节点重叠覆盖的比率，如果节点i覆盖范围内的网格覆盖度大于等于2，则此网格被重叠覆盖。如果重叠覆盖率大于90%，此节点为冗余节点。（5）分别计算覆盖空洞总数、重点空洞总数和临界空洞总数，为下一步的空洞修补作准备。2计算移动机器人携带的节点数。需要回收替换的A类节点数为H1，初始布置的网络，需要回收的节点数为H1=0，即H1=0如果空洞面积较大，可能要用2个或者更多的节点修补空洞，这里假设空洞面积较小，最多用2个节点修补空洞可以满足要求。需要用2个节点修补的空洞数为H2。需要一个节点修补的空洞数为H3。则修补覆盖空洞，替换节点总共需要的节点数为M1。M1=Mr+H1+2H2+H3（2）公式（2）中，Mr表示上一周期中未被替换的剩余节点数，该值可能为0。假设网络里冗余节点数为R，移动机器人需要携带的节点数为在公式（3）中，In表示在第n轮替换周期中被替换之前没有冗余节点可选的节点数。其中第三种情况表示，冗余节点数大于修补覆盖空洞需要的节点数时，移动机器人回收，带回的冗余节点数为R-M1+In。移动机器人实际携带的节点数为如果需要携带节点数大于Q，这时有Mr=M-Q，先替换节点，再修补面积较大的空洞。3回收替换路径计算；根据距离空洞最近的冗余节点修补空洞的原则，移动机器人在网络中移动，回收冗余节点，修补空洞。这时目标函数变为采用粒子群算法进行路径分析，计算移动节点替换回收节点的移动路径。4、移动机器人遍历各个服务点，回收替换节点，这时的覆盖密度为覆盖区域内的能量密度5、移动节点回到能量站后立给回收的节点充电，给移动节点充电。假设给移动节点充电时间为Tc。6计算下一次回收替换的时间，回到步骤2，触发节点的回收替换。回收替换周期时间计算方法如下：假设移动机器人回到充电站的时间为T0，充电完成时间为Tc，能量站收到第一个替换请求的时间为Tr1，依次为Tr2,Tr3......，且Tr1<Tr2<Tr3<…<Trn<…当在Tc内，到达的请求n>1.5Q时，认为网络需要增加节点部署。当在Tc内，到达的请求n<0.1Q时，认为网络达到平衡状态。本申请相对现有技术而言所具有的优点和效果。本专利技术的工作原理是：设在sink节点位置上有一移动机器人，最大载重量Q个节点，需要对n个客户(节点)进行运输配送，移动机器人从sink出发给若干个客户送货，最终回到中初始位置，对一系列装货点（二类节点）和卸货点（三类节点）（一类节点既要装货又要卸货），组织适当的行车线路，使车辆有序地通过它们，在满足一定的约束条件(货物需求量、发送量、交发货时间、车辆容量限制、行驶里程限制、时间限制等)下，达到一定问题的目标(如路程最短、费用最少、时间尽量少等)。本专利技术方法进一步分析其性能如下：N个节点随机部署覆盖面积为A的区域，单节点的能量为e，节点数为N。部署后空洞面积、冗余区域、正常区域的面积分别为A1、A2、A3；节点数分别为N1、N2、N3。这时由公式（7）可知，此时的覆盖密度每单位面积内能量称为能量密度，在空洞A1处，由于没有节点，覆盖密度，能量密度都为0，在冗余节点A2处，至少有2个以上的节点，此处的覆盖密度C1>=2C0，和能量密度E1>=2E0。覆盖密度和能量密度差别很大，很不均匀。在节点没有增加处，覆盖密度和能量密度为C0，E0。即，即，用冗余节点去修补空洞，需要的时间为tr，这期间单个节点消耗的能量为ε，在节点没有增减区域A3，覆盖密度和能量密度为C0，在空洞区域A1，覆盖密度和能量密度提高到C0，因为冗余节点的移去，冗余区域A2的覆盖密度和能量密度也降低到C0，E2。如果冗余节点数量有限，需要额外的节点Mn去填补空洞。这时空洞区域分为用冗余节点修补的原空洞区域A11，用Mn节点修补的原空洞区域A12。整个覆盖区域覆盖密度变为和能量密度在节点没有增减区域A3，覆盖密度和能量密度仍为C0，E2；在用冗余节点修补的原空洞区域A11，覆盖密度和能量密度分布提高到C0，E2；在区域A12，覆盖密度和能量密度各自本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于回收替换的覆盖空洞消除方法，所述的方法包括以下步骤：步骤1，基于网格的覆盖空洞检测算法在N个节点随机部署后，采用leach协议分簇，采用网格法计算覆盖度C0，覆盖空洞数H和冗余节点数R（网络中只有这二类节点）；sink节点收集这些信息后，通知移动节点；这时能量充电站，sink节点，移动机器人处于同一个位置；基于网格的覆盖空洞检测算法具体操作步骤如下：基于网格的覆盖空洞检测算法具体操作步骤如下：（1.1）将感知区间用边长为1的网格划分出来，确定网格的中心点；计算每个网格中心点与各个节点的距离，从而判断该网格是否被覆盖；将未被覆盖的网格位置记录下来；被第k个节点覆盖的网格标记定义一个矩阵，其元素表示网格点，由公式1来判定网格是否属于节点k的感应区域。； a j , k i = 1 , f j i ∈ R k 0 else ∀ i , j = 1 , . . . , M , ∀ k = 1 , . . . , N - - - ( 1 ) （1.2）设置网格对应的覆盖矩阵，覆盖度为0的网格ci,j=0，覆盖度为1的网格，ci,j=1，依此类推；（1.3）对连续的未被覆盖的网格进行合并，合并的时候，采用宽度搜索和深度搜索相结合的方法可以得空洞的数量和每一个空洞面积，同时确定漏洞的位置；（1.4）计算每个节点的覆盖网格被邻居节点重叠覆盖的比率，如果节点i覆盖范围内的网格覆盖度大于等于2，则此网格被重叠覆盖；如果重叠覆盖率大于90%，此节点为冗余节点；（1.5）分别计算覆盖空洞总数、重点空洞总数和临界空洞总数，为 下一步的空洞修补作准备；步骤2，计算移动机器人携带的节点数；需要回收替换的A类节点数为H1，初始布置的网络，需要回收的节点数为H1=0，即H1=0如果空洞面积较大，可能要用2个或者更多的节点修补空洞，这里假设空洞面积较小，最多用2个节点修补空洞可以满足要求；需要用2个节点修补的空洞数为H2；需要一个节点修补的空洞数为H3；则修补覆盖空洞，替换节点总共需要的节点数为M1；M1=Mr+H1+2H2+H3   （2）公式（2）中，Mr表示上一周期中未被替换的剩余节点数，该值可能为0；假设网络里冗余节点数为R，移动机器人需要携带的节点数为 M n = M 1 - R + I n , if M 1 > R I n , if ...

【技术特征摘要】
1.一种基于回收替换的覆盖空洞消除方法，所述的方法包括以下步骤：步骤1，基于网格的覆盖空洞检测算法；在N个节点随机部署后，采用低功耗自适应集簇分层型协议leach协议分簇，采用网格法计算覆盖度C0，覆盖空洞数H和冗余节点数R；sink节点收集这些信息后，通知移动节点；这时能量充电站，sink节点，移动机器人处于同一个位置；基于网格的覆盖空洞检测算法具体操作步骤如下：(1.1)将感知区间用边长为1的网格划分出来，确定网格的中心点；计算每个网格中心点与各个节点的距离，从而判断该网格是否被覆盖；将未被覆盖的网格位置记录下来；被第k个节点覆盖的网格标记定义一个矩阵，其元素表示网格点，由公式(1)来判定网格是否属于节点k的感应区域；(1.2)设置网格对应的覆盖矩阵，覆盖度为0的网格ci,j＝0，覆盖度为1的网格，ci,j＝1，依此类推；(1.3)对连续的未被覆盖的网格进行合并，合并的时候，采用宽度搜索和深度搜索相结合的方法可以得空洞的数量和每一个空洞面积，同时确定空洞的位置；(1.4)计算每个节点的覆盖网格被邻居节点重叠覆盖的比率，如果节点i覆盖范围内的网格覆盖度大于等于2，则此网格被重叠覆盖；如果重叠覆盖率大于90％，此节点为冗余节点；(1.5)分别计算覆盖空洞总数、重点空洞总数和临界空洞总数，为下一步的空洞修补作准备；步骤2，计算移动机器人携带的节点数；需要回收替换的A类节点数为H1，初始布置的网络，需要回收的节点数为H1＝0，即H1＝0，如果空洞面积较大，可能要用2个或者更多的节点修补空洞，这里假设空洞面积较小，最多用2个节点修补...

【专利技术属性】
技术研发人员：范兴刚，林星星，张兆娟，王恒，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33