三维无线传感器网络覆盖控制方法

摘要

本发明涉及一种三维无线传感器网络覆盖控制方法。该三维无线传感器网络覆盖控制方法包括以下步骤：初始化无线传感器网络中各节点；制定无线传感器网络中各节点的工作时间表；调度无线传感器网络中各节点工作状态。该三维无线传感器网络能有效解决覆盖盲点问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维无线传感器网络覆盖控制方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由布置在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地实时监测、采集和处理网络分布区域的各种环境或监测对象的信息，并传送给需要这些信息的用户。在构建无线传感器网络时，网络覆盖是无线传感器网络的基本问题之一。WSN覆盖问题可以看作是在WSN节点的能量、无线通信、网络计算处理能力等资源普遍受限的情况下，通过网络节点、路由选择等手段，最终使WSN的各种资源得到优化分配，进而使各种服务质量得到改善。如何根据不同的应用环境需要，对WSN进行不同级别的覆盖控制就成了WSN中一个基本但亟待解决的问题。在真实的物理环境中部署无线传感器网络，反映到理论上就是在三维空间中部署无线传感器网络，因而对三维空间覆盖问题研究能更加真实反映网络“感知服务”质量，为网络监测控制提供更加可靠的依据。

图1是节点自我调度覆盖控制协议的示意图。如图1(a)所示，各节点首先向传感半径内邻居节点广播通告消息，该通告信息包括节点ID、位置和节点传感半径(仅在传感半径不同时广播)。各节点检查自身传感任务是否可由邻居节点完成，可替代的节点(节点e和f)返回一条状态通告消息，之后进入“休眠状态”，需要继续工作的节点(节点a、b、c和d)执行传感任务。节点e和f的整个传感区域(图1(a)中虚线所示)都可以被相邻的邻居节点代替覆盖，节点e和f将关闭自身节点的传感单元进入“休眠状态”，但这时就出现了不能被WSN检测的区域(图1(b)中阴影部分所示)，即网络中出现盲点。

发明内容

有鉴于此，有必要针对节点自我调度覆盖控制协议存在覆盖盲点的问题，提供一种有效解决覆盖盲点问题的三维无线传感器网络覆盖控制方法。

一种三维无线传感器网络覆盖控制方法，包括以下步骤：初始化无线传感器网络中各节点；制定无线传感器网络中各节点的工作时间表；调度无线传感器网络中各节点工作状态。

优选的，所述初始化无线传感器网络中各节点包括：发现所有后加入的节点和死亡的节点；无线传感器网络中各节点定位自己的空间位置；无线传感器网络中各节点进行时间同步。

优选的，所述制定无线传感器网络中各节点的工作时间表包括：无线传感器网络中各节点广播自己的信标信息；无线传感器网络中各节点建立邻居节点信息表；无线传感器网络中各节点确定对周围空间区域的监测情况；无线传感器网络中各节点制定自己的工作时间表；覆盖控制优化机制。

优选的，所述覆盖控制优化机制包括：在覆盖控制基础上，实现对网络的K覆盖控制；在节点工作时间表制定过程中，引入剩余能量参考机制；在节点工作状态调度阶段引入对时间不同步的容错机制；在节点工作状态调度阶段引入对节点死亡的容错机制。

优选的，所述调度无线传感器网络中各节点工作状态包括：设定定时器；判断定时器是否被触发，如果定时器被触发，则进行工作状态调度；如果定时器没有被触发，则重复判断定时器是否被触发。

上述三维无线传感器网络覆盖控制方法采用在密集型部署网络中合理利用冗余节点，在“活跃”与“休眠”状态之间进行调度，能够有效解决覆盖盲点问题，提高密集型部署网络中冗余节点的利用率，提高网络能量利用率，延长网络的生存时间。

附图说明

图1是节点自我调度覆盖控制协议的示意图。

图2是本发明三维无线传感器网络覆盖控制方法的示意图。

图3是本发明中节点制定工作时间表的流程图。

图4是本发明网络结构的示意图。

图5是本发明中实现对单元立方体的覆盖示意图。

图6是本发明中实现节点工作状态调度流程图。

具体实施方式

图2是本发明三维无线传感器网络覆盖控制方法的示意图。三维无线传感器网络覆盖控制方法包括以下步骤：

S100、初始化无线传感器网络中各节点。

在无线传感器网络初始化时候，每个节点确定自己的空间位置，在下一阶段将根据位置关系确定邻居节点之间对周围空间点的监控情况。在每一轮工作循环初始化阶段，网络发现所有死亡的节点(因能量耗尽或其它原因而停止感知、通信的节点)和新加入的节点(后部署到网络里面的节点)，同时在节点之间进行时间同步。

S200、制定无线传感器网络中各节点的工作时间表。

把整个网络的生存时间分成若干相等的时间段，每一个时间段为一工作循环，在每一个工作循环中无线传感器网络中各节点向周围广播信标信息。各节点收集邻居节点的信标信息建立邻居节点信息表和工作时间表。如图3所示，本步骤主要通过以下步骤实现：

S210、无线传感器网络中各节点广播自己的信标信息。

图4是本发明网络结构的示意图。立方体表示网络的部署区域，小圆圈表示在部署区域内各个传感器节点。无线传感器网络中各节点将自己的信息作为信标信息向邻居节点广播出去，信标信息包括节点的位置、剩余能量值、节点ID和节点的参考时间。为了避免在广播信标信息的时候产生通信冲突，每个节点在广播信标信息之前产生一个随机滞后时间，在这段时间之后再广播信标信息。

S220、无线传感器网络中各节点建立邻居节点信息表。

无线传感器网络中的各节点收集其邻居节点的信标信息，据此建立邻居节点信息表。

S230、无线传感器网络中各节点确定对周围空间区域的监测情况。

无线传感器网络中各节点根据收集到的邻居节点信息，判断周围邻居空间点是否在自己和邻居节点的覆盖范围内。

图5是本发明中实现对单元立方体的覆盖示意图。大立方体表示网络的部署区域，小立方体表示节点周围一个待监测的单元立方体，圆圈表示传感器节点监测范围。根据邻居节点信息表，选择一个合适的参考时间Ref，对周围邻居空间中的每一个单元立方体逐个判断覆盖情况，将邻居节点的Ref信息以升序的方式保存在一个循环链表L中，利用下面公式计算自己的工作时间：

T_f，x，i＝(Ref_i-prev(Ref_i))/2         (1)

T_e，x，i＝(next(Ref_i)-Ref_i)/2         (2)

其中Ref_i表示节点i的参考时间，T_f，x，i表示节点i在Ref_i之前的工作时间，T_e，x，i表示节点i在Ref_i之后的工作时间。

对于任何一个单元立方体，只要能够监测到该单元立方体的邻居节点在[Ref_i-T_f，x，i，Ref_i+T_e，x，i]内保持活跃状态，则该单元立方体在每一工作循环中都被一个传感器节点所监测到。

S240、无线传感器网络中各节点制定自己的工作时间表。

节点在判断对单元立方体的覆盖情况后，获得一系列时间表，利用下式确定最终的时间表：

Tⁱ_f，x，i＝max{T_f，x，i}             (3)

Tⁱ_e，x，i＝max{T_e，x，i}             (4)

这样节点在时间段[Ref_i-Tⁱ_f，x，i，Ref_i+Tⁱ_e，x，i]是活跃的，保证了节点邻居的任何一个单元立方体都能被监控到。如果所有节点执行这样的操作，则整个网络能被覆盖。

S250、覆盖控制优化机制。覆盖控制优化机制包括：在覆盖控制基础上，实现对网络的K覆盖控制；在节点工作时间表制定过程中，引入剩余能量参考机制；在节点工作状态调度阶段引入对时间不同步的容错机制；在节点工作状态调度阶段引入对节点死亡的容错机制。

对于节点间能量消耗的不均衡性问题，我们使剩余能量大的节点保持更长的工作时间，进而使能量小的节点的工作时间在一个工作循环中变短。当节点发现其剩余能量值比其邻居节点的剩余能量的平均值大时，就选择较长的工作时间。剩余能量越多，选择的工作时间就越长。引入剩余能量参数，修改上面(1)和(2)式有：

T_f，x，i＝(Ref_i-prev(Ref_i))/2×(RE_i/RE′)  (5)

T_e，x，i＝(next(Ref_i)-Ref_i)/2×(RE_i/RE′)  (6)

其中RE′为节点i的所有邻居节点的平均剩余能量值。

对于因时钟的不同步造成节点间工作不连续问题，通过节点的感知状态引入了一个随机等待时间T_w来延长单个节点在每一工作循环中的感知时间，在T_w时间内节点继续保持活跃状态，一方面感知数据，另一方面监听邻居节点的状态，如果邻居节点未能正常进入活跃状态，该节点就继续保持活跃状态，直到下一个有效邻居节点进入活跃状态。

节点失效是指节点停止了感知和转交数据，并且不和邻居节点通信。对于处在工作时间表上的一个失效节点，它没有发出继续工作的信号，由于我们引入了随机等待时间T_w，在工作时间表上的上一个节点会继续工作，直到有下一个节点发出继续工作信号为止，这样节点会在(T_wc×i+Ref+T_e+T_w)时进入睡眠状态，关闭一切工作模块，只保留定时器工作着。在下一轮工作循环中失效节点不再参与新的工作时间表的制定，从而节点的失效不影响网络的拓扑稳定。

S300、调度无线传感器网络中各节点工作状态。

图6是本发明中实现节点工作状态调度流程图。各节点根据自己的工作时间表进行工作状态调度，具体包括以下步骤：

S310、设定定时器。

各节点根据自己的工作时间表设定一个定时器，关闭通信感知模块进入“睡眠”状态(“睡眠”是指节点关闭通信和感知模块，不进行通信和感知工作)，只保留定时器工作。

S320、判断定时器是否被触发。如果是，执行S330；如果否，执行S320。

各节点判断定时器是否被触发，如果被触发则执行S330，如果没有被触发则保持原有工作状态不变。

S330、进行工作状态调度。

节点定时器被触发，节点进入“活跃”状态(“活跃”状态是指节点打开通信和感知模块，进行正常的通信和感知工作)，打开所有工作模块，按自己的工作时间表进行监控工作。完成设定的工作时间后，进行工作状态调度进入“休眠”状态，等待下一次工作循环开始，然后重复步骤S100、S200和S300。

本发明所提供的三维无线传感器网络覆盖控制方法，采用在密集型部署网络中合理利用冗余节点，在“活跃”与“休眠”状态之间进行调度，在实现对网络进行覆盖控制的同时均衡网络能耗、提高网络能量利用率、延长网络生存时间和解决覆盖盲点问题。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。