專利名稱：一種基于延遲啟動(dòng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)局部區(qū)域覆蓋算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于延遲 啟動(dòng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)局部區(qū)域覆蓋算法。
背景技術(shù)：
由于單個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知能力有限，如何有效、合理的組織節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作， 實(shí)現(xiàn)人們希望的感知需求的技術(shù)稱為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)。它是無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)技術(shù)，直接反映了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)環(huán)境的感知服務(wù)質(zhì)量。 同時(shí)，由于傳感器節(jié)點(diǎn)的能量有限，提高感知服務(wù)質(zhì)量和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間 是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制技術(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
針對(duì)野外場(chǎng)景，特別是沙漠、戰(zhàn)場(chǎng)等特殊環(huán)境，人們往往無法實(shí)現(xiàn)確定 性部署。因此，目前的區(qū)域覆蓋控制算法往往采用在指定區(qū)域隨機(jī)均勻布撒 大量冗余節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行初始部署。同時(shí)，利用休眠調(diào)度等節(jié)能機(jī)制，在保 持原有目標(biāo)區(qū)域覆蓋度的同時(shí)，盡量延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。按照其實(shí)施策略， 可分為集中式算法和局部區(qū)域覆蓋算法。
集中式算法的覆蓋決策判斷往往集中在某個(gè)特定的節(jié)點(diǎn)(如基站或者某 個(gè)特殊類型的節(jié)點(diǎn))上進(jìn)行，由該節(jié)點(diǎn)根據(jù)全網(wǎng)的拓?fù)湫畔?，判斷哪些?jié)點(diǎn) 休眠、那些節(jié)點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)。這就要求該節(jié)點(diǎn)必須有較高的計(jì)算能力、存 儲(chǔ)能力和通信能力。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)渥兓畔t需在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸 至特定節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)載較重，不僅影響到正常的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)也會(huì) 導(dǎo)致大量的能量浪費(fèi)。因此，集中式控審瞎法不適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)、不利于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。
局部區(qū)域覆蓋算法要求覆蓋決策在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行，將節(jié)點(diǎn)工作周期分 為兩個(gè)階段覆蓋決策階段、數(shù)據(jù)傳送階段(正常工作階段)，這類似于分簇
Leach協(xié)議的分輪工作機(jī)制。覆蓋決策階段在每輪開始時(shí)進(jìn)行，各節(jié)點(diǎn)會(huì)根
據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)提供的拓?fù)湫畔?，判斷自身狀態(tài)是休眠還是活躍狀態(tài)，由此完成 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋控制。覆蓋決策階段完成后，開始正常的數(shù)據(jù)傳送。每輪決 策的活躍節(jié)點(diǎn)集不同，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化。由于協(xié)議僅需鄰居拓?fù)?信息，通信量少、計(jì)算量低，同時(shí)，覆蓋控制引起的通信僅在節(jié)點(diǎn)周圍進(jìn)行， 對(duì)遠(yuǎn)處節(jié)點(diǎn)無影響。因此，能適用于任何密度、規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，具有較好的可 擴(kuò)展性。
由此可看到，局部覆蓋決策算法要優(yōu)于集中式覆蓋算法，更能適合實(shí)際 環(huán)境的應(yīng)用需求，因此，正逐漸引起人們的廣泛關(guān)注。
目前已知局部區(qū)域覆蓋決策算法，雖然能在保證用戶感知需求的情況下 延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。但是，或者仍存在覆蓋空洞現(xiàn)象、無法保證區(qū)域的全
覆蓋；或者存在蠶食現(xiàn)象，導(dǎo)致每輪的活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)過多，相對(duì)縮短了網(wǎng)絡(luò)的 生命周期。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種利用分輪機(jī)制 與圓交叉點(diǎn)覆蓋規(guī)則保證區(qū)域的全覆蓋，利用延遲啟動(dòng)機(jī)制減少蠶食現(xiàn)象的 發(fā)生，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的基于延遲啟動(dòng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)局部區(qū)域覆蓋 算法。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是在活躍節(jié)點(diǎn)集的選取時(shí)機(jī) 上，采用分輪機(jī)制，在每輪開始時(shí)動(dòng)態(tài)選擇活躍節(jié)點(diǎn)集；其次，在活躍節(jié)點(diǎn)集的選取方式上，利用圓交叉點(diǎn)覆蓋判測(cè)算法，保證了區(qū)域的全覆蓋、避免 出現(xiàn)覆蓋漏洞現(xiàn)象；最后，利用延時(shí)啟動(dòng)機(jī)制，減少每輪的活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)量， 減少"蠶食"現(xiàn)象的發(fā)生，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期；
其具體過程如下采用分輪機(jī)制，將網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)運(yùn)行階段劃分成M個(gè)時(shí)
間段，每個(gè)時(shí)間段為一 "輪"，其中，M有最小值K， K代表區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn) 可以劃分的最大節(jié)點(diǎn)集數(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)集均可以覆蓋整個(gè)區(qū)域，當(dāng)M取最小值 K時(shí)，每輪的長(zhǎng)度為單個(gè)節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間，M值越大，各輪初始的活躍節(jié)點(diǎn)集 選取造成的開銷就越多，因此，需要在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量均衡與總開銷之間尋求 合適的M值。在每輪初始階段，選取能夠聯(lián)合覆蓋整個(gè)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)組成一個(gè) 活躍節(jié)點(diǎn)集，其他的節(jié)點(diǎn)則處于休眠狀態(tài)，該初始階段稱為活躍節(jié)點(diǎn)集選取 階段，活躍節(jié)點(diǎn)在該輪的剩余時(shí)間內(nèi)執(zhí)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、通信工作，該階段稱為 工作階段，工作階段的時(shí)間遠(yuǎn)大于活躍節(jié)點(diǎn)集選取階段，每輪進(jìn)行一次活躍 節(jié)點(diǎn)集的選取，使區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)能量分布盡量均勻，充分利用所有節(jié)點(diǎn)。
本發(fā)明的活躍節(jié)點(diǎn)集選取方式采用基于圓交叉點(diǎn)覆蓋決策方式，節(jié)點(diǎn)首 先接收活躍鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的狀態(tài)信息，然后利用圓交叉點(diǎn)覆蓋判測(cè)規(guī)則，判 斷自身感知區(qū)域是否被己有的活躍鄰居節(jié)點(diǎn)覆蓋，未被完全覆蓋時(shí)，將自身 狀態(tài)設(shè)置為活躍狀態(tài)；否則，該節(jié)點(diǎn)可被其鄰居節(jié)點(diǎn)代替，不需工作，將進(jìn) 入休眠狀態(tài)。由于僅接收活躍狀態(tài)的信息，減少了網(wǎng)內(nèi)的通信量，同時(shí)也再 次避免了覆蓋空洞現(xiàn)象。
已知局部區(qū)域覆蓋算法為避免因節(jié)點(diǎn)同時(shí)執(zhí)行覆蓋判斷而導(dǎo)致的覆蓋空 洞問題，往往采用一個(gè)隨機(jī)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器來使各節(jié)點(diǎn)依次喚醒并執(zhí)行覆蓋判斷， 這容易導(dǎo)致活躍節(jié)點(diǎn)分布的"蠶食"現(xiàn)象.通過對(duì)"蠶食"現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)， 導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是距離已知活躍節(jié)點(diǎn)過近的節(jié)點(diǎn)最先喚醒造成的。為此，本發(fā)明提出了基于延遲啟動(dòng)的機(jī)制來減少蠶食現(xiàn)象的發(fā)生，以減少每輪的活 躍節(jié)點(diǎn)數(shù)量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
本發(fā)明利用延遲啟動(dòng)機(jī)制，基于距離閾值實(shí)現(xiàn)活躍節(jié)點(diǎn)首輪篩選，然后 再根據(jù)圓交叉點(diǎn)規(guī)則進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的最終狀態(tài)確定。該方法的運(yùn)用，能夠減少"蠶 食"現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得每輪的活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)相對(duì)減少，最終在滿足用戶指定覆 蓋需求的同時(shí)，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的整體生存時(shí)間，具有較好的科學(xué)性和更高的應(yīng) 用價(jià)值。


圖1是本發(fā)明分輪機(jī)制示意圖2是本發(fā)明圓交叉點(diǎn)覆蓋決策示例圖3是節(jié)點(diǎn)蠶食現(xiàn)象示意圖4是節(jié)點(diǎn)正六邊形分布示意圖5是活躍節(jié)點(diǎn)選擇階段延遲啟動(dòng)示意圖6是節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一歩詳細(xì)說明。
本發(fā)明在活躍節(jié)點(diǎn)集的選取時(shí)機(jī)上，采用分輪機(jī)制，在每輪開始時(shí)動(dòng)態(tài)
選擇活躍節(jié)點(diǎn)集，不需要預(yù)先了解網(wǎng)絡(luò)的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；其次，在活躍節(jié)點(diǎn) 集的選取方式上，利用圓交叉點(diǎn)覆蓋判測(cè)算法，保證了區(qū)域的全覆蓋、避免 出現(xiàn)覆蓋漏洞現(xiàn)象；最后，利用延時(shí)啟動(dòng)機(jī)制，減少了 "蠶食"現(xiàn)象的發(fā)生， 延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期。其關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)在于 技術(shù)點(diǎn)一采用分輪機(jī)制
算法基于分輪機(jī)制來實(shí)現(xiàn)活躍節(jié)點(diǎn)集的選取，將網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)運(yùn)行階段在時(shí)間上分成若干"輪"，如圖1所示，每輪又分成兩個(gè)階段，活躍節(jié)點(diǎn)集選取
階段(認(rèn)ST)和運(yùn)行階段(Work Time)。在活躍節(jié)點(diǎn)集選取階段，各節(jié)點(diǎn)利 用基于回退的交叉點(diǎn)覆蓋判測(cè)規(guī)則判斷自身狀態(tài)，形成本輪的活躍節(jié)點(diǎn)集， 并在運(yùn)行階段負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與傳輸工作。 技術(shù)點(diǎn)二圓交叉點(diǎn)覆蓋決策規(guī)則。
本算法的活躍節(jié)點(diǎn)集選取方式采用基于圓交叉點(diǎn)覆蓋決策方式節(jié)點(diǎn)首 先接收活躍鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的狀態(tài)信息，然后利用圓交叉點(diǎn)覆蓋決策規(guī)則，判 斷自身感知區(qū)域是否被已有的活躍鄰居節(jié)點(diǎn)覆蓋，未被完全覆蓋時(shí)，將自身 狀態(tài)設(shè)置為活躍狀態(tài)；否則，說明該節(jié)點(diǎn)可被其鄰居節(jié)點(diǎn)代替，不需工作， 將進(jìn)入休眠狀態(tài)。由于僅接收活躍狀態(tài)的信息，減少了網(wǎng)內(nèi)的通信量，同時(shí) 也再次避免了覆蓋空洞現(xiàn)象。
為便于說明圓交叉點(diǎn)覆蓋決策規(guī)則，作如下定義和定理。
定義1:假設(shè)節(jié)點(diǎn)的感知范圍是一個(gè)以該節(jié)點(diǎn)為圓心的圓盤面，且各節(jié) 點(diǎn)的感知半徑相同，稱該節(jié)點(diǎn)的感知范圍為感知圓。
定理1: 一個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知圓被其他鄰居節(jié)點(diǎn)的感知圓覆蓋的條件是在 該節(jié)點(diǎn)的感知圓內(nèi)，至少有三個(gè)以上的鄰居節(jié)點(diǎn)的感知圓與之交疊，并且① 任意兩個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的感知圓在該節(jié)點(diǎn)感知圓內(nèi)的交點(diǎn)均被第三個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的 感知圓覆蓋；②任意一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的感知圓與該節(jié)點(diǎn)的感知圓的交點(diǎn)均被另 一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的感知圓覆蓋。上述條件同時(shí)滿足時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的感知圓被其鄰 居節(jié)點(diǎn)的感知圓覆蓋。
該定理涉及三個(gè)以上的鄰居節(jié)點(diǎn)，當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)小于3時(shí)，要么無法 覆蓋該節(jié)點(diǎn)的感知圓；要么雖能覆蓋，但鄰居節(jié)點(diǎn)幾乎與節(jié)點(diǎn)自身重合，無 法在實(shí)際中應(yīng)用。定理1的示例如圖2，虛線圓1判斷其感知圓是否被周圍的三個(gè)鄰居的感知圓(實(shí)線圓2、 3、 4)覆蓋，只要看這些鄰居圓在虛線圓1 內(nèi)的交點(diǎn)是否被第三個(gè)圓覆蓋，同時(shí)判斷鄰居圓與虛線圓1的交點(diǎn)是否被第
三個(gè)圓覆蓋即可。例圓3、 4在圓1內(nèi)的交點(diǎn)A被圓2覆蓋；圓3與圓1的交 點(diǎn)H、 E分別被圓4和圓2覆蓋；上圖中A-K這9個(gè)交點(diǎn)均被第三個(gè)圓覆蓋， 因此，圓1的感知范圍被圓2、 3、 4覆蓋。此時(shí)，圓1可休眠。
定義2:給定一個(gè)監(jiān)視區(qū)域A，被分布在其內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋的條件是， 區(qū)域A內(nèi)的任意一點(diǎn)均至少被一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋。當(dāng)該條件滿足時(shí)，稱該 區(qū)域A可被分布在其內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)全覆蓋。
引理1: 一個(gè)區(qū)域A被分布在其內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)全覆蓋的條件是①任意 節(jié)點(diǎn)感知圓在該區(qū)域A內(nèi)的交點(diǎn)均被第三個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知圓毅蓋；②任意一個(gè)
節(jié)點(diǎn)的感知圓與該區(qū)域A的交點(diǎn)均被另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知圓覆蓋。③區(qū)域A邊
界上至少一點(diǎn)被一個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知圓覆蓋。其證明類似定理1。
通過引理1，可將區(qū)域全覆蓋問題轉(zhuǎn)換為圓交叉點(diǎn)覆蓋問題。因此，當(dāng) 一個(gè)區(qū)域被大量的冗余節(jié)點(diǎn)全覆蓋后，通過定理1的節(jié)點(diǎn)禝蓋判定規(guī)則可以 減少大量的活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)量。
技術(shù)點(diǎn)三延時(shí)啟動(dòng)的活躍節(jié)點(diǎn)選取機(jī)制；
為避免因節(jié)點(diǎn)同時(shí)執(zhí)行覆蓋判斷而導(dǎo)致的覆蓋空洞問題，在每輪開始時(shí)， 已知的局部覆蓋決策算法中的節(jié)點(diǎn)不是同時(shí)執(zhí)行覆蓋判斷，而是采用一個(gè)隨 機(jī)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器來使各節(jié)點(diǎn)依次喚醒并執(zhí)行覆蓋判斷。這種隨機(jī)喚醒時(shí)間選取， 以及節(jié)點(diǎn)的覆蓋判斷依據(jù)來自于鄰居活躍節(jié)點(diǎn)發(fā)送的狀態(tài)信息的方式，會(huì)導(dǎo) 致最先喚醒的節(jié)點(diǎn)最先處于活躍狀態(tài)，從而出現(xiàn)活躍節(jié)點(diǎn)分布的"蠶食"現(xiàn)
.象。如附圖3 (a)、 (b)所示，節(jié)點(diǎn)1首先喚醒并根據(jù)覆蓋規(guī)則確認(rèn)活躍后， 節(jié)點(diǎn)2 (虛線圓表示)也被喚醒并成為活躍狀態(tài)，然后節(jié)點(diǎn)2周圍的節(jié)點(diǎn)3、4、 5依次喚醒并根據(jù)覆蓋規(guī)則確認(rèn)自身活躍，這種覆蓋范圍逐漸擴(kuò)大，類似 "蠶食"。由于節(jié)點(diǎn)的活躍狀態(tài)會(huì)持續(xù)到一輪結(jié)束，因此，既使節(jié)點(diǎn)2稍后
被節(jié)點(diǎn)3、 4、 5覆蓋，其仍處于活躍狀態(tài)。因此，"蠶食"過程導(dǎo)致了大量的
活躍節(jié)點(diǎn)冗余，而活躍節(jié)點(diǎn)越多，表明參與工作的節(jié)點(diǎn)越多，必然會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò) 整體生存期縮短。
通過對(duì)"蠶食"現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是距離已知活躍節(jié) 點(diǎn)過近的節(jié)點(diǎn)最先喚醒造成的。如果想要避免這種現(xiàn)象，就要盡量讓與已知 活躍節(jié)點(diǎn)距離相對(duì)較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)最先喚醒。但是，實(shí)際節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)間是隨機(jī) 的、不可控的，為此，提出了延時(shí)啟動(dòng)機(jī)制。
該機(jī)制主要解決的問題是
(1) 將距離閾值作為延時(shí)啟動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)。即，在每輪開始時(shí)，與已知活躍 節(jié)點(diǎn)距離小于指定距離閾值的節(jié)點(diǎn)將推遲覆蓋機(jī)制判斷的時(shí)間。
設(shè)置距離閾值Dth的目的在于避免節(jié)點(diǎn)距離過近而造成地蠶食現(xiàn)象，但是，
如果閾值設(shè)置過大，會(huì)導(dǎo)致過量的節(jié)點(diǎn)參與回退。為此，本算法利用計(jì)算幾
何理論，如圖4所示，認(rèn)為最佳距離閾值應(yīng)小于^r， r表示節(jié)點(diǎn)的感知半徑。
(2) 延遲啟動(dòng)的方式。g卩，每輪開始時(shí)，各節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)喚醒，喚醒后節(jié)
點(diǎn)根據(jù)接收到的鄰居活躍節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的狀態(tài)信息首先判斷其與已知的這些活 躍節(jié)點(diǎn)的距離是否大于一個(gè)指定的閾值，如果滿足條件，則繼續(xù)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)覆
蓋決策判斷來確定本節(jié)點(diǎn)的后續(xù)狀態(tài)；否則，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)與已知的活躍節(jié)點(diǎn) 距離過近，應(yīng)執(zhí)行一次延時(shí)，令其繼續(xù)休眠一段時(shí)間后，再重新喚醒，該次 喚醒后的節(jié)點(diǎn)在重新接收活躍節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息后，直接執(zhí)行節(jié)點(diǎn)覆蓋決策規(guī) 則，決定本節(jié)點(diǎn)的后續(xù)狀態(tài)。
延遲啟動(dòng)方式如圖5所示，ANST為每輪的活躍節(jié)點(diǎn)集選取階段，在該時(shí)間段內(nèi)得到本輪的活躍節(jié)點(diǎn)集。其中，NAT為節(jié)點(diǎn)喚醒階段，在該時(shí)間段 內(nèi)，所有節(jié)點(diǎn)均喚醒一次，節(jié)點(diǎn)喚醒的具體時(shí)刻T,ke由隨機(jī)數(shù)決定，如公式 1所示，L為本輪的開始時(shí)刻。節(jié)點(diǎn)喚醒后在一定時(shí)間段內(nèi)接收活躍鄰居節(jié)
點(diǎn)發(fā)送的狀態(tài)信息，該時(shí)間段稱為NRT，即節(jié)點(diǎn)信息接收階段。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)
與活躍鄰居節(jié)點(diǎn)距離小于閾值時(shí)，會(huì)發(fā)生延時(shí)現(xiàn)象，將其休眠期延長(zhǎng)一個(gè)時(shí)間
段后再重新喚醒，該時(shí)間段稱為DST (延時(shí)啟動(dòng)時(shí)間)，其值如公式2所示，
其中DAT為延時(shí)喚醒時(shí)間。
H+Rand。m()xT麗 ①
TDST =TNAT -T訓(xùn)ake +Random() x TDAT(力
算法總體描述如下
算法基于分輪機(jī)制來實(shí)現(xiàn)活躍節(jié)點(diǎn)集的選取，將網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)運(yùn)行階段在 時(shí)間上分成若干"輪"，如圖1所示，每輪又分成兩個(gè)階段，活躍節(jié)點(diǎn)集選取 階段(ANST)和運(yùn)行階段(Work Time)。在活躍節(jié)點(diǎn)集選取階段，各節(jié)點(diǎn)利 用基于回退的交叉點(diǎn)覆蓋決策規(guī)則判斷自身狀態(tài)，形成本輪的活躍節(jié)點(diǎn)集， 并在運(yùn)行階段負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與傳輸工作。
活躍節(jié)點(diǎn)集的選取階段如圖5所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)喚醒后在將NRT時(shí)間段內(nèi)， 接收活躍鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的狀態(tài)信息，該狀態(tài)信息主要包含〈位置、節(jié)點(diǎn)當(dāng)前狀 態(tài)〉。如果未出現(xiàn)與活躍鄰居節(jié)點(diǎn)距離小于閾值的情況，節(jié)點(diǎn)將進(jìn)行覆蓋判斷， 決定后續(xù)狀態(tài)；否則，進(jìn)行延時(shí)，該節(jié)點(diǎn)將繼續(xù)保持睡眠，過DST時(shí)間后再 喚醒。重新喚醒后的節(jié)點(diǎn)將重新接收信息，并進(jìn)行狀態(tài)判斷。在本算法中， 節(jié)點(diǎn)最多延時(shí)一次，通過延時(shí)標(biāo)記來表示。
為避免節(jié)點(diǎn)同時(shí)喚醒而造成覆蓋空洞的現(xiàn)象，在輪開始的NAT (節(jié)點(diǎn)喚 醒階段)時(shí)間內(nèi)，各節(jié)點(diǎn)隨機(jī)喚醒。DAT(延時(shí)喚醒時(shí)間)是當(dāng)出現(xiàn)延時(shí)現(xiàn)象時(shí)，發(fā)生延時(shí)的節(jié)點(diǎn)在該時(shí)間段內(nèi)喚醒。ST為同步時(shí)間，用以平滑各節(jié)點(diǎn)的時(shí)間 差。
節(jié)點(diǎn)在輪中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖6所示，在每輪開始時(shí)，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)喚醒，首 先判斷是否發(fā)生延時(shí)，延時(shí)出現(xiàn)時(shí)，重新休眠；否則的話，根據(jù)基于圓交叉 點(diǎn)覆蓋判測(cè)算法，判斷自身將要轉(zhuǎn)換的狀態(tài)活躍狀態(tài)、或休眠狀態(tài)。如果 是活躍狀態(tài)，則向周圍廣播狀態(tài)信息，以便周圍的鄰居接收，供其進(jìn)行覆蓋 判斷決策時(shí)使用；如果是休眠狀態(tài)，則關(guān)閉節(jié)點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)休眠。節(jié)點(diǎn)僅發(fā)生一 次延時(shí)現(xiàn)象，由延時(shí)標(biāo)記決定。當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量耗盡時(shí)，節(jié)點(diǎn)死亡。
基于延時(shí)啟動(dòng)局部區(qū)域覆蓋算法LACDS描述如下。
Node q表示執(zhí)行該算法的節(jié)點(diǎn)；
Tawate 表示每輪開始后節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)喚醒吋刻；
表示節(jié)點(diǎn)接收活躍鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的狀態(tài)信息的時(shí)間；
Node q'表示節(jié)點(diǎn)q附近的處于活躍狀態(tài)的鄰居節(jié)點(diǎn)；
Dq 表示節(jié)點(diǎn)q和活躍鄰居節(jié)點(diǎn)q'之間的距離；
Td 表示設(shè)定的距離回退閾值；
TDST表示節(jié)點(diǎn)q執(zhí)行一次延時(shí)的休眠時(shí)間；
N[]表示節(jié)點(diǎn)q已知的活躍鄰居節(jié)點(diǎn)集；
Tsl66p表示節(jié)點(diǎn)q在本輪的剩余休眠時(shí)間。
為便于表述，此處用一個(gè)循環(huán)等待來表示時(shí)鐘計(jì)數(shù)。
Algorithm LACDS for each Node q
Begin
Po Loop //Round Loop . //Each round startSet Node wait wake time Taw,lk。 for Node q;
DO Loop // Node carry out random sleep time
Until T油is expire;
Set Awake state for node q;
Set Node receive message time TNK'r for Node q;
Do Loop
Receive state message sent by active neighbor Node q'; If (Node q has not delayed tag ) Then Computing the distance Dq from Node q to Node q，； If (Dq 〈 Td) Then
//Node q carry out once delayed Set delayed time Tra' and Delayed tag For Node q; Set Sleep state for node q; DO Loop 〃 Node carry out delayed time Until T股is expire; ReSet Node receive message time T、訂for Node q;
Endif ; Endif ; Until Tfw is expire ; Carry out Circle Intersection point coverage Decision-making method ;
If Node q is covered by active Neighbor Nodes N[ ] Then Set sleep time T麵and sleep state for Node q;Do Loop
〃 Node q go to sleep Until current roumd end;
Until Li卿is expire; Else
Set Active state to Node q ; Broadcasting node q state message ; Node q on duty until the current Round end; End if
Until Node q Dead; //Round loop end End.
本發(fā)明主要是針對(duì)已知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)局部區(qū)域覆蓋算法或者無法保證 區(qū)域的全覆蓋；或者因蠶食現(xiàn)象而導(dǎo)致的活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)過多，相對(duì)縮短網(wǎng)絡(luò)生 命周期的問題，提出了一個(gè)基于延遲啟動(dòng)的局部覆蓋決策算法。通過仿真驗(yàn) 證，與已知覆蓋決策算法相比，其每輪的活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)相對(duì)較少，最終的網(wǎng)絡(luò) 生命周期相對(duì)延長(zhǎng)。仿真表明，在保持區(qū)域指定覆蓋度的情況下，網(wǎng)絡(luò)整體 生存時(shí)間比已知算法至少延長(zhǎng)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間。
權(quán)利要求
1、一種基于延遲啟動(dòng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)局部區(qū)域覆蓋算法，其特征在于，在活躍節(jié)點(diǎn)集的選取時(shí)機(jī)上，采用分輪機(jī)制，在每輪開始時(shí)動(dòng)態(tài)選擇活躍節(jié)點(diǎn)集；其次，在活躍節(jié)點(diǎn)集的選取方式上，利用圓交叉點(diǎn)覆蓋判測(cè)算法，保證了區(qū)域的全覆蓋、避免出現(xiàn)覆蓋漏洞現(xiàn)象；最后，利用延時(shí)啟動(dòng)機(jī)制，減少每輪的活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)量，減少“蠶食”現(xiàn)象的發(fā)生，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期；其具體過程如下采用分輪機(jī)制，將網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)運(yùn)行階段劃分成M個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段為一“輪”，其中，M有最小值K，K代表區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)可以劃分的最大節(jié)點(diǎn)集數(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)集均可以覆蓋整個(gè)區(qū)域，當(dāng)M取最小值K時(shí)，每輪的長(zhǎng)度為單個(gè)節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間，M值越大，各輪初始的活躍節(jié)點(diǎn)集選取造成的開銷就越多，因此，需要在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量均衡與總開銷之間尋求合適的M值。在每輪初始階段，選取能夠聯(lián)合覆蓋整個(gè)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)活躍節(jié)點(diǎn)集，其他的節(jié)點(diǎn)則處于休眠狀態(tài)，該初始階段稱為活躍節(jié)點(diǎn)集選取階段，活躍節(jié)點(diǎn)在該輪的剩余時(shí)間內(nèi)執(zhí)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、通信工作，該階段稱為工作階段，工作階段的時(shí)間遠(yuǎn)大于活躍節(jié)點(diǎn)集選取階段，每輪進(jìn)行一次活躍節(jié)點(diǎn)集的選取，使區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)能量分布盡量均勻，充分利用所有節(jié)點(diǎn)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于延遲啟動(dòng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)局部區(qū)域覆蓋 算法，其特征在于，所說的活躍節(jié)點(diǎn)集選取方式采用基于圓交叉點(diǎn)覆蓋決策 方式，節(jié)點(diǎn)首先接收活躍鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的狀態(tài)信息，然后利用圓交叉點(diǎn)覆蓋 判測(cè)規(guī)則，判斷自身感知區(qū)域是否被已有的活躍鄰居節(jié)點(diǎn)覆蓋，未被完全覆 蓋時(shí)，將自身狀態(tài)設(shè)置為活躍狀態(tài)；否則，該節(jié)點(diǎn)可被其鄰居節(jié)點(diǎn)代替，不 需工作，將進(jìn)入休眠狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于延遲啟動(dòng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)局部區(qū)域覆蓋算法，在活躍節(jié)點(diǎn)集的選取時(shí)機(jī)上，采用分輪機(jī)制，在每輪開始時(shí)動(dòng)態(tài)選擇活躍節(jié)點(diǎn)集；其次，在活躍節(jié)點(diǎn)集的選取方式上，利用圓交叉點(diǎn)覆蓋判測(cè)算法，保證了區(qū)域的全覆蓋、避免出現(xiàn)覆蓋漏洞現(xiàn)象；最后，利用延時(shí)啟動(dòng)機(jī)制，減少每輪的活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)量，減少“蠶食”現(xiàn)象的發(fā)生，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期；該方法的運(yùn)用，能夠減少“蠶食”現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得每輪的活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)相對(duì)減少，最終在滿足用戶指定覆蓋需求的同時(shí)，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的整體生存時(shí)間，具有較好的科學(xué)性和更高的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)H04W16/20GK101547451SQ20081023642
公開日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2008年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月23日
發(fā)明者欣 何, 張文東, 徐顯椋, 李小勇, 桂小林 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)