基於連通度的直線型規則帶狀無線傳感器網絡部署方法
2023-08-13 13:03:31 2
專利名稱：基於連通度的直線型規則帶狀無線傳感器網絡部署方法
基於連通度的直線型規則帶狀無線傳感器網絡部署方法技術領本發明涉及多種面向帶狀無線傳感器網絡(下面簡稱帶狀網或帶狀傳感網)的最小規 模網絡部署方法，特別是一種基於連通度的直線型規則帶狀無線傳感器網絡的部署方法。
技術背景帶狀無線傳感器網絡在圍界仿入侵、智能交通系統、河流/橋梁監控等方面具有廣泛的應 用前景。帶狀無線傳感器網絡最主要的特點是網絡部署呈帶狀、網絡中的節點具有能量有限、 數量大等特點。因此帶狀傳感網"帶"的長度比較長，這些特點使得帶狀傳感器網絡的健壯 度成為部署這類網絡的一個問題。帶狀無線傳感器網絡的健壯度由帶狀網絡的連通度來衡量， 連通度越高的網絡，其健壯度也越高。本發明的直線型帶狀無線傳感器網絡部署方式是帶狀網部署的一種重要方式，在圍界防 入侵、道路交通、邊界封控等方面有著重要應用。目前尚未發現有關帶狀無線傳感器網絡部 署方法方面的報導。發明內容本發明的目的是設計出一種基於連通度的直線型規則帶狀無線傳感器網絡的部署方法。 本發明給出了詳細流程，通過這種方法，在給定節點條件、帶狀網連通度要求下，可以最小 化帶狀網絡部署規模。本發明針對沿直線部署的規則型帶狀無線傳感器網絡的健壯度網絡部署的問題，提出了 如下技術方案 方案一1) 節點呈直線部署、每個位置部署一個節點，每個位置部署單個節點，Sink數量遠遠 小於傳感器節點數量、網絡中所有節點傳輸半徑(A)相同；2) 根據第l)條，提出滿足給定連通度(ZO的相鄰節點最大部署間隔0c)的計算方法；3) 根據第2)條，確定最小規模網絡的計算方法。 方案二1)節點呈直線部署、每個位置部署M個節點、Sink數量遠遠小於傳感器節點數量、絡中所有節點傳輸半徑(A)相同；2) 根據第1)條，提出滿足給定連通度(KJ的相鄰節點最大部署間隔(;c)的計算方法；3) 根據第2)條，確定最小規模網絡的計算方法。 方案三1) 節點呈直線部署、每列部署M個節點、Sink數量遠遠小於傳感器節點數量、網 絡中所有節點傳輸半徑(A)相同；2) 根據第1)條，提出滿足給定連通度(/U的相鄰列的節點最大部署間隔(;c)的計 算方法；3) 根據第2)條，確定最小規模網絡的計算方法。本發明的部署方法的優點是簡單、易於實現、有效保障網絡連通度，網絡可擴展性好等。
圖l:沿直線部署的規則帶狀無線傳感器網絡圖，圖中每位置部署單個節點。 圖2:沿直線部署的規則帶狀無線傳感器網絡圖，圖中每位置部署至少2個節點。 圖3:沿直線部署的窄帶規則帶狀無線傳感器網絡圖。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的說明。對於本發明中涉及的帶狀傳感網的連通度，這裡作一定義。該定義需要從兩個方面來闡 述(1)傳感器節點到匯聚節點(Sink)的連通能力；(2)臨近Sink節點之間的連通能力。 現對對這兩方面進行分析和闡述，引出帶狀無線傳感網連通度的定義。任意傳感器節點到Sink的連通能力給定網絡中任意一個傳感器x，刪除掉多少個傳感 器節點就可以使得該傳感器到任何Sink的連接中斷，表徵著該段帶狀網絡數據採集的健壯能 力。存在兩種情況， 一種是處在兩個Sink之間的那些傳感器，另外一種是處在帶狀的一端， 只與一個Sink相鄰。對於前一種情況，對於一個傳感器節點，在以該節點為中心的2倍傳輸 半徑內不存在任何其它傳感器節點，則該節點到Sink的連接必然中斷。對於帶狀網來說，則 是指2倍傳輸半徑距離上的帶狀網段只有一個節點。對於後一種情況，對於一個傳感器節點， 若它和Sink之間存在一倍傳輸半徑距離上的帶狀網段沒有節點，則它與Sink連接中斷。當帶狀網存在多個Sink時，還存在相鄰Sink之間的連通能力問題假定兩個鄰近sink節點為w和v，那麼對"和v之間的帶狀網絡區段，在任意單倍節點傳輸距離的一段帶狀網， 如果不存在任何傳感器節點，那麼w和v之間的連接中斷。雖然相鄰Sink之間的連接中斷並 不一定影響網絡中的傳感器節點的數據上報(因為斷點處的傳感器節點還可以選擇仍然相連 的Sink進行數據上報)，但是這種中斷會影響網絡診斷能力、網絡管理能力和網絡節點監測 的連續性等能力，因此表徵著區段性帶狀傳感器網絡監測的能力。因此，我們定義區段性帶 狀網絡聯通度由該段兩個端點的Sink之間的連通度決定。定義(區段性帶狀網絡聯通度)任意刪除1個傳感器節點，若該帶狀網滿足以下兩個 條件(1)任意剩餘傳感器仍能與Sink相連通，(2)若該帶上存在多個Sink,鄰近的sink 節點對仍然連通，那麼該段帶狀無線傳感器網絡的連通度為《。本發明針對規則帶狀無線傳感器網絡，要求節點在無線傳輸方面能力相同，假定節點規 則分布，即節點等距離部署(或者成組節點等距離部署)，各節點具備相同的最大傳輸半徑(記 作A)。本發明假定Sink節點可靠性很高，網絡連通性分析中主要考慮由於傳感器節點的不 可靠而可能導致的網絡中斷、分裂。給定帶狀網連通度要求，記作《，&1，結合上述節點能力和部署規則，求解傳感器節點 之間的最大允許距離x。通過儘量增大;c可以減少在同等網絡連通能力要求下和節點能力情況 下的網絡節點總量，從而降低網絡部署總成本。本發明的基於連通度的多種直線型規則帶狀無線傳感器網絡的部署方法有方法1、方 法2和方法3三種，這三種方法都要求網絡沿直線部署。方法l帶狀傳感器網絡呈"直線"方式部署，每個位置部署一個傳感器節點。圖1示意的是連 通度為2的帶狀網。.對於給定網絡連通度要求《，&1，每對無線傳感器節點之間的最大允許距離(記作x) 計算方法如下；cs^。為了最小化網絡規模，要求相鄰傳感器節點之間距離儘量大，因此尺X = &。比如當網絡連通度要求/:=2時，相鄰傳感器節點間距離X-^"。2根據方法1的帶狀傳感器網絡具體部署方法如下首先按照預定位置部署Sink節點。從 兩個鄰近Sink之中的一個開始，沿著連接兩者的直線，依次每隔距離;c部署一個傳感器節點， 直到距離另一個Sink的距離小於等於;c為止，部署完畢。這樣，除了從最後部署的傳感器節 點和第二個Sink之間距離可能小於jc之外，其餘每跳的幾何距離都是x。方法2:為了提高網絡可靠度，每個位置一次性部署M個傳感器節點，M是大於等於2的整數(如 圖2所示)。這裡稱部署在同一位置上的M個節點為一簇節點，其中每個節點能力相同，位 置也相同。通常M是一個小整數。這樣，當網絡連通度要求為/:時，相鄰節點簇之間的最大 允許距離(記作x)與帶狀網絡連通度的關係如下。^""",時，《=M2 1&<"&時，《=2M3 2推而廣之，如果1<12&, K=AM，這裡A:是一個正整數；相應地，為了最小化整個網絡的規模，網絡連通度《與相鄰節點簇之間的最大允許距離JC的關係如下如果1^/^M，那麼x=/ ,2如果(卜l)M〈A^tA/, J!T4;c = ^"， /C=AM，這裡ik是一個正整數根據方法2，帶狀傳感器網絡具體部署方法如下首先，在和每個Sink相同的位置上分 別部署M-1個傳感器節點；然後，從其中一個Sink開始，沿直線朝著另一個Sink，每隔距離 x部署M個節點，直到距離另一個Sink的距離小於等於x為止，部署完畢。方法3令Z代表帶狀傳感器網絡的寬度。本方法專注於"窄帶"帶狀網，即比如及屍20米，￡=1米。假定每個位置只部署單個節點。假定與帶狀平行的傳感器部署方向稱為"行"， 與帶狀相垂直的部署方向稱為"列"。每列節點之間的距離為x。假定每列節點總數為M個。圖3給出了這種"窄帶"帶狀無線傳感器網絡示意圖，圖中M-3。令4= 丄2 ，則^4為兩列節點中任意位置上的兩個節點相鄰的最大允許列間距(否則兩列節點對角節點將不在相 互傳輸範圍之內)。為了部署網絡連通度為/:的帶狀網，有以下結論相鄰兩列節點間距滿足^Q^v4時，K=M;相鄰兩列節點間距滿足f < i S之時，AT=2M;3 2相鄰兩列節點間距滿足！〈;c^^時，《=ytM，其中A:是一個大於等於2的整數；A: + l A:轉換之後，網絡連通度與相鄰列節點之間的距離關係如下 如果1^:^f， JC =』；如果A^A^2M， jc = 4;2如果(ll)M〈i^AM， jc = 4，其中A:是一個大於等於2的整數。根據上述相鄰列節點最大允許距離;c的節點部署方法如下首先，在和每個Sink相同列 的位置上分別部署AZ-1個傳感器節點然後，從其中一個Sink開始，沿直線朝著另一個Sink 方向，每隔距離;c部署M個節點，直到距離另一個Sink的距離小於等於x為止，部署完畢。基於上述方法l、方法2和方法3所述的三種部署方法，其最小網絡規模(即傳感器 節點總數)計算方法如下-在給定網絡連通度要求下，上述三種方法各自確定了該種方法所求解的最大允許傳感器 節點距離。為了分析方便起見，假定方法1針對的部署模式IVN1，這樣方法1隻是方法2的 一種特例。假定應用三種方法之一求得的最大允許傳感器距離為x，給定兩個相鄰Sink之間距離為ZJW，則最小網絡規模為A/.「皿]。
權利要求
1、一種基於連通度的直線型規則帶狀無線傳感器網絡部署方法，其特徵在於包括1)節點呈直線規則部署、每個位置部署一個節點，Sink數量遠遠小於傳感器節點數量、網絡中所有節點傳輸半徑(R1)相同；2)根據第1)條，提出滿足給定連通度(K)的相鄰節點最大部署間隔(x)的計算方法；3)根據第2)條，確定最小規模網絡的計算方法。
2、 根據權利要求1所述的基於連通度的直線型規則帶狀無線傳感器網絡部署方法，其特徵在於相鄰節點最大部署間隔的計算方法為尺 O
3、 根據權利要求1和2所述的基於連通度的直線型規則帶狀無線傳感器網絡部署方法， 其特徵在於如兩個相鄰Sink之間距離為ZSV,則最小網絡規模的計算方法為M.l^^"l，其中M-1。
4、 一種基於連通度的直線型規則帶狀無線傳感器網絡部署方法，其特徵在於包括1) 節點呈直線規則部署、每個位置部署M個節點、Sink數量遠遠小於傳感器節點數 量、網絡中所有節點傳輸半徑(A)相同；2) 根據第l)條，提出滿足給定連通度(/O的相鄰節點最大部署間隔(;c)的計算方 法；3) 根據第2)條，確定最小規模網絡的計算方法。
5、根據權利要求4所述的基於連通度的直線型規則帶狀無線傳感器網絡部署方法，其 特徵在於相鄰節點最大部署間隔的計算方法為 如果1^:^M，那麼fA如果M〈/^2M，那麼x-^";2如果0t-i)iif^^y/, J5^jc = ^"， 這裡A是一個正整數。
6、 根據權利要求4和5所述的基於連通度的直線型規則帶狀無線傳感器網絡部署方法， 其特徵在於如兩個相鄰Sink之間距離為i^W，則最小網絡規模的計算方法為M.「^"l。
7、 一種基於^M度的直線型規則帶狀無線傳感器網絡部署方法，其特徵在於包括1) 節點呈直線規則部署、每列部署M個節點、Sink數量遠遠小於傳感器節點數量、網絡中所有節點傳輸半徑(i ,)相同；2) 根據第l)條，提出滿足給定連通度(KJ的相鄰列的節點最大部署間隔Oc)的計算方法3) 根據第2)條，確定最小規模網絡的計算方法。
8、根據權利要求7所述的基於連通度的直線型規則帶狀無線傳感器網絡部署方法，其 特徵在於相鄰列的節點最大部署間隔的計算方法為如果1^/:^M， ;c-爿，其中」-V/^—丄2 ，丄代表帶狀傳感器網絡的寬度； 2如果01)M〈AT^tM， jc = ^，其中/t是一個大於等於2的整數。 9、根據權利要求7和8所述的基於連通度的直線型規則帶狀無線傳感器網絡部署方法，其特徵在於如兩個相鄰Sink之間距離為i^;V，則最小網絡規模的計算方法為M.「！
全文摘要
本發明提出了基於連通度的直線型規則帶狀無線傳感器網絡部署方法和基於上述部署方法的網絡規模求解方法。這些方法能夠滿足帶狀傳感器網絡的連通度要求和給定要求下的網絡規模最小化要求，具有簡單、易於實現等特點。本發明的特點是支持沿直線部署的「線」狀及「窄帶」帶狀無線傳感器網絡；給定條件下，能夠最小化網絡規模，降低網絡部署成本。
文檔編號H04L12/28GK101247302SQ20081006119
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月20日 優先權日2008年3月20日
發明者劉海濤, 鄭 姚, 鋒 張, 張寶賢, 壯 趙, 雪 高, 奎 黃 申請人:中科院嘉興中心微系統所分中心