专利名称：检测无线传感器网络覆盖质量的方法
检测无线传感器网络覆盖质量的方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络，尤其是涉及一种检测及修复无线传感器网络覆盖薄弱区域的方法。
背景技术：
近年来，无线传感网络得到了快速发展，特别是对于提供带状区域监控的栅栏覆盖进行了广泛研究。如2003年7月，美国在沿着墨西哥沿岸的边境巡逻界上布置很多传感器节点，从而检测偷渡国境的入侵者。如果在带状感知区域中，入侵者不管沿着哪条路径都能被k个传感器检测到，则称该带状感知区域提供k-栅栏覆盖。然而由于各种原因，比如环境障碍、过度使用、节点能量的影响，很多传感节点会失效从而使得当有入侵者进入该感 知区域时，不能保证都能被k个传感器检测，即栅栏覆盖性能降低。当覆盖性能下降时，当前的覆盖质量是否能够符合覆盖要求，仍然没有衡量的标准。另外，当感知区域有节点失效导致整个区域栅栏覆盖性能降低时，传统的方法是对整个覆盖区域进行修复。例如，使用一批新的传感器节点对整个区域重新覆盖一遍。这样不仅大大增加了修复的成本，而且对于原本工作正常的区域来说，这些“冗余”节点还造成大量能量的浪费。
发明内容基于此，有必要提供一种检测无线传感器网络覆盖质量的方法。一种检测无线传感器网络覆盖质量的方法，用于对包括多个传感器节点和网关节点的无线传感器网络的覆盖质量进行评价，根据所要求的覆盖质量Q*得到并修复覆盖薄弱区域，包括如下步骤网关节点获取整个无线传感器网络的形状信息，得到带状区域，所述带状区域具有平行的两条曲线边界和与所述曲线边界正交的左边界和右边界；每个传感器节点a计算最左正交线11 (a)和最右正交线rl (a)，所述带状区域被所述最左正交线11 (a)和最右正交线rl (a)截取的区域表示为Zn(11 (a), rl (a))；传感器节点a执行以下步骤检测自最左正交线11(a)到正交线I之间的带状区域Zn(ll(a)，I)是否为非k-栅栏覆盖感知边界区域，其中正交线I介于最左正交线11 (a)和最右正交线rl (a)之间，Zn(ll(a)J) Q Zn{ll(a),rl(a)、\检测自最右正交线rl (a)到正交线I’之间的带状区域Zn(11 (a)，I’ )是否为非k-栅栏覆盖感知边界区域；检测传感器节点a和其相邻的传感器节点b之间的带状区域Zn (a，b)是否是一个长度小于Q*的临界k-栅栏覆盖感知边界区域；对于非k-栅栏覆盖感知边界区域Zn (11(a)，I), Zn (11 (a), I’)、临界k_栅栏覆盖感知边界区域Zn(a，b)，传感器节点a上报给网关节点；网关节点若接收到非k-栅栏覆盖感知边界区域Zn (11 (a)，I)、Zn (11 (a)，I’)，则将无线传感器网络的覆盖质量表示为存在漏洞，否则，若接收到临界k-栅栏覆盖感知边界区域Zn (a，b)，则将覆盖质量更新为当前覆盖质量和区域Zn (a，b)的长度中的较小值。优选地，所述检测自最右正交线rl (a)到正交线I’之间的带状区域Zn(ll (a)，I’)是否为非k-栅栏覆盖感知边界区域的步骤具体包括如果在区域Zn(rl (a), I ")中没有任何传感器节点，其中V1" = Vrt(a)+max{Q%rmax}jP4WZn(rl(a)， )表示为非k_栅栏覆盖感知边界区域，其中“？ ”表示节点a不知道该区域的右边界，rfflax指传感器节点a的最大感知距离；
否则，节点a通过区域Zn (rl (a)，I")中其它节点来获得Γ的信息，继而检测区域Zn (rl (a)，I')是否满足k_栅栏覆盖。优选地，进一步包括得到修补区域列表如果传感器节点上报的数据中存在任意Zn(11(a)，I)，Zn(rl (a)，I’ )和Zn(a，b)区域，则添加到列表；如果上报的数据中包含Zn (rl (a)， )，若传感器节点b的最左正交线11 (b)在传感器节点a的最右正交线rl (a)的右边，并离rl (a)最近，那么将区域Zn (rl (a)，11 (b))添加到列表中，否则将Zn (rl (a)，I’ )添加到列表中，其中正交线I’为带状区域的右边界；如果网关节点未收到任何上报的数据，则将整个带状区域添加到列表中。通过对覆盖质量进行量化并定位，可有效解决覆盖质量无法衡量以及覆盖冗余或修复浪费的问题。
图I为一实施例的检测无线传感器网络覆盖质量的方法流程图；图2为一种无线传感器网络结构示意图；图3为无线传感器网络形成的带状覆盖区域；图4(a)至图4(c)为两个传感器节点的感知区域相对位置示意图。
具体实施方式如图I所示，为一实施例的检测无线传感器网络覆盖质量的方法流程图。该方法用于对包括多个传感器节点和网关节点的无线传感器网络的覆盖质量进行评价，根据所要求的覆盖质量Q*得到并修复覆盖薄弱区域。如图2所示，为一种无线传感器网络结构示意图。每个传感器节点10都具有感知区域102(图中所示为虚线包围的圆形区域，但感知区域并不必须为圆形，也可以为其他形状)，进入感知区域102的物体都可被传感器节点10探测到，且相邻的传感器节点10之间能够通信。网关节点20置于网络中的关键位置，使得每个传感器节点10能够与至少一个网关节点20通信。基于上述无线传感器网络的检测方法具体包括如下步骤SlOO :网关节点获取整个无线传感器网络的形状信息，得到带状区域。在构建无线传感器网络时，传感器节点的布置可以采用两种方式随机部署和计划部署。当传感器节点的位置固定后，网关节点通过与传感器节点通信能够获得整个无线传感器网络的形状信息。通常会形成一个平滑弯曲的带状区域，如图3所示。以下对该带状区域30进行相关说明 该带状区域具有4条边界，包括两条平行的曲线(分别称为上边界和下边界，如图3所示的上边界301、下边界302)和两条配合封闭该带状区域并且与上边界和下边界正交的直线(分别为左边界和右边界，如图3所示的左边界303、右边界304)。中线带状区域30的中线是一条曲线，与上 边界301和下边界302平行，并介于上边界301和下边界302之间，如图3所示的中线305。中线的两端称为左端点和右端点。穿越路径和正交线如果一条路径穿越一条平行边界到另一条平行边界，就称该路径为穿越路径。如果穿越路径的长度等于带状区域的宽度，则它与平行边界正交。正交穿越路径必然是直线，也称为正交线，如图3所示的正交线306。正交线的坐标对于一个正交线1，令V1为从中线左端点到中线与正交线I的交叉点的长度。V1作为正交线I的坐标。k-栅栏覆盖如果一条穿越路径与至个不同传感器节点的感知区域相交，则称该穿越路径是k_覆盖。如果在一个传感网络中，所有穿过带状区域的穿越路径被网络中的传感器进行k_覆盖，则称该传感网络提供带状区域上的k_栅栏覆盖。区域区域Z是带状区域的一段。它的两条边界与带状区域的两条平行线重合；而另外两条边界是正交穿越线，分别称为区域Z的左、右边界。区域Z的长度，记为sz，是区域Z内中线的长度。L-本地k-栅栏覆盖对于一个非负数字L和一个正整数k，如果在一个带状区域中所有的长度为L的区域为k-栅栏覆盖，则该带状区域为L-本地k-栅栏覆盖。k-栅栏覆盖质量布置的传感器网络所能提供的k_栅栏覆盖质量Qk定义为带状区域满足L-本地k-栅栏覆盖的最大的L值，即Qk = max {L :带状区域为L-本地k_栅栏覆盖}。如果对于任何非零的L值，带状区域都不是L-本地k-栅栏覆盖，则Qk = -I。S200 :每个传感器节点a计算最左正交线11 (a)和最右正交线rl (a)。传感器节点a感知区域的最左正交线11(a)是一条与感知区域相交且具有最小坐标轴值的正交线，传感器节点a感知区域的最右正交线rl (a)是一条与感知区域相交且具有最大坐标轴值的正交线。在所有与传感器节点a相交的正交线中，最左正交线11(a)坐标轴最小，最右正交线rl (a)的坐标轴值最大。带状区域30被最左正交线11 (a)和最右正交线rl (a)截取的区域表示为 Zn (I I (a), rI (a))。S300 :传感器节点a检测自最左正交线11(a)到正交线I之间的带状区域Zn(IKa), I)是否为非k-栅栏覆盖感知边界区域。在此，先定义感知边界区域。用D表示所有传感器最左正交线、最右正交线以及带
状区域左边界、右边界的集合。D中所有正交线表示为Itl, I1, In，按照I <&<···<&
的顺序排列，其中Itl, In分别为带状区域的左边界、右边界，若两个传感器节点的感知区域有重叠，则可能相邻的正交线Ii+ Ii分别为两个相邻的传感器节点的感知区域的最左正交线。将Zn(1h，Ii)定义为感知边界区域(I彡i彡η)。其中正交线I介于最左正交线11 (a)和最右正交线rl (a)之间，因此区域Zn(Ilfa)J) c Zn(ll(a),rl(a))0 Zn (11 (a), I)是一个感知边界区域，则正交线I可能是传感器节点a的最右正交线rl (a)(如图4(a)所示)，也可能是另一传感器节点b的最左正交线
11(b)(如图4(b)所示)或最右正交线rl (b)(如图4(c)所示)。本步骤即检测感知边界区域Zn (11(a)，I)是否为非k_栅栏覆盖。基于数学理论，当感知边界区域Zn (Ii+ Ii)存在一条与Ip1和Ii不相交的穿越路径被k-栅栏覆盖，则感知边界区域Zndi+ Ii)为k-栅栏覆盖。因此，只需要检测一条与V1和Ii不相交的穿越路径是否被k-栅栏覆盖即可获知Zn(ll (a)，I)是否为非k-栅栏覆盖。Zn(l，rl(a))中的I是其他传感器b的11 (b)或者rl (b)，由其他传感器负责检测。检测的方法同本步骤。S400:检测自最右正交线rl(a)到正交线I’之间的带状区域Zn(11 (a)，I’)是否为非k-栅栏覆盖感知边界区域。对于该区域的右边界，节点a可能不知道，那么检测Zn (rl (a)，I’)是否为非k_栅·栏覆盖感知边界区域按照如下步骤进行。如果在区域Zn(rl (a), I ")中没有任何传感器节点，其中V1" = Vrl(a)+max{Q%rmax}，那么以Zn(rl(a)， )表示为非k_栅栏覆盖感知边界区域，其中“？ ”表示节点a不知道该区域的右边界。否则，节点a可以通过区域Zn(rl(a)，l")中其它节点来获得Γ信息，继而检测区域Zn(rl(a)，I')是否满足k_栅栏覆盖。S500 :检测传感器节点a和其相邻的传感器节点b之间的带状区域Zn(a，b)是否是一个长度小于Q*的临界k-栅栏覆盖感知边界区域。传感器节点a, b之间的区域Zn (a, b)定义为从11 (a)到rl (b)的区域(仅当
V11 (a) ( Vrl (b)时，而当 V11 (a) > Vrl (b)时，Zn (a, b)不存在)。临界k-栅栏覆盖当区域Zn(a，b)满足以下三个条件时，区域Zn(a，b)称为临界k-栅栏覆盖区域⑴Zn (a, b)为k-栅栏覆盖；(2)存在δ > O,使得Zn (a, b)向左扩展δ的区域或向右扩展δ的区域均为k-栅栏覆盖；(3)对于任意ε >0，使得Zn(a，b)同时向左和向右扩展ε的区域不是k-栅栏覆盖。其中，向左扩展是指将Zn(a，b)的左边界11(a)向左延伸，向右扩展是指将Zn (a，b)的右边界rl (b)向右延伸。首先确定Zn (a, b)是否是一个临界k_栅栏覆盖感知边界区域寻找与传感器节点a和传感器节点b相邻的传感器节点a’、b’，其中传感器节点a’的最左正交线11 (a’)是位于传感器节点a的最左正交线11 (a)的左边且最靠近11 (a)，传感器节点b’的最右正交线rl (b’)是位于传感器节点b的最右正交线rl (b)的右边且最靠近rl (b) ο判断区域211(&’，13)、211(&，13’)、211(&’，13’)是否都为k_ 栅栏覆盖。若满足 Zn (a，，b)、Zn(a，b，)为k-栅栏覆盖，而Zn (a’，b，)不是k_栅栏覆盖，则Zn (a，b)是一个临界k-栅栏覆盖感知边界区域，否则Zn (a, b)不是一个临界k-栅栏覆盖感知边界区域。当Zn(a，b)是一个临界k_栅栏覆盖感知边界区域时，判断Zn (a，b)的长度是否小于所要求的覆盖质量Q'S600 :对于非k-栅栏覆盖感知边界区域Zn (11(a)，I)、Zn (11(a)，I’)、临界k_栅栏覆盖感知边界区域Zn(a，b)，传感器节点a上报给网关节点。S700 :网关节点若接收到非k-栅栏覆盖感知边界区域Zn (11 (a)，I)、(11 (a)，Γ)，则将无线传感器网络的覆盖质量表示为存在漏洞(即Qk = -I)，否则，若接收到临界k-栅栏覆盖感知边界区域Zn (a，b)，则将覆盖质量更新为当前覆盖质量和区域Zn (a，b)的长度中的较小值(即Qk = min{Qk,
Szn(a，b)})， 其中 Szn(a，b)
为区域Zn(a，b)的长度，表示为中线被节点a的最左正交线11 (a)和节点b的最右正交线rl (b)截取的长度。覆盖质量是与传感器节点相关的，通过分析上报相应数据的传感器节点便可得知覆盖质量薄弱区域。通过对覆盖质量进行量化并定位，可有效解决覆盖质量无法衡量以及覆盖冗余或修复浪费的问题。网关节点收到一个传感器节点a的上报的数据后，按照如下步骤更新需要修补区 域的列表L 如果上报的数据中存在任意Zn (rl 1(a)，I)，Zn (rl (a)，I’ )和Zn(a，b)区域，将它们添加到列表L0如果上报的数据中包含Zn (rl (a)， )，那么网关节点需要找出该区域的右边界。在所有向网关发送反馈报告的节点中，假设传感器节点b的最左正交线11(b)在传感器节点a的最右正交线rl (a)的右边，并离rl (a)最近，那么将区域Zn (rl (a)，11 (b))视为一个非k-栅栏覆盖感知边界区域，并添加到列表L中。如果这样的节点b不存在，那么将区域Zn(rl(a), I’ )视为非k_栅栏覆盖感知边界区域，并添加到列表，其中I’为带状区域的右边界。有两种特殊情况需要注意首先，网关需要检测从带状区域左边界开始的感知边界区域是否为k-栅栏覆盖，如果不是，则将其添加到列表L。其次，如果网关没有收到任何节点的反馈报告，也就意味着整个带状区域中没有活跃节点，那么网关将整个带状区域添加到列表L。最后，列表中包含了需要修补的覆盖薄弱区域。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。
权利要求
1.一种检测无线传感器网络覆盖质量的方法，用于对包括多个传感器节点和网关节点的无线传感器网络的覆盖质量进行评价，根据所要求的覆盖质量Q*得到并修复覆盖薄弱区域，包括如下步骤 网关节点获取整个无线传感器网络的形状信息，得到带状区域，所述带状区域具有平行的两条曲线边界和与所述曲线边界正交的左边界和右边界； 每个传感器节点a计算最左正交线11 (a)和最右正交线rl (a)，所述带状区域被所述最左正交线11(a)和最右正交线rl (a)截取的区域表示为Zn (11 (a)，rl (a))； 传感器节点a执行以下步骤 检测自最左正交线11(a)到正交线I之间的带状区域Zn(ll(a)，I)是否为非k_栅栏覆盖感知边界区域，其中正交线I介于最左正交线11 (a)和最右正交线rl (a)之间，Zn(Il(Ct)J) c Zn{ll(a),rl(a))\ 检测自最右正交线rl (a)到正交线I’之间的带状区域Zn(ll (a)，I’ )是否为非k_栅栏覆盖感知边界区域； 检测传感器节点a和其相邻的传感器节点b之间的带状区域Zn (a，b)是否是一个长度小于Q*的临界k-栅栏覆盖感知边界区域； 对于非k-栅栏覆盖感知边界区域Zn(ll (a)，I)Zn(11 (a)，I，)、临界k_栅栏覆盖感知边界区域Zn (a, b),传感器节点a上报给网关节点； 网关节点若接收到非k-栅栏覆盖感知边界区域Zn(ll (a)，I) Zn (I I (a), I’)，则将无线传感器网络的覆盖质量表示为存在漏洞，否则，若接收到临界k-栅栏覆盖感知边界区域Zn (a, b)，则将覆盖质量更新为当前覆盖质量和区域Zn(a，b)的长度中的较小值。
2.如权利要求I所述的检测无线传感器网络覆盖质量的方法，其特征在于，所述检测自最右正交线rl (a)到正交线I’之间的带状区域Zn(ll(a)，I’)是否为非k_栅栏覆盖感知边界区域的步骤具体包括 如果在区域Zn(rl (a) Λ")中没有任何传感器节点，其中Vr = Vrl(a)+max{Q*,rmax},那么以Zn(rl(a)， )表示为非k_栅栏覆盖感知边界区域，其中“？ ”表示节点a不知道该区域的右边界，rfflax指传感器节点a的最大感知距离； 否则，节点a通过区域Zn (rl (a)，I")中其它节点来获得Γ的信息，继而检测区域Zn(rl(a)，l')是否满足k_栅栏覆盖。
3.如权利要求2所述的检测无线传感器网络覆盖质量的方法，其特征在于，进一步包括得到修补区域列表 如果传感器节点上报的数据中存在任意Zn(ll(a)，I), Zn(rl(a)，I，)和Zn(a，b)区域，则添加到列表； 如果上报的数据中包含Zn (rl (a)， )，若传感器节点b的最左正交线11 (b)在传感器节点a的最右正交线rl (a)的右边,并离rl (a)最近,那么将区域Zn (rI (a)，11 (b))添加到列表中，否则将Zn (rl (a)，I’ )添加到列表中，其中正交线I’为带状区域的右边界； 如果网关节点未收到任何上报的数据，则将整个带状区域添加到列表中。
全文摘要
本发明涉及一种检测无线传感器网络覆盖质量的方法，用于对包括多个传感器节点和网关节点的无线传感器网络的覆盖质量进行评价，根据所要求的覆盖质量Q*得到并修复覆盖薄弱区域。每个传感器节点a检测自最左正交线ll(a)到正交线l之间的带状区域Zn(ll(a)，l)、自最右正交线rl(a)到正交线l’之间的带状区域Zn(ll(a)，l’)是否为非k-栅栏覆盖感知边界区域以及检测传感器节点a和其相邻的传感器节点b之间的带状区域Zn(a，b)是否是一个长度小于Q*的临界k-栅栏覆盖感知边界区域，网关节点根据每个传感器节点a检测的结果确定网络覆盖质量。上述方法通过对覆盖质量进行量化并定位，可有效解决覆盖质量无法衡量以及覆盖冗余或修复浪费的问题。
文档编号H04W24/04GK102843708SQ20111017006
公开日2012年12月26日 申请日期2011年6月22日 优先权日2011年6月22日
发明者陈爱, 张伟, 朱英, 陈黎霞 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院