專利名稱：滿足給定連通度的弧線型規(guī)則帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種面向帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(下面簡(jiǎn)稱帶狀網(wǎng)或帶狀傳感網(wǎng))的最小規(guī) 模網(wǎng)絡(luò)部署方法，特別是一種滿足給定連通度的弧線型規(guī)則帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方法。
技術(shù)背景帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在圍界仿入侵、智能交通系統(tǒng)、河流/橋梁監(jiān)控等方面具有廣泛的應(yīng) 用前景，最近正成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的一個(gè)分支，并開(kāi)始得到很多實(shí)際有效應(yīng)用。 帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最主要的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)部署呈帶狀、網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具有能量有限、數(shù)量大 等。帶狀傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要部署形式有環(huán)型、沿曲線部署、多重環(huán)型拓?fù)?、以及由這些基本 結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜帶狀拓?fù)涞取顐鞲芯W(wǎng)"帶"的長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，這些特點(diǎn)使得帶狀傳感器網(wǎng) 絡(luò)的健壯度成為部署這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)問(wèn)題。帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的健壯度由帶狀網(wǎng)絡(luò)的連通 度來(lái)衡量，連通度越高的網(wǎng)絡(luò)，其健壯度也越高。目前尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部 署方法方面的報(bào)道。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)出一種滿足給定連通度的弧線型規(guī)則帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方 法。本發(fā)明給出了詳細(xì)流程，通過(guò)這種方法，在給定節(jié)點(diǎn)條件、帶狀網(wǎng)連通度要求下，可以 最小化帶狀網(wǎng)絡(luò)部署規(guī)模。本發(fā)明針對(duì)沿弧線部署的規(guī)則型帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的健壯度網(wǎng)絡(luò)部署的問(wèn)題，提出了 如下技術(shù)方案包括 方案一1) 節(jié)點(diǎn)沿弧線等距離部署，每個(gè)位置只部署一個(gè)節(jié)點(diǎn)；2) 根據(jù)第l)條，提出滿足給定連通度(K9的相鄰節(jié)點(diǎn)最大部署間隔(x)的計(jì)算方 法；3) 根據(jù)第2)條，確定最小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法。 方案二1)節(jié)點(diǎn)沿弧線等距離部署，每個(gè)位置部署M個(gè)節(jié)點(diǎn)，Tl^2;2)根據(jù)第1)條，提出滿足給定連通度(iD的相鄰節(jié)點(diǎn)最大部署間隔的計(jì)算方 法；3)根據(jù)第2)條，確定最小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法。方案三1)沿弧線部署多行節(jié)點(diǎn)，每列節(jié)點(diǎn)M個(gè)，M2，每條弧線上節(jié)點(diǎn)等規(guī)則部署，每列節(jié) 點(diǎn)的延長(zhǎng)線與弧的圓心相交，帶狀傳感器網(wǎng)絡(luò)的寬度為丄，其半徑及22)根據(jù)第l)條，提出滿足給定連通度(iO的相鄰節(jié)點(diǎn)在第；圈弧上的最大允許距離 最大部署間隔(A)的計(jì)算方法；3)根據(jù)第2)條，確定最小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法。 本發(fā)明的帶狀網(wǎng)部署地段預(yù)先給定，且Sink節(jié)點(diǎn)的位置預(yù)先決定的。。總之，本發(fā)明涉及的規(guī)則帶狀傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法具有簡(jiǎn)單、保障網(wǎng)絡(luò)連通度等優(yōu)點(diǎn)， 易于實(shí)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的部署方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、有效保障網(wǎng)絡(luò)連通度，網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性好等。


圖1:沿弧線部署的規(guī)則帶狀傳感器網(wǎng)絡(luò)圖(節(jié)點(diǎn)傳輸半徑較小，使得一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)僅 有兩個(gè)鄰居)，圖中每位置部署單個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖2:沿弧線部署的規(guī)則帶狀傳感器網(wǎng)絡(luò)圖(節(jié)點(diǎn)傳輸半徑較大，使得一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)有 多個(gè)鄰居)，圖中每位置部署單個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖3:沿弧線部署的規(guī)則帶狀傳感器網(wǎng)絡(luò)圖，圖中每位置部署2個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖4:沿弧線部署的規(guī)則窄帶帶狀傳感器網(wǎng)絡(luò)圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明中涉及的帶狀傳感網(wǎng)的連通度，這里作一定義。該定義需要從兩個(gè)方面來(lái)闡 述(1)傳感器節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink)的連通能力；(2)臨近Sink節(jié)點(diǎn)之間的連通能力。 現(xiàn)對(duì)對(duì)這兩方面進(jìn)行分析和闡述，引出帶狀無(wú)線傳感網(wǎng)連通度的定義。任意傳感器節(jié)點(diǎn)到Sink的連通能力給定網(wǎng)絡(luò)中任意一個(gè)傳感器;c,刪除掉多少個(gè)傳感 器節(jié)點(diǎn)就可以使得該傳感器到任何Sink的連接中斷，表征著該段帶狀網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的健壯能 力。存在兩種情況， 一種是處在兩個(gè)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(gè)Sink相鄰。對(duì)于前一種情況，對(duì)于一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，在以該節(jié)點(diǎn)為中心的2倍傳輸 半徑內(nèi)不存在任何其它傳感器節(jié)點(diǎn)，則該節(jié)點(diǎn)到Sink的連接必然中斷。對(duì)于帶狀網(wǎng)來(lái)說(shuō)，則 是指2倍傳輸半徑距離上的帶狀網(wǎng)段只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于后一種情況，對(duì)于一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)， 若它和Sink之間存在一倍傳輸半徑距離上的帶狀網(wǎng)段沒(méi)有節(jié)點(diǎn)，則它與Sink連接中斷。當(dāng)帶狀網(wǎng)存在多個(gè)Sink時(shí)，還存在相鄰Sink之間的連通能力問(wèn)題假定兩個(gè)鄰近sink 節(jié)點(diǎn)為"和v，那么對(duì)w和v之間的帶狀網(wǎng)絡(luò)區(qū)段，在任意單倍節(jié)點(diǎn)傳輸距離的一段帶狀網(wǎng)， 如果不存在任何傳感器節(jié)點(diǎn)，那么"和v之間的連接中斷。雖然相鄰Sink之間的連接中斷并 不一定影響網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上報(bào)(因?yàn)閿帱c(diǎn)處的傳感器節(jié)點(diǎn)還可以選擇仍然相連 的Sink進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào))，但是這種中斷會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)診斷能力、網(wǎng)絡(luò)管理能力和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè) 的連續(xù)性等能力，因此表征著區(qū)段性帶狀傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的能力。因此，本發(fā)明定義區(qū)段性 帶狀網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通度由該段兩個(gè)端點(diǎn)的Sink之間的連通度決定。定義(區(qū)段性帶狀網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通度)任意刪除《-l個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，若該帶狀網(wǎng)滿足以下兩個(gè) 條件(1)任意剩余傳感器仍能與Sink相連通，(2)若該帶上存在多個(gè)Sink，鄰近的sink 節(jié)點(diǎn)對(duì)仍然連通，那么該段帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連通度為《。本發(fā)明針對(duì)規(guī)則帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其帶狀網(wǎng)的寬度較窄，即帶狀網(wǎng)的寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小 于傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑。比如，傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳輸半徑15米，而帶的寬度2 3米。本發(fā)明針對(duì)規(guī)則帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，要求節(jié)點(diǎn)在無(wú)線傳輸方面能力相同，假定節(jié)點(diǎn)規(guī) 則分布，即節(jié)點(diǎn)等距離部署(或者成組節(jié)點(diǎn)等距離部署)，各節(jié)點(diǎn)具備相同的最大傳輸半徑(記 作A)。本發(fā)明假定Sink節(jié)點(diǎn)可靠性很高，網(wǎng)絡(luò)連通性分析中主要考慮由于傳感器節(jié)點(diǎn)的不 可靠而可能導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)中斷、分裂。給定帶狀網(wǎng)連通度要求，記作《，/》1，結(jié)合上述節(jié)點(diǎn)能力和部署規(guī)則，求解傳感器節(jié)點(diǎn) 之間的最大允許距離x。通過(guò)盡量增大;o可以減少在同等網(wǎng)絡(luò)連通能力要求下和節(jié)點(diǎn)能力情 況下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總量，從而降低網(wǎng)絡(luò)部署總成本。本發(fā)明的三種基于連通度、沿弧線部署的規(guī)則帶狀傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法令及2表示帶狀傳感器網(wǎng)絡(luò)部署所沿弧線的半徑，O表示假定該弧線的圓心。在半徑為 及2的弧狀帶狀網(wǎng)上，如果兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)A/和W相鄰，那么它們所對(duì)應(yīng)的圓心角ZMCWS2xarccos(^");否則M和iV之間的幾何距離將大于i !，與兩節(jié)點(diǎn)相鄰的前提假定 相矛盾。為了方便起見(jiàn)，我們令a-2xarccos(-^)。 ot是相鄰一對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)在帶狀弧上的最大允許圓心角的值(如圖l、圖2所示)。下面給出針對(duì)弧線型帶狀網(wǎng)的三種部署方法。方法l如圖l、圖2所示，每個(gè)位置只部署一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)沿弧線等距離部署。給定網(wǎng)絡(luò)連通度要求《，則節(jié)點(diǎn)最大允許間距X計(jì)算方法如下 當(dāng)《=1時(shí)，X=i i;當(dāng)K22時(shí)，；c《^2及22-2i 22cos!。因此，jc = J2i 22 — 2/ 22 cos^ V 尺 V 尺方法2如圖3所示，每個(gè)位置部署M個(gè)節(jié)點(diǎn)，il^2。當(dāng)」2及22 -2及22 cos2 1x^ !時(shí)，《=M; 2V 32當(dāng)」2及22—2^ 220>8~^~^^、2及22-2及220)32時(shí)，X=^.M，其中A是一個(gè)大于等于2的整數(shù)。相應(yīng)地，網(wǎng)絡(luò)連通度K與相鄰列節(jié)點(diǎn)之間的距離之間的關(guān)系如下如果i^:^m， x = i 1;(此時(shí)網(wǎng)絡(luò)連通度為M)如果M〈/^2M， x=」2i 22 — 2/ 22cost;(此時(shí)網(wǎng)絡(luò)連通度為2M)如果(^l)Af〈X^.抓x=」2J 22 -2及22 cos二 ，其中it是一個(gè)大于等于2的整數(shù)(此時(shí)網(wǎng)絡(luò)連通度為^M)。方法3如圖4所示，沿弧線部署多行節(jié)點(diǎn)，每列節(jié)點(diǎn)M個(gè)，M22，每條弧線上節(jié)點(diǎn)等規(guī)則部署， 每列節(jié)點(diǎn)的延長(zhǎng)線與弧的圓心相交。帶狀傳感器網(wǎng)絡(luò)的寬度為丄，其半徑i 2。圖4中， 及p)maxWi，丄}。為了使得相鄰兩列節(jié)點(diǎn)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在拓?fù)渖隙际窍噜彽模髢闪泄?jié)點(diǎn)中最遠(yuǎn)的一對(duì)的距離小于等于A。對(duì)應(yīng)圖4中，要求線段MP最大距離為^。 根據(jù)三角形特性，在APMO中有i 22 + (i 2 +丄)2 — i ,2 2/ 22 +丄2 + 2丄.W2 —在AMNO中，線段MN之間的最大允許距離記作A計(jì)算方法如下 J2 = 2i 22 —2及2 cosaj = ^/2及22 -2i 22 'cosa那么or = 2 x arccos(-)2及2令A(yù)代表相鄰列節(jié)點(diǎn)在最內(nèi)圈弧上的最大允許距離，x,代表相鄰列節(jié)點(diǎn)在第/圈 弧(從內(nèi)向外)上的最大允許距離，1</^M。 當(dāng)1^:^A/時(shí)，X產(chǎn)J;當(dāng)(A-l)Af〈A^kA/時(shí)，(其中*是大于1的整數(shù))，；c, S 、2及22 -2及22 cos^ ;因此，& =」2/ 22 — 2if22cos—;將上述兩種情況統(tǒng)一起來(lái)，我們有當(dāng)(;t-l)A/〈i:^M時(shí)，；c,=」2及22 —2if22cost ,V A:其中fel。 根據(jù)三角形特性及2+^1！-;c, =-^~~」2及22 — 2及22 cos汪，1&^M。' 及2 V 2 2 )k基于以上三種弧線型帶狀網(wǎng)部署方法(方法l、方法2和方法3)的最小網(wǎng)絡(luò)規(guī)模計(jì)算方法。在給定網(wǎng)絡(luò)連通度要求下，上述三種方法各自確定了各自方法所求解的最鄰近傳感器節(jié) 點(diǎn)之間的最大允許圓心角。為了分析方便起見(jiàn)，假定方法1針對(duì)的部署模式M4，這樣方法 1只是方法2的一種特例。鑒于方法1-3針對(duì)規(guī)則部署帶狀網(wǎng)，令每對(duì)相鄰傳感器節(jié)點(diǎn)(方 法l)、或者每對(duì)相鄰傳感器節(jié)點(diǎn)簇(方法2)、或者每列相鄰傳感器節(jié)點(diǎn)(方法3)對(duì)應(yīng)的弧型帶狀網(wǎng)的圓心角記做A。令整個(gè)弧型帶狀網(wǎng)上對(duì)應(yīng)的圓心角為/9，為方便表達(dá)，令方法1中，M=l。則根據(jù)方法1或方法2或方法3的最小網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為M
權(quán)利要求
1、一種滿足給定連通度的弧線型規(guī)則帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方法，其特征在于1)節(jié)點(diǎn)沿弧線等距離部署，每個(gè)位置只部署一個(gè)節(jié)點(diǎn)；2)根據(jù)第1)條，提出滿足給定連通度(K)的相鄰節(jié)點(diǎn)最大部署間隔(x)的計(jì)算方法；3)根據(jù)第2)條，確定最小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的滿足給定連通度的弧線型規(guī)則帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方法， 其特征在于，對(duì)于給定連通度(《入相鄰節(jié)點(diǎn)最大部署間隔的計(jì)算方法為x= 2及22-2i 22COS^，其中a是相鄰一對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)在帶狀弧上的最大允許圓心角的值，a-2xarccos^^),^表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的相同的最大傳輸半徑，及2表示帶狀傳感器網(wǎng)絡(luò)部署 所沿弧線的半徑。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的滿足給定連通度的弧線型規(guī)則帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方法，其特征在于最小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法為,其中a =2xarccos(~^~), / 為整個(gè)弧型帶2.7 ,狀網(wǎng)上對(duì)應(yīng)的圓心角。
4、 一種滿足給定連通度的弧線型規(guī)則帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方法，其特征在于 1)節(jié)點(diǎn)沿弧線等距離部署，每個(gè)位置部署M個(gè)節(jié)點(diǎn)，il企2;2)根據(jù)第1)條，提出滿足給定連通度(iO的相鄰節(jié)點(diǎn)最大部署間隔(X)的計(jì)算方法；3)根據(jù)第2)條，確定最小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于連通度的滿足給定連通度的弧線型規(guī)則帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)布設(shè)方法，其特征在于相鄰節(jié)點(diǎn)最大部署間隔的計(jì)算方法為-如果(/t-l)M〈尤^:.M, jc=, 2i 22 - 2及Zcos三，其中A:是一個(gè)大于等于2的整數(shù)(此時(shí)網(wǎng)絡(luò) 連通度為^M)。
6、根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于連通度的滿足給定連通度的弧線型規(guī)則帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方法，其特征在于最小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法為M-
7、 一種滿足給定連通度的弧線型規(guī)則帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方法，其特征在于 1)沿弧線部署多行節(jié)點(diǎn)，每列節(jié)點(diǎn)M個(gè)，M22，每條弧線上節(jié)點(diǎn)等規(guī)則部署，每列節(jié) 點(diǎn)的延長(zhǎng)線與弧的圓心相交，帶狀傳感器網(wǎng)絡(luò)的寬度為L(zhǎng)，其半徑/ 2 2)根據(jù)第i)條，提出滿足給定連通度(a:j的相鄰節(jié)點(diǎn)在第/圈弧上的最大允許距離最大部署間隔(x,)的計(jì)算方法； 3)根據(jù)第2)條，確定最小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的滿足給定連通度的弧線型規(guī)則帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方法，其特征在于相鄰節(jié)點(diǎn)最大部署間隔的計(jì)算方法為<formula>formula see original document page 3</formula>, a是相鄰一對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)在帶狀弧上的最大允許圓心角的值。
9、根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于連通度的滿足給定連通度的弧線型規(guī)則帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方法，其特征在于最小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法為，M-^為整個(gè)弧型帶狀網(wǎng)上對(duì)應(yīng)的圓心角。a,其中a' = 2 x arccos( Xl )， 2.及/
全文摘要
本發(fā)明提出了基于連通度的沿弧線、規(guī)則型帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法，包括節(jié)點(diǎn)沿弧線等距離部署，提出滿足給定連通度的相鄰節(jié)點(diǎn)最大部署間隔的計(jì)算方法；確定最小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法。本發(fā)明能夠滿足帶狀傳感器網(wǎng)絡(luò)的連通度要求和給定要求下的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模最小化要求，具有簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)部署成本低等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04L12/28GK101247303SQ20081006119
公開(kāi)日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2008年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月20日
發(fā)明者劉海濤, 鄭 姚, 鋒 張, 張寶賢, 壯 趙, 雪 高, 奎 黃 申請(qǐng)人:中科院嘉興中心微系統(tǒng)所分中心