无线传感器网络连接的快速恢复

### 无线传感器网络连接的快速恢复 #### 1. 引言 在无线传感器网络（WSN）中，维持节点间的连接性至关重要。数据流量通常集中在汇聚节点周围的传感器节点上，这些瓶颈节点的电池消耗速度比其他节点快，可能导致汇聚节点与网络其他部分隔离，使网络被划分为不相连的区域（即“洞”）。若网络在首次出现“洞”时就失效，剩余资源将被浪费。因此，维持网络连接性是确保应用程序正常运行的关键问题。 为解决这一问题，提出了CoMN2协议，该协议利用无线传感器的非均匀消耗、流量分布和部署情况，采用移动节点在映射网络中恢复WSN的连接性。CoMN2引入了“网络映射”的新概念，将网络划分为多个关键程度逐渐增加的区域。 #### 2. 问题陈述 - **节点连接性的重要性**：许多应用（如灾难管理）需要高效且高度可靠的节点协作，以评估损失并确定安全逃生路径。关键区域传感器的故障可能会导致网络出现“洞”，降低网络运行效率。 - **热点问题**：汇聚节点周围的传感器节点需要转发整个网络的数据，能量消耗过快，可能导致汇聚节点与网络隔离，即使其他节点仍正常工作，整个网络也可能失效。 - **节点活动的非均匀性**：在混合网络中，传感器节点的活动可能不均匀，某些节点的电池消耗速度比其他节点快。同时，一些区域存在过多传感器，形成冗余传感区域，这些区域中传感器的丢失不会影响网络的其他部分。 基于以上情况，问题可以表述为： - 如何从节点故障中恢复？ - 何时应替换受损节点，哪些节点对网络的正常运行至关重要？ - 如何处理网络的不可预测动态？ #### 3. CoMN2协议 ##### 3.1 机制概述 考虑一个包含静态传感器、汇聚节点和移动节点的混合WSN。移动节点资源丰富，具有高处理能力和长电池寿命。传感器随机分布在网络中，每个节点都知道自己的位置和剩余能量。传感器与移动节点之间的通信通过汇聚节点进行。 为避免节点故障导致网络分割，CoMN2使用移动节点将故障节点与冗余区域的节点进行交换，同时通过网络映射对节点进行分类，以处理稀疏节点的同时故障。 ##### 3.2 网络模型 网络映射的思想源于传感器在网络中的活动不均匀。根据节点的活动情况，将传感器区域划分为重要性逐渐增加的区域。网络被分为三个关键程度逐渐增加的区域： - **区域1**：汇聚节点周围的节点以及一些因应用需求而高度活跃的节点。 - **区域2**：除区域1和区域3之外的节点。 - **区域3**：邻居数量超过10的节点，这些节点所在区域的重要性较低。 网络地图将根据节点的活动情况动态更新。 ##### 3.3 协议操作 - **节点的初始区域分配**：移动节点维护一个ZoneAffectationTable，包含五个参数：{Id, Pos, NN, RZ, Zone}。每个节点将其邻居数量（NN）和位置（Pos）发送给汇聚节点，汇聚节点再将信息转发给移动节点。移动节点根据邻居数量对节点进行区域分配： - 如果NN≥10，Zone = 3 - 否则，Zone = 2 汇聚节点周围的节点自动分配到区域1。 | 参数 | 含义 | | ---- | ---- | | Id | 每个节点的唯一标识符 | | Pos | 节点的本地位置 | | NN | 邻居数量 | | RZ | 风险区域的二进制参数（1表示风险区域，0表示非风险区域） | | Zone | 区域分配（1表示最关键区域，2表示次关键区域，3表示非关键区域） | - **网络映射的更新**： - **邻居数量更新**：相邻节点之间定期发送HEARTBEAT消息，若某个邻居节点没有响应