阅读说明：本技术 一种基于反射特性的低能耗自由空间光网络修复方法 (Low-energy-consumption free space optical network restoration method based on reflection characteristics ) 是由 尹荣荣 刘蕾 韩辉 李雅倩 王静 赵凝 于 2020-04-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于反射特性的低能耗自由空间光网络修复方法,其包括以下步骤：在自由空间光网络工作时,根据现有Heartbeat机制监测节点亚死亡状态,获取节点信息；当节点彻底死亡后,通过节点信息确定节点类型,将监测区域划分成规则的网格,根据Neyman-Pearson判决准则,建立Neyman-Pearson模型,确定网格点覆盖状态；通过模型对死亡节点及周围网格点的探测概率进行计算,根据不同节点类型寻找最佳位置修复空洞。本发明提出了改进最小覆盖圆修复方法和能量覆盖综合评价模型,对死亡节点进行分类修复,通过寻找最优修复位置提高网络覆盖,并且引入带镜子的节点,降低能量消耗,延长修复后网络生命期。(The invention provides a low-energy-consumption free space optical network repairing method based on reflection characteristics, which comprises the following steps of: when the free space optical network works, monitoring the sub-death state of the node according to the existing Heartpoint mechanism, and acquiring node information; when the node dies completely, determining the node type through node information, dividing a monitoring area into regular grids, establishing a Neyman-Pearson model according to a Neyman-Pearson judgment criterion, and determining the coverage state of the grid points; and calculating the detection probability of dead nodes and surrounding grid points through the model, and searching the optimal position according to different node types to repair the cavity. The invention provides an improved minimum coverage circle repairing method and an energy coverage comprehensive evaluation model, carries out classified repairing on dead nodes, improves network coverage by searching for an optimal repairing position, and introduces nodes with mirrors, thereby reducing energy consumption and prolonging the network life period after repairing.)

一种基于反射特性的低能耗自由空间光网络修复方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于反射特性的低能耗自由空间光网络修复方法。

背景技术

如今，网络已成为人们生活中相当重要的一部分，而自由空间光网络(FSONs)具有传输数据速率高、安全性高、频谱不规范等优点。在FSON中，由于波束非常窄且方向性高，能量消耗不均匀以及环境影响，一些节点一旦出现故障死亡，不仅会造成覆盖空洞，还会造成更多的链路中断，同时会降低网络监测数据的准确性，从而严重影响网络性能，造成能源浪费。因此，如何检测和修复覆盖空洞，使网络恢复正常运行是FSON的主要问题。

目前还没有针对自由空间光网络修复的方法，而传统无线网络修复的研究主要通过几何方法，找出传感器网络中覆盖空洞的最佳修复位置。根据修复点的位置新增正常节点，保证网络中节点冗余度的前提下，达到修复覆盖空洞的目的。但新增正常节点的修复方法中没有考虑修复后节点能耗，从而很容易因为能耗不均使网络再次失效，相比于传统无线网络修复，自由空间光网络由于波束的方向性，节点因能量耗尽死亡对网络的影响更大，破坏性更强。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种有效的自由空间光网络中死亡节点的修复方法，一方面采用改进最小覆盖圆修复方法，增加最少的正常节点替换死亡节点，修复死亡节点造成的空洞，提高网络覆盖、恢复网络连通；另一方面，提出覆盖能量综合评价模型，创造性地引入带镜子节点进行修复，避免了修复后节点能耗依旧不均，至使新添加的正常节点再次快速死亡的情况，达到准确修复空洞同时延长网络生命期的目的。

本发明一种基于反射特性的低能耗自由空间光网络修复方法，其包括以下步骤：步骤一，在自由空间光网络工作时，根据现有Heartbeat机制监测节点亚死亡状态，获取节点信息；步骤二，当亚死亡节点彻底死亡后，根据获取的节点信息确定节点的类型，将节点区分为中继型节点和非中继型节点；步骤三，确定死亡节点所在网格点及周边网格点覆盖状态，将监测区域划分成规则的网格，首先根据Neyman-Pearson判决准则，建立Neyman-Pearson模型,计算死亡节点所在网格点及周边每个网格点的联合探测概率，再为网格点探测概率设定阈值，根据该概率与阈值的比较关系将网格点覆盖状态分为有效覆盖、可能覆盖及覆盖空洞；步骤四，根据死亡节点类型及周边网格点覆盖状态，寻找最佳位置分别对死亡节点进行修复；对于非中继型的死亡节点，修复过程为：S1、根据步骤三得到的死亡节点所在网格点及周围网格点的覆盖状态，分别选取因节点死亡产生的n个空洞网格点的横向坐标、纵向坐标的最大、最小四个边缘网格点的坐标集，并将这四个网格点按顺时针方向排序；S2、将四个网格点连接形成四边形，并做出四边形的内切圆；S3、求得内切圆圆心，所得内切圆圆心即为修复的最佳位置；S4、将普通节点放置在最佳位置上进行光网络修复；对于中继型的死亡节点，修复过程为：P1、根据步骤三得到的死亡节点所在网格点及周围网格点的覆盖状态，按不同权重比例，相加计算得到修复前覆盖空洞和可能覆盖的面积之和及修复后覆盖空洞和可能覆盖的面积之和，将二者相比得到覆盖比值；P2、通过自由空间光能量模型，考虑引入镜子修复后，镜子节点的能量模型；P3、选择最大概率可以通过死亡节点位置反射的节点对；P4、通过覆盖比值和引入镜子修复后的镜子节点的能量模型建立覆盖能量综合评价模型；P5、在反射成立和通过镜子节点恢复通信节点的通信区域的约束下，通过综合评价模型找到带镜子节点的最佳修复位置；P6、将带镜子修复节点放置在最佳位置，修复通过该节点通信的一对节点对的通信；P7、其他需要通过该节点恢复通信的节点对选择离它最近的可通信正常节点恢复通信。

优选地，步骤一中所述节点信息包括节点位置、节点通信方式及需要通过该节点通信的节点对的位置信息，所述节点对由源节点和目的节点组成。

优选地，步骤二中所述中继型结点在通信中承担转发任务，所述非中继型节点在通信中不承担转发任务。

优选地，P3步骤中选取节点对的过程为，根据死亡节点信息需要通过镜子节点恢复通信的节点对可能存在多对，不同节点对和死亡节点构成不同的三边形，选择最接近等边三角形的节点对，做为最大概率可以通过死亡节点位置反射的节点对。

优选地，P6步骤中其他需要通过该节点恢复通信的节点选择离它最近的可通信正常节点恢复通信的具体步骤为：P61、需恢复通信节点发送消息，其中包含它的位置信息；P62、通信范围内的其它节点接收到消息，根据该节点的位置信息，发送回自己的位置信息至该节点；P63、该节点通过对接收到的信息进行判别，选择距离最小的节点完成恢复通信。

优选地，P1步骤中覆盖比值的建立公式如下：

f＝P₁/P (6)

其中，S₀为修复前覆盖空洞面积，S₁为可能覆盖面积，将面积按不同权重比例相加，得到空洞值为P；S₁₀为修复后覆盖空洞面积，S₁₁为可能覆盖面积，将面积按不同权重比例相加，得到空洞值为P₁，f为覆盖比值。

优选地，P2步骤中引入镜子修复后，镜子节点的能量模型建立如下；

根据自由空间光通信能量模型得出三个节点能耗E为：

其中，E_T为源节点能耗，E_M为镜子节点能耗，E_R为目的节点能耗，m₁表示源节点传送数据包的比特数，ε表示自由空间光波的能量系数，为发散角，l为通信距离，E_{TX_PE}表示传输单位比特数据光电子元器件消耗的能量，m₂表示镜子节点传送数据包的比特数，E_RX表示接收单位比特数据所需要消耗的能量。

优选地，P2步骤中覆盖能量综合评价模型W为：

其中，f为覆盖比值；E为节点能耗。

本发明的效果如下：

本发明在提出一种改进最小覆盖圆修复方法和覆盖能量综合评价模型的前提下，采用所提出的改进方法和评价模型对死亡节点进行分类修复，采用改进最小覆盖圆修复方法对非中继节点产生的空洞进行修复，通过寻找最优修复位置提高网络覆盖；引入带镜子的节点，其中镜子节点是在节点架构的基础上把角立方结构换成平面镜,与普通节点相比，不仅可以正常收发消息还可通过镜子反射发送消息。通过覆盖能量综合评价模型对中继节点产生的空洞进行修复，延长修复后网络生命期。

附图说明

图1是本发明基于反射特性的低能耗自由空间光网络修复方法的非中继型节点修复示意图；

图2是本发明的中继型节点修复示意图；以及

图3是本发明的流程图。

图中：

1-纵向坐标最大边缘网格点；2-横向坐标最小边缘网格点；3-纵向坐标最小边缘网格点；4-横向坐标最大边缘网格点；5-四边形；6-内切圆；7-非中继型节点最佳修复位置；8-多边形；9-圆心位置：12-垂直平分线；13-可通信扇形区域；14-可放置镜子节点的位置区域；15-带镜子节点的最佳修复位置。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图对本发明进行说明。

如图1-3所示，此基于反射特性的低能耗自由空间光网络修复方法按以下步骤实施：

第一步，在自由空间光网络工作时，根据现有Heartbeat机制监测节点亚死亡状态，获取节点信息。节点信息包含节点位置信息、节点通信方式及需要通过该节点通信的节点对的位置信息。节点对是指需要通过亚死亡节点传输信息的源节点及下一跳目的节点。

第二步，当亚死亡节点彻底死亡后，根据获取到的节点信息中的通信方式判定死亡节点的类型，其中，承担转发任务的节点为中继型结点，不承担转发任务的节点为非中继型节点。

第三步，将监测区域划分成规则的网格，根据Neyman-Pearson判决准则，建立Neyman-Pearson模型,将网格点覆盖状态分为三类(有效覆盖、可能覆盖、覆盖空洞)，步骤如下：

当节点死亡时，将监测区域划分成N×N个单位网格，可得到(N+1)×(N+1)个单位网格点，对死亡节点所在的网格及其四周网格进行监控，根据Neyman-Pearson判决准则，建立Neyman-Pearson模型。得到死亡节点周围网格点的探测的概率目标j被i探测的概率P_ij为：

式中，为标准正态分布的累计分布函数；α为误警率；β为σ为高斯噪声的标准差；S为探测目标节点的能量，γ为路径损失系数；R_ij为节点i和目标j的距离。

当区域内有k个节点时，目标j被探测的联合探测概率为：

根据公式(2)计算死亡节点及周边每个网格点的联合探测概率，直到网格点覆盖状态为有效覆盖则停止计算，考虑网络修复时空洞增大的特性，每个网格点探测概率设定两个阈值P_S1、P_S2，可将第k个网格点的覆盖状态定义为：

如果计算所得探测概率小于P_S1，则认为该网格点为覆盖空洞点，大于等于P_S1小于P_S2，则认为该网格点可能被覆盖，大于等于P_S2，则认为该网格点被有效覆盖，从而将网格点覆盖状态分为三类，即有效覆盖、可能覆盖和覆盖空洞。

第四步，根据死亡节点的类型及周边网格点覆盖状态，寻找最佳位置分别对死亡节点进行分类型的修复。

第五步，首先是对非中继节点的修复，采用改进最小覆盖圆修复方法寻找最佳修复位置进行修复，步骤如下：

当非中继型节点死亡时，根据第三步得到的死亡节点所在网格点及周围网格点的覆盖状态，并得到覆盖状态为覆盖空洞的网格点组成的区域，对每一个死亡节点产生的n个空洞，分别取其纵向坐标最大边缘网格点1、横向坐标最小边缘网格点2、纵向坐标最小边缘网格点3和横向坐标最大边缘网格点4的坐标集，并将这四个边缘网格点按顺时针方向排序，记为U₀＝{(x₁,y₁),(x₂,y₂),(x₃,y₃),(x₄,y₄)}将U₀四个边缘点连接形成四边形5，并做出四边形的内切圆6，求得四边形内切圆圆心(x_h,y_h)，圆心坐标即为非中继型节点最佳修复位置7，为了保证最大的覆盖范围，将普通节点作为修复节点放置在圆心坐标上进行光网络修复。

第六步，其次是对中继型节点的修复，步骤如下：

Q1、根据覆盖状态定义，计算覆盖比值；

根据公式(3)得到死节点及其周围所有网格点的覆盖状态，计算修复前覆盖空洞面积S₀和可能覆盖(可能空洞)面积S₁，将面积按不同权重比例相加，得到空洞值为P；计算修复后覆盖空洞面积为S₁₀和可能覆盖(可能空洞)面积为S₁₁，将面积按不同权重比例相加，得到空洞值为P₁，建立公式如下：

f＝P₁/P (6)

其中，S₀为修复前覆盖空洞面积，S₁为可能覆盖面积，将面积按不同权重比例相加，得到空洞值为P；S₁₀为修复后覆盖空洞面积，S₁₁为可能覆盖面积，将面积按不同权重比例相加，得到空洞值为P₁，f为覆盖比值。

Q2、通过自由空间光能量模型，考虑引入镜子修复后，镜子节点的能量模型,具体步骤为：

节点死亡后，通过死亡节点通信的源节点和目的节点通信中断，加入镜子节点，通过反射恢复与目的节点的通信，源节点发送消息只需到镜子节点，然后通过反射与目的节点通信，镜子节点把自己感知的消息发送给目的节点，目的节点则需要接收镜子节点和源节点发送的数据，源节点T到镜子节点M和镜子节点M到目的节点R的通信距离一样，根据自由空间光通信能量模型得出三个节点能耗E：

其中，E_T为源节点能耗，E_M为镜子节点能耗，E_R为目的节点能耗，m₁表示源节点传送数据包的比特数，ε表示自由空间光波的能量系数，为发散角，l为通信距离，E_{TX_PE}表示传输单位比特数据光电子元器件消耗的能量，m₂表示镜子节点传送数据包的比特数，E_RX表示接收单位比特数据所需要消耗的能量。

Q3、根据监测获取的节点信息，得到需要通过死亡中继节点通信的所有节点对，在添加镜子节点修复时，不同节点对和死亡节点构成不同的三边形，选择最大概率可以通过死亡节点位置反射的节点对，即最接近等边三角形的节点对，作为通过镜子节点恢复通信的节点对。

Q4、通过覆盖比值和引入镜子修复后的能量模型建立覆盖能量综合评价模型，然后在反射成立和通过镜子节点恢复通信节点的通信区域的约束下，通过综合评价模型寻找带镜子节点的修复位置，具体修复步骤为：

通过节点亚死亡状态获取的信息可知，和死亡节点传输信息的两节点坐标分别为T(a,b)和R(c,d)，镜子节点M位置(x,y)满足反射条件，则镜子节点M位置和通信的两节点坐标关系如下：

y＝-(c-a)/(d-b)x+(d²-b²)+(c²-a²)/2(d-b) (8)

设U＝-(c-a)/d-b,N＝(d²-b²)+(c²-a²)/2(d-b)，根据中继型节点死亡时，节点周围空洞形成的多边形8，按非中继节点模式得到覆盖最好时的位置即为圆心位置9，坐标为(x_h,y_h)，其和镜子节点的距离r为：

由公式(9)可知r²和x满足一元二次方程，函数曲线开口向上，在x_coveragebest＝-(UN-x_h-Uy_h)/(1+U²)时对称，所以x＝x_coveragebest时，r最小，随着x的增大或减小，r逐渐增大。而覆盖的空洞面积S₁₀和可能空洞面积S₁₁随覆盖圆圆心和镜子圆心距离r变大随之变小。即x越接近x_coveragebest，r越小，覆盖的空洞面积S₁₀和可能空洞面积S₁₁越大，因此覆盖比值f也越大。

根据公式(8)知需要镜子节点恢复通信的节点对和镜子节点的通信距离l为：

由公式(10)知，l²和x满足一元二次方程，函数曲线开口向上，x_energybest＝-(UN-Ub-a)/(1+U₂)时对称，x＝x_energybest时，节点不能通过镜子节点反射，所以x取不到-(UN-Ub-a)/(1+U₂)，x越接近x_energybest，l越小。而节点能耗E随发送距离l的增大而增大，即x越接近x_energybest，节点能耗E越小。

对于死亡的中继型节点，根据公式(9)和(10)，可知镜子节点位置同时影响覆盖比值f和节点能耗E，对E和f进行极值化标准到(0,1)。覆盖越大且能量越小，镜子节点位置才越好，因此建立覆盖能量综合评价模型W为：

因自由空间光通信的方向性，带镜子的修复节点不仅需要满足公式(8)即在源节点T(a,b)和目的节点R(c,d)所形成线段的垂直平分线12上，还需在源节点T的可通信区域内，源节点T随机方向为θ、可通信距离为l_max，则带镜子节点M需要满足l(T,M)≤l_max，且带镜子节点得到源节点T的可通信扇形区域13，根据公式(8)和得到的可通信扇形区域13得到可放置镜子节点的位置区域14，在可放置镜子节点的位置区域里，寻找W最大时的位置，即带镜子节点的最佳修复位置15。

Q5、因为光学传感器可通信区域和发送设备和接收设备个数的限制，需要通过镜子节点恢复通信的节点对可能存在多对，但一般不会超过三对，添加镜子节点修复时，不同节点对和死亡节点构成三边形，选择最接近等边三角形的节点对，通过镜子节点恢复通信，其他通过死亡中继节点转发消息的节点则在它可通信区域内，寻找距离它最近的正常节点作为它的下一跳，恢复正常通信。步骤如下：

设其他通过死亡中继节点转发消息的节点为s，节点s发送消息，其中包含它的位置信息，当周围的节点在它的通信范围内，并接收到了它的消息，根据节点s的位置信息，把自己的位置信息发送回节点s，当节点s只接收到一个节点发送的信息包时，将信息包内节点位置添加到它的下一跳路由；当收到多个信息包，则通过获取可通信节点的位置坐标，计算节点s和每个可通信节点的距离，选择距离最小的节点，将节点位置添加到它的下一跳路由。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。