一种自组织网络的网关部署方法

1.本发明涉及自组织网络技术领域，尤其涉及一种自组织网络的网关部署方法。


背景技术：

2.自组织网络是由许多传感器节点组成的一种自组织、多跳、无线通信的网络，网络中的每个节点既可以作为路由器又可以作为普通主机。为实现解决自组织网络接入互联网的问题，通常采用网关设备将不同类型的节点进行互联，网关设备为节点担当转发数据的功能。由于单网关的覆盖范围有限，单个网关无法提供对整个网络区域的全面覆盖，会造成网络的连接性降低，因此网关部署是否合理对网络性能有较大影响。
3.目前，基于覆盖范围的网关部署的方法主要分为两种：一种是通过增加网关数量提高网关的覆盖率，但是由于网关的部署成本很高，网关数量过多，会造成网关覆盖范围的重叠和资源的浪费。另一种方法利用集合覆盖算法得到可以覆盖全部节点的覆盖圆，最后，调整最大圆的半径作为优化目标，但是会导致网关覆盖半径过大，网络服务质量下降。


技术实现要素：

4.为了解决单网关覆盖范围有限和多网关部署成本高的问题，本发明提供了一种在节点静止状态下，基于覆盖范围的网关部署方法，以减少网关数量和最大化网关覆盖范围为目标，利用四角剖分和四染色的思想解决了自组织网络下基于覆盖范围的网关部署问题。
5.本发明提供一种自组织网络的网关部署方法，包括：
6.步骤1：确定自组织网络中位于网络最外层的所有节点，记作最外层节点；将所有最外层节点首尾相连，形成一个封闭的网络区域；
7.步骤2：将所述封闭的网络区域划分为若干个四角形区域；
8.步骤3：选取四种不同颜色，为所有四角形顶点均染上颜色；其中，同一个四角形的四个顶点的颜色应互不相同；
9.步骤4：选定四种颜色中的一种颜色，将选定颜色对应的节点作为网关。
10.进一步地，步骤2具体包括：
11.将所述封闭的网络区域看作一个平面多边形，自组织网络中的最外层节点为所述平面多边形的顶点，自组织网络中的其余节点位于所述平面多边形内部；
12.以两个顶点为一组，将所述平面多边形的所有顶点划分为若干组顶点对；针对每组顶点对，在两个顶点之间进行连线以将所述平面多边形划分为若干个四角形区域；其中，若干组顶点对之间的连线互不相交。
13.进一步地，所述平面多边形为凸多边形。
14.进一步地，步骤4具体包括：
15.统计每种颜色的顶点的个数，将第一种颜色、第二种颜色、第三种颜色和第四种颜色的顶点的集合依次记为t1、t2、t3、t4；其中，t1≤t2≤t3≤t4；
16.选择第一种颜色集合中的节点作为网关，并设定每个网关的覆盖半径使得其能够覆盖预先给定的覆盖区域。
17.本发明的有益效果：
18.本发明提供的一种自组织网络的网关部署方法，可以大大降低网关部署成本并且使所有的节点都能被网关覆盖，提高网关的覆盖率，解决了自组织网络中节点不能完全被网关覆盖或部署成本较高的问题。
附图说明
19.图1为本发明实施例提供的一种自组织网络的网关部署方法的流程示意图；
20.图2为本发明实施例提供的形成一个封闭的网络区域的示意图；
21.图3为本发明实施例提供的将封闭的网络区域划分为若干个四角形区域的示意图；
22.图4为本发明实施例提供的将四角形的四个顶点染上不同颜色的示意图；
23.图5为本发明实施例提供的选择网络节点的示意图。
具体实施方式
24.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.如图1所示，本发明实施例提供一种自组织网络的网关部署方法，包括以下步骤：
26.s101：构建网络模型，具体为：如图2所示，将随机分布的节点保持静止状态，确定自组织网络中位于网络最外层的所有节点，记作最外层节点；将所有最外层节点首尾相连，形成一个封闭的网络区域；
27.具体地，假设节点在随机分布的情况下，每个节点可以利用节点定位技术，获取自身的位置，自组织网络中的每个节点可以通过多跳的方式与其他节点通信，所以每个节点除了知道自身的节点外，还知道其他节点的位置，以此来确定最外层节点。关于节点定位技术可以采用现有的已成熟的定位方法，此处不再赘述。
28.s102：基于网络模型的四角剖分，具体为：将所述封闭的网络区域划分为若干个四角形区域；
29.具体地，如图3所示，将所述封闭的网络区域看作一个平面多边形，自组织网络中的最外层节点为所述平面多边形的顶点，自组织网络中的其余节点位于所述平面多边形内部；以两个顶点为一组，将所述平面多边形的所有顶点划分为若干组顶点对；针对每组顶点对，在两个顶点之间进行连线以将所述平面多边形划分为若干个四角形区域；其中，若干组顶点对之间的连线互不相交。
30.优选地，所述平面多边形为凸多边形，如此任意两个顶点间的连线位于多边形的内部或边上。本实施例中的四角形是指具有四个角的凸多边形。两个顶点之间的连线是一条开的线段，并且完全落在平面多边形内部。
31.可以理解的是，还可以基于网络模型进行三角剖分、五角剖分等，考虑到尽可能减
少网关的数量，以及尽可能地实现全覆盖，本实施例中选取了进行四角剖分。
32.s103：基于四角剖分的四染色，具体为：选取四种不同颜色，为所有四角形顶点均染上颜色；其中，同一个四角形的四个顶点的颜色应互不相同；
33.如图4所示，将每个四角形的顶点分别染上红色、黄色、蓝色和绿色。
34.需要注意的是，步骤s102的剖分方式和步骤s103的染色方式是存在对应关系的；例如，若选择三角剖分，则采用三染色；若采用五角剖分，则采用五染色；本实施例中，由于步骤s102采用的是四角剖分方式，因此，本步骤采用四染色的染色方式。
35.s104：网关位置选择：选定四种颜色中的一种颜色，将选定颜色对应的节点作为网关。
36.若采用传统的网关部署方法，需要部署n个网关，那么通过采用本技术的四角剖分和四染色方式，事实上已经将网关数量由n缩小到了n/4，也就是说，已经在保证全覆盖的情况下，极大地减少了网关部署数量，从而节约了部署成本。因此，此时，可以任意选择四种颜色中的任意一种颜色所对应的节点作为网关。例如，如图5所示，本实施例中，选择着色为蓝色的节点为网关节点。由图5可知，本发明的网关部署方法可以实现所有节点的全覆盖。
37.此外，为了进一步减少网关部署数量，作为一种可实施方式，还可以采用如下方式来选定网关：
38.统计每种颜色的顶点的个数，将第一种颜色、第二种颜色、第三种颜色和第四种颜色的顶点的集合依次记为t1、t2、t3、t4；其中，t1≤t2≤t3≤t4；
39.选择第一种颜色集合中的节点作为网关，并设定每个网关的覆盖半径使得其能够覆盖预先给定的覆盖区域。
40.例如，假设t1为红色顶点的集合，t2为黄色顶点的集合，t3为蓝色顶点的集合，t4为绿色顶点的集合，并且t1≤t2≤t3≤t4，由于网关的网络覆盖范围是可以调整的，因此可以选择拥有节点最少的颜色集合中的节点作为网关，然后结合每个网关的覆盖半径，使得其能够覆盖预先给定的覆盖区域，从而保证所有节点的全覆盖。
41.由于单个网关的覆盖范围有限，单个网关可能无法提供对整个网络区域的完全覆盖，增加网关数量可以有效提高网络的连通性，但由于网关的部署成本较高，在实际网络中的网关数量需要控制。为此，在本发明方案中以实现网关对网络区域的完全覆盖，同时减少网关的数量为目标。
42.相比于传统的网关部署方法，本发明能够将网关数量由n缩减到n/4的原因在于：本发明方案通过将网关部署问题建模为艺术画廊问题，将封闭的网络模型抽象为包含n个顶点的平面多边形p，针对平面多边形p进行四角剖分以及四染色，我们选择红色、黄色、蓝色和绿色对顶点进行染色，假设t1为红色顶点的集合，t2为黄色顶点的集合，t3为蓝色顶点的集合，t4为绿色顶点的集合，并且t1≤t2≤t3≤t4,我们选择t＝t3，意味着t表示网关节点的集合。对于p中的任意点d，在p的四边形中有一个点b属于t。由于模型中的每个四角形都是凸多边形，因此线段属于p，即网关放置在相同的颜色位置，可以覆盖整个区域，网关数量的上限为由此可以看出，使用本发明的网关部署方法可以确定满足节点覆盖要求的最少网关数量和最优网关位置，能够在使用较少的网关的情况下，解决
自组织网络中节点不能完全被网关覆盖的问题，提高网关覆盖率；并且，本发明的网关部署方法在满足节点全覆盖的前提下，减少了网关的数量，从而降低了网关部署成本。
43.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。