專利名稱：能量有效的目標(biāo)跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種無線絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 能量有效的目標(biāo)跟蹤方法。
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線通信和微小型系統(tǒng)的發(fā)展，融合以上三種技術(shù)的無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來了一種全新的信息獲取與處理模式，將深刻影響著 信息技術(shù)的未來發(fā)展。目標(biāo)跟蹤是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最具代表性和挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，最具代表 性的應(yīng)用場景如軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)自動化、公共安全等方面。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，這使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 一大特點(diǎn)就是能量受限，而節(jié)點(diǎn)無線收發(fā)通信耗費(fèi)的能量最多。為了延長網(wǎng)絡(luò)壽命首先考 慮的因素是提高能量效率，而合理的帶寬分配是提高能量效率的有效途徑。因此，如何在網(wǎng) 絡(luò)使用過程中在保證跟蹤精度的情況下使得能量消耗最小，或者反過來在滿足能量有效性 的情況下使得跟蹤精度最小，是面向目標(biāo)跟蹤的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的關(guān)鍵問題，在這 方面的研究與探索具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤技術(shù)大都基于均勻 網(wǎng)格型的傳感器網(wǎng)絡(luò)，而且各傳感器節(jié)點(diǎn)的信息傳輸帶寬平均分配且固定不變。如中國專 利申請?zhí)?00810103125. 1，名稱為“一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤方法”，其基于的網(wǎng)絡(luò) 即為網(wǎng)格型傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用基于均值漂移方法對目標(biāo)的狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，以確定目標(biāo)的位 置和速度；又如中國專利申請?zhí)?00810225565. 4，名稱為“一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位 與跟蹤方法”，根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)測量信息預(yù)估計(jì)目標(biāo)位置，建立包括目標(biāo)預(yù)估計(jì)位置的學(xué)習(xí) 區(qū)域，從而利用多項(xiàng)式核函數(shù)和支持向量機(jī)確定目標(biāo)的位置，并發(fā)給基站；但其中節(jié)點(diǎn)與基 站間的帶寬為預(yù)先確定且固定不變的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種能量有效的目標(biāo)跟蹤方法，網(wǎng)絡(luò) 內(nèi)的節(jié)點(diǎn)動態(tài)分簇，簇成員節(jié)點(diǎn)將量化信息傳給簇首節(jié)點(diǎn)，并通過跟蹤精度和能量消耗為 指標(biāo)來優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的帶寬分配，從而使得目標(biāo)跟蹤的精度更高、信息的傳輸能量更省、整個網(wǎng) 絡(luò)的生命周期更長。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，包括以下步驟步驟一、被激活節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳感器動態(tài)分簇，以確定簇首節(jié)點(diǎn)和簇成員節(jié)點(diǎn)，同時生 成觀測信息；所述的被激活節(jié)點(diǎn)是指目標(biāo)所在位置周圍的傳感器節(jié)點(diǎn)中，超過感測閾值的節(jié)點(diǎn) 被喚醒；即目標(biāo)所在位置傳感器的感測范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)均被激活。此方法同樣地適用于感測 范圍為矩形或者其它形狀的傳感器網(wǎng)絡(luò)。所述的傳感器動態(tài)分簇處理包括以下步驟網(wǎng)絡(luò)中被激活的各個節(jié)點(diǎn)廣播自身的剩余能量艮；然后各個節(jié)點(diǎn)計(jì)算位于相同的簇范圍內(nèi)與其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的平均距離 meanD = ^/).最后根據(jù)本地節(jié)點(diǎn)剩余能量艮和平均距離meanD的加權(quán)和確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)
η Je^i ·
中的簇首節(jié)點(diǎn)，其余網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為簇成員節(jié)點(diǎn)。所述的觀測信息是指傳感器節(jié)點(diǎn)針對目標(biāo)所形成的測量信息，可以是能量、方位 角，亦可以是其它形式的被動或主動測量值。步驟二、激活節(jié)點(diǎn)對觀測信息進(jìn)行量化處理后傳輸給簇首節(jié)點(diǎn)；所述的量化處理是指當(dāng)上一個跟蹤周期內(nèi)觀測信息中簇首節(jié)點(diǎn)的反饋帶寬非 零，則測量目標(biāo)相關(guān)量值；否則計(jì)算激活周期，超時則休眠；所述的測量目標(biāo)相關(guān)量值是指激活節(jié)點(diǎn)按上一跟蹤周期內(nèi)觀測信息中簇首節(jié)點(diǎn) 的反饋帶寬對觀測值進(jìn)行均勻量化處理、概率均勻量化處理、對數(shù)量化處理或compand量 化處理中的一種，然后將量化后的觀測信息傳輸給簇首節(jié)點(diǎn)。步驟三、簇首節(jié)點(diǎn)根據(jù)量化后的觀測信息進(jìn)行目標(biāo)狀態(tài)預(yù)測與估計(jì)處理，生成目 標(biāo)在當(dāng)前時刻的狀態(tài)估值，如目標(biāo)位置、速度等；同時，優(yōu)化確定各個簇成員節(jié)點(diǎn)的帶寬分 配，并進(jìn)行帶寬反饋和用戶查詢響應(yīng)操作。所述的目標(biāo)狀態(tài)預(yù)測與估計(jì)，包括以下步驟將量化后的觀測信息進(jìn)行還原，并根 據(jù)還原后的觀測信息進(jìn)行擴(kuò)展卡爾曼濾波、無跡卡爾曼濾波、粒子濾波或交互式多模型濾 波；所述的帶寬反饋操作是指簇首節(jié)點(diǎn)將帶寬分配值反饋給簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)；所述的用戶查詢響應(yīng)操作是指當(dāng)用戶查詢目標(biāo)跟蹤結(jié)果，簇首節(jié)點(diǎn)則向其響應(yīng) 傳輸相關(guān)結(jié)果。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果1.傳感器動態(tài)分簇，根據(jù)剩余能量和平均距離二者的加權(quán)和確定簇首節(jié)點(diǎn)，在最 大程度上使得族首與成員節(jié)點(diǎn)之間信息傳遞的能量最小，并且在確定族首時考慮了所有 激活節(jié)點(diǎn)的剩余能量，選用剩余能量較多的節(jié)點(diǎn)作為族首，從而延長了整個網(wǎng)絡(luò)的生命周 期；2.量化傳輸觀測值，減少了子節(jié)點(diǎn)與簇首節(jié)點(diǎn)之間信號傳輸?shù)哪芰浚?.優(yōu)化傳感器帶寬分配，使得能量消耗最小或者跟蹤精度最高，更大程度上發(fā)揮 了無線傳感器的優(yōu)勢；從仿真實(shí)例可以看出，相比于均勻帶寬分配方法，本發(fā)明的傳感器帶 寬分配策略僅需要其11.左右的能量。因此，本方法在軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)自動化、公共安全等領(lǐng)域無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤中有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1為實(shí)施例無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇圖；其中S形為目標(biāo)的運(yùn)動軌跡，小圈點(diǎn)為傳感器節(jié)點(diǎn)的位置，短直線為簇成員與簇首之間的通信鏈路。圖2為實(shí)施例目標(biāo)跟蹤效果圖。圖3為實(shí)施例帶寬分配示意圖。
具體實(shí)施方式
下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。本實(shí)施例包括如下步驟步驟100、被激活的傳感器節(jié)點(diǎn)動態(tài)分簇，確定各節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)或是簇成員； 具體包括以下步驟步驟101、當(dāng)有目標(biāo)進(jìn)入感興趣區(qū)域，目標(biāo)所在點(diǎn)周圍的傳感器被激活，此時分簇 開始，各節(jié)點(diǎn)廣播自己的剩余能量E,；步驟102、各節(jié)點(diǎn)計(jì)算成簇范圍內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)到本身節(jié)點(diǎn)的平均距離
meanD = — ^ Z);.
n mr, ‘ ·步驟103、根據(jù)剩余能量和平均距離二者的加權(quán)和，如取滿足
1min --l· (1 - α) ■ meanD >
KJ其節(jié)點(diǎn)為簇首節(jié)點(diǎn)(其中α e
為標(biāo)量權(quán)值)，其余節(jié)點(diǎn)加入該群簇成為成 員節(jié)點(diǎn)。如圖3所示，為根據(jù)步驟100分簇以后的傳感器內(nèi)群簇示意圖?？梢姳緦?shí)施例的無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備以下三個特點(diǎn)1)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模比較大；2)網(wǎng)絡(luò)中傳感器分布比較密集， 這樣可以提高跟蹤精度；3)由于傳感器分布密集，增加了融合中心的通信和計(jì)算負(fù)擔(dān)。步驟200、如圖2所示，激活節(jié)點(diǎn)量化當(dāng)前觀測信息并傳輸給簇首節(jié)點(diǎn)，參考圖2， 具體包括以下步驟步驟201、如果上一時刻簇首節(jié)點(diǎn)反饋的帶寬非零，測量目標(biāo)的相關(guān)量值；如果上 一時刻簇首節(jié)點(diǎn)反饋的帶寬為零，轉(zhuǎn)步驟204 ；步驟202、按上一時刻簇首節(jié)點(diǎn)反饋的帶寬對觀測值進(jìn)行量化處理，常用的量化方 法包括均勻量化、概率均勻量化、對數(shù)量化和compand量化等；步驟203、將量化的信息傳輸給簇首節(jié)點(diǎn)；步驟204、計(jì)算激活周期，超時則休眠。步驟300、融合中心處理簇首節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的局部觀測信號進(jìn)行目標(biāo)狀態(tài)估 計(jì)與預(yù)測，并優(yōu)化確定各傳感器的帶寬分配；帶寬反饋與用戶查詢響應(yīng)；步驟301、簇首節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的局部觀測信號進(jìn)行目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)與預(yù)測，常用的 濾波方法包括(擴(kuò)展)卡爾曼濾波、無跡卡爾曼濾波、粒子濾波和交互式多模型(IMM)方法 等；步驟302、優(yōu)化確定各傳感器的帶寬分配簇首節(jié)點(diǎn)根據(jù)目標(biāo)的狀態(tài)估計(jì)以及群 簇內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)能量密謀確定各節(jié)點(diǎn)的帶寬分配；優(yōu)化的目標(biāo)是滿足跟蹤精度的情況下使得 能量消耗最小，或者在滿足一定能量限制的情況下使得跟蹤精度最優(yōu)；舉例來說，假設(shè)第i個傳感器與簇首節(jié)點(diǎn)之間為衰落的無線通道，衰減值與α,.=成正比，其中Cli是二者之間的傳輸距離，則第i個傳感器傳送bjk)比特的量化信號消耗的 能量為 其中能量密度
ρ為依賴于通道噪聲的常數(shù)，Pb為比特誤差率。
基此，若考慮在滿足一定能量限制的情況下使得跟蹤精度最優(yōu)，優(yōu)化目標(biāo)可以由以下有約 束的優(yōu)化問題表述 其中Et > 0是對能量消耗的常數(shù)約束，巧是第i個傳感器的量化方差。當(dāng)采 用均勻量化時，對公式二的求解可得到如下最優(yōu)帶寬分配的解析表達(dá)式 從而，可以由< =4α' -1直接求出各傳感器的最優(yōu)帶寬分配值，避免了在線尋優(yōu)過 程的計(jì)算負(fù)擔(dān)。由公式一知每個傳感器消耗的能量與通道衰落增益<'成正比，離融合中心越遠(yuǎn)的 節(jié)點(diǎn)，通信能量消耗越大，因此，其通道質(zhì)量比較差。而公式四可見，帶寬分配與該節(jié)點(diǎn)的能 量消耗的對數(shù)成反比，正因?yàn)槿绱?，根?jù)公式四的計(jì)算，通道質(zhì)量好的傳感器節(jié)點(diǎn)獲得的帶 寬越大，以提高目標(biāo)跟蹤的精度。又如，采用同公式一的能量消耗模型，若考慮滿足跟蹤精度的情況下使得能量消 耗最小，優(yōu)化目標(biāo)可以由以下有約束的優(yōu)化問題表述 (公式五)其中D(k) > 0是給定的性能約束常數(shù)，συ2_(幻是第i個傳感器的觀測噪聲方差t 當(dāng)采用概率均勻量化時，對公式五的求解可得到如下最優(yōu)帶寬分配的解析表達(dá)式 (公式六)和
'0 θΓ </<^-1
_6]⑷2=蛋#虹恤N (公式七)從而，可以由直接求出各傳感器的最優(yōu)帶寬分配值，同樣避免了在線尋 優(yōu)過程的計(jì)算負(fù)擔(dān)。步驟303、帶寬反饋，即簇首節(jié)點(diǎn)將(2)中的帶寬分配值反饋給簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)；步驟304、用戶查詢響應(yīng)，如果有用戶查詢目標(biāo)跟蹤結(jié)果，簇首節(jié)點(diǎn)則向其傳輸相 關(guān)結(jié)果；步驟305、確定下一采樣周期內(nèi)的簇首節(jié)點(diǎn)，并將目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)結(jié)果及方差信息傳 給下一簇首節(jié)點(diǎn)。本實(shí)施例的效果通過仿真實(shí)例進(jìn)一步說明仿真條件考慮N = 225個傳感器隨機(jī)分布在50米Χ50米的區(qū)域的傳感器網(wǎng)絡(luò)(如圖1 示)。利用本實(shí)施例提供的能量有效的目標(biāo)跟蹤方法來跟蹤一個時變角速度的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動目 標(biāo)，角速度表示如下
0.1 弧度/秒， 0<yt<100 0.2 弧度/秒， 100<yt<160
(O ={
k -0.18 弧度/秒，160<B258
0,其它該仿真實(shí)例取采樣周期T = 0. 25秒。并假設(shè)第i個傳感器具有如下觀測方程Yi (k) = a/ Il (x (k)，y (k)) - (xs ⑴，ys ⑴)Il + υ i (k)其中a = 40為已知的聲源輻值，|| (x(k), y (k))-(xs(i), ys(i)) ||目標(biāo)與第i個 傳感器的距離，觀測噪聲UiQO的方差為％2,(幻=1。2.仿真內(nèi)容及結(jié)果本實(shí)施例結(jié)合交互式多模型無跡卡爾曼濾波的跟蹤結(jié)果如圖2所示，由于本實(shí)施 例方法中沒有特定的融合中心，而是動態(tài)地實(shí)時對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇，且最優(yōu)化傳感器 帶寬分配，延長了整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。另外圖3表示了相比于均勻帶寬分配，本實(shí)施例方 法僅需均勻帶寬分配能量的11. 1%。
權(quán)利要求
一種能量有效的目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一、被激活節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳感器動態(tài)分簇，以確定簇首節(jié)點(diǎn)和簇成員節(jié)點(diǎn)，同時生成觀測信息；步驟二、激活節(jié)點(diǎn)對觀測信息進(jìn)行量化處理后傳輸給簇首節(jié)點(diǎn)；步驟三、簇首節(jié)點(diǎn)根據(jù)量化后的觀測信息進(jìn)行目標(biāo)狀態(tài)預(yù)測與估計(jì)處理，生成目標(biāo)在當(dāng)前時刻的狀態(tài)估值；同時優(yōu)化確定各個簇成員節(jié)點(diǎn)的帶寬分配，并進(jìn)行帶寬反饋和用戶查詢響應(yīng)操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量有效的目標(biāo)跟蹤方法，其特征是，步驟一中所述的被激 活節(jié)點(diǎn)是指目標(biāo)所在位置周圍的傳感器節(jié)點(diǎn)中，超過感測閾值的節(jié)點(diǎn)被喚醒；即目標(biāo)所在 位置傳感器的感測范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)均被激活。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量有效的目標(biāo)跟蹤方法，其特征是，步驟一中所述的傳感 器動態(tài)分簇是指網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)廣播其本地節(jié)點(diǎn)剩余能量；然后各個節(jié)點(diǎn)計(jì)算位于相同 的簇范圍內(nèi)與其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的平均距離；最后根據(jù)本地節(jié)點(diǎn)剩余能量和平均距離的加權(quán)和 確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的簇首節(jié)點(diǎn)，其余網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為簇成員節(jié)點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量有效的目標(biāo)跟蹤方法，其特征是，步驟二中所述的量化 處理是指當(dāng)上一個跟蹤周期內(nèi)觀測信息中簇首節(jié)點(diǎn)的反饋帶寬非零，則測量目標(biāo)相關(guān)量 值；否則計(jì)算激活周期，超時則休眠。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的能量有效的目標(biāo)跟蹤方法，其特征是，所述的測量目標(biāo)相關(guān) 量值是指激活節(jié)點(diǎn)按上一跟蹤周期內(nèi)觀測信息中簇首節(jié)點(diǎn)的反饋帶寬對觀測值進(jìn)行均勻 量化處理、概率均勻量化處理、對數(shù)量化處理或compand量化處理中的一種，然后將量化后 的觀測信息傳輸給簇首節(jié)點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量有效的目標(biāo)跟蹤方法，其特征是，所述的目標(biāo)狀態(tài)預(yù)測與估計(jì)處理是指將量化后的觀測信息進(jìn)行擴(kuò)展卡爾曼濾波、無跡卡爾曼濾波、粒子濾波或 交互式多模型濾波處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量有效的目標(biāo)跟蹤方法，其特征是，步驟三中所述的確定 各個簇成員節(jié)點(diǎn)的帶寬分配是指簇首根據(jù)目標(biāo)的狀態(tài)估計(jì)以及簇內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)能量密度優(yōu) 化確定各節(jié)點(diǎn)的帶寬分配。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量有效的目標(biāo)跟蹤方法，其特征是，步驟三中所述的帶寬 反饋是指簇首節(jié)點(diǎn)將帶寬分配值反饋給簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量有效的目標(biāo)跟蹤方法，其特征是，步驟三中所述的用戶 查詢響應(yīng)操作是指當(dāng)用戶查詢目標(biāo)跟蹤結(jié)果，簇首節(jié)點(diǎn)則向其響應(yīng)傳輸相關(guān)結(jié)果。
全文摘要
一種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的能量有效的目標(biāo)跟蹤方法，首相將被激活節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳感器動態(tài)分簇，以確定簇首節(jié)點(diǎn)和簇成員節(jié)點(diǎn)，同時生成觀測信息；然后激活節(jié)點(diǎn)對觀測信息進(jìn)行量化處理后傳輸給簇首節(jié)點(diǎn)；最后將簇首節(jié)點(diǎn)根據(jù)量化后的觀測信息進(jìn)行目標(biāo)狀態(tài)預(yù)測與估計(jì)處理，生成目標(biāo)在當(dāng)前時刻的狀態(tài)估值；同時優(yōu)化確定各個簇成員節(jié)點(diǎn)的帶寬分配，并進(jìn)行帶寬反饋和用戶查詢響應(yīng)操作。由于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器動態(tài)分簇、族成員與簇首之間量化傳遞數(shù)據(jù)且采用優(yōu)化的帶寬分配策略，使得信息傳遞的能量更省而跟蹤精度更高，并且延長了整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期，更大程度上發(fā)揮了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于目標(biāo)跟蹤的優(yōu)勢。
文檔編號H04W52/04GK101888671SQ20101010851
公開日2010年11月17日 申請日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者劉瀏, 周彥, 李建勛 申請人:上海交通大學(xué)