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一種基于pool機制的wsn目標跟蹤簇調(diào)整算法的制作方法

文檔序號:7784728閱讀:690來源:國知局
專利名稱:一種基于pool機制的wsn目標跟蹤簇調(diào)整算法的制作方法
技術領域
本發(fā)明涉及一種基于POOL機制的WSN目標跟蹤簇調(diào)整算法,屬于無線傳感器網(wǎng)絡技術領域。
背景技術
無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)是由大量體積小、成本低,具有感知、通信和數(shù)據(jù)處理能力的傳感器節(jié)點構成,具有自組織成網(wǎng)和隱蔽性好等特點,非常適合被應用于移動目標的定位和跟蹤。WSN使用電池供電,一旦部署更換電池很難實現(xiàn),因此能量受限是WSN的重要特征之一,如何降低網(wǎng)絡能耗是設計目標跟蹤系統(tǒng)時必需考慮和解決的關鍵問題,事實上,網(wǎng)絡能耗均衡和跟蹤目標精度是無線傳感器網(wǎng)絡目標跟蹤算法主要的兩個研究問題。由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量大,密度高,一般采用簇形網(wǎng)絡結構。在簇形網(wǎng)絡中,簇首負責與所有成員節(jié)點通信,匯總各成員節(jié)點數(shù)據(jù),能量消耗明顯高于成員節(jié)點。長期以來,研究人員針對無線傳感器網(wǎng)絡目標跟蹤研究做出了大量努力。提出的典型算法主要有雙元檢測算法,信息驅動協(xié)作跟蹤算法,傳送樹跟蹤算法。研究人員針對經(jīng)典算法也給出了很多優(yōu)化或補充算法,如時間異步條件下的動態(tài)簇算法、基于粒子濾波的跟蹤算法、分布式自適應算法等。但這些算法中,簇首調(diào)整基于目標節(jié)點位置的變化,如目標移動速度緩慢或時而靜止, 簇首會一直擔任,導致能量消耗過快,形成能量空洞。

發(fā)明內(nèi)容
針對傳統(tǒng)目標跟蹤算法中,目標慢速移動或是接近靜止時,簇首節(jié)點因長時間擔任簇首,能量消耗過快,形成能量空洞的問題,本發(fā)明提出基于簇首池(POOL)機制的簇調(diào)整算法。變速目標跟蹤過程中,節(jié)點擔任簇首的時間設有閥值,時間到時簇首從POOL中根據(jù)剩余能量及距離目標節(jié)點RSSI信號強度等因素選擇一個節(jié)點作為新任簇首。目標變速移動過程中,POOL結構及數(shù)據(jù)不斷更新。此機制保證簇首的平滑轉移,在保證跟蹤精度的同時,減少能耗,延長網(wǎng)絡壽命。本發(fā)明在滿足以下系統(tǒng)模型的基礎上提出定義跟蹤區(qū)域為F,N個無線傳感器節(jié)點隨機分布,分為普通節(jié)點和匯聚(Sink)節(jié)點,目標周期性的發(fā)送射頻信號,普通節(jié)點大部分時間處于休眠狀態(tài),并周期性醒來檢測目標信號。簡化系統(tǒng)模型如下1)節(jié)點空間部署等密度且隨機,節(jié)點坐標(X,y)可知;2)每個節(jié)點有唯一的ID,具有數(shù)據(jù)融合功能;3)節(jié)點同構對等,無線傳播范圍相同;4)節(jié)點具有組簇能力;5)若傳感器的通信半徑為I n,目標信號的有效傳輸半徑為民,兩者滿足民^ Rn/2, 保證所有能探測到目標的節(jié)點,都在彼此的通信范圍內(nèi),并且只會形成一個簇。本發(fā)明是由以下方式實現(xiàn)的
1、跟蹤簇的建立為節(jié)省能量,無線傳感器網(wǎng)絡所有節(jié)點在沒有目標跟蹤時處于休眠狀態(tài)。目標靠近時,目標附近的多個傳感器節(jié)點同時檢測到目標信號,當節(jié)點檢測到目標的信號能量強
度(RSSI)值大于RSSItl時,判斷為目標進入跟蹤范圍,這些節(jié)點構成集合6 =它
們共同組成跟蹤簇,并參與到跟蹤簇的組建及簇首選擇的過程中;節(jié)點接收到的RSSI值小于RSSItl,或是沒有偵測到目標信號,該節(jié)點將繼續(xù)保持休眠狀態(tài)。檢測到目標信號RSSI值大于RSSItl的節(jié)點首先廣播詢問簇首ID,并啟動定時器 T0,現(xiàn)任簇首收到詢問后,回應新加進節(jié)點,使其加入到簇中成為簇成員;若TO計時時間達到設定值時,簇首無回應,則認為無簇首,檢測到目標信號RSSI值大于RSSItl的節(jié)點競爭選舉簇首;競爭選舉簇首的方法如下根據(jù)接收到的目標信號RSSI值,啟動一個選舉定時器 Tl,RSSI值越大,定時時間越短,并進入候選狀態(tài),同時設置自身狀態(tài)為簇首;如節(jié)點在定時器超時前未收到任何其他節(jié)點選舉通告,則廣播一個選舉通告,確立簇首地位;否則,如果節(jié)點在定時器超時前收到其他節(jié)點的選舉通告信息,它將終止自己的選舉定時器,承認發(fā)送選舉通告信息節(jié)點的簇首地位,并設置自身為成員狀態(tài),成為子節(jié)點。

圖1為對半徑為 50m,節(jié)點數(shù)100左右的簇,基于自由空間模型做出的簇首與中心距離對應其能量消耗關系的仿真統(tǒng)計圖。由圖可以看出,簇首選擇與其能量消耗有如下關系距離簇中心越遠的節(jié)點擔任簇首,有能量消耗越多的趨勢。基于此關系,本文在簇首選擇的過程中,將節(jié)點與簇中心距離作為一個重要考量因素。簇首確定之后,簇成員將自身ID、位置信息傳遞給簇首;簇首生成簇成員位置信息表PIT ;半徑仏(Rp < Rn)范圍內(nèi)的點,即RSSI > RSSI1 > RSSI。,劃入POOL ;簇首建立POOL 表,存儲RSSI排序簇成員節(jié)點數(shù)目的前30% ;POOL表中存儲節(jié)點ID、節(jié)點剩余能量、與接收目標節(jié)點信號強度RSSI等數(shù)據(jù),根據(jù)上述參數(shù)計算的POOL中排序;POOL中節(jié)點作為簇首輪轉的備選簇首,是一個動態(tài)變化的選擇池,在目標跟蹤過程中,被獨立地改變、維護。2、跟蹤簇的調(diào)整1)簇成員節(jié)點的調(diào)整跟蹤目標移動過程中,有些簇成員節(jié)點接受到的信號越來越弱,當RSSI值低于閥值RSSItl,節(jié)點狀態(tài)轉為休眠,從跟蹤簇中退出;同時,逐漸有原休眠節(jié)點接收到的跟蹤節(jié)點信號越來越強,RSSI值高于閥值RSSItl時,節(jié)點加入簇;簇首在此過程中根據(jù)節(jié)點是否在一段時間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù),維護PIT表;在目標節(jié)點的跟蹤過程中,簇成員一直處于動態(tài)變化的過程中。2) POOL 的調(diào)整簇首節(jié)點每次接收到成員節(jié)點的RSSI信息,根據(jù)大小進行排序;用前30%、并且前30%的成員節(jié)點的數(shù)量不少于MaxN,則用前30%的成員節(jié)點替代原有POOL;隨著目標節(jié)點移動,POOL表不斷更新,有些節(jié)點因為距離目標節(jié)點變遠,在POOL表中排名下移,最終從 POOL中除名;另有些新的節(jié)點因為距離目標節(jié)點變近,開始進入POOL中;POOL成員在目標跟蹤過程中一直處在動態(tài)調(diào)整的狀態(tài)中;MaxN為使用過程中根據(jù)具體情況設定的POOL成員個數(shù)的最小值。3)簇首的轉移
簇首的輪轉選擇需要考慮節(jié)點的剰余能量,但計算及傳遞此參數(shù)需要消耗額外的 能量,節(jié)點剩余能量估算方法如下已擔任過簇首的節(jié)點,記錄參數(shù)e為每次擔任簇首時與 目標節(jié)點RSSI的平均值相加,作為節(jié)點擔任簇首時能量消耗的估計,即
權利要求
1. 一種基于POOL機制的WSN目標跟蹤簇調(diào)整算法,其特征在于,簇調(diào)整算法通過以下方式實現(xiàn)1.跟蹤簇的建立為節(jié)省能量,無線傳感器網(wǎng)絡所有節(jié)點在沒有目標跟蹤時處于休眠狀態(tài);目標靠近時,目標附近的多個傳感器節(jié)點同時檢測到目標信號,當節(jié)點檢測到目標的信號能量強度(RSSI)值大于RSSItl時,判斷為目標進入跟蹤范圍,這些節(jié)點構成集合6 =它們共同組成跟蹤簇,并參與到跟蹤簇的組建及簇首選擇的過程中;節(jié)點接收到的RSSI值小于 RSSI0,或是沒有偵測到目標信號,該節(jié)點將繼續(xù)保持休眠狀態(tài);檢測到目標信號RSSI值大于RSSItl的節(jié)點首先廣播詢問簇首ID,并啟動定時器T0,現(xiàn)任簇首收到詢問后,回應新加進節(jié)點,使其加入到簇中成為簇成員;若TO計時時間達到設定值時,簇首無回應,則認為無簇首,檢測到目標信號RSSI值大于RSSItl的節(jié)點競爭選舉簇首;競爭選舉簇首的方法如下根據(jù)接收到的目標信號RSSI值,啟動一個選舉定時器Tl, RSSI值越大,定時時間越短,并進入候選狀態(tài),同時設置自身狀態(tài)為簇首;如節(jié)點在定時器超時前未收到任何其他節(jié)點選舉通告,則廣播一個選舉通告,確立簇首地位;否則,如果節(jié)點在定時器超時前收到其他節(jié)點的選舉通告信息,它將終止自己的選舉定時器,承認發(fā)送選舉通告信息節(jié)點的簇首地位,并設置自身為成員狀態(tài),成為子節(jié)點;簇首確定之后,簇成員將自身ID、位置信息傳遞給簇首;簇首生成簇成員位置信息表PIT ;半徑范圍內(nèi)的點,即RSSI > RSSI1 > RSSI。,劃入POOL ;簇首建立POOL表,存儲RSSI排序簇成員節(jié)點數(shù)目的前30% ;POOL表中存儲節(jié)點ID、節(jié)點剩余能量、與接收目標節(jié)點信號強度RSSI等數(shù)據(jù),根據(jù)上述參數(shù)計算的POOL中排序;POOL中節(jié)點作為簇首輪轉的備選簇首,是一個動態(tài)變化的選擇池,在目標跟蹤過程中,被獨立地改變、維護;·2.跟蹤簇的調(diào)整1)簇成員節(jié)點的調(diào)整跟蹤目標移動過程中,有些簇成員節(jié)點接受到的信號越來越弱,當RSSI值低于閥值 RSSItl,節(jié)點狀態(tài)轉為休眠,從跟蹤簇中退出;同時,逐漸有原休眠節(jié)點接收到的跟蹤節(jié)點信號越來越強,RSSI值高于閥值RSSItl時,節(jié)點加入簇;簇首在此過程中根據(jù)節(jié)點是否在一段時間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù),維護PIT表;在目標節(jié)點的跟蹤過程中,簇成員一直處于動態(tài)變化的過程中;2)POOL的調(diào)整簇首節(jié)點每次接收到成員節(jié)點的RSSI信息,根據(jù)大小進行排序;用前30%、并且前 30%的成員節(jié)點的數(shù)量不少于MaxN,則用前30%的成員節(jié)點替代原有POOL;隨著目標節(jié)點移動,POOL表不斷更新,有些節(jié)點因為距離目標節(jié)點變遠,在POOL表中排名下移,最終從 POOL中除名;另有些新的節(jié)點因為距離目標節(jié)點變近,開始進入POOL中;POOL成員在目標跟蹤過程中一直處在動態(tài)調(diào)整的狀態(tài)中;MaxN為使用過程中根據(jù)具體情況設定的POOL成員個數(shù)的最小值;3)簇首的轉移簇首的輪轉選擇需要考慮節(jié)點的剩余能量,但計算及傳遞此參數(shù)需要消耗額外的能量,節(jié)點剩余能量估算方法如下已擔任過簇首的節(jié)點,記錄參數(shù)e為每次擔任簇首時與目標節(jié)點RSSI的平均值相加,作為節(jié)點擔任簇首時能量消耗的估計,即
全文摘要
一種基于POOL機制的WSN目標跟蹤簇調(diào)整算法,屬于無線傳感器網(wǎng)絡技術領域,用于無線傳感器網(wǎng)絡目標跟蹤。在傳統(tǒng)目標跟蹤算法中,在目標慢速移動或是接近靜止過程中,簇首節(jié)點因長時間擔任簇首,能量消耗過快,容易形成能量空洞。本算法提出基于POOL機制的簇首輪轉機制。無線傳感器網(wǎng)絡變速運動目標跟蹤過程中,跟蹤節(jié)點擔任簇首的時間設有閥值,達到設定時間時簇首從POOL(簇首池)中根據(jù)剩余能量及距離目標節(jié)點RSSI信號強度等因素選擇一個節(jié)點作為新任簇首。目標變速移動過程中,POOL結構及數(shù)據(jù)不斷更新。此機制保證簇首的平滑轉移,在保證跟蹤精度的同時,減少能耗,延長網(wǎng)絡壽命。
文檔編號H04W84/18GK102404828SQ20111042629
公開日2012年4月4日 申請日期2011年12月16日 優(yōu)先權日2011年12月16日
發(fā)明者杜聯(lián)柱, 陳曙 申請人:山東大學
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