專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡中覆蓋控制理論與算法的優(yōu)化方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡的領域，尤其是一種無線傳感器網(wǎng)絡中覆蓋控制理論與算法的優(yōu)化方法。
背景技術：
·近年來，隨著微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanismsystem,簡稱 MEMS)、無線通信、信息網(wǎng)絡與集成電路等技術的迅速發(fā)展，新興的無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensornetworks,簡稱WSN)應運而生。無線傳感器網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點一般都具備數(shù)據(jù)處理和通信能力，并通過無線鏈路或直接或間接地將收集到的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)發(fā)送到一個指令中心(sink)，這種協(xié)作分布式傳感器網(wǎng)絡的一種自然組織結(jié)構，就是在各傳感器節(jié)點間以無線多跳方式組成一個自組織網(wǎng)絡，集成了網(wǎng)絡技術、入式技術及傳感器技術的無線傳感器網(wǎng)絡將邏輯上的信息世界與真實的物理世界融合在一起，同時深刻改變了人與自然的交互方式。無線傳感器網(wǎng)絡的的覆蓋控制問題，可以看作是在傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能量、無線網(wǎng)絡通信帶寬、網(wǎng)絡計算處理能力等資源普遍受限情況下，通過網(wǎng)絡傳感器節(jié)點放置以及路由選擇等手段，最終使無線傳感器網(wǎng)絡的各種資源得到優(yōu)化分配，進而使感知、監(jiān)視、傳感、通信等各種服務質(zhì)量得到改善，這一點與傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡有很大的不同，如何根據(jù)不同的應用環(huán)境需要，對無線傳感器網(wǎng)絡進行不同級別的覆蓋控制就成了無線傳感器網(wǎng)絡中一個基本但亟待解決的問題，給定一個傳感器網(wǎng)絡，覆蓋控制也可以一般性地總結(jié)為通過各個傳感器節(jié)點協(xié)作而達到對監(jiān)視區(qū)域的不同管理或感應效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是為了能夠克服上述中存在的問題，提供一種無線傳感器網(wǎng)絡中覆蓋控制理論與算法的優(yōu)化方法，其覆蓋能力強、網(wǎng)絡連通性強、較長的能量有效性以及精確的算法。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種無線傳感器網(wǎng)絡中覆蓋控制理論與算法的優(yōu)化方法，具體步驟如下a.對無線傳感器網(wǎng)絡按照節(jié)點不同的配置方式進行覆蓋控制分類，將其按照配置方式分為(I)確定性覆蓋根據(jù)預先配置的節(jié)點位置確定網(wǎng)絡拓撲情況或增加關鍵區(qū)域的傳感器節(jié)點密度；(2)隨機覆蓋在網(wǎng)絡情況不能預先確定且多數(shù)確定性覆蓋模型會給網(wǎng)絡帶來對稱性與周期性特征，從而掩蓋了某些網(wǎng)絡拓撲的實際特性；b.對無線傳感器網(wǎng)絡按照不同的應用屬性進行覆蓋控制分類，將其應用屬性分為(I)節(jié)能覆蓋由于無線傳感器網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點自身體積較小、電池能量資源有限，為了保證大規(guī)模網(wǎng)絡環(huán)境下傳感器節(jié)點能量的有效使用，采用輪換活躍休眠節(jié)點的覆蓋方式；(2)柵欄覆蓋找出連接出發(fā)位置和離開位置的一條或多條路徑進行對不同模型提供不同的傳感監(jiān)視質(zhì)量，可以根據(jù)目標穿越無線傳感器網(wǎng)絡時所采用模型的不同；(3)連通性覆蓋；(4)目標定位覆蓋；c.無線傳感器覆蓋控制后通過無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋控制算法來進行對傳感器節(jié)點配置，其具體無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋控制算法為基于網(wǎng)格的覆蓋定位傳感器配置算法；基于輪換活躍休眠節(jié)點的覆蓋協(xié)議的算法；基于最壞與最佳情況覆蓋的算法；基于暴露穿越的算法；基于圓周覆蓋的算法；基于連通傳感器覆蓋的算法。a中確定性覆蓋分為確定性區(qū)域的點覆蓋是指已知節(jié)點位置的無線傳感器網(wǎng)絡 要完成目標區(qū)域或目標點的覆蓋；基于網(wǎng)格的目標覆蓋是指當?shù)乩憝h(huán)境情況預先確定時，使用二維(也可以為三維)的網(wǎng)格進行網(wǎng)絡的建模，并選擇在合適的格點配置傳感器節(jié)點來完成區(qū)域/目標的覆蓋；確定性網(wǎng)絡路徑的目標覆蓋是考慮無線傳感器網(wǎng)絡傳感器節(jié)點位置已知情況。a中隨機覆蓋分為隨機節(jié)點覆蓋和動態(tài)網(wǎng)絡覆蓋。b中柵欄覆蓋分為最壞與最佳情況覆蓋和暴露穿越。b中連通性覆蓋分為活躍節(jié)點集連通覆蓋是針對采用活躍節(jié)點集輪換機制的情況；連通路徑覆蓋是考慮通過選擇可能的連通傳感器節(jié)點路徑來得到最大化的網(wǎng)絡覆蓋效果O本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的無線傳感器網(wǎng)絡中覆蓋控制理論與算法的優(yōu)化方法，采用配置方式和相關應用屬性兩種分類控制方法，有助于網(wǎng)絡節(jié)點能量的有效控制、感知服務質(zhì)量的提高和整體生存時間的延長；采用多種算法，能夠提高覆蓋能力、提高網(wǎng)絡的連通性、能量的有效性、提高算法精確性、算法復雜性。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。圖I是本發(fā)明的無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋控制協(xié)議和算法分類的示意圖；圖2是本發(fā)明的區(qū)域完全覆蓋的示意圖；圖3是本發(fā)明的網(wǎng)絡中出現(xiàn)的盲點的示意圖；圖4是本發(fā)明的應用圖和網(wǎng)格三角形的示意圖；圖5是本發(fā)明的傳感器節(jié)點S圓周的覆蓋情況的示意圖；圖6是本發(fā)明的連通傳感器覆蓋的貪婪算法的示意圖。
具體實施例方式現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構，因此其僅顯示與本發(fā)明有關的構成。如圖I所示的無線傳感器網(wǎng)絡中覆蓋控制理論與算法的優(yōu)化方法，具體步驟如下
a.對無線傳感器網(wǎng)絡按照節(jié)點不同的配置方式進行覆蓋控制分類，將其按照配置方式分為(1)確定性覆蓋確定性區(qū)域的點覆蓋、基于網(wǎng)格的目標覆蓋和確定性網(wǎng)絡路徑的目標覆蓋；(2)隨機覆蓋隨機節(jié)點覆蓋和動態(tài)網(wǎng)絡覆蓋；b.對無線傳感器網(wǎng)絡按照不同的應用屬性進行覆蓋控制分類，將其應用屬性分為(I)節(jié)能覆蓋采用輪換活躍休眠節(jié)點的覆蓋方式；(2)柵欄覆蓋最壞與最佳情況覆蓋和暴露穿越；(3)連通性覆蓋活躍節(jié)點集連通覆蓋；連通路徑覆蓋；(4)目標定位覆蓋；c.無線傳感器覆蓋控制后通過無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋控制算法來進行對傳感器節(jié)點配置，其具體無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋控制算法為如圖2所示，基于網(wǎng)格的覆蓋定位傳感器配置算法是基于網(wǎng)格的目標覆蓋類型中的一種，同時也屬于目標定位覆蓋的內(nèi)容，考慮網(wǎng)絡傳感器節(jié)點以及目標點都采用網(wǎng)格形式配置，傳感器節(jié)點采用0/1覆蓋模型，并使用能量矢量來表示格點的覆蓋.如圖 2所示，網(wǎng)絡中的各格點都可至少被一個傳感器節(jié)點所覆蓋(即該點能量矢量中至少一位為1)，此時區(qū)域達到了完全覆蓋.例如，格點位置8的能量矢量為(0，0，1，1，0，0).在網(wǎng)絡資源受限而無法達到格點完全識別時，就需要考慮如何提高定位精度的問題.而錯誤距離是衡量位置精度的一個最直接的標準，錯誤距離越小，則覆蓋識別結(jié)果越優(yōu)化；基于輪換活躍休眠節(jié)點的覆蓋協(xié)議的算法采用輪換活躍和休眠節(jié)點的覆蓋控制協(xié)議可以有效延長網(wǎng)絡生存時間，協(xié)議采用節(jié)點輪換周期工作機制，每個周期由一個self-scheduling階段和一個working階段組成·在self-scheduling階段各節(jié)點首先向傳感半徑內(nèi)鄰居節(jié)點廣播通告消息，其中包括節(jié)點ID和位置(若傳感半徑不同則包括發(fā)送節(jié)點傳感半徑)，節(jié)點檢查自身傳感任務是否可由鄰居節(jié)點完成，可替代的節(jié)點返回一條狀態(tài)通告消息，之后進入“休眠狀態(tài)”，需要繼續(xù)工作的節(jié)點執(zhí)行傳感任務.在判斷節(jié)點是否可以休眠時，如果相鄰節(jié)點同時檢查到自身的傳感任務可由對方完成并同時進入“休眠狀態(tài)”，就會出現(xiàn)如圖3所示的“盲點”，在圖(a)中，節(jié)點e和f的整個傳感區(qū)域都可以被相鄰的鄰居節(jié)點代替覆蓋，e和f節(jié)點滿足進入“休眠狀態(tài)”條件之后，將關閉自身節(jié)點的傳感單元進入“休眠狀態(tài)”，但這時就出現(xiàn)了不能被WSN檢測的區(qū)域即網(wǎng)絡中出現(xiàn)“盲點”，如圖3(b)所示.為了避免這種情況的發(fā)生，節(jié)點在self-scheduling階段檢查之前執(zhí)行一個退避機制每個節(jié)點在一個隨機產(chǎn)生的Td時間之后再開始檢查工作.此外，退避時間還可以根據(jù)周圍節(jié)點密度而計算，這樣就可以有效地控制網(wǎng)絡“活躍”節(jié)點的密度.為了進一步避免“盲點”的出現(xiàn)，每個節(jié)點在進入“休眠狀態(tài)”之前還將等待Tw時間來監(jiān)聽鄰居節(jié)點的狀態(tài)更新.該協(xié)議是作為LEACH分簇協(xié)議的一個擴展來實現(xiàn)的，有關仿真結(jié)果證明WSN的平均網(wǎng)絡生存時間較LEACH分簇協(xié)議延長了 I. 7倍；基于最壞與最佳情況覆蓋的算法同時屬于確定性網(wǎng)絡路徑/目標覆蓋和柵欄覆蓋類型，算法考慮如何對穿越網(wǎng)絡的目標或其所在路徑上各點進行感應與追蹤，體現(xiàn)了一種網(wǎng)絡的覆蓋性質(zhì)，“最大突破路徑(maximal breach path) ”和“最大支撐路徑(maximalsupport path)”，分別使得路徑上的點到周圍最近傳感器的最小距離最大化以及最大距離最小化.顯然，這兩種路徑分別代表了 WSN最壞(不被檢測概率最小)和最佳(被發(fā)現(xiàn)的概率最大)的覆蓋情況.文中分別采用計算幾何中的Voronoi圖與Delaunay三角形來完成最大突破路徑和最大支撐路徑的構造和查找.其中，Voronoi圖是由所有Delaunay三角形邊上的垂直平分線形成；而Delaunay三角形的各頂點為網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點，并滿足子三角形外接圓中不含其他節(jié)點，如圖4所示，由于VOTonoi圖中的線段具有到最近的傳感器節(jié)點距離最大的性質(zhì)，因此最大突破路徑一定是由VOTonoi圖中的線段組成.最大突破路徑查找過程如下(I)基于各節(jié)點的位置產(chǎn)生網(wǎng)絡VOTonoi圖；(2)給每一條邊賦予一個權重來代表到最近傳感器節(jié)點的距離；(3)在最小和最大的權重之間執(zhí)行二進制查找算法每一步操作之前給出一個參考權重標準，然后進行寬度優(yōu)先查找(breadth-first-search),檢查是否存在一條從S到D的路徑，滿足路徑上線段的權重都比參考權重標準要大.如果路徑存在，則增加參考權重標準來縮小路徑可選擇的線段數(shù)目，否則就降低參考權重標準；(4)最后得到一條從S到D的路徑，也就是最大突破路徑，圖4中用Pmax—braac;h表不，類似地，由于Delaunay三角形是由所有到最近傳感器節(jié)點距離最短的線段組成，因此最大支撐路徑必然由Delaunay三角形的線段構成.給每一條邊賦予一個權重來代表路徑上所有到周圍最近傳感器節(jié)點的最大距離，查找算法同上.圖4中用Pmax supptjrt表示了算法執(zhí)行后得到的一條最大支撐路徑?；诒┞兜乃惴ㄍ瑫r屬于隨機節(jié)點覆蓋和柵欄覆蓋的類型.如前所述，“目標暴 露(target exposure) ”覆蓋模型同時考慮時間因素和節(jié)點對于目標的“感應強度”因素，更為符合實際環(huán)境中，運動目標由于穿越網(wǎng)絡時間增加而“感應強度”累加值增大的情況.節(jié)點s的傳感模型定義為其中P為目標點，正常數(shù)λ和K均為網(wǎng)絡經(jīng)驗參數(shù).最小暴露路徑代表了 WSN最壞的覆蓋情況，而一個運動目標沿著路徑P (t)在時間間隔[ti，t2]內(nèi)經(jīng)過WSN監(jiān)視區(qū)域的暴露路徑在文獻[11]中被定義為E(Pit)JlJ2) = I/(F,_p(/))-!2^* .其中I (F，p(t))代表了在傳感區(qū)域F中沿著路徑P (t)運動時被相應傳感器(有最近距離傳感器和全部傳感器兩種)感應的效果，我們提出了一種數(shù)值計算的近似方法來找到連續(xù)的最小暴露路徑首先，將傳感器網(wǎng)絡區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，并假設暴露路徑只能由網(wǎng)格的邊與對角線組成；之后，為每條線段賦予一定的暴露路徑權重；最后，執(zhí)行Djikstra算法得到近似的最小暴露路徑；基于圓周覆蓋的算法將隨機節(jié)點覆蓋類型的圓周覆蓋歸納為決策問題目標區(qū)域中配置一組傳感器節(jié)點，看看該區(qū)域能否滿足k覆蓋，即目標區(qū)域中每個點都至少被k個節(jié)點覆蓋.我們考慮每個傳感節(jié)點覆蓋區(qū)域的圓周重疊情況，進而根據(jù)鄰居節(jié)點信息來確定是否一個給定傳感器的圓周被完全覆蓋，如圖5所示，該算法可以用分布式方式實現(xiàn)傳感器S首先確定圓周被鄰居節(jié)點覆蓋的情況，如圖5(a)所示，3段圓周
, [b,
c]，[d，π]分別被S的3個鄰居節(jié)點所覆蓋.再將結(jié)果按照升序順序記錄在
區(qū)間，如圖5(b)所示，這樣就可以得到節(jié)點S的圓周覆蓋情況
段為1，[b，a]段為2，[a,
d]段為1，[d，c]段為2，[c，π]段為I.文獻[24]給出證明“傳感器節(jié)點圓周被充分覆蓋等價于整個區(qū)域被充分覆蓋” ·每個傳感器節(jié)點收集本地信息來進行本節(jié)點圓周覆蓋判斷，并且該算法還可以進一步擴展到不規(guī)則的傳感區(qū)域中使用；基于連通傳感器覆蓋的算法通過選擇連通的傳感器節(jié)點路徑來得到最大化的網(wǎng)絡覆蓋效果，該算法同時屬于連通性覆蓋中的連通路徑覆蓋以及確定性區(qū)域/點覆蓋類型.當指令中心向WSN發(fā)送一個感應區(qū)域查詢消息時，連通傳感器覆蓋的目標是選擇最小的連通傳感器節(jié)點集合并充分覆蓋WSN區(qū)域.文獻[16]分別設計了集中與分布式兩種貪婪算法.假設已選擇的傳感器節(jié)點集為M，剩余與M有相交傳感區(qū)域的傳感器節(jié)點稱為候選節(jié)點。集中式算法初始節(jié)點隨機選擇構成M之后，在所有從初始節(jié)點集合出發(fā)到候選節(jié)點的路徑中選擇一條可以覆蓋更多未覆蓋子區(qū)域的路徑.將該路徑經(jīng)過的節(jié)點加入M，算法繼續(xù)執(zhí)行直到網(wǎng)絡查詢區(qū)域可以完全被更新后的M所覆蓋。圖6表示了該貪婪算法執(zhí)行的方式.在圖6(a)中，貪婪算法會選擇路徑P2得到圖6(b)，這是由于在所有備選路徑中選擇C3和C4組成的路徑P2可以覆蓋更多未覆蓋子區(qū)域，連通傳感器覆蓋的分布式貪婪算法執(zhí)行過程是首先從M中最新加入的候選節(jié)點開始執(zhí)行，在一定范圍內(nèi)廣播候選路徑查找消息(CPS);收到CPS消息的節(jié)點判斷自身是否為候選節(jié)點，如果是，則單播方式返回發(fā)起者一個候選路徑響應消息(CPR);發(fā)起者選擇可以最大化增加覆蓋區(qū)域的候選路徑；更新各參數(shù)，算法繼續(xù)執(zhí)行，直到網(wǎng)絡查詢區(qū)域可完全被更新后的M所覆蓋。無線傳感器網(wǎng)絡將邏輯上的信息世界與真實的物理世界融合在一起，極大地提高了人們認識和改造世界的能力，而網(wǎng)絡覆蓋控制作為WSN實施過程中的一個基本問題， 反映了網(wǎng)絡所能提供的“感知”服務質(zhì)量.本文立足于WSN的覆蓋控制問題，對近年來提出的各種覆蓋控制問題的新思想和代表性研究成果進行歸納并加以介紹，隨后結(jié)合WSN覆蓋控制評價標準進行了比較性總結(jié)，進而深入分析了目前WSN覆蓋控制亟待解決的問題，并展望了其未來可能的發(fā)展方向以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術思想的范圍內(nèi)，進行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權利要求范圍來確定其技術性范圍。
權利要求
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡中覆蓋控制理論與算法的優(yōu)化方法，其特征是具體步驟如下 a.對無線傳感器網(wǎng)絡按照節(jié)點不同的配置方式進行覆蓋控制分類，將其按照配置方式分為 (1)確定性覆蓋根據(jù)預先配置的節(jié)點位置確定網(wǎng)絡拓撲情況或增加關鍵區(qū)域的傳感器節(jié)點密度； (2)隨機覆蓋在網(wǎng)絡情況不能預先確定且多數(shù)確定性覆蓋模型會給網(wǎng)絡帶來對稱性與周期性特征，從而掩蓋了某些網(wǎng)絡拓撲的實際特性； b.對無線傳感器網(wǎng)絡按照不同的應用屬性進行覆蓋控制分類，將其應用屬性分為 (1)節(jié)能覆蓋采用輪換活躍休眠節(jié)點的覆蓋方式； (2)柵欄覆蓋找出連接出發(fā)位置和離開位置的一條或多條路徑進行對不同模型提供不同的傳感監(jiān)視質(zhì)量； (3)連通性覆蓋； (4)目標定位覆蓋； c.無線傳感器覆蓋控制后通過無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋控制算法來進行對傳感器節(jié)點配置，其具體無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋控制算法為基于網(wǎng)格的覆蓋定位傳感器配置算法；基于輪換活躍休眠節(jié)點的覆蓋協(xié)議的算法；基于最壞與最佳情況覆蓋的算法；基于暴露穿越的算法；基于圓周覆蓋的算法；基于連通傳感器覆蓋的算法。
2.根據(jù)權利要求I所述的無線傳感器網(wǎng)絡中覆蓋控制理論與算法的優(yōu)化方法，其特征是a中確定性覆蓋分為確定性區(qū)域的點覆蓋、基于網(wǎng)格的目標覆蓋和確定性網(wǎng)絡路徑的目標覆蓋。
3.根據(jù)權利要求I所述的無線傳感器網(wǎng)絡中覆蓋控制理論與算法的優(yōu)化方法，其特征是a中隨機覆蓋分為隨機節(jié)點覆蓋和動態(tài)網(wǎng)絡覆蓋。
4.根據(jù)權利要求I所述的無線傳感器網(wǎng)絡中覆蓋控制理論與算法的優(yōu)化方法，其特征是b中柵欄覆蓋分為最壞與最佳情況覆蓋和暴露穿越。
5.根據(jù)權利要求I所述的無線傳感器網(wǎng)絡中覆蓋控制理論與算法的優(yōu)化方法，其特征是b中連通性覆蓋分為活躍節(jié)點集連通覆蓋和連通路徑覆蓋。
全文摘要
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡中覆蓋控制理論與算法的優(yōu)化方法，具體步驟如下a.對無線傳感器網(wǎng)絡按照節(jié)點不同的配置方式進行覆蓋控制分類，將其按照配置方式分為(1)確定性覆蓋；(2)隨機覆蓋；b.對無線傳感器網(wǎng)絡按照不同的應用屬性進行覆蓋控制分類，將其應用屬性分為(1)節(jié)能覆蓋；(2)柵欄覆蓋；(3)連通性覆蓋；(4)目標定位覆蓋；c.無線傳感器覆蓋控制后通過無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋控制算法來進行對傳感器節(jié)點配置。本發(fā)明的無線傳感器網(wǎng)絡中覆蓋控制理論與算法的優(yōu)化方法，采用配置方式和相關應用屬性兩種分類控制方法，有助于網(wǎng)絡節(jié)點能量的有效控制、感知服務質(zhì)量的提高和整體生存時間的延長。
文檔編號H04W84/18GK102802164SQ20121031542
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月30日 優(yōu)先權日2012年8月30日
發(fā)明者吳軍, 張輝, 徐寧 申請人:吳軍