專利名稱：基于無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)同信息估計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡分布式協(xié)同信息處理方法，特別涉及無線傳感器網(wǎng)絡中具有多個測量信息的分布式協(xié)同信息估計方法。
背景技術：
在無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，通常部署大量廉價的傳感器節(jié)點且采用無線通信方式，單個傳感器節(jié)點受到計算資源、通信帶寬和傳感范圍的限制。為了完成一個共同的目標，需要多個傳感器節(jié)點相互協(xié)同工作來共同完成一個或多個任務。另外，考慮到無線傳感器網(wǎng)絡部署在復雜環(huán)境中，測量噪聲、信道噪聲和鏈路沖突等不確定性因素存在，每個傳感器節(jié)點從同一個感興趣的檢測點可能獲得不一致的信息，這將導致傳感器節(jié)點估計性能變壞。這些問題使得無線傳感器網(wǎng)絡面臨巨大的挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)新的協(xié)同信號和信息處理理論及方法，對改善系統(tǒng)的可靠性和提高系統(tǒng)的魯棒性具有重要意義。為了提高系統(tǒng)的魯棒性，有學者開發(fā)了一類能容忍丟包的卡爾曼濾波器，這類濾波器只考慮了系統(tǒng)的不確定性，比如系統(tǒng)的丟包和延時，沒有考慮到傳感器節(jié)點之間相互協(xié)作和信息一致性。為了處理測量信息的不一致性，有學者提出了基于一致性(Consensus)策略的協(xié)同信息處理方法，該方法是全分布式的算法，能夠處理系統(tǒng)的不確定性和不一致性，但是該算法中一致性增益不是最優(yōu)的，因此不是最優(yōu)的信息處理方法。也有學者提出了基于擴散策略(Diffusion strategies)的分布式卡爾曼濾波方法,無線網(wǎng)絡內(nèi)傳感器節(jié)點只與他們的鄰居通信，且信息通過一系列卡爾曼迭代和數(shù)據(jù)融合來處理，并把信息擴散到網(wǎng)絡上其他節(jié)點，這類濾波器具有較高的估計精度，但是這類濾波器需要做多次迭代才能得到最后結果，具有一定的時延，且估計誤差具有較大的抖動，不適合實時性要求高的應用場景
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的分布式最優(yōu)協(xié)同信息估計方法。在網(wǎng)絡中每個工作傳感器節(jié)點并行處理信息且只與自己的鄰居節(jié)點交換信息，從而達到協(xié)同信息處理的目的。這種方法是分布式最優(yōu)算法，網(wǎng)絡中不需要信息融合中心，也不需要簇頭。對于單個傳感器節(jié)點或者通信鏈路是魯棒的，對于隨機部署傳感器節(jié)點是靈活的，因此非常適合變化的網(wǎng)絡拓撲結構，同時不需要復雜的路由協(xié)議來傳遞信息。由于整個網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點地位是對等的，以當前傳感器節(jié)點Si為例說明上述目標，分布式協(xié)同信息估計方法采用以下技術方案1:在初始時刻k=0，初始化每個濾波器的各種參數(shù)；2 :為當前傳感器節(jié)點Si構建鄰居表；3 :當前傳感器節(jié)點只和鄰居節(jié)點交換測量信息；4 :計算最優(yōu)的濾波器增益，根據(jù)步驟3中交換的測量信息，更新濾波器的估計值，并為下一時刻k+Ι預測濾波器的估計值；
5:如果當前鄰居表M變化，為下一時刻k+Ι更新鄰居表Μ+ι，然后轉(zhuǎn)入到步驟3繼續(xù)執(zhí)行程序。其中，上述所述的步驟I中，每個濾波器的參數(shù)包括狀態(tài)估計和協(xié)方差，且每個濾波器的狀態(tài)估計和協(xié)方差都服從均值為Χο，方差為P。的高斯分布。上述所述的步驟2中，構建鄰居表的具體操作如下如果位于Si的通信范圍內(nèi)，則把S」加入到Si的鄰居表M中；否則如果S」不在Si的通信范圍內(nèi)，或者鏈路失敗,則把Sj從Si的鄰居表M中刪除。如圖1所示,例如,對于sn，它的鄰居表Af = {6,15,18，20)，鄰居個數(shù)41 = 4 ;對于S17，它的鄰居表= {8,12}，鄰居個數(shù)4 =2，等等。上述所述的步驟3)中包括兩層含義a)當前傳感器節(jié)點和鄰居節(jié)點交換信息具體過程包括當前傳感器節(jié)點廣播自己的測量信息給鄰居節(jié)點，同時接收來自所有鄰居節(jié)點的測量信息，因此，每個傳感器節(jié)點不僅擁有自己的測量信息，同時擁有鄰居節(jié)點的測量信息；b)當前傳感器節(jié)點只與鄰居節(jié)點交換信息，與整個網(wǎng)絡規(guī)模無關，因此該方法是全分布式算法。上述所述的步驟4中進一步包括4.1)計算濾波器增益包括當前濾波器增益和鄰居濾波器增益Cl，當前濾波器增益主要用于調(diào)節(jié)當前預測值，鄰居濾波器增SG主要用于補償鄰居節(jié)點和當前節(jié)點測量信息的不一致。`4. 2)當前濾波器增益&和鄰居濾波器增益C丨都是最優(yōu)的，即在濾波器設計目標中，采用最小化濾波器估計誤差而得到的尤，因此本發(fā)明中的濾波器也為最優(yōu)濾波器。4. 3)當前時刻k更新濾波器的估計值包括狀態(tài)估計和誤差協(xié)方差矩陣力下一時刻k+Ι預測濾波器的估計值包括預測狀態(tài)估計筆+_和預測誤差協(xié)方差矩陣片+_。上述步驟5中，當前鄰居表$更新包括刪除節(jié)點和添加節(jié)點a)鄰居表中有傳感器節(jié)點能量耗盡，從當前鄰居表中刪除，該節(jié)點退出網(wǎng)絡山)有新的傳感器節(jié)點移動進入當前傳感器節(jié)點的通信范圍內(nèi)，或者通過調(diào)節(jié)傳感器節(jié)點的發(fā)射功率以增大通信范圍，新增加的通信范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點被添加到當前鄰居表；c)由于其它原因，鄰居表中的傳感器節(jié)點在規(guī)定時間內(nèi)沒有接收到鄰居節(jié)點的信息，或者在規(guī)定的時間內(nèi)不能把信息發(fā)送給當前傳感器節(jié)點，則認為該傳感器節(jié)點暫時失效，把該傳感器節(jié)點從當前鄰居表中刪除。上述步驟5的b)中，新的傳感器節(jié)點是指無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測區(qū)域以外的傳感器節(jié)點。上述步驟5的c)中，由于其他原因，這些原因主要有鏈路沖突而導致測量信息丟失或者延時超過規(guī)定的時間。規(guī)定的時間是指一個傳感器節(jié)點連續(xù)兩次成功發(fā)送或者成功接收信息的時間差的最大值。傳感器節(jié)點暫時失效是指傳感器節(jié)點在規(guī)定的時間內(nèi)沒有接收到信息或者發(fā)送信息不成功。如果該傳感器節(jié)點過一段時間后又能重新發(fā)送或者接收信息，則該傳感器節(jié)點又可以被添加進當前傳感器節(jié)點的鄰居表，成為網(wǎng)絡中的一個工作節(jié)點。


圖1是具有20個傳感器節(jié)點的和54個通信鏈路的網(wǎng)絡拓撲，圖中101表示傳感器節(jié)點，102表示對應傳感器節(jié)點編號，103表示通信鏈路。圖2是當前傳感器節(jié)點與鄰居節(jié)點交換信息，圖中201表示當前傳感器節(jié)點Si,202表示當前傳感器節(jié)點Si的鄰居節(jié)點，203表示Si的通信半徑,204當前傳感器節(jié)點Si的通信覆蓋區(qū)域。圖3是所有傳感器節(jié)點在五個不同時刻的位置估計值，其中301 “ + ”代表每個傳感器節(jié)點的估計位置，302 “ ”代表所有傳感器節(jié)點估計位置的中心，303 “ □”代表移動目標的實際位置，304代表移動目標的實際軌跡。圖4是使用不同初值的20個傳感器節(jié)點的估計誤差，401表示傳感器節(jié)點在不同時間步時的估計誤差。圖5是四種估計方法在不同時間步時的平均估計誤差比較，501表示CKF，502表示LKF, 503 表示 D0KF，504 表示 DiffKF。
具體實施例方式為了方便敘述具體實施方式
，首先給出一些符號表示無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構Gk= {V, EJ中有N個傳感器節(jié)點，其中V = {1，2，…，N}表示傳感器節(jié)點頂點集合，F(xiàn)1 c J xl·表示在時間步k時的邊集。N1k = {j e F:(i,f) e Ek, i Φ /}表示在時間步k時傳感器節(jié)點Si的鄰居節(jié)點集合,但不包括傳感器節(jié)點S1-Ji1k =<(iV丨)表示傳感器節(jié)點Si的鄰居表iVi中元素的個數(shù)；Im表示具有m維的單位矩陣。對于無線傳感器網(wǎng)絡中的分布式狀態(tài)估計，考慮如下離散線性時變系統(tǒng)的狀態(tài)方程:xk+1 = Akxk+Bkwk(I)其中；e 9T是k時刻的狀態(tài)矢量，Ak和Bk是適當維素的矩陣，Wk是具有均值為零、方差為Qk的狀態(tài)噪聲。我們使用具有拓撲結構Gk的無線傳感器網(wǎng)絡來測量目標的狀態(tài)，當傳感器節(jié)點Si作為工作節(jié)點時，相應的測量方程為Zik = H[xk+vlk (1 = 1,2,...,N)⑵其中4 e 9Γ是傳感器節(jié)點Si在時間步k的測
量值，V!是具有均值為零、方差力盡的高斯隨機噪聲。本發(fā)明的目標是設計一種分布式協(xié)同狀態(tài)估計方法，具體需要設計一類基于鄰居測量信息的全分布式最優(yōu)濾波器
權利要求
1.基于無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)同信息估計方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟1、初始化傳感器節(jié)點的濾波器參數(shù)； 步驟2、為當前傳感器節(jié)點構建鄰居表，所述鄰居表中包括當前傳感器節(jié)點的所有鄰居節(jié)點； 步驟3、當前傳感器節(jié)點與鄰居節(jié)點交換測量信息； 步驟4、計算濾波器增益，根據(jù)步驟3中交換的所述測量信息，更新濾波器的估計值，并為下一時刻預測濾波器的估計值； 步驟5、如果當前傳感器節(jié)點的鄰居表發(fā)生變化，為下一時刻更新鄰居表，然后轉(zhuǎn)入到步驟3繼續(xù)執(zhí)行程序；如果當前傳感器節(jié)點的鄰居表沒有發(fā)生變化，則直接轉(zhuǎn)向步驟3繼續(xù)執(zhí)行程序。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)同信息估計方法，其特征在于，所述步驟I中，所述濾波器的參數(shù)包括狀態(tài)估計和誤差協(xié)方差矩陣，且濾波器的狀態(tài)估計和協(xié)方差均服從高斯分布。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)同信息估計方法，其特征在于，所述步驟2中，構建鄰居表的方法為在初始化隨機部署傳感器節(jié)點后，判斷傳感器節(jié)點是否位于當前傳感器節(jié)點的通信半徑內(nèi)，如果傳感器節(jié)點位于當前傳感器節(jié)點的通信半徑內(nèi)，則把傳感器節(jié)點加入到當前傳感器節(jié)點的鄰居表中。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)同信息估計方法，其特征在于，步驟3中，所述交換測量信息包括當前傳感器節(jié)點廣播其測量信息給鄰居節(jié)點和當前傳感器節(jié)點接收來自鄰居節(jié)點的測量信息。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)同信息估計方法，其特征在于，所述步驟4包括以下步驟 51、計算濾波器增益包括當前濾波器增益和鄰居濾波器增益，當前濾波器增益用于調(diào)節(jié)當前預測值，鄰居濾波器增益用于補償鄰居節(jié)點和當前節(jié)點的預測差值； 52、當前濾波器增益和鄰居濾波器增益都是最優(yōu)的，即在濾波器設計目標中，采用最小的濾波器估計誤差而得到的當前濾波器增益和鄰居濾波器增益； 53、當前時刻更新濾波器的估計值包括狀態(tài)估計和誤差協(xié)方差矩陣；為下一時刻預測濾波器的估計值包括預測狀態(tài)估計和預測誤差協(xié)方差矩陣。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)同信息估計方法，其特征在于，所述的步驟5中，所述更新鄰居表包括以下步驟 Al、如果鄰居表中有傳感器節(jié)點的能量耗盡，則把所述能量耗盡的傳感器節(jié)點從當前傳感器節(jié)點的鄰居表中刪除； A2、有新的傳感器節(jié)點移動進入當前傳感器節(jié)點的通信半徑內(nèi)，或者通過調(diào)節(jié)當前傳感器節(jié)點的發(fā)射功率以增大通信半徑，新增加的通信范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點被添加到當前傳感器節(jié)點的鄰居表中； A3、由于通信失敗，鄰居表中的一個傳感器節(jié)點在規(guī)定時間內(nèi)沒有接收到當前傳感器節(jié)點的信息，或者在規(guī)定的時間內(nèi)不能把信息發(fā)送給當前傳感器節(jié)點，則表示鄰居表中的這個傳感器節(jié)點暫時失效，把這個傳感器節(jié)點從當前傳感器節(jié)點的鄰居表中刪除。
7.根據(jù)權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)同信息估計方法，其特征在于，所述的步驟5的A2中，通信范圍是指當前傳感器節(jié)點能夠和鄰居傳感器節(jié)點進行通信所覆蓋的區(qū)域。
8.根據(jù)權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)同信息估計方法，其特征在于，所述的步驟5的A3中，通信失敗的原因是指鏈路沖突而導致測量信息丟失或者延時超過規(guī)定的時間，所述規(guī)定的時間是指一個傳感器節(jié)點連續(xù)兩次成功發(fā)送或者成功接收信息的時間差不能超過用戶規(guī)定的時間；所述傳感器節(jié)點暫時失效是指傳感器節(jié)點在規(guī)定的時間內(nèi)沒有接收到信息或者發(fā)送信息失敗。
全文摘要
本發(fā)明提供了基于無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)同信息估計方法，包括以下步驟步驟1、初始化傳感器節(jié)點的濾波器參數(shù)；步驟2、為當前傳感器節(jié)點構建鄰居表，所述鄰居表中包括當前傳感器節(jié)點的所有鄰居節(jié)點；步驟3、當前傳感器節(jié)點與鄰居節(jié)點交換測量信息；步驟4、計算濾波器增益；步驟5、如果當前傳感器節(jié)點的鄰居表發(fā)生變化，為下一時刻更新鄰居表，然后轉(zhuǎn)入到步驟3繼續(xù)執(zhí)行程序；如果當前傳感器節(jié)點的鄰居表沒有發(fā)生變化，則直接轉(zhuǎn)向步驟3繼續(xù)執(zhí)行程序。本方面是一種全分布式最優(yōu)的協(xié)同信息估計方法，具有估計精度高且誤差擾動小，魯棒性好，不需要設計復雜的路由協(xié)議來轉(zhuǎn)發(fā)信息，非常適合變化的網(wǎng)絡拓撲結構和大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡等優(yōu)點。
文檔編號H04W24/00GK103067940SQ20121056037
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月20日 優(yōu)先權日2012年12月20日
發(fā)明者劉永桂, 胥布工, 高煥麗, 潘創(chuàng) 申請人:華南理工大學