專利名稱：一種傳感器網(wǎng)絡(luò)三維覆蓋控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三維環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了一 種基于冗余節(jié)點休眠和分階段喚醒策略的傳感器網(wǎng)絡(luò)三維覆蓋控制方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)是由大量低成本、低功耗的具有傳感、計算 與通信能力的微小傳感器節(jié)點構(gòu)成的自治網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是能根據(jù)環(huán)境自主完 成各種監(jiān)測任務(wù)的智能系統(tǒng)，其在軍事、汽車電子、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān) 測、醫(yī)療衛(wèi)生、智能家居等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，尤其在無人值守或惡 劣環(huán)境下的事件監(jiān)測和目標(biāo)跟蹤中顯示了很大的優(yōu)勢。由于WSNs中傳感 器節(jié)點自身體積較小、電池能量資源有限，如何保證大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下傳 感器節(jié)點能量的有效使用就成為備受關(guān)注的一項研究內(nèi)容，它直接影響到 整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其部署范圍一般較廣，且環(huán)境 惡劣，長期無人值守，因此需要大量在空間上密集分布的節(jié)點協(xié)作完成整 個監(jiān)測任務(wù)，其中節(jié)點的能耗和網(wǎng)絡(luò)的壽命是非常值得關(guān)注的問題。節(jié)點 密集分布意味著網(wǎng)絡(luò)中存在較大的冗余，使冗余節(jié)點休眠將對節(jié)約整個網(wǎng) 絡(luò)的能耗起到很大的作用。但無原則地讓過多的節(jié)點休眠勢必會影響整個 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)的精度、完整性和通信質(zhì)量?，F(xiàn)有技術(shù)中研究了網(wǎng)絡(luò)節(jié) 能問題，在保障初始網(wǎng)絡(luò)覆蓋(即在節(jié)點部署完成后，所有節(jié)點均處于活 躍狀態(tài)時，整個網(wǎng)絡(luò)達(dá)到的覆蓋度)的情況下，若一個傳感器節(jié)點的感知 范圍被其它活躍節(jié)點的感知范圍所覆蓋時，該節(jié)點可以處于休眠狀態(tài)。但 這類方法中未考慮整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期，即沒有涉及到對處于休眠狀態(tài)的 節(jié)點如何處理?，F(xiàn)有技術(shù)的另一類方法是從網(wǎng)絡(luò)生命周期出發(fā)，且從部署 節(jié)點之后就直接執(zhí)行統(tǒng)一的活躍/休眠狀態(tài)決策的，如WPCS覆蓋策略， 循環(huán)狀態(tài)變換方法。這兩類方法均不能達(dá)到較高的網(wǎng)絡(luò)性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于冗余節(jié)點休眠 和分階段喚醒策略的傳感器網(wǎng)絡(luò)三維覆蓋控制方法，以提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的 整體性能，即在使冗余節(jié)點休眠的基礎(chǔ)上，執(zhí)行分階段的喚醒策略。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方法是這樣實現(xiàn)的
(1) 對監(jiān)測區(qū)域用正方體建模，確定監(jiān)測區(qū)域的三維坐標(biāo)系；在監(jiān)測 區(qū)域中，在滿足分布密度要求條件下隨機設(shè)置多個傳感器節(jié)點，確定每個 傳感器節(jié)點的x、 y、 z軸三維坐標(biāo)；
(2) 對分布于監(jiān)測區(qū)域中的傳感器節(jié)點，從整體網(wǎng)絡(luò)的冗余性考慮， 按照傳感器節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)覆蓋的貢獻(xiàn)大小，使冗余節(jié)點處于休眠狀態(tài)，處于 活躍狀態(tài)的節(jié)點用來完成當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)覆蓋任務(wù)；
(3) 步驟(2)中處于活躍狀態(tài)的節(jié)點能量耗盡之后，對處于休眠狀態(tài)的 節(jié)點實行分階段喚醒策略，確定任何節(jié)點在某一時刻的狀態(tài)，直至整個傳 感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的能量都耗盡為止。
步驟(2)中使冗余節(jié)點處于休眠狀態(tài)的方法如下
(21) 假設(shè)每個傳感器都處于活躍狀態(tài)；
(22) 按照傳感器感知模型計算每個網(wǎng)格點的合作感知強度，并計算初 始的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。
由于傳感器節(jié)點部署的隨機性，可能網(wǎng)絡(luò)在初始部署時沒有達(dá)到完全 覆蓋(即網(wǎng)絡(luò)覆蓋為100%)，則在隨后的冗余節(jié)點休眠策略中是以保證 達(dá)到該網(wǎng)絡(luò)覆蓋為前提的?？梢酝ㄟ^增加部署的節(jié)點數(shù)以提高網(wǎng)絡(luò)初始覆
芏 隱。
如果某網(wǎng)格點位于多個傳感器節(jié)點的公共感知區(qū)域，則該網(wǎng)格點的合 作感知強度為這些傳感器節(jié)點在該網(wǎng)格點的感知強度之和；網(wǎng)絡(luò)覆蓋是指 被覆蓋的網(wǎng)格點數(shù)與在三維區(qū)域中總的網(wǎng)格點數(shù)之比。
計算每個網(wǎng)格點的合作感知強度，以及計算初始的網(wǎng)絡(luò)覆蓋的方法采 用現(xiàn)有的成熟方法，例如文獻(xiàn)Baiwei Yang， Hongyi Yu， Hong Li， Huifeng Hou. A coverage—preserving density control algorithm based—on cooperation in wireless sensor networks. Wireless Communication, Networking and Mobile Computing. 2006， 1-4中公開的 方法。
(23) 對所有網(wǎng)格點，根據(jù)當(dāng)前處于活躍狀態(tài)的傳感器節(jié)點，在傳感器 有效感知范圍之內(nèi)更新網(wǎng)格點的合作感知強度，判斷每個傳感器節(jié)點的決 定參數(shù)，并計算每個節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)的感知貢獻(xiàn)。
其中傳感器有效感知范圍由傳感器感知模型決定。若某一傳感器節(jié)點 處于休眠狀態(tài)后，在其有效感知范圍內(nèi)的所有網(wǎng)格點的合作感知強度都大 于某一閾值，則其決定參數(shù)為1，表示該傳感器節(jié)點可以處于休眠狀態(tài)； 某節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)的感知貢獻(xiàn)是指該節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有網(wǎng)格點的感知貢獻(xiàn)之 和，而某節(jié)點對某網(wǎng)格點的感知貢獻(xiàn)是指該節(jié)點對該網(wǎng)格點的感知強度與 該網(wǎng)格點的合作感知強度之比。
(24) 如果網(wǎng)絡(luò)中存在決定參數(shù)為1的傳感器節(jié)點，則從中選取對網(wǎng)絡(luò) 的感知貢獻(xiàn)最小的節(jié)點，使其處于休眠狀態(tài)，將該節(jié)點的感知強度設(shè)為 0，更新網(wǎng)絡(luò)覆蓋。每次循環(huán)選取一個傳感器節(jié)點實施休眠，直到網(wǎng)絡(luò)中 沒有決定參數(shù)為1的傳感器節(jié)點為止。
步驟(3)中對處于休眠狀態(tài)的節(jié)點實行分階段喚醒策略的方法如下
(31) 假設(shè)每個節(jié)點均處于休眠狀態(tài)；
(32) 將每個傳感器節(jié)點的壽命T分為N個階段。定義一個能量向量 E，其元素代表每個節(jié)點的剩余能量，并初始化為E[N…N]，即每個傳感器 節(jié)點的剩余能量初始化為N。
(33) 在每個時間階段T/N中，循環(huán)喚醒傳感器節(jié)點，每次循環(huán)中隨機 地使一個傳感器節(jié)點處于活躍狀態(tài)，該節(jié)點必須保證其對網(wǎng)絡(luò)覆蓋有貢獻(xiàn) 且在這個時間階段中沒有被重復(fù)置為活躍狀態(tài)，能量向量中對應(yīng)于該節(jié)點 的元素E(i)減l，更新網(wǎng)絡(luò)覆蓋。循環(huán)終止條件是達(dá)到了初始網(wǎng)絡(luò)覆蓋， 或者是所有節(jié)點都處于活躍狀態(tài)。
(34)等待上一階段時間完畢后，令每個節(jié)點的狀態(tài)都為休眠狀態(tài)(除
了能量耗盡的節(jié)點)，進(jìn)入下一個時間階段，重復(fù)歩驟(33)，循環(huán)直至每
個傳感器節(jié)點的能量都耗盡為止。
本發(fā)明提出了基于冗余節(jié)點休眠和分階段喚醒策略的傳感器網(wǎng)絡(luò)三維 覆蓋控制方法。在監(jiān)測區(qū)域中，在滿足分布密度要求條件下隨機設(shè)置多個 傳感器節(jié)點，使冗余節(jié)點處于休眠狀態(tài)，等待活躍節(jié)點能量耗盡之后，對 處于休眠狀態(tài)的節(jié)點實行分階段喚醒策略，確定任何節(jié)點在某一時刻的狀 態(tài)，直至整個傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的能量都耗盡為止。采用本發(fā)明方 法，可以提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)性能，且在三維監(jiān)測區(qū)域布置相同數(shù)目的 傳感器節(jié)點，分階段喚醒策略優(yōu)于不分階段的喚醒策略，先使冗余節(jié)點休 眠之后再喚醒方法的網(wǎng)絡(luò)性能高于直接輪流喚醒方法的網(wǎng)絡(luò)性能。


圖1是本發(fā)明的傳感器網(wǎng)絡(luò)三維覆蓋控制方法流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的核心思想是在監(jiān)測區(qū)域中，在滿足分布密度要求條件下隨 機設(shè)置多個傳感器節(jié)點，使冗余節(jié)點處于休眠狀態(tài)，等待活躍節(jié)點能量耗 盡之后，對處于休眠狀態(tài)的節(jié)點實行分階段喚醒策略，確定任何節(jié)點在某 一時刻的狀態(tài)，直至整個傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的能量都耗盡為止。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。本方法分為三部分
1. 對監(jiān)測區(qū)域用正方體建模，確定監(jiān)測區(qū)域的三維坐標(biāo)系；在監(jiān)測區(qū) 域屮，在滿足分布密度要求條件下設(shè)置多個傳感器節(jié)點，并確定每個傳感 器節(jié)點的X， y， Z軸三維坐標(biāo)；
2. 對分布于三維監(jiān)測區(qū)域中的傳感器節(jié)點，從整體網(wǎng)絡(luò)的冗余性考
慮，按照傳感器節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)覆蓋的貢獻(xiàn)大小，使冗余節(jié)點處于休眠狀態(tài)，
處于活躍狀態(tài)的節(jié)點用來完成當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)覆蓋任務(wù)；
3. 第2歩中處于活躍狀態(tài)的節(jié)點能量耗盡之后，對處于休眠狀態(tài)的節(jié) 點實行分階段喚醒策略，確定任何節(jié)點在某一時刻的狀態(tài)，直至整個傳感
器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的能量都耗盡為止。
本方法的具體實施遵循以下的過程，見附圖l:
(1) 在監(jiān)測區(qū)域中，在滿足分布密度要求條件下隨機設(shè)置多個傳感器 節(jié)點；
(2) 假設(shè)每個傳感器都處于活躍狀態(tài)；按照傳感器感知模型計算每個 網(wǎng)格點的合作感知強度，并由此得出初始的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。由于傳感器節(jié)點部 署的隨機性，可能網(wǎng)絡(luò)在初始部署時沒有達(dá)到完全覆蓋，則在隨后的冗余 節(jié)點休眠策略中是以保證該網(wǎng)絡(luò)覆蓋為前提的。可以通過增加部署的節(jié)點 數(shù)以提高網(wǎng)絡(luò)初始覆蓋。
如果某網(wǎng)格點位于多個傳感器節(jié)點的公共感知區(qū)域，則該網(wǎng)格點的合 作感知強度為這些傳感器節(jié)點在該網(wǎng)格點的感知強度之和；網(wǎng)絡(luò)覆蓋為被 覆蓋的網(wǎng)格點數(shù)與在三維區(qū)域中總的網(wǎng)格點數(shù)之比；
(3) 對所有網(wǎng)格點，根據(jù)當(dāng)前處于活躍狀態(tài)的傳感器節(jié)點，在傳感器 有效感知范圍之內(nèi)更新網(wǎng)格點的合作感知強度，判斷每個傳感器節(jié)點的決 定參數(shù)，并計算每個節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)的感知貢獻(xiàn)。
其中傳感器有效感知范圍由傳感器感知模型決定；若某一傳感器節(jié)點 處于休眠狀態(tài)后，在其有效感知范圍內(nèi)的所有網(wǎng)格點的合作感知強度都大 于某一閾值，則其決定參數(shù)為1，表示該傳感器節(jié)點可以處于休眠狀態(tài)； 某節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)的感知貢獻(xiàn)為該節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有網(wǎng)格點的感知貢獻(xiàn)之 和，而某節(jié)點對某網(wǎng)格點的感知貢獻(xiàn)是指該節(jié)點對該網(wǎng)格點的感知強度與 該網(wǎng)格點的合作感知強度之比 ，
(4) 如果網(wǎng)絡(luò)中存在決定參數(shù)為1的傳感器節(jié)點，則從中選取對網(wǎng)絡(luò) 的感知貢獻(xiàn)最小的節(jié)點，使其處于休眠狀態(tài)，將該節(jié)點的感知強度設(shè)為 0，更新網(wǎng)絡(luò)覆蓋。每次循環(huán)選取一個傳感器節(jié)點實施休眠，直到網(wǎng)絡(luò)中 沒有決定參數(shù)為1的傳感器節(jié)點為止。
(5) 等待歩驟(4)中選擇的活躍節(jié)點能量耗盡之后，對于處于休眠狀態(tài) 的傳感器節(jié)點，將每個傳感器節(jié)點的壽命T分為N個階段。定義一個能量
向量E，其元素代表每個節(jié)點的剩余能量，并初始化為E[N…N]，即每個傳
感器節(jié)點的剩余能量初始化為N。
(6) 在每個時間階段T/N中，循環(huán)喚醒傳感器節(jié)點，每次循環(huán)中隨機 地使一個傳感器節(jié)點處于活躍狀態(tài)，該節(jié)點保證其對網(wǎng)絡(luò)覆蓋有貢獻(xiàn)且在 這個時間階段中沒有被重復(fù)置為活躍狀態(tài)，能量向量中對應(yīng)于該節(jié)點的元 素E(i)減l，更新網(wǎng)絡(luò)覆蓋。循環(huán)終止條件是達(dá)到了初始網(wǎng)絡(luò)覆蓋，或者 是所有節(jié)點都處于活躍狀態(tài)。
(7) 等待上一階段時間完畢后，令每個節(jié)點的狀態(tài)都為休眠狀態(tài)(除 了能量耗盡的節(jié)點)，進(jìn)入下一個時間階段，重復(fù)步驟(6)。循環(huán)直至每 個傳感器節(jié)點的能量都耗盡為止。
總之，本發(fā)明提出的是基于冗余節(jié)點休眠和分階段喚醒策略的傳感器
網(wǎng)絡(luò)三維覆蓋控制方法在監(jiān)測區(qū)域中，在滿足分布密度要求條件下隨機
設(shè)置多個傳感器節(jié)點，使冗余節(jié)點處于休眠狀態(tài)，等待活躍節(jié)點能量耗盡 之后，對處于休眠狀態(tài)的節(jié)點實行分階段喚醒策略，確定任何節(jié)點在某一 時刻的狀態(tài)，直至整個傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點的能量都耗盡為止。應(yīng)當(dāng) 說明的是，采用不同的傳感器感知模型等方法都是不脫離本發(fā)明技術(shù)方法 的精神和范圍的。
權(quán)利要求
1、一種傳感器網(wǎng)絡(luò)三維覆蓋控制方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)對監(jiān)測區(qū)域用正方體建模，確定監(jiān)測區(qū)域的三維坐標(biāo)系；在監(jiān)測區(qū)域中，在滿足分布密度要求條件下隨機設(shè)置多個傳感器節(jié)點，確定每個傳感器節(jié)點的x、y、z軸三維坐標(biāo)；(2)對分布于監(jiān)測區(qū)域中的傳感器節(jié)點，從整體網(wǎng)絡(luò)的冗余性考慮，按照傳感器節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)覆蓋的貢獻(xiàn)大小，使冗余節(jié)點處于休眠狀態(tài)，處于活躍狀態(tài)的節(jié)點用來完成當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)覆蓋任務(wù)；(3)步驟(2)中處于活躍狀態(tài)的節(jié)點能量耗盡之后，對處于休眠狀態(tài)的節(jié)點實行分階段喚醒策略，確定任何節(jié)點在某一時刻的狀態(tài)，直至整個傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的能量都耗盡為止；步驟(2)中使冗余節(jié)點處于休眠狀態(tài)的方法如下(21)假設(shè)每個傳感器都處于活躍狀態(tài)；(22)按照傳感器感知模型計算每個網(wǎng)格點的合作感知強度，并計算初始的網(wǎng)絡(luò)覆蓋；如果某網(wǎng)格點位于多個傳感器節(jié)點的公共感知區(qū)域，則該網(wǎng)格點的合作感知強度為這些傳感器節(jié)點在該網(wǎng)格點的感知強度之和；所述的網(wǎng)絡(luò)覆蓋為被覆蓋的網(wǎng)格點數(shù)與在三維區(qū)域中總的網(wǎng)格點數(shù)之比；(23)對所有網(wǎng)格點，根據(jù)當(dāng)前處于活躍狀態(tài)的傳感器節(jié)點，在傳感器有效感知范圍之內(nèi)更新網(wǎng)格點的合作感知強度，判斷每個傳感器節(jié)點的決定參數(shù)，并計算每個節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)的感知貢獻(xiàn)；所述的節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)的感知貢獻(xiàn)為該節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有網(wǎng)格點的感知貢獻(xiàn)之和；所述的節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的網(wǎng)格點的感知貢獻(xiàn)為該節(jié)點對該網(wǎng)格點的感知強度與該網(wǎng)格點的合作感知強度之比；其中傳感器有效感知范圍由傳感器感知模型決定；若某一傳感器節(jié)點處于休眠狀態(tài)后，在其有效感知范圍內(nèi)的所有網(wǎng)格點的合作感知強度都大于某一閾值，則其決定參數(shù)為1，表示該傳感器節(jié)點可以處于休眠狀態(tài)；(24)如果網(wǎng)絡(luò)中存在決定參數(shù)為1的傳感器節(jié)點，則從中選取對網(wǎng)絡(luò)的感知貢獻(xiàn)最小的節(jié)點，使其處于休眠狀態(tài)，將該節(jié)點的感知強度設(shè)為0，更新網(wǎng)絡(luò)覆蓋；每次循環(huán)選取一個傳感器節(jié)點實施休眠，直到網(wǎng)絡(luò)中沒有決定參數(shù)為1的傳感器節(jié)點為止；步驟(3)中對處于休眠狀態(tài)的節(jié)點實行分階段喚醒策略的方法如下(31)假設(shè)每個節(jié)點均處于休眠狀態(tài)；(32)將每個傳感器節(jié)點的壽命T分為N個階段，定義一個能量向量E，其元素代表每個節(jié)點的剩余能量，并初始化為E[N…N]，即每個傳感器節(jié)點的剩余能量初始化為N；(33)在每個時間階段T/N中，循環(huán)喚醒傳感器節(jié)點，每次循環(huán)中隨機地使一個傳感器節(jié)點處于活躍狀態(tài)，該節(jié)點保證其對網(wǎng)絡(luò)覆蓋有貢獻(xiàn)且在這個時間階段中沒有被重復(fù)置為活躍狀態(tài)，能量向量中對應(yīng)于該節(jié)點的元素E(i)減1，更新網(wǎng)絡(luò)覆蓋；循環(huán)終止條件是達(dá)到了初始網(wǎng)絡(luò)覆蓋，或者是所有節(jié)點都處于活躍狀態(tài)；(34)等待上一階段時間完畢后，令每個節(jié)點的狀態(tài)都為休眠狀態(tài)，進(jìn)入下一個時間階段，重復(fù)步驟(33)，循環(huán)直至每個傳感器節(jié)點的能量都耗盡為止。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種傳感器網(wǎng)絡(luò)三維覆蓋控制方法。目前的覆蓋方法中一般不對休眠節(jié)點進(jìn)行處理，或直接采用輪流活躍/休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換，均不能達(dá)到較高的網(wǎng)絡(luò)性能。本發(fā)明是在監(jiān)測區(qū)域中，在滿足分布密度要求條件下隨機設(shè)置多個傳感器節(jié)點，使冗余節(jié)點處于休眠狀態(tài)，等待活躍節(jié)點能量耗盡之后，對處于休眠狀態(tài)的節(jié)點實行分階段喚醒策略，確定任何節(jié)點在某一時刻的狀態(tài)，直至整個傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的能量都耗盡為止。采用本發(fā)明方法，可以均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，提高網(wǎng)絡(luò)性能，且在三維監(jiān)測區(qū)域布置相同數(shù)目的傳感器節(jié)點，分階段喚醒策略優(yōu)于不分階段的喚醒策略，先使冗余節(jié)點休眠之后再喚醒的方法比直接輪流喚醒方法的網(wǎng)絡(luò)性能要高。
文檔編號H04L29/08GK101345674SQ20081012054
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月19日
發(fā)明者鵬 蔣, 峰 陳 申請人:杭州電子科技大學(xué)