混雜網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)覆蓋探測方法及節(jié)點(diǎn)部署選擇方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種混雜網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)部署選擇方法，包括：移動(dòng)節(jié)點(diǎn)從起點(diǎn)出發(fā)，首先選擇基本行為進(jìn)行部署探測，每執(zhí)行完一個(gè)基本行為則部署一個(gè)靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，部署過程中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)獲取障礙物在水平方向上的距離差；如果水平方向上不存在障礙物，則繼續(xù)執(zhí)行部署探測；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)每執(zhí)行完一個(gè)基本行為；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)啟用執(zhí)行垂直基本行為進(jìn)行靜態(tài)節(jié)點(diǎn)部署，完成后進(jìn)入下一個(gè)方向上的基本行為的部署探測流程；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)用3節(jié)點(diǎn)加1距離法來判斷X方向上靠近障礙物區(qū)域的點(diǎn)位是否屬于部署靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的有效點(diǎn)位，滿足預(yù)定條件則執(zhí)行靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的部署，否則放棄部署。本發(fā)明提出的節(jié)點(diǎn)部署選擇方法能夠有效節(jié)省靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的部署數(shù)量。
【專利說明】混雜網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)覆蓋探測方法及節(jié)點(diǎn)部署選擇方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及混雜網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的控制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種混雜網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié) 點(diǎn)覆蓋探測方法及節(jié)點(diǎn)部署選擇方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 節(jié)點(diǎn)部署是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的基本問題之一，根據(jù)允許的部署方式和應(yīng) 用需求，將適量的節(jié)點(diǎn)布置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的適當(dāng)位置。
[0003] 混雜傳感器網(wǎng)絡(luò)是在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上新增移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，依托移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的可 控制性和機(jī)動(dòng)能力執(zhí)行覆蓋探測、漏洞補(bǔ)充覆蓋和節(jié)點(diǎn)部署等增強(qiáng)功能。節(jié)點(diǎn)部署是確保 混雜傳感器網(wǎng)絡(luò)維持高效率的監(jiān)測效能的第一步。
[0004] 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和已經(jīng)存在的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自動(dòng)組成混雜網(wǎng)絡(luò)，部署的傳感器節(jié) 點(diǎn)（含靜態(tài)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)）能夠彼此通信，相互之間通過多跳方式通信。就成本而言，配 置的傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量是非常重要的，過多部署節(jié)點(diǎn)會增加成本。同時(shí)，針對一個(gè)部署好的 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，靜態(tài)節(jié)點(diǎn)失效（比如電池電量不足等原因）會造成某些區(qū)域不被覆 蓋，這時(shí)需要移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行覆蓋空洞的修復(fù)。
[0005] 混雜傳感器網(wǎng)絡(luò)可通過移動(dòng)節(jié)點(diǎn)提前進(jìn)行覆蓋探測，評估出整個(gè)覆蓋區(qū)域內(nèi)的靜 態(tài)節(jié)點(diǎn)的各個(gè)覆蓋部署點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定區(qū)域被充分覆蓋和完全處于監(jiān)視之下。
[0006] 網(wǎng)絡(luò)覆蓋是混雜網(wǎng)絡(luò)分布式信息采集和數(shù)據(jù)處理面臨的基本問題之一，傳感器節(jié) 點(diǎn)可能任意分布在配置區(qū)域，如何實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)控區(qū)域的全面覆蓋是很重要的，目前很多研 究大多是針對監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行靜態(tài)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)拋灑，在有序部署時(shí)針對重點(diǎn)區(qū)域主要通過多部 署一些靜態(tài)節(jié)點(diǎn)以基本實(shí)現(xiàn)覆蓋需求，這對系統(tǒng)成本和整個(gè)系統(tǒng)功耗來說帶來挑戰(zhàn)。
[0007] 有鑒于此，針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本領(lǐng)域亟需一種新的混雜網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié) 點(diǎn)覆蓋探測選擇策略，能夠解決監(jiān)控區(qū)域的覆蓋空洞問題，同時(shí)能夠有效節(jié)省靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的 部署數(shù)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種混雜網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)覆蓋探測方法， 在解決監(jiān)控區(qū)域的覆蓋空洞的同時(shí)能夠有效節(jié)省靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的部署數(shù)量。
[0009] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種混雜網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)覆蓋探測方法，包 括：設(shè)計(jì)出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)覆蓋探測基本行為集，通過基本行為的組合來完成非障礙物區(qū)域的覆 蓋探測，再結(jié)合圍繞障礙物周邊的部署探測，最終得出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)整個(gè)部署探測路徑的累積 代價(jià)。
[0010] 進(jìn)一步，所述設(shè)計(jì)出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)覆蓋探測基本行為集，通過基本行為的組合來完成 非障礙物區(qū)域的覆蓋探測，再結(jié)合圍繞障礙物周邊的部署探測，最終得出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)整個(gè)部 署探測路徑的累積代價(jià)，包括：根據(jù)預(yù)定義的傳感器部署模型，設(shè)計(jì)出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)基本行為 集，將整個(gè)覆蓋探測區(qū)域建立包括X方向和Y方向的坐標(biāo)系，并評估出整個(gè)監(jiān)控區(qū)域在該坐 標(biāo)系下各個(gè)基本行為集的部署點(diǎn)位；對于非障礙物區(qū)域，將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的部署探測流程轉(zhuǎn)換 為對移動(dòng)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行固定點(diǎn)位的操作控制；對于障礙物區(qū)域，通過3節(jié)點(diǎn)加1距離法來判斷X 方向上靠近障礙物區(qū)域的點(diǎn)位是否屬于部署靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的有效點(diǎn)位，滿足條件則執(zhí)行靜態(tài)節(jié) 點(diǎn)的部署，否則放棄部署；對整個(gè)監(jiān)控區(qū)域的有效覆蓋進(jìn)行探測，并且規(guī)避監(jiān)控區(qū)域障礙物 造成的覆蓋空洞。
[0011] 進(jìn)一步，所述預(yù)定義的傳感器部署模型進(jìn)一步包括：
[0012] 在給定部署區(qū)域大小和節(jié)點(diǎn)無線收發(fā)距離的條件下，基于布爾傳感模型且假定全 向感知，在同樣形態(tài)的所有傳感器具有共同的感知范圍，在感知范圍內(nèi)的事件都能被可靠 地檢測到，在范圍之外的就完全無法感知，在位置P處的傳感器節(jié)點(diǎn)觀察到位置q的事件時(shí) 傳感器的輸出信號的強(qiáng)度為：
[0013]

【權(quán)利要求】
1. 一種混雜網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)覆蓋探測方法，其特征在于，包括： 設(shè)計(jì)出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)覆蓋探測基本行為集，通過基本行為的組合來完成非障礙物區(qū)域的覆 蓋探測，再結(jié)合圍繞障礙物周邊的部署探測，最終得出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)整個(gè)部署探測路徑的累積 代價(jià)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述設(shè)計(jì)出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)覆蓋探測基本行為 集，通過基本行為的組合來完成非障礙物區(qū)域的覆蓋探測，再結(jié)合圍繞障礙物周邊的部署 探測，最終得出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)整個(gè)部署探測路徑的累積代價(jià)，包括： 根據(jù)預(yù)定義的傳感器部署模型，設(shè)計(jì)出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)基本行為集，將整個(gè)覆蓋探測區(qū)域建 立包括X方向和Y方向的坐標(biāo)系，并評估出整個(gè)監(jiān)控區(qū)域在該坐標(biāo)系下各個(gè)基本行為集的 部署點(diǎn)位； 對于非障礙物區(qū)域，將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的部署探測流程轉(zhuǎn)換為對移動(dòng)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行固定點(diǎn)位的操 作控制； 對于障礙物區(qū)域，通過3節(jié)點(diǎn)加1距離法來判斷X方向上靠近障礙物區(qū)域的點(diǎn)位是否 屬于部署靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的有效點(diǎn)位，滿足條件則執(zhí)行靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的部署，否則放棄部署； 對整個(gè)監(jiān)控區(qū)域的有效覆蓋進(jìn)行探測，并且規(guī)避監(jiān)控區(qū)域障礙物造成的覆蓋空洞。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述預(yù)定義的傳感器部署模型進(jìn)一步包 括： 在給定部署區(qū)域大小和節(jié)點(diǎn)無線收發(fā)距離的條件下，基于布爾傳感模型且假定全向感 知，在同樣形態(tài)的所有傳感器具有共同的感知范圍，在感知范圍內(nèi)的事件都能被可靠地檢 測到，在范圍之外的就完全無法感知，在位置P處的傳感器節(jié)點(diǎn)觀察到位置q的事件時(shí)傳感 器的輸出信號的強(qiáng)度為：
(1) 式中，I I · I |2是點(diǎn)之間的歐幾里德距離，α是常數(shù)測量值， 從傳感器節(jié)點(diǎn)的連接特性和覆蓋特性兩方面進(jìn)行考慮，假設(shè)傳感器能夠感應(yīng)距離rs之 內(nèi)發(fā)生的事件，節(jié)點(diǎn)的通信半徑，記為r。，且/: >力/:,將三個(gè)相鄰的傳感器節(jié)點(diǎn)A、B、C的傳 感區(qū)域相交于一點(diǎn)，并且三個(gè)相鄰的傳感器節(jié)點(diǎn)A、B、C任意之間的距離都等于#
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)布爾傳感模型的定義，設(shè)計(jì)出移 動(dòng)節(jié)點(diǎn)基本行為集，將整個(gè)覆蓋探測區(qū)域建立包括X方向和Y方向的坐標(biāo)系，并評估出整個(gè) 監(jiān)控區(qū)域在該坐標(biāo)系下各個(gè)基本行為集的部署點(diǎn)位，包括： 假設(shè)在矩形覆蓋探測區(qū)域存在障礙物，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)裝配有距離探測傳感器以有效探測周 邊障礙物距離并獲得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)距離和方向； 加上移動(dòng)節(jié)點(diǎn)無碰、安全運(yùn)動(dòng)部署到目標(biāo)點(diǎn)，需要分布設(shè)計(jì)了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)水平方向的覆 蓋探測規(guī)則叫和垂直方向的覆蓋探測規(guī)則％和\的定義如公式（2)和（3)所示： 水平覆蓋探測規(guī)則中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)水平覆蓋探測規(guī)則可定義如下： ui = (rs, P i) (2) 其中，p i e {〇, ji }; 垂直覆蓋探測規(guī)則中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)垂直覆蓋探測規(guī)則可定義如下： Vi = (rs. 9 i)⑶
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述部署探測累積代價(jià)的計(jì)算方法包括： 假設(shè)在不考慮障礙物的情況下，矩形覆蓋探測區(qū)域的水平方向和垂直方向都由基本行 為集組成，定義K為進(jìn)行基本行為覆蓋的最大部署節(jié)點(diǎn)數(shù)； 在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)部署探測過程中，整個(gè)探測路徑的累積代價(jià)是由基本行為集路徑和所經(jīng)過 障礙物周邊部署探測的代價(jià)求和得到的，根據(jù)以上代價(jià)函數(shù)的定義，路徑1的代價(jià)為：
(4) 其中，q是障礙物數(shù)量，1,是障礙物的周邊長；I為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)覆蓋探測基本行為運(yùn) 動(dòng)時(shí)選擇的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)部署點(diǎn)位的集合； 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)部署點(diǎn)僅覆蓋一個(gè)靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，引入布爾變量來表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)覆蓋 探測點(diǎn)i和靜態(tài)節(jié)點(diǎn)k部署之間的選擇關(guān)系：
(5) 定義變量σ表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的部署探測方向；
(6) 針對所要覆蓋探測區(qū)域來說，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)基本行為集進(jìn)行部署探測時(shí)的位置定義如 下：
其中，j彡1且屬于偶數(shù)； 在圍繞障礙物部署探測時(shí)采用3節(jié)點(diǎn)加1距離法來判斷X方向上靠近障礙物區(qū)域的點(diǎn) 位是否屬于部署靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的有效點(diǎn)位； 滿足公式（9)條件則執(zhí)行靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的部署，否則放棄部署；
C9) 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)縱坐標(biāo)是位于基本行為集的運(yùn)動(dòng)前進(jìn)方向左側(cè)基本行為部署點(diǎn)的距離差； 混雜網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)探測選擇的目標(biāo)是在滿足所有區(qū)域覆蓋需求的前提下最小化部署 路徑，在此基礎(chǔ)上部署節(jié)點(diǎn)數(shù)量也就最少，上述方法可描述為以下滿足特定限制： max 1 (10)
公式（11)表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)探測選擇策略不能過度覆蓋，即能通過探測部署的鄰居靜態(tài) 節(jié)點(diǎn)滿足覆蓋條件情況下不進(jìn)行重復(fù)部署；公式（12)表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)部署探測部署方案必 須滿足不超過部署靜態(tài)節(jié)點(diǎn)總數(shù)限制的條件；公式（13)表示每個(gè)部署探測點(diǎn)只能部署一 個(gè)靜態(tài)節(jié)點(diǎn)。
6. -種混雜網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)部署選擇方法，其特征在于，包括： 步驟501，系統(tǒng)啟動(dòng)，開始執(zhí)行部署探測操作； 步驟502,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)從起點(diǎn)出發(fā)，首先選擇基本行為A進(jìn)行部署探測，每執(zhí)行完一個(gè)基 本行為A則部署一個(gè)靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，部署過程中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)獲取障礙物在水平方向上的距離 差； 步驟503,如果水平方向上不存在障礙物，則繼續(xù)執(zhí)行部署探測； 步驟504,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)每執(zhí)行完一個(gè)基本行為Upi自動(dòng)加1,進(jìn)入下一個(gè)基本行為％部署 點(diǎn)位； 步驟505,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)啟用\執(zhí)行垂直基本行為進(jìn)行靜態(tài)節(jié)點(diǎn)部署，完成后進(jìn)入下一個(gè)X 方向上的A基本行為的部署探測流程； 步驟506,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)用3節(jié)點(diǎn)加1距離法來判斷X方向上靠近障礙物區(qū)域的點(diǎn)位是否屬 于部署靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的有效點(diǎn)位，滿足權(quán)利要求5中公式（9)條件則執(zhí)行靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的部署，否則 放棄部署。
【文檔編號】H04W16/18GK104301907SQ201410632588
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月11日
【發(fā)明者】丁飛, 宋愛國 申請人:東南大學(xué)