[發(fā)明專利]一種面向近地表地下空間的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維覆蓋的控制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310264920.X
• 申請(qǐng)日: 2013-06-28
• 公開（公告）號(hào): CN104254079A
• 公開（公告）日: 2014-12-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 余華平;郭梅
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 長(zhǎng)江大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W16/18
• 分類號(hào): H04W16/18;H04W24/08;H04W84/18
• 代理公司: 北京市中實(shí)友知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11013
• 代理人: 熊成香

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種面向近地表地下空間的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維覆蓋的控制方法，屬無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless?Sensor?Networks,WSNs）技術(shù)是解決各類信息監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)手段。WSNs由大量資源受限的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，是一種無中心節(jié)點(diǎn)的全分布式系統(tǒng)。傳感節(jié)點(diǎn)一般配置有感測(cè)單元、計(jì)算單元、存儲(chǔ)單元和通訊單元等模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)以隨機(jī)部署或確定性部署的方式在監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)協(xié)作完成監(jiān)測(cè)對(duì)象的感測(cè)、計(jì)算和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的長(zhǎng)時(shí)間、不間斷監(jiān)測(cè)。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已廣泛應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)控、科學(xué)探索、工業(yè)控制以及戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等民用和軍事領(lǐng)域。其應(yīng)用空間主要包括地上空間、水下空間和地下空間等。

面向近地表地下空間的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著廣泛的應(yīng)用前景。一是土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)獲取土壤的各種參數(shù)；二是智能交通監(jiān)測(cè)，如高速公路、鐵路、城市路網(wǎng)、地下隧道監(jiān)測(cè)等；三是管道監(jiān)測(cè)，包括長(zhǎng)距離輸油輸氣管道、城市天然氣、自來水及各類污水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)等；四是地下目標(biāo)監(jiān)測(cè)，如山體滑坡、重大工程的地下安全監(jiān)測(cè)。無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)通過部署在近地表地下空間中的節(jié)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)實(shí)施有效的維護(hù)，保障目標(biāo)的運(yùn)行安全，降低物質(zhì)消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

在構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，如何根據(jù)不用的應(yīng)用環(huán)境需要，設(shè)計(jì)高效、靈活、可靠的節(jié)點(diǎn)部署算法是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本問題之一。近年來，節(jié)點(diǎn)部署研究主要集中在地上空間二維平面問題上，對(duì)有特殊感知及通信環(huán)境需求的地下三維節(jié)點(diǎn)覆蓋問題研究較少。

建立面向地下空間的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維覆蓋的控制方法需要充分考慮近地表地下空間的特點(diǎn)。一是土壤對(duì)電磁波的衰減作用遠(yuǎn)大于空氣。對(duì)于地上傳感器節(jié)點(diǎn)來說，節(jié)點(diǎn)的通信距離（R_c）往往遠(yuǎn)大于感知距離（R_s）。對(duì)地下傳感器節(jié)點(diǎn)來說，節(jié)點(diǎn)的R_c十分有限，與R_s大致相當(dāng)，甚至更低。因此，保持網(wǎng)絡(luò)連通性是首先考慮的因素，其次才是網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能。二是地下感知與通訊鏈路具有明顯的空變特性。在地上空間中，通常認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)條件是均勻的，而在地下空間中，節(jié)點(diǎn)間的感知和通信質(zhì)量可能相差較大，分布不均勻,距離相同的兩點(diǎn)之間的路徑損耗或誤碼率可能出現(xiàn)較大的差別，并且，具體的特征與特定的區(qū)域、土壤環(huán)境有關(guān)。因此，在設(shè)計(jì)覆蓋控制方法時(shí)，需要考慮地下鏈路質(zhì)量非均質(zhì)問題。三是傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗不平衡。WSNs的能量資源有限，其能量消耗關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的生命周期。節(jié)點(diǎn)能量消耗的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊，其中，無線通訊模塊能耗是最主要能耗單元。尤其是在地下的三維空間中，土壤對(duì)信號(hào)的衰減大，而且在三維空間中存在能耗不平衡的情況。所以在網(wǎng)絡(luò)的覆蓋控制方法中，也要綜合考慮網(wǎng)絡(luò)能耗平衡性問題。上述特征決定了現(xiàn)有的二維或三維空間節(jié)點(diǎn)部署算法不能很好適應(yīng)近地表地下空間的節(jié)點(diǎn)部署需求，有必要設(shè)計(jì)新的面向近地表地下空間無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維覆蓋的控制方法，以提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的針對(duì)性、適應(yīng)性和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種面向近地表地下空間無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維覆蓋的控制方法，可根據(jù)近地表地下空間的特點(diǎn)，建立近地表地下空間網(wǎng)格模型，優(yōu)化網(wǎng)格模型中傳感器節(jié)點(diǎn)的部署與工作調(diào)度，使其在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋和連通的多指標(biāo)約束基礎(chǔ)上，所需傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)更少，具有算法簡(jiǎn)單、降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)成本、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)。

本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的的。

本發(fā)明提供的一種面向近地表地下空間無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維覆蓋的控制方法，包括如下步驟：

一、建立近地表地下空間的網(wǎng)格模型；

二、建立網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

三、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更新；

所述的建立近地表地下空間的網(wǎng)格模型，包括：

①、收集獲得近地表地下空間的結(jié)構(gòu)參數(shù)和傳感器節(jié)點(diǎn)的參數(shù)；

②、確定近地表地下空間網(wǎng)格模型的邊長(zhǎng)；

③、建立近地表地下空間網(wǎng)格模型的空間坐標(biāo)；

④、在網(wǎng)格模型上部署傳感器節(jié)點(diǎn)；

⑤、建立網(wǎng)格模型的失誤覆蓋概率矩陣和失誤連通概率矩陣；

所述的建立網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括：

①、確定活躍傳感器節(jié)點(diǎn)選擇算法的約束目標(biāo)；

②、初始化活躍傳感器節(jié)點(diǎn)選擇算法的輸入?yún)?shù)；

③、活躍傳感器節(jié)點(diǎn)的選擇；