[發(fā)明專利]一種野外條件下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位優(yōu)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410482991.1
• 申請日: 2014-09-19
• 公開（公告）號: CN104363650B
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 湯戰(zhàn)勇;陳曉江;蘭軒宇;房鼎益;劉晨;聶衛(wèi)科;徐丹;邢天璋;任宇輝;王舉
• 申請（專利權(quán)）人: 西北大學(xué)
• 主分類號: H04W64/00
• 分類號: H04W64/00;H04W4/02;H04W84/18
• 代理公司: 西安恒泰知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所61216
• 代理人: 李婷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及在野外條件下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法，該方法主要以野外大型文化遺產(chǎn)保護(hù)、野生動物保護(hù)為背景。

背景技術(shù)

野外大型文化遺產(chǎn)保護(hù)，需要長期、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)；野生動物保護(hù)，需要準(zhǔn)確的對野生動物進(jìn)行跟蹤、定位。我們采用具有低能耗，自組織，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)。無線傳感網(wǎng)對目標(biāo)的定位根據(jù)目標(biāo)是否攜帶可以協(xié)助定位的標(biāo)簽可區(qū)分為攜帶標(biāo)簽的目標(biāo)定位和無標(biāo)簽?zāi)繕?biāo)定位兩種，而由于野生動物和文物保護(hù)場景下，目標(biāo)常常是不攜帶標(biāo)簽的，所以好的無標(biāo)簽的目標(biāo)定位方法顯得尤為重要。

在無標(biāo)簽的目標(biāo)定位方法中，有基于聲通道、壓力、光通道、RSS等方法，考慮到多目標(biāo)性和設(shè)備的簡單性因素，基于RSS的目標(biāo)定位是最簡單有效的解決辦法。在基于RSS變化的目標(biāo)定位系統(tǒng)中，通過兩節(jié)點(diǎn)間發(fā)送的電磁波來形成對兩節(jié)點(diǎn)之間空間的覆蓋，并通過目標(biāo)對電磁波的影響進(jìn)行分析達(dá)到定位效果。而目標(biāo)對電磁波的影響直接影響定位的正確性和準(zhǔn)確性。根據(jù)電磁波繞射產(chǎn)生RSS變化原理，電磁波傳播鏈路上除第一菲涅爾區(qū)，目標(biāo)出現(xiàn)在其余區(qū)域均不會對RSS值產(chǎn)生明顯的影響。所以定位問題首要任務(wù)是使影響RSS的區(qū)域覆蓋總區(qū)域的比例盡量的大。由于其直接決定了WSN系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)，因此對其的研究成為了一個熱點(diǎn)。現(xiàn)有的研究根據(jù)覆蓋方式、節(jié)點(diǎn)部署方式節(jié)點(diǎn)連通度能力等不同應(yīng)用中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬性的差異，提出了多種不同的算法。

根據(jù)覆蓋目標(biāo)的不同，WSN中的覆蓋問題主要分為區(qū)域覆蓋,點(diǎn)覆蓋和柵欄(路徑)覆蓋三種，具體概念如下：

區(qū)域覆蓋：目的在于覆蓋一個區(qū)域，即區(qū)域內(nèi)的每一個位置被至少一個節(jié)點(diǎn)的檢測范圍所包含。

點(diǎn)覆蓋：目的在于覆蓋一系列位置已知的離散點(diǎn)(或目標(biāo))。

柵欄覆蓋(路徑覆蓋)：目的在于最小化目的區(qū)域被入侵的最大概率。

針對這三種不同的應(yīng)用，其研究主要的目的是探索網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠騼?yōu)化方案，在2D和3D環(huán)境下，致力于解決覆蓋問題較高的，甚至是NP難的復(fù)雜度，達(dá)到節(jié)點(diǎn)數(shù)目盡量少、網(wǎng)絡(luò)生存周期盡量長和覆蓋率盡量大等指標(biāo)。然而在這些問題中，最小覆蓋模型均針對于節(jié)點(diǎn)，為節(jié)點(diǎn)感知的圓形范圍，在無標(biāo)簽?zāi)繕?biāo)檢測的可定位覆蓋中，最小覆蓋模型是由鏈路決定的，因此引出了完全不同的覆蓋問題。

在野外條件下，節(jié)點(diǎn)一旦部署，改變其拓?fù)湫枰ㄙM(fèi)較大的代價(jià)。因此，在可定位覆蓋率不足時(shí)，需要增加一些節(jié)點(diǎn)來對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。這就產(chǎn)生了問題：為達(dá)到一定的可定位覆蓋率，如何增加新節(jié)點(diǎn)，使得需要增加的節(jié)點(diǎn)盡量少；并且使得可定位覆蓋率的提升盡量大。

發(fā)明內(nèi)容

在野外大規(guī)模隨機(jī)部署時(shí)，部署拓?fù)湟坏┐_定，更改較為困難，無標(biāo)簽的目標(biāo)定位效果只能通過對節(jié)點(diǎn)能力的增強(qiáng)和增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量來進(jìn)行優(yōu)化，本發(fā)明提出在達(dá)到預(yù)定的可定位覆蓋率的前提下，如何盡可能少的添加傳感器節(jié)點(diǎn)，以及給出最優(yōu)的傳感器節(jié)點(diǎn)的布設(shè)位置。

為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種野外條件下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位優(yōu)化方法，在所需要監(jiān)測的目標(biāo)區(qū)域中部署有多個位置已知的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)的通信半徑均為d_max，在計(jì)算機(jī)中建立傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，然后執(zhí)行以下步驟：

步驟一，實(shí)際可定位區(qū)域面積的計(jì)算

對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行有限元劃分，劃分后形成多個大小相同的有限元網(wǎng)格，對于有限元網(wǎng)格中的一點(diǎn)p，如其滿足：

則點(diǎn)p所在的有限元網(wǎng)格可定位；

上式中，(x_p,y_p)為點(diǎn)p的坐標(biāo)，d_ij是傳感器網(wǎng)絡(luò)中兩個節(jié)點(diǎn)i,j之間的距離，d_ij≤d_max；(x_i,y_i)、(x_j,y_j)分別為節(jié)點(diǎn)i,j的坐標(biāo)；θ為節(jié)點(diǎn)i,j之間的連線與x軸正方向之間的夾角；

記目標(biāo)區(qū)域中所有可定位的有限元網(wǎng)格的總面積為P₀；

步驟二，計(jì)算添加傳感器節(jié)點(diǎn)的位置并添加傳感器節(jié)點(diǎn)

步驟S20，以目標(biāo)區(qū)域中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為處理網(wǎng)絡(luò)；

步驟S21，對處理網(wǎng)絡(luò)劃分泰森多邊形，得到泰森多邊形網(wǎng)絡(luò)；

步驟S22，對泰森多邊形網(wǎng)絡(luò)求對偶，得到德勞內(nèi)三角剖分；

步驟S23，計(jì)算每個德勞內(nèi)三角形的面積和重心，并按照面積由大到小的順序進(jìn)行排序；