[發(fā)明專利]一種基于選擇框的有向K?柵欄構建方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510082103.1
• 申請日: 2015-02-15
• 公開（公告）號: CN104735682B
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發(fā)明（設計）人: 范興剛;王超;任勇默;楊靜靜
• 申請（專利權）人: 浙江工業(yè)大學
• 主分類號: H04W16/18
• 分類號: H04W16/18;H04W24/06;H04W52/02;H04W84/18;H04N7/18
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司33201
• 代理人: 王兵,黃美娟

1.一種基于選擇框的有向K-柵欄構建方法，包括以下步驟：

步驟1，選擇有向強柵欄MDNSB基準位置；

假設0≤s≤K，0≤z≤V，K為要形成的柵欄數(shù)，V表示水平方向的分區(qū)數(shù)；在長為L_sz，寬為W_sz的子區(qū)域A_sz中，存在隨機分布的N_sz個傳感器節(jié)點；MDNSB選取框寬度w_b等于節(jié)點選取框的寬度；子區(qū)域A_sz多個MDNSB選擇區(qū)域中，節(jié)點最多的位置就是這個子區(qū)域的柵欄位置；

步驟2，節(jié)點選擇框的創(chuàng)建；

根據(jù)最少有向節(jié)點的強柵欄的定義，子區(qū)域A_szMDNSB共有個節(jié)點位置；r表示節(jié)點的感知半徑；從左到右的第i(i＝1,2,3,…,m-1)個節(jié)點位置，由左右兩個點決定；兩個基準位置的坐標從左到右為如公式(1),(2)所示；其中表示子區(qū)域A_sz的左邊界的橫坐標，表示節(jié)點選擇框的寬度；MDNSB最右邊的節(jié)點位置由子區(qū)域的右邊界決定，即確定最右邊節(jié)點位置的兩個點橫坐標分別為如果超出右邊界，則子區(qū)域的右邊界就是右邊的基準點橫坐標；其縱坐標仍為

xilb=xsz0+(i-1)*r,yilb=Yszb+wns/2---(1)]]>

xirb=xsz0+i*r,yirb=yilb---(2)]]>

定義1：有向節(jié)點選擇框，為MDNSB中的有向節(jié)點位置選擇能耗最少的移動節(jié)點而設定的選擇框稱為節(jié)點選擇框；

與全向柵欄不同，在MDNSB中，一個節(jié)點位置有兩個相鄰的基準位置決定；先為一個基準位置選擇移動節(jié)點；為了選擇最佳移動節(jié)點移動到基準位置，使基準位置處于節(jié)點選擇框中心；設節(jié)點分布密度為ρ，由于區(qū)域內(nèi)節(jié)點服從均勻分布，若以基準位置為中心，劃定一個節(jié)點選擇框，使其內(nèi)部期望有1個節(jié)點移動到基準位置，則子區(qū)域期望面積應為1/ρ；相鄰的節(jié)點選擇框存在重疊面積，邊長越大，重疊面積越大，造成節(jié)點的重新選擇，增加算法的復雜度；為了避免這種情況，需要進一步設定節(jié)點選擇框的長和寬；

另一方面，為了使兩個相鄰的基準位置均能處于兩個彼此不相交的正方形內(nèi)，則做兩個相鄰的基準位置連線的垂直平分線；再將選擇框的長度從兩個基準位置兩側分別延伸r/2的距離，由于則一個基準位置的節(jié)點選擇框的長度

長度設定好以后，進一步設定節(jié)點選擇框的寬度；為減少節(jié)點選擇框過寬所帶來的誤差，應使基準位置處于正方形的中心位置，所以一個基準位置節(jié)點選擇框的寬度為

MDNSB中，一個節(jié)點位置有兩個相鄰的基準位置確定，這兩個相鄰的基準位置選擇框合起來就是有向節(jié)點選擇框，有向節(jié)點選擇框為長方形，當框內(nèi)不存在節(jié)點時，采用擴展節(jié)點選擇框的方式尋找移動節(jié)點，具體擴展方式下文會作詳細介紹；

節(jié)點選擇框大小確定好以后，找出圓心在選擇框內(nèi)的傳感器節(jié)點，將坐標參數(shù)保存在集合SN_i中；

步驟3有向節(jié)點運動能耗

找出節(jié)點選擇框內(nèi)的節(jié)點以后，根據(jù)有向節(jié)點運動能耗選擇最佳移動節(jié)點運動到目標位置；

定義2：有向節(jié)點運動能耗，有向移動節(jié)點移動到MDNSB中的目標位置消耗的能量和轉動到水平方向所消耗的能量之和，就是有向節(jié)點的運動能耗，如公式(3),(4)所示，公式中，J₁、J₂分別為移動1m的能耗、轉到角度為π的能耗，α為有向節(jié)點的感知方向，分別表示到左點、右點的歐式距離；

有向移動節(jié)點距離目標位置越近，移動能耗越??；對于選擇框內(nèi)的節(jié)點集合SN_i，根據(jù)距離目標位置的遠近選擇節(jié)點，同時節(jié)點的感知方向也要調(diào)整到水平方向，即感知角度α＝0°或者α＝180°；根據(jù)定義2，有向傳感器節(jié)點移動到基準目標位置所消耗的能量由移動消耗的能量和轉動消耗的能量兩部分組成；針對第i選擇框內(nèi)的節(jié)點集合SN_i第j(j＝1,2,3…)個節(jié)點，設其坐標為(x_ij,y_ij)，兩個基準位置的坐標從左到右位為如公式(1),(2)所示；求出兩種情況下移動距離為所消耗的能量如公式(3),(4)，較小的值的位置保存在E_i集合中；

Wijl=J1*dijl+J2*α0≤α≤πJ1*dijl+J2*|2π-α|π≤α≤2π---(3)]]>

Wijr=J1*dr+J2*|π-α|---(4)]]>

將E_i集合中最小的能量值所對應的有向移動傳感器節(jié)點移動到目標位置，感知方向調(diào)整為相應的水平方向，或者與X軸方向一致，或者與X軸的負方向一致；

如果節(jié)點選擇框內(nèi)沒有節(jié)點，要對節(jié)點選擇框進行擴展，為了保證基準位置圓心處于正方形中心，上下左右都擴大0.5r，

步驟4豎直柵欄構建

如果當前子區(qū)域的左側基準柵欄位置縱坐標為當前子區(qū)域的基準柵欄位置縱坐標為則這兩個相鄰MDNSB之間的縱坐標差為計算豎直柵欄所需要的傳感器節(jié)點數(shù)量且在縱坐標上均勻分布；

從當前子區(qū)域的柵欄的左端點開始自上往下或者自下往上選擇最佳的傳感器節(jié)點，與步驟2類似，仍然對基準位置采用節(jié)點選擇框選取最優(yōu)節(jié)點移動到目標位置，但是感知方向不再是水平的，而是垂直的；豎直柵欄從下到上的第i(i＝1,2,3…)個基準位置，由上下兩個點決定，其坐標分別為如公式(5),(6)所示，其中，表示相鄰柵欄位置的較小值；針對第i選擇框內(nèi)的節(jié)點集合SN_i第j(j＝1,2,3…)個節(jié)點，其坐標為(x_ij,y_ij)，求出兩種情況下移動距離為(即歐式距離)，所消耗的能量如公式(7),(8)所示，較小值的位置保存在E_i集合中；

xidb=xsz0,yidb=Yminb+r*(i-1)---(5)]]>

xiub=xsz0,yiub=yidb+r*i---(6)]]>

Wijd=dijd*J1+|π/2-α|*J20≤α≤3π/2dijd*J1+(5π/2-α)*J23π/2≤α≤2π---(7)]]>

Wiju=diju*J1+(π/2+α)*J20≤α≤π/2diju*J1+|3π/2-α|*J2π/2≤α≤2π---(8)]]>

將E_i集合中最小的能量值所對應的有向移動傳感器節(jié)點移動到豎直目標位置，感知方向調(diào)整為相應得水平方向，或者與Y軸方向一致，或者與Y軸的負方向一致；

步驟5感知角度大于60°時MDNSB的創(chuàng)建

當感知角度θ＞π/3時，節(jié)點的最大感知半徑R＝2r*sin(θ/2)，有向強柵欄MDNSB的構建過程中，仍然使節(jié)點的最大感知半徑與柵欄方向重合；當感知角度π≤θ≤2π時，節(jié)點的最大感知半徑R＝2r，MDNSB的構建過程中，仍然保證節(jié)點的最大感知半徑與柵欄方向重合有向強柵欄MDNSB；這個時候，基準柵欄選取框的寬度仍然與節(jié)點選擇框的寬度一樣；

節(jié)點選取框也發(fā)生了變化，由于兩個基準位置處于一條垂直線上，因此只需節(jié)點選擇框長度等于最大感知距離，基準位置就處于選擇框水平方向的中線上，最大感知距離如公式(9)所示；

選擇框寬度的選取思路與上文感知角度小于60°時有所不同；當感知角度π/3＜θ≤π時，由于兩個基準位置的圓心處于一條垂直線上，因此兩個圓心之間的距離為2r*cos(θ/2),最大距離為小于2r，而隨著感知角度的增大，兩個基準位置的圓心之間的距離會越來越小直至等于0，如果為了滿足基準位置的圓心處于正方形的中心而使選擇框的寬度等于2r*cos(θ/2)，則會導致選擇框不斷縮小直至消失，因此在這種情況下不計重疊區(qū)域而使基準位置處于中心位置，即選擇框寬度為2r*(cos(θ/2)+sin(θ/2))；

當感知角度π≤θ≤2π時，由于基準位置圓心重合，因此選擇框的長、寬一樣，即

這個時候當感知角度π/3＜θ≤π時，基準柵欄從左到右的第i(i＝1,2,3…)個節(jié)點基準位置，由上下兩個點決定；從下到上的坐標為如公式(10),(11)所示；

xidb=xsz0+i*lns-0.5lns,yidb=Yszb+wns2-r*cos(θ/2)---(10)]]>

xiub=xidb,yiub=Yszb+wns2+r*cos(θ/2)---(11)]]>

當感知角度π＜θ≤2π時，只有一個目標位置，

當π/3＜θ≤π時，針對第i選擇框內(nèi)的節(jié)點集合SN_i第j(j＝1,2,3…)個節(jié)點，其坐標仍為(x_ij,y_ij)，目標基準位置的選擇均存在兩個，從下到上分別為求出兩種情況下移動距離為(即歐式距離)，能量消耗如公式(7),(8)所示；

當π＜θ≤2π時，雖然只有一個目標位置，但是其感知方向是不一樣的，也就是轉動的能耗不一樣，其消耗的能量公式與π/3＜θ≤π相同；

豎直柵欄的節(jié)點選擇框的從下到上的第i(i＝1,2,3…)個基準位置，針對第i選擇框內(nèi)的節(jié)點集合SN_i第j(j＝1,2,3…)個節(jié)點，設其坐標為(x_ij,y_ij)，當π/3＜θ≤π時，兩個基準位置的坐標從左到右位為如公式(12),(13)所示，表示相鄰柵欄的位置的較小值；求出兩種情況下移動距離為(即歐式距離)，所消耗的能量如公式(6),(7)所示；

xilb=xsz0-r cos(θ/2),yilb=yminb+r sin(θ/2)*(2i-1)---(12)]]>

xirb=xsz0+r cos(θ/2),yilb=yirb---(13)]]>

當π＜θ≤2π時，豎直柵欄的節(jié)點選擇框的從下到上的第i(i＝1,2,3…)個基準位置由決定，這時候但是感知方向不一樣，所消耗的能量仍然用公式(3),(4)計算。