[發(fā)明專利]基于Voronoi圖的三維有向異構(gòu)移動傳感器網(wǎng)絡自部署方法

有效

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• 申請日: 2017-12-15
• 公開（公告）號: CN107819635B
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發(fā)明（設計）人: 譚勵;唐小江;楊明華;楊朝玉
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工商大學
• 主分類號: H04L12/24
• 分類號: H04L12/24;H04W16/18;H04W84/18
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11360
• 代理人: 黃鳳茹

本發(fā)明公布了一種三維有向異構(gòu)移動傳感器網(wǎng)絡自部署方法，基于加權(quán)Voronoi劃分和虛擬力計算，將自主部署過程轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡節(jié)點的自主移動、轉(zhuǎn)動過程，包括：計算節(jié)點權(quán)值；調(diào)節(jié)節(jié)點方向在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)；進行Voronoi劃分；計算Voronoi區(qū)域質(zhì)心；計算虛擬斥力；計算節(jié)點所受虛擬斥力的合力、位移向量；計算每個節(jié)點合位移向量；更新節(jié)點位置；再調(diào)整邊界節(jié)點的位置和方向信息，使節(jié)點回到被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)；由此解決三維空間環(huán)境下有向異構(gòu)移動傳感器節(jié)點集中放置的空間區(qū)域覆蓋問題；提升網(wǎng)絡的覆蓋率；快速完成節(jié)點的部署；保證網(wǎng)絡的覆蓋性能。

技術領域

本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡領域，涉及一種三維環(huán)境下有向異構(gòu)移動傳感器網(wǎng)絡自主部署的實現(xiàn)方法。

背景技術

隨著無線通信、電子與傳感技術的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡可以把虛擬世界與現(xiàn)實世界以前所未有的規(guī)模進行連接，在國家安全、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、空間探索、災難預防和救援等領域有重大的應用價值，它由于其高度的學科交叉性和廣泛的應用前景受到世界各地學術界和工業(yè)界的高度關注，已成為當前IT領域新興的前沿熱點。根據(jù)采用的傳感器節(jié)點類型,無線傳感器網(wǎng)絡可分為很多種。例如，若節(jié)點帶有攝像裝置，具有視頻采集功能，則稱之為視頻傳感器網(wǎng)絡；若帶有移動裝置，則稱為移動傳感器網(wǎng)絡；若組成網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點的感知范圍與方向相關，則稱為有向傳感器網(wǎng)絡。在目標監(jiān)測問題上，有向傳感器在覆蓋側(cè)重和能耗使用方面相比傳統(tǒng)的全向傳感器更加具有優(yōu)勢。從實際應用角度上來看，目前常見的傳感器類型，如圖像、紅外、聲波等均具有方向性，由此可見有向傳感器網(wǎng)絡更為接近實用。

有向傳感器網(wǎng)絡節(jié)點加裝了自主移動裝置，就構(gòu)成了有向移動傳感器網(wǎng)絡，例如用于軍事、農(nóng)業(yè)、災難救援中的空中視頻傳感器網(wǎng)絡，其節(jié)點是一架帶有攝像頭的微小型飛行器，由于能夠組網(wǎng)協(xié)同飛行，從而能夠更及時準確地獲取目標區(qū)域的信息。有向移動傳感器網(wǎng)絡根據(jù)節(jié)點的規(guī)格分為有向同構(gòu)傳感器網(wǎng)絡和有向異構(gòu)移動傳感器網(wǎng)絡，當所有的點的規(guī)格都相同是稱為有向同構(gòu)移動傳感器網(wǎng)絡；當節(jié)點的規(guī)格不全相同時則稱為有向異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡，相比有向同構(gòu)移動傳感器網(wǎng)絡，有向異構(gòu)移動傳感器網(wǎng)絡的部署與覆蓋控制問題更加復雜。

針對各類無線傳感器網(wǎng)絡，節(jié)點的部署和覆蓋控制問題一直是研究的熱點問題。常用的節(jié)點部署方法主要分為隨機部署、人工部署和自主部署三類。在隨機部署方式中，節(jié)點被一次性隨機拋撒在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)；在人工部署方式中，需要人工手動布設每一個節(jié)點；自主部署是指初始時節(jié)點被隨機布撒或者集中布撒，但由于節(jié)點自身帶有移動裝置能夠自主移動，會按著一定的部署方法通過自主移動完成部署。

對于自主部署而言，由于節(jié)點的資源受限，通信范圍和感知范圍都十分有限，因此自主部署算法的好壞會對監(jiān)測區(qū)域覆蓋產(chǎn)生重要影響。好的自主部署算法應盡可能避免重疊覆蓋、盡可能減少覆蓋漏洞、盡可能快速完成部署，部署過程中盡可能避免節(jié)點之間或節(jié)點與目標之間的相互干擾(如碰撞)。

有向異構(gòu)移動傳感器網(wǎng)絡在災難救援中具有具大的應用潛力，可以充分利用不同規(guī)格的節(jié)點資源快速、近距離對災難發(fā)生地點進行全方位監(jiān)測，協(xié)助搜索被困人員、及時反饋現(xiàn)場信息。根據(jù)現(xiàn)有的資料表明，目前已有的自主部署算法，主要是針對二維平面環(huán)境進行區(qū)域覆蓋，現(xiàn)有方法還難以解決針對三維空間內(nèi)異構(gòu)節(jié)點集中放置的空間區(qū)域覆蓋，如何進行部署的問題。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，解決三維空間環(huán)境下有向異構(gòu)移動傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點集中放置的空間區(qū)域覆蓋問題，本發(fā)明提出一種基于Voronoi圖的三維有向異構(gòu)移動傳感器網(wǎng)絡自部署方法，基于加權(quán)Voronoi劃分方法和虛擬力原理相結(jié)合，將有向移動傳感器網(wǎng)絡協(xié)同自主部署過程轉(zhuǎn)化為節(jié)點的自主移動、自主轉(zhuǎn)動的過程，適于有向異構(gòu)移動傳感器網(wǎng)絡的自主部署。

本發(fā)明的技術方案是：