面向非均勻感知區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動部署方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了面向非均勻感知區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動部署方法，隨機生成傳感器初始位置；移動傳感器的位置至其相對應支配區(qū)域的最小外接圓心直至收斂；根據(jù)傳感器的負載限制以及傳感器的當前負載，設(shè)定傳感器的負載要求，為每個傳感器分配負載；優(yōu)化每個傳感器的權(quán)重，找到滿足步驟三中設(shè)定的負載要求的劃分；判斷將所有傳感器當前位置移動至其對應最小外接圓心需要移動的平均距離，如果平均距離大于其收斂條件，則將傳感器位置移動至對應最小外接圓心，并轉(zhuǎn)至步驟三；否則輸出傳感器位置、半徑以及區(qū)域的劃分。本發(fā)明能夠?qū)Ψ蔷鶆虮O(jiān)測區(qū)域進行無線傳感網(wǎng)絡(luò)部署；在進行傳感器部署過程中，能夠保證每個傳感器都不超載。
【專利說明】面向非均勻感知區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動部署方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器的自動部署方法，尤其涉及一種面向非均勻感知區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動部署方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象，并且每個傳感器能夠監(jiān)測的區(qū)域或者處理的信息量都有一個上限，稱為最大負載。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，以實現(xiàn)復雜的指定范圍內(nèi)目標檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強等特點，并被廣泛地應用于環(huán)境監(jiān)測和保護、醫(yī)療護理、軍事領(lǐng)域以及工業(yè)監(jiān)測等。
[0003]在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對監(jiān)測目標的有效監(jiān)測，一般要求監(jiān)測目標的每個位置至少在一個傳感器的監(jiān)測范圍內(nèi)。無線傳感器中的覆蓋問題包括三類:面積覆蓋、點覆蓋以及障礙覆蓋，其中面積覆蓋應用最為廣泛。面積覆蓋又可分為兩類:一次覆蓋，即監(jiān)測區(qū)域的每個位置能夠至少被一個傳感器監(jiān)測到；多次覆蓋，即監(jiān)測區(qū)域的每個位置能夠至少被兩個或以上傳感器監(jiān)測到。在本發(fā)明中，我們主要研究一次覆蓋，以下均稱為覆蓋。對于整個監(jiān)測區(qū)域，我們稱之為非均勻感知區(qū)域(Prioritized Sensing Field),每個位置上產(chǎn)生監(jiān)測信息或者發(fā)生事件的概率是不完全相同的。在本發(fā)明中，我們將產(chǎn)生監(jiān)測信息或者發(fā)生事件的概率用密度函數(shù)P表示。
[0004]目前已經(jīng)有很多針對面積覆蓋問題，人們已經(jīng)提出了很多方法。比如:對于給定的監(jiān)測區(qū)域，為了使覆蓋面積達到最大，并且使用盡可能少的傳感器，Jing Li和Ha1-pingHuang 基于帶邊界的 Voronoi 圖，提出了 OCDSN(Optimal coverage in directionalsensor networks) (J.Li, R.-c.Wang, H.-p.Huang, and L.-j.Sun, “Voronoi based areacoverage optimization for directional sensor networks,，’International Symposiumin Electronic Commerce and Security, vol.1，2009，pp.488 - 493, “基于 Voronoi 圖的有向傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化”，電子商務與安全國際學術(shù)研討會，2009,488-493)。在這種方法中，每個傳感器都有一個可以調(diào)整的角度，即方向，可以通過調(diào)整傳感器的方向來增大覆蓋的面積。為了能夠增加無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性，S.Poduri和G.S.Sukhatme提出了一種帶限制的覆蓋問題，即每個傳感器至少有k(事先設(shè)定)個相鄰的節(jié)點(S.Poduriand G.S.Sukhatme, “Constrained coverage for mobile sensor networks”，IEEEInternational Conference on Robotics and Automation, 2004，vol.1，pp.165 - 171,“移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的限制覆蓋”，機器人與自動化國際會議，2004，165-171)。這種方法能夠保證95%的傳感器都有至少k個鄰居，一定程度上增大了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。但是上述兩種方法都存在兩個缺點:
[0005]I)假設(shè)在監(jiān)測區(qū)域中，每個位置上事件發(fā)生的概率是完全相同的，但是這在實際應用中不合理。
[0006]2)假設(shè)每個傳感器的負載是無窮大，沒有考慮到傳感器超載以及可能給網(wǎng)絡(luò)造成的損害。
[0007]針對上面第一種缺點，給定監(jiān)測區(qū)域，事件發(fā)生的概率以及傳感器的數(shù)目和監(jiān)測半徑，Mahboubi 基于 multiplicatively weighted Voronoi diagram,通過將傳感器的位置逐漸向密度大的區(qū)域移動，以此來達到增大監(jiān)測事件的概率(H.Mahboubi，J.Habibi,A.Aghdam and K.Sayrafian-Pour, ^Distributed deployment strategies for improvedcoverage in a network of mobile sensors with prioritized sensing field，，，IEEETransactions on Industrial Informatics2013, vol.9,451-461,基于覆蓋優(yōu)先級的無線移動傳感器部署算法，工業(yè)信息，IEEE，451-461)。這種方法認為監(jiān)測區(qū)域中每個位置事件發(fā)生的概率是不同的，得到的最終部署結(jié)果中事件發(fā)生概率高的地方，傳感器的分布相對密集，反之則傳感器分布稀疏。然而這種方法事先設(shè)定了每個傳感器的半徑，在其半徑范圍之內(nèi)的區(qū)域都要進行監(jiān)測，沒有考慮傳感器是否超載。Jorge Cort6S基于additivelyweighted Voronoi partitions 提出了 一種 Jacobi 迭代算法(J.Cortes, “Coverageoptimization and spatial load balancing by robotic sensor networks，，，IEEETransactions on Automatic Control, vol.55, n0.3, pp.749 - 754, 2010,機器傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋優(yōu)化以及負載平衡，自動控制，2010，749-754)。這種方法需要輸入每個傳感器的負載，在算法迭代過程中能夠保證所有傳感器的負載都等于輸入的負載值，并且所有傳感器都不超載。但是這種方法存在另外一個缺點:
[0008]3)需要每個傳感器的負載作為輸入，而且要求所有傳感器負載之和等于密度函數(shù)在監(jiān)測區(qū)域上的積分，所以在對傳感器進行部署之前，要對傳感器進行人工的負載分配，非常不靈活。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了面向非均勻感知區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動部署方法，本發(fā)明能夠根據(jù)監(jiān)測區(qū)域事件發(fā)生概率來進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的方法。本發(fā)明具有感知非均勻監(jiān)測區(qū)域事件密度，并保證每個傳感器都不超出最大負載，快速響應以及傳感器的自動部署等特點。本技術(shù)方案所述傳感器均指無線傳感器。
[0010]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下:
[0011]面向非均勻感知區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動部署方法，包括以下步驟:
[0012]步驟一:根據(jù)給定監(jiān)測區(qū)域，傳感器數(shù)目及傳感器最大負載，隨機生成傳感器初始位置；
[0013]步驟二:移動傳感器的位置至其相對應支配區(qū)域的最小外接圓心直至收斂；
[0014]步驟三:根據(jù)傳感器的負載限制以及傳感器的當前負載，設(shè)定傳感器的負載要求，為每個傳感器分配負載；
[0015] 步驟四:優(yōu)化每個傳感器的權(quán)重，找到滿足步驟三中設(shè)定的負載要求的劃分；[0016]步驟五:判斷將所有傳感器當前位置移動至其對應最小外接圓心需要移動的平均距離，如果平均距離大于其收斂條件，則將傳感器位置移動至對應最小外接圓心，并轉(zhuǎn)至步驟三；否則輸出傳感器位置、半徑以及區(qū)域的劃分。
[0017]所述步驟一中的傳感器初始位置集合為=，其中η為大于I的整數(shù)，監(jiān)測
區(qū)域為Ω，區(qū)域Ω上的事件發(fā)生密度函數(shù)為ρ，P≥0，傳感器Pi的當前負載為Ci，最大負載為C。。
[0018]所述步驟二中的具體步驟為:
[0019]21)將每個傳感器Pi的權(quán)重Oi設(shè)置為0，并構(gòu)造出傳感器位置= 的能量圖； [0020]22)計算出每個傳感器Pi的支配區(qū)域Ω i ；
[0021]23)計算出每個傳感器Pi所支配區(qū)域Qi的最小外接圓Oi的圓心為Ci，半徑為巧；
[0022]24)計算出將每個傳感器移動至對應最小外接圓心移動的平均距離(八-Ci)，
如果將每個傳感器位置Pi移動至對應最小外接圓心Ci ;否則輸出傳感器 n i=l
位置te.KU以及能量圖劃分碼KU，O是閾值。
[0023]所述能量圖的構(gòu)造過程為:令P =Rm空間中一個散點集，P中的每個點Pi
被賦予一個權(quán)值Oi ^ 0，Rm空間中任一點P到散點集P中的任一點Pi的能量距離定義為:
[0024](1ω (p, Pi) = I I P-Pi I I2-Coi
[0025]以能量距離為準則對空間Rm進行劃分，定義V(Pi)為與散點Pi關(guān)聯(lián)的區(qū)域，有:
[0026]V( Pi ) = {pe R"' | doi (p, Pi) < do> (p, Pj), \fPj e P}
[0027]ρ」表示散點集中除了 Pi的任意一點。定義V(Pi), i = 1，...，n的集合為散點集P的能量圖。
[0028]所述σ閾值取值為10_6。
[0029]所述步驟三的具體步驟為:
[0030]31)對于每個傳感器Pi，計算密度函數(shù)P (x)在其對應支配區(qū)域Qi上的積分，作為其負載Ci，即:?_ = ?ΜΧ)^’ P (χ)表示在監(jiān)測區(qū)域上發(fā)生事件的概率，X表示監(jiān)測區(qū)域上的任意一個點，即積分變量；
[0031]32)將所有傳感器的負載{C,}L按照降序進行排列，然后每次選取隊首和隊尾的
兩個傳感器進行處理，兩個傳感器的負載分別設(shè)為Cmax和Cmin,臨時變量為Ct，如果Cmax ^ C0,設(shè)定 C，max = Co，Ct+ = Cmax-C0;如果 Cmin+Ct ≥ Co，設(shè)定 C，min = Co，Ct = cmin+ct-c0，否則設(shè)定
Cfflin+ = ct, ct = 0，輸出所有傳感器的負載限制。c’max和c’min表示為每次選出的兩
個傳感器設(shè)定的新的負載值，在步驟四中將優(yōu)化區(qū)域劃分及傳感器位置，使得每個傳感器的負載達到本步設(shè)置的目標；
[0032]所述步驟四的具體步驟為:[0033]41)目標函數(shù)為
【權(quán)利要求】
1.面向非均勻感知區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動部署方法，其特征是，包括以下步驟: 步驟一:根據(jù)給定監(jiān)測區(qū)域，傳感器數(shù)目及傳感器最大負載，隨機生成傳感器初始位置； 步驟二:移動傳感器的位置至其相對應支配區(qū)域的最小外接圓心直至收斂； 步驟三:根據(jù)傳感器的負載限制以及傳感器的當前負載，設(shè)定傳感器的負載要求，為每個傳感器分配負載； 步驟四:優(yōu)化每個傳感器的權(quán)重，找到滿足步驟三中設(shè)定的負載要求的劃分； 步驟五:判斷將所有傳感器當前位置移動至其對應最小外接圓心需要移動的平均距離，如果平均距離大于其收斂條件，則將傳感器位置移動至對應最小外接圓心，并轉(zhuǎn)至步驟三；否則輸出傳感器位置、半徑以及區(qū)域的劃分。
2.如權(quán)利要求1所述的面向非均勻感知區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動部署方法，其特征是，所述步驟一中的傳感器初始位置集合為P = IaKL1，其中η為大于I的整數(shù)，監(jiān)測區(qū)域為Ω，區(qū)域Ω上的事件發(fā)生密度函數(shù)為P，P≥O，傳感器Pi的當前負載為Ci,最大負載為Co。
3.如權(quán)利要求1所述的面向非均勻感知區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動部署方法，其特征是，所述步驟二中的具體步驟為: 21)將每個傳感器Pi的權(quán)重Oi設(shè)置為0，并構(gòu)造出傳感器位置P= 的能量圖； 22)計算出每個傳感器Pi的支配區(qū)域Qi; 23)計算出每個傳感器Pi所支配區(qū)域Qi的最小外接圓Oi的圓心為Ci,半徑為!Ti； 24)計算出將每個傳感器移動至對應最小外接圓心移動的距離
4.如權(quán)利要求3所述的面向非均勻感知區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動部署方法，其特征是，所述能量圖的構(gòu)造過程為:令尸=汍匕為Rm空間中一個散點集，P中的每個點Pi被賦予一個權(quán)值Oi > 0，Rm空間中任一點P到散點集P中的任一點Pi的能量距離定義為:
(P，Pi) = I Ip-Pi I I2-Oi
以能量距離為準則對空間Rm進行劃分，定義V(Pi)為與散點Pi關(guān)聯(lián)的區(qū)域，有:

5.如權(quán)利要求3所述的面向非均勻感知區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動部署方法，其特征是，所述σ閾值取值為10_6。
6.如權(quán)利要求1所述的面向非均勻感知區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動部署方法，其特征是，所述步驟三的具體步驟為: 31)對于每個傳感器Pi，計算密度函數(shù)P (χ)在其對應支配區(qū)域QiI的積分，作為其負載
7.如權(quán)利要求1所述的面向非均勻感知區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動部署方法，其特征是，所述步驟四的具體步驟為: 41)目標函數(shù)為O
8.如權(quán)利要求7所述的面向非均勻感知區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動部署方法，其特征是，所述步驟42)利用牛頓法極小化目標函數(shù)，具體過程如下: 421)求解梯度下降方向d，使之滿足▽2F(W)d = - V F(W)； 422)確定滿足Armijo條件的步長α以滿足F(W+ad)值下降； 423)對傳感器位置的權(quán)重進行一個ad的位移，即ω/ — ω片a d ;424)根據(jù)新的傳感器權(quán)重，計算出新的能量圖，當目標函數(shù)關(guān)于恥C1的梯度VF(W) ^ ε時，返回步驟421)，否則輸出傳感器位置以及區(qū)域劃分；其中，ε為收斂判斷條件，所述ε為收斂判斷條件與區(qū)域密度相關(guān)，
9.如權(quán)利要求1所述的面向非均勻感知區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動部署方法，其特征是，所述步驟五的具體步驟為: 51)計算出每個傳感器支配區(qū)域的最小外接圓圓心Ci以及半徑1^； 52)如果
10.如權(quán)利要求9所述的面向非均勻感知區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動部署方法，其特征是，所述?是收斂條件，其值為10_5。
【文檔編號】H04W84/18GK103945401SQ201410182101
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】呂琳, 梁廣會, 楊承磊 申請人:山東大學