復(fù)雜三維場(chǎng)景環(huán)境下有向傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種適用于有向傳感器網(wǎng)絡(luò)（Directorial Sensor Networks)的曲面覆 蓋方案，該方案基于有向傳感器節(jié)點(diǎn)的三維感知模型，運(yùn)用網(wǎng)格劃分、模擬退火、局部協(xié)同 最優(yōu)思想，通過(guò)優(yōu)化調(diào)整節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置和偏向角以提高區(qū)域覆蓋率，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維 場(chǎng)景區(qū)域覆蓋的增強(qiáng)。為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的高效傳輸?shù)於ɑA(chǔ)，本技術(shù)屬于無(wú)線(xiàn)傳感 器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、微型機(jī)電技術(shù)、以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和日漸成熟， 低成本、低能耗的小型傳感設(shè)備通過(guò)近距離無(wú)線(xiàn)通信自組織而形成的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)得到 了廣泛關(guān)注，目前已成為一個(gè)熱門(mén)的研究領(lǐng)域。隨著監(jiān)測(cè)環(huán)境日趨復(fù)雜多變，只采集簡(jiǎn)單數(shù) 據(jù)信息的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境信息的需求。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境更細(xì) 微、更精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)，無(wú)線(xiàn)有向傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。
[0003] 近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋問(wèn)題作為傳感器網(wǎng)絡(luò)諸多典型研究方向之一尤為 受到關(guān)注。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的覆蓋問(wèn)題根據(jù)節(jié)點(diǎn)感知模型的不同可以分為全向覆蓋和有向覆 蓋。當(dāng)前的研究工作正從傳統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)的全向覆蓋模型研究向新興的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有 向模型方向轉(zhuǎn)移。傳統(tǒng)的全向傳感器節(jié)點(diǎn)通常布撒在二維環(huán)境中，對(duì)其的覆蓋研究也多數(shù) 局限于二維環(huán)境，無(wú)論是覆蓋控制或是能量?jī)?yōu)化角度大多基于傳統(tǒng)的全向感知模型，并面 向理想的二維空間而進(jìn)行。事實(shí)上，與人類(lèi)生活息息相關(guān)的信息絕大部分來(lái)自于三維場(chǎng)景 中，相比當(dāng)前研究中普遍采用的二維場(chǎng)景，現(xiàn)實(shí)三維環(huán)境監(jiān)測(cè)更為復(fù)雜，實(shí)際的監(jiān)測(cè)場(chǎng)景很 難采用傳統(tǒng)的二維模型進(jìn)行描述。實(shí)際應(yīng)用中，有向傳感器節(jié)點(diǎn)通常布設(shè)于具體的三維場(chǎng) 景中并對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行覆蓋感知，例如海洋環(huán)境的監(jiān)測(cè)是面向三維場(chǎng)景的，軍事上的空中 監(jiān)測(cè)也是典型的三維覆蓋問(wèn)題。而當(dāng)前對(duì)于面向復(fù)雜三維場(chǎng)景的有向傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題 的相關(guān)研究工作較少，因此有必要對(duì)三維有向感知模型下不規(guī)則地形的曲面覆蓋機(jī)制展開(kāi) 深入研究，以指導(dǎo)實(shí)際場(chǎng)景中傳感器節(jié)點(diǎn)的部署。本發(fā)明的意義在于：設(shè)計(jì)了一種面向復(fù)雜 三維地形的有向傳感器網(wǎng)絡(luò)曲面覆蓋方法，為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜三維場(chǎng)景區(qū)域覆蓋增 強(qiáng)和數(shù)據(jù)采集奠定基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的目的是提供一種復(fù)雜三維場(chǎng)景環(huán)境下有向傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋方 法，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維場(chǎng)景區(qū)域覆蓋的增強(qiáng)。本方案采用協(xié)同處理方式，通過(guò)研究有向傳感器 節(jié)點(diǎn)在三維地形中的感知模型以設(shè)計(jì)有向傳感器網(wǎng)絡(luò)曲面覆蓋方法，解決無(wú)線(xiàn)有向傳感器 網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)對(duì)不規(guī)則曲面覆蓋的重疊區(qū)域和盲區(qū)問(wèn)題。通過(guò)使用本發(fā)明提出的方法可提高 有向傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)感知的三維地形信息的利用率，真正從三維角度實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)地形區(qū) 域的覆蓋。
[0005] 技術(shù)方案：本發(fā)明是一種復(fù)雜三維場(chǎng)景環(huán)境下有向傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋方法。針對(duì)有 向傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)三維地形的監(jiān)測(cè)與二維平面的區(qū)別，改進(jìn)有向傳感器節(jié)點(diǎn)在三維地形中的 感知模型；基于網(wǎng)格劃分思想，計(jì)算出監(jiān)測(cè)的三維地形區(qū)域所需部署的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)并對(duì)區(qū)域 進(jìn)行有向傳感器節(jié)點(diǎn)的初始部署；更進(jìn)一步基于模擬退火思想，設(shè)計(jì)策略對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的 部署坐標(biāo)位置進(jìn)行優(yōu)化，在一定程度上增大各節(jié)點(diǎn)自身的覆蓋區(qū)域以減少整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的 盲區(qū)；基于局部最優(yōu)思想，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的偏向角進(jìn)行優(yōu)化，增大節(jié)點(diǎn)與其相鄰節(jié)點(diǎn)的整體 覆蓋區(qū)域以增大整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的覆蓋率。從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維場(chǎng)景區(qū)域覆蓋的增強(qiáng)。
[0006] 該面向復(fù)雜三維地形的有向傳感器網(wǎng)絡(luò)曲面覆蓋方法，包含在以下具體步驟中：
[0007] 初始場(chǎng)景設(shè)置：
[0008] 步驟1)設(shè)置監(jiān)測(cè)區(qū)域場(chǎng)景及有向傳感器節(jié)點(diǎn)：設(shè)置需要采用有向傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān) 測(cè)的區(qū)域場(chǎng)景大小；初始化監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中部署的有向傳感器節(jié)點(diǎn)的主感知方向及感知區(qū)域邊 長(zhǎng)；
[0009] 步驟2)設(shè)置模型地形：模型地形定義為，表面凹凸不規(guī)則的復(fù)雜三維地形；
[0010] 步驟3)將復(fù)雜三維地形場(chǎng)景離散化處理；構(gòu)建計(jì)算有向節(jié)點(diǎn)對(duì)場(chǎng)景的覆蓋率的 方法；
[0011] 初始部署：
[0012] 步驟4)由有向傳感器節(jié)點(diǎn)的感知區(qū)域邊長(zhǎng)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的區(qū)域場(chǎng)景大小計(jì)算監(jiān)測(cè) 區(qū)域部署的有向傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；
[0013] 步驟5)基于步驟4)中得到的監(jiān)測(cè)區(qū)域部署的有向傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，運(yùn)用網(wǎng)格劃 分策略對(duì)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景進(jìn)行初始部署；
[0014] 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)優(yōu)化：
[0015] 步驟6)設(shè)置節(jié)點(diǎn)移動(dòng)步長(zhǎng)，考慮場(chǎng)景中部署的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，在步驟5)的結(jié)果 基礎(chǔ)上運(yùn)用模擬退火思想對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的部署坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化；
[0016] 節(jié)點(diǎn)偏向角優(yōu)化：
[0017] 步驟7)設(shè)置偏向角遞增變量，考慮場(chǎng)景中部署的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)與其相鄰節(jié)點(diǎn) 的關(guān)系，在步驟6)的結(jié)果基礎(chǔ)上運(yùn)用局部最優(yōu)思想對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的偏向角度進(jìn)行優(yōu)化；
[0018] 至此，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜三維地形區(qū)域的曲面覆蓋增強(qiáng)。
[0019] 以上步驟中所涉及的一些關(guān)鍵操作定義如下：
[0020] 有向傳感器節(jié)點(diǎn)感知模型：
[0021] 有向節(jié)點(diǎn)在平面上的覆蓋區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)正方形。節(jié)點(diǎn)感知模型可以由一個(gè)三元組 (P, C, d)表示，其P = (X，y, Z)為節(jié)點(diǎn)在三維空間中的坐標(biāo)；C = ( γ，Θ )為節(jié)點(diǎn)的感知方 向，γ為仰俯角，γ統(tǒng)一為〇 ; 9為偏向角，Θ的取值范圍為[0, 2 JT) ;d為有向節(jié)點(diǎn)投影 在平面上的正方形區(qū)域邊長(zhǎng)。
[0022] 不規(guī)則表面上某點(diǎn)Q(X(j，％ Ztj)是否被傳感器節(jié)點(diǎn)S覆蓋續(xù)滿(mǎn)足以下公式：
[0023] 當(dāng)（Xq-X) X COS (_ Θ ) - (y(j-y) X sin (- Θ )彡 〇 時(shí)；
[0024] Zq^ z X (d- (x Q-x) X cos (- θ ) + (yQ-y) X sin (- θ )) /d (I)
[0025] 當(dāng)（Xq-X) X COS (- Θ ) - (yQ-y) X sin (- Θ ) < 〇 時(shí)；
[0026] Zq^ z X (d+ (x Q-x) X cos (- θ ) - (yQ-y) X sin (- Θ )) /d (2)
[0027] 當(dāng)（xQ-x) X sin (- Θ ) + (y(j-y) X cos (- Θ )彡 〇 時(shí)；
[0028] Zq^ z X (d- (x Q-x) X sin (- Θ ) - (yQ-y) X cos (- Θ )) /d (3)
[0029] 當(dāng)（Xq-X) X sin (- Θ ) + (yQ-y) X COS (- Θ ) < 〇 時(shí)；
[0030] Zq^ z X (d+ (x Q-x) X sin (- θ ) + (yQ-y) X cos (- Θ )) /d (4)
[0031] 圖I中點(diǎn)Q被有向節(jié)點(diǎn)覆蓋，點(diǎn)S未被有向節(jié)點(diǎn)覆蓋。
[0032] 復(fù)雜三維地形離散化處理：
[0033] 有向傳感器網(wǎng)絡(luò)表面覆蓋增強(qiáng)對(duì)應(yīng)的是對(duì)連續(xù)監(jiān)測(cè)區(qū)域上的離散點(diǎn)進(jìn)行覆蓋。故 將復(fù)雜三維地形表面區(qū)域的覆蓋簡(jiǎn)化為三維空間中的點(diǎn)覆蓋。因此首先需要對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn) 行離散化。我們?cè)谒降膬蓚€(gè)方向分別隔A X、Ay選取一個(gè)離散點(diǎn)，每個(gè)選取點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè) ζ坐標(biāo)，將目標(biāo)區(qū)域離散化，復(fù)雜三維地形表面場(chǎng)景的覆蓋率轉(zhuǎn)化為對(duì)表面上離散點(diǎn)被覆蓋 程度的計(jì)算。
[0034] 網(wǎng)格劃分策略：
[0035] 復(fù)雜三維地形場(chǎng)景在XOY平面上為邊長(zhǎng)為size的正方形，有向節(jié)點(diǎn)投影在平面上 的正方形區(qū)域邊長(zhǎng)為d。我們可以將監(jiān)測(cè)場(chǎng)景劃分為（SizeM)X (size/d)個(gè)網(wǎng)格，在監(jiān)測(cè) 區(qū)域內(nèi)部署（size/d)X(size/d)個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)放在每個(gè)網(wǎng)格的中心上方的統(tǒng)一高 度。該部署方式情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在XOY平面的感知區(qū)域投影正好與XOY平面的劃分出的 網(wǎng)格重合。
[0036] 模擬退火策略：
[0037] 模擬退火算法源于固體退火原理。對(duì)節(jié)點(diǎn)持續(xù)進(jìn)行"新坐標(biāo)產(chǎn)生一覆蓋點(diǎn)數(shù)差計(jì) 算