無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于正六邊形的移動錨節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于正六邊形的移動錨節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃方法，所述網(wǎng)絡(luò)包括多個靜止的未知節(jié)點(diǎn)和一個移動的錨節(jié)點(diǎn)，其步驟包括：移動錨節(jié)點(diǎn)以恒定速度v移動，每隔時間間隔t，以此刻所在位置為圓心，R為通信半徑，廣播信標(biāo)信息，信標(biāo)信息包括該時刻移動錨節(jié)點(diǎn)的位置和信標(biāo)ID，移動錨節(jié)點(diǎn)的移動路徑為正六邊形，且R＝vt；未知節(jié)點(diǎn)不斷監(jiān)聽、接收信標(biāo)信息，若收到的三個信標(biāo)位置可組成正三角形，且未知節(jié)點(diǎn)位于正三角形內(nèi)，則未知節(jié)點(diǎn)通過三邊測量法計(jì)算自身位置；當(dāng)移動錨節(jié)點(diǎn)移動至網(wǎng)絡(luò)區(qū)域邊界處時，采用邊界區(qū)域補(bǔ)償方法保證邊界未知節(jié)點(diǎn)可以收到至少三個不共線的信標(biāo)位置。本發(fā)明定位精度高，網(wǎng)絡(luò)成本低，且不易受環(huán)境影響。
【專利說明】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于正六邊形的移動錨節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃方 法【技術(shù)領(lǐng)域】[0001]本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，尤其涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于正六邊形 的移動錨節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃方法?！颈尘凹夹g(shù)】[0002]近年來，隨著無線通信和數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSNs)在環(huán)境監(jiān)測、目標(biāo)跟蹤、智能交通等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用， 并且已得到政府部門、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和科研機(jī)構(gòu)的極大關(guān)注。位置信息對WSNs的應(yīng)用具 有至關(guān)重要的意義，有效而可靠的定位技術(shù)及其優(yōu)化方法是WSNs技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用必須 攻克的關(guān)鍵支撐技術(shù)。WSNs的定位算法主要分為兩大類:基于錨節(jié)點(diǎn)和非基于錨節(jié)點(diǎn)的定 位算法，錨節(jié)點(diǎn)就是可以預(yù)先獲取自身位置的節(jié)點(diǎn)，基于錨節(jié)點(diǎn)的定位算法用錨節(jié)點(diǎn)定位 未知節(jié)點(diǎn)，而非基于錨節(jié)點(diǎn)的定位算法主要計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的相對位置。為了提高定位精度、節(jié) 約網(wǎng)絡(luò)成本，比較實(shí)用的定位方法是利用一些移動錨節(jié)點(diǎn)，按照有效的規(guī)劃路徑移動，通過 發(fā)送包含自身坐標(biāo)的信息來定位其他節(jié)點(diǎn)。移動錨節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃問題可分為兩類:靜態(tài)路 徑規(guī)劃和動態(tài)路徑規(guī)劃。靜態(tài)路徑規(guī)劃是指移動錨節(jié)點(diǎn)按照預(yù)先規(guī)劃好的路徑移動。動態(tài) 路徑規(guī)劃是指移動錨節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的分布情況動態(tài)規(guī)劃移動錨節(jié)點(diǎn)路徑。[0003]目前針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃的相關(guān)研究文獻(xiàn)如下:[0004]1.Rui Huang 等在 2007 年的《In Proceeding of the Fifth Annual IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops)) 上發(fā)表的文章 “Static path planning for mobile beacons to localize sensor networks”提出兩種錨節(jié)點(diǎn)移動路徑:CIRCLES和S-⑶RVES，其目的在于減少錨節(jié)點(diǎn)輔助定 位過程中廣播共線的位置信息。移動錨節(jié)點(diǎn)在移動過程中每隔一個周期廣播其位置信息， 當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)收到三個非共線的信標(biāo)信息時，就可以計(jì)算自身位置。這兩種路徑規(guī)劃方法雖 然路徑長度相對于其他路徑規(guī)劃算法較短，并且相應(yīng)的節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗，但移動錨節(jié)點(diǎn)無法 到達(dá)監(jiān)測區(qū)域邊界，導(dǎo)致邊緣節(jié)點(diǎn)接收不到足夠的信標(biāo)信息從而無法定位。[0005]2.Dimitrios Koutsonikolas 等在 2OO7 年的《Computer Communication))上發(fā)表 的文章“Path planning of mobile landmarks for localization in wireless sensor networks”中提出三種錨節(jié)點(diǎn)移動方法:Scan, Double Scan和Hilbert,其目的在于減少 網(wǎng)絡(luò)成本，用一個移動錨節(jié)點(diǎn)替代多個靜止的錨節(jié)點(diǎn)輔助未知節(jié)點(diǎn)定位。作者通過理論和 實(shí)驗(yàn)對比分析提出的三種路規(guī)劃方法的優(yōu)缺點(diǎn)，三種方法中Scan的移動路徑最短，但其 沿y軸直線型的移動路徑會造成未知節(jié)點(diǎn)接收到若干個共線的移動錨節(jié)點(diǎn)信標(biāo)信號，尤其 當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)的通信半徑過小，導(dǎo)致許多未知節(jié)點(diǎn)無法定位；Double Scan是在Scan的基礎(chǔ)上 增加移動錨節(jié)點(diǎn)在X軸方向上移動路徑，這種路徑規(guī)劃方法解決了信標(biāo)信息共線問題，但 增加了移動錨節(jié)點(diǎn)的移動路徑長度，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)能耗增加；與Scan和Double Scan相比， Hilbert是一種能填充滿一個平面正方形的分形曲線，這種移動路徑在定位過程中，能夠有效減少共線的信標(biāo)信號，提高定位率，同時移動路徑長度小于Double Scan。[0006]3.Hongjun Li 等在 2OO9 年的《Journal of Computer Research and Development》上發(fā)表的文章“Path Planning for Mobile Anchor Node in Localization for Wireless Sensor Networks”把圖論引入到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)中。把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)看成一個連通的節(jié)點(diǎn)無向圖，把路徑規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為圖的生成樹及遍歷問題， 提出兩種動態(tài)路徑規(guī)劃算法:寬度優(yōu)先算法和回溯式貪婪算法。相比靜態(tài)路徑規(guī)劃，動態(tài)路徑規(guī)劃由未知節(jié)點(diǎn)的分布和位置情況來實(shí)時決定移動錨節(jié)點(diǎn)的路徑，使得移動錨節(jié)點(diǎn)的移動更具靈活性，且節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能量，但是路徑的長度和定位率兩方面的問題還需要解決。
[0007]4.Huanqing Cui 等在 2Ol2 年的《Computers and Electrical Engineering))上發(fā)表的 “Four-mobile-beacon assisted localization in three-dimensional wireless sensor networks”中提出多錨節(jié)點(diǎn)組移動路徑規(guī)劃方法來定位三維空間中的未知節(jié)點(diǎn)，即四個移動錨節(jié)點(diǎn)構(gòu)成正四面體按照RWP (random waypoint)移動模型和LAYERED-SCAN移動模型組移動來輔助定位空間中的未知節(jié)點(diǎn)。當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)接收到至少一組同時到達(dá)的三個或者四個信標(biāo)信號時，可用加權(quán)質(zhì)心算法計(jì)算出自身位置。當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)接收到的同時到達(dá)的信標(biāo)信號小于三個時，未知節(jié)點(diǎn)無法定位。文章對比了四個移動錨節(jié)點(diǎn)和單個移動錨節(jié)點(diǎn)在RWP移動模型和LAYERED-SCAN移動模型下使用多邊定位算法和加權(quán)質(zhì)心定位算法的網(wǎng)絡(luò)性能:即一跳范圍內(nèi)可定位的未知節(jié)點(diǎn)個數(shù)、定位精確度、計(jì)算和通信開銷、路徑長度。仿真結(jié)果表明四個移動錨節(jié)點(diǎn)采用LAYERED-SCAN移動模型及加權(quán)質(zhì)心定位算法的網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)。但是這樣密集的網(wǎng)絡(luò)遍歷并不適用于稀疏部署的網(wǎng)絡(luò)。
[0008]5.Chia-Ho Ou 等在 2013 年的《IEEE Sensors Journal》上發(fā)表的文章 “Path planning algorithm for mobile anchor-based localization in wireless sensor networks”中提出了一種移動錨節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃方案，用于減少定位誤差并且保證所有節(jié)點(diǎn)可以確定自身位置，同時提出了有障礙物情況下的移動錨節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃算法。文章對Ssu 等人提出的基于初等幾何中“弦的垂直平分線通過圓心”這一性質(zhì)來定位未知節(jié)點(diǎn)的方案進(jìn)行改進(jìn)，即若移動錨節(jié)點(diǎn)經(jīng)過未知節(jié)點(diǎn)感知范圍內(nèi)兩次，則可以以未知節(jié)點(diǎn)所在位置為圓心，與感知范圍邊界的四個交點(diǎn)的連線為弦，形成兩條交線，用于計(jì)算圓心即未知節(jié)點(diǎn)的位置。提出的移動錨節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃算法可以有效解決過四個交點(diǎn)的直線形成的兩條弦較短帶來的較大定位誤差的問題，保證兩條弦的長度總是大于
【權(quán)利要求】
1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于正六邊形的移動錨節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于:其步驟包括:(1)根據(jù)監(jiān)測區(qū)域大小和應(yīng)用需求，確定合適的移動錨節(jié)點(diǎn)通信半徑R；(2)移動錨節(jié)點(diǎn)計(jì)算移動路徑，并以恒定速度V移動，每隔時間間隔t以此刻所在位置為圓心，R為通信半徑,廣播信標(biāo)信息，信標(biāo)信息包括該時刻移動錨節(jié)點(diǎn)的位置和信標(biāo)ID, 移動錨節(jié)點(diǎn)的移動路徑為正六邊形，且R = vt ；(3)未知節(jié)點(diǎn)不斷監(jiān)聽、接收信標(biāo)信息，用接收信號強(qiáng)度法測量到移動錨節(jié)點(diǎn)間的距離，若監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的未知節(jié)點(diǎn)接收到的三個信標(biāo)位置可組成正三角形，且未知節(jié)點(diǎn)位于正三角形內(nèi)，則未知節(jié)點(diǎn)通過三邊測量法計(jì)算自身位置；(4)當(dāng)移動錨節(jié)點(diǎn)移動至監(jiān)測區(qū)域邊界處時，采用邊界區(qū)域補(bǔ)償方法保證邊界未知節(jié)點(diǎn)可以接收到至少三個不共線的信標(biāo)信息，即使移動錨節(jié)點(diǎn)以同樣的速度沿圓形監(jiān)測區(qū)域邊界環(huán)繞一周，并以同樣的時間間隔廣播信標(biāo)信息；若未知節(jié)點(diǎn)位于接收到的三個信標(biāo)位置組成的三角形內(nèi)，則以接收到的三個信標(biāo)坐標(biāo)的平均值作為未知節(jié)點(diǎn)的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于正六邊形的移動錨節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟(1)中移動錨節(jié)點(diǎn)的通信半徑R的具體設(shè)定方法為:假設(shè)監(jiān)測區(qū)域半徑為RnrtwOTk，取合適的移動錨節(jié)點(diǎn)通信半徑R，使得RnetwOTk = nR, η為正六邊形的個數(shù)且為正整數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于正六邊形的移動錨節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述的移動錨節(jié)點(diǎn)具有GPS定位裝置，作為定位未知節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，移動錨節(jié)點(diǎn)以R為通信半徑，向其周圍的未知節(jié)點(diǎn)廣播包含其位置信息和自身ID的信標(biāo)信息數(shù)據(jù)包。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于正六邊形的移動錨節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述的錨節(jié)移動點(diǎn)路徑為正六邊形，正六邊形的邊長以錨節(jié)點(diǎn)通信半徑R 遞增，即各正六邊形分別內(nèi)切于半徑以R遞增的同心圓，直至第η個正六邊形路徑內(nèi)切于圓形監(jiān)測區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于正六邊形的移動錨節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，每個正六邊形都可以劃分為若干個邊長相等的正三角形，滿足正三角形邊長a等于錨節(jié)點(diǎn)通信半徑R,即a = R = vt。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于正六邊形的移動錨節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟(2)中移動錨節(jié)點(diǎn)路徑計(jì)算方法具體為:移動錨節(jié)點(diǎn)初始時位于監(jiān)測區(qū)域中心(?, %);以(χο，％)為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系；移動錨節(jié)點(diǎn)從(χο，y。)出發(fā)，以速度V移動至,之后沿著邊長為R的正六邊形路徑移動，每隔時間t發(fā)送一次信標(biāo)信號，當(dāng)移動錨節(jié)點(diǎn) 再次到達(dá)點(diǎn)(-|，f i?)時，向點(diǎn)處移動，之后沿著邊長為2R的正六邊形路徑移動，每隔時間t發(fā)送一次信標(biāo)信號，如此循環(huán)，使得每次正六邊形路徑的邊長增加R，直至第η個正六邊形路徑內(nèi)切于圓形監(jiān)測區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于正六邊形的移動錨節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟(4)中錨節(jié)點(diǎn)邊界區(qū)域補(bǔ)償方法具體為:當(dāng)移動錨節(jié)點(diǎn)第二次到達(dá)點(diǎn)
【文檔編號】H04W84/18GK103607726SQ201310604565
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】張晨語, 韓光潔, 江旭, 錢愛華, 鮑娜, 沈家偉, 劉立 申請人:河海大學(xué)常州校區(qū)