基于網(wǎng)絡(luò)密度分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)信標(biāo)路徑規(guī)劃方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于網(wǎng)絡(luò)密度分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)信標(biāo)路徑規(guī)劃方法，所述網(wǎng)絡(luò)包括多個(gè)非均勻部署的靜止未知節(jié)點(diǎn)和一個(gè)可移動(dòng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，其步驟包括：基于DBCSAN的網(wǎng)絡(luò)分簇；簇頭位置估計(jì)；移動(dòng)信標(biāo)全局路徑規(guī)劃；移動(dòng)信標(biāo)局部路徑規(guī)劃；移動(dòng)信標(biāo)按規(guī)劃路徑以恒定速度v移動(dòng)，在遍歷每個(gè)簇時(shí)，每隔時(shí)間間隔，以此刻所在位置為圓心，為通信半徑，廣播信標(biāo)數(shù)據(jù)包，信標(biāo)數(shù)據(jù)包包括該時(shí)刻移動(dòng)信標(biāo)的位置和信標(biāo)；未知節(jié)點(diǎn)不斷監(jiān)聽、接收信標(biāo)數(shù)據(jù)包，通過三邊測(cè)量法計(jì)算自身位置；已定位節(jié)點(diǎn)升級(jí)為靜態(tài)信標(biāo)輔助剩余未知節(jié)點(diǎn)定位。本發(fā)明定位精度和信標(biāo)利用率高，信標(biāo)移動(dòng)路徑短，通信開銷小。
【專利說明】基于網(wǎng)絡(luò)密度分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)信標(biāo)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，尤其涉及一種基于網(wǎng)絡(luò)密度分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)信標(biāo)路徑規(guī)劃方法。

【背景技術(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)(WirelessSensor Networks, WSNs)由于其高度的學(xué)科交叉性和廣泛的應(yīng)用前景而受到世界各國政府部門、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和科研機(jī)構(gòu)的極大關(guān)注，對(duì)它的研究已成為當(dāng)前IT領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的課題之一，其應(yīng)用場(chǎng)景包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化控制、智能家居等諸多領(lǐng)域。位置信息對(duì)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:基于信標(biāo)和非基于信標(biāo)的定位算法，信標(biāo)就是可以預(yù)先獲取自身位置的節(jié)點(diǎn)，基于信標(biāo)的定位算法用信標(biāo)定位未知節(jié)點(diǎn)，而非基于信標(biāo)的定位算法主要計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)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(dòng)信標(biāo)，按照有效的規(guī)劃路徑移動(dòng)，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(dòng)信標(biāo)路徑規(guī)劃問題可分為兩類:靜態(tài)路徑規(guī)劃和動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃。靜態(tài)移動(dòng)信標(biāo)路徑規(guī)劃是指:移動(dòng)信標(biāo)按照預(yù)先規(guī)劃好的路徑在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)，不需要根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)的分布密度來隨時(shí)調(diào)整移動(dòng)路徑。動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃是指移動(dòng)信標(biāo)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的分布情況和移動(dòng)信標(biāo)當(dāng)前位置來確定移動(dòng)信標(biāo)下一個(gè)移動(dòng)位置。
[0003]目前針對(duì)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.Dimitr1s Koutsonikolas 等在 2OO7 年的《Computer Communicat1n))上發(fā)表的文章“Path planning of mobile landmarks for localizat1n in wireless sensornetworks”中提出三種信標(biāo)移動(dòng)方法:Scan,Double Scan和Hilbert,并比較了這三種規(guī)劃路徑的性能。三種方法中Scan的移動(dòng)路徑最短，移動(dòng)信標(biāo)沿著y軸方向移動(dòng)，但其直線型的移動(dòng)路徑會(huì)造成未知節(jié)點(diǎn)接收到若干個(gè)共線的移動(dòng)信標(biāo)信標(biāo)信號(hào)，尤其當(dāng)信標(biāo)的通信半徑過小，導(dǎo)致許多未知節(jié)點(diǎn)無法定位。考慮到SCAN方法中存在共線問題，DOUBIE SCAN中增加一條X軸方向的路徑，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(dòng)信標(biāo)的移動(dòng)路徑長度，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)能耗增加。HILBERT由若干個(gè)不完全封閉的小正方形組成，路徑增加多個(gè)轉(zhuǎn)彎以接收更多非共性信標(biāo)的信息，提高定位率，同時(shí)移動(dòng)路徑長度小于DoubleScan0
[0005]2.Rui Huang 等在 2007 年的 “The Fifth Annual IEEE Internat1nalConference on Pervasive Computing and Communicat1ns Workshops，，上發(fā)表的文章“Static path planning for mobile beacons to localize sensor networks，，提出兩種移動(dòng)信標(biāo)移動(dòng)路徑:CIRCLES和S-CURVES，其目的在于減少移動(dòng)信標(biāo)輔助定位過程中廣播的共線位置信息。移動(dòng)信標(biāo)在移動(dòng)過程中每隔一個(gè)周期廣播其位置信息，當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)收到三個(gè)非共線的信標(biāo)坐標(biāo)時(shí)，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(duì)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(dòng)信標(biāo)無法到達(dá)監(jiān)測(cè)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。
[0006]3.Hongjun Li 等在 2OO9 年的《Journal of Computer Research andDevelopment》上發(fā)表的文章“Path Planning for Mobile Anchor Node in Localizat1nfor Wireless Sensor Networks”中提出了寬度優(yōu)先算法和回溯式貪婪算法,將圖論引入到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位中，把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)看成一個(gè)聯(lián)通的節(jié)點(diǎn)無向圖，路徑規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為圖的生成樹及遍歷問題。使用這種路徑規(guī)劃方法，移動(dòng)信標(biāo)可以根據(jù)接收到的網(wǎng)絡(luò)信息自適應(yīng)調(diào)節(jié)移動(dòng)路徑。動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃產(chǎn)生的路徑不是規(guī)則的圖形，它利用未知節(jié)點(diǎn)分布信息動(dòng)態(tài)調(diào)整移動(dòng)信標(biāo)移動(dòng)路徑，并且移動(dòng)路徑較短，從而克服了靜態(tài)路徑規(guī)劃的不足之處。
[0007]4.Huangqing Cui 等在 2011 年的 “The 2nd Internat1nal Conference onSoftware Engineering and Service Science，，上發(fā)表的“Three-mobile-beacon assistedweighted centroid localizat1n method in wireless sensor networks”令三個(gè)移動(dòng)信標(biāo)以組移動(dòng)的方式遍歷整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，解決了單個(gè)移動(dòng)信標(biāo)在定位過程會(huì)出現(xiàn)信標(biāo)位置共線的問題。三個(gè)移動(dòng)信標(biāo)構(gòu)成三角形(最理想情況為等邊三角形)，在移動(dòng)過程中，三個(gè)信標(biāo)之間保持最初的距離同時(shí)移動(dòng)。定位過程分成三個(gè)階段:首先三個(gè)信標(biāo)共同穿越整個(gè)區(qū)域并周期性的廣播信標(biāo)數(shù)據(jù)包；然后未知節(jié)點(diǎn)記錄接收到的信標(biāo)數(shù)據(jù)包來估算自己的位置；最后剩余未被定位的節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求，利用鄰居節(jié)點(diǎn)反饋的位置信息估算自身的位置。
[0008]5.Huanqing Cui 等在 2Ol2 年的《Computers and Electrical Engineering))上發(fā)表的 “Four-mobile-beacon assisted localizat1n in three-dimens1nal wirelesssensor networks”中提出多移動(dòng)信標(biāo)組移動(dòng)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(gè)移動(dòng)信標(biāo)構(gòu)成正四面體按照RWP (random waypoint)移動(dòng)模型和LAYERED-SCAN移動(dòng)模型組移動(dòng)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(shí)到達(dá)的三個(gè)或者四個(gè)信標(biāo)信號(hào)時(shí)，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(shí)到達(dá)的信標(biāo)數(shù)據(jù)包小于三個(gè)時(shí)，未知節(jié)點(diǎn)無法定位。文章對(duì)比了四個(gè)移動(dòng)信標(biāo)和單個(gè)移動(dòng)信標(biāo)在RWP移動(dòng)模型和LAYERED-SCAN移動(dòng)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(gè)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(gè)移動(dòng)信標(biāo)采用LAYERED-SCAN移動(dòng)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)。
[0009]綜上所述，雖然移動(dòng)信標(biāo)路徑規(guī)劃取得了很大進(jìn)展，但仍有一些問題需要進(jìn)一步研究:
[0010](I)現(xiàn)有的大部分研究主要停留在靜態(tài)移動(dòng)信標(biāo)路徑規(guī)劃上，這種路徑規(guī)劃方式存在信標(biāo)位置共線，信標(biāo)移動(dòng)路徑和網(wǎng)絡(luò)定位時(shí)間較長等問題。
[0011](2)大多數(shù)路徑規(guī)劃方法均假設(shè)網(wǎng)絡(luò)均勻部署，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)非均勻部署時(shí)，若令移動(dòng)信標(biāo)按靜態(tài)移動(dòng)信標(biāo)路徑規(guī)劃方法遍歷整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，不但會(huì)導(dǎo)致信標(biāo)移動(dòng)路徑和網(wǎng)絡(luò)定位時(shí)間過長，而且在很大程度上降低了信標(biāo)的利用率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的是提供一種適用于非均勻部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)信標(biāo)輔助定位方法，避免移動(dòng)信標(biāo)移動(dòng)至部分沒有部署節(jié)點(diǎn)的區(qū)域廣播信標(biāo)數(shù)據(jù)包而導(dǎo)致的移動(dòng)路徑長和通信開銷大的問題，該定位方法定位精度高，信標(biāo)移動(dòng)路徑短，通信開銷小，信標(biāo)利用率高。
[0013]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0014]一種基于網(wǎng)絡(luò)密度分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)信標(biāo)路徑規(guī)劃方法，其步驟包括:
[0015](I)基于DBSCAN的網(wǎng)絡(luò)分簇，選取核心密度最大的點(diǎn)作為簇頭，保證簇頭位于簇內(nèi)密度最大處；
[0016](2)簇頭位置估計(jì)；
[0017](3)移動(dòng)信標(biāo)全局路徑規(guī)劃；
[0018](4)移動(dòng)信標(biāo)局部路徑規(guī)劃；
[0019](5)移動(dòng)信標(biāo)按規(guī)劃路徑以恒定速度V移動(dòng)，在遍歷每個(gè)簇時(shí)，每隔時(shí)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)數(shù)據(jù)包，信標(biāo)數(shù)據(jù)包包括該時(shí)刻移動(dòng)信標(biāo)的位置和信標(biāo)ID ；
[0020](6)未知節(jié)點(diǎn)不斷監(jiān)聽、接收信標(biāo)數(shù)據(jù)包，若收到的三個(gè)信標(biāo)位置可構(gòu)成正三角形，且未知節(jié)點(diǎn)位于該正三角形內(nèi)，則未知節(jié)點(diǎn)通過三邊測(cè)量法計(jì)算自身位置；
[0021](7)已定位節(jié)點(diǎn)升級(jí)為靜態(tài)信標(biāo)輔助剩余未知節(jié)點(diǎn)定位，若剩余未知節(jié)點(diǎn)可以獲得至少三個(gè)不共線的信標(biāo)位置信息，則未知節(jié)點(diǎn)通過三邊測(cè)量法計(jì)算自身位置，該過程一直持續(xù)到所有節(jié)點(diǎn)完成定位或達(dá)到規(guī)定迭代次數(shù)為止。
[0022]上述的移動(dòng)信標(biāo)具有GPS定位裝置，移動(dòng)信標(biāo)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)數(shù)據(jù)包。
[0023]上述步驟(1)中基于DBSCAN的網(wǎng)絡(luò)分簇采用基于核心密度的簇頭選取機(jī)制，從簇頭出發(fā)，將簇頭η-跳(n ^ D范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)簇；節(jié)點(diǎn)i的η-跳范圍內(nèi)核心密度計(jì)算方法:

【權(quán)利要求】
1.一種基于網(wǎng)絡(luò)密度分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)信標(biāo)路徑規(guī)劃方法，其特征在于:其步驟包括: (1)基于DBSCAN的網(wǎng)絡(luò)分簇，選取核心密度最大的點(diǎn)作為簇頭，保證簇頭位于簇內(nèi)密度最大處； (2)簇頭位置估計(jì)； (3)移動(dòng)信標(biāo)全局路徑規(guī)劃； (4)移動(dòng)信標(biāo)局部路徑規(guī)劃； (5)移動(dòng)信標(biāo)按規(guī)劃路徑以恒定速度V移動(dòng),在遍歷每個(gè)簇時(shí),每隔時(shí)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)數(shù)據(jù)包，信標(biāo)數(shù)據(jù)包包括該時(shí)刻移動(dòng)信標(biāo)的位置和?目標(biāo)ID ； (6)未知節(jié)點(diǎn)不斷監(jiān)聽、接收信標(biāo)數(shù)據(jù)包，若收到的三個(gè)信標(biāo)位置可構(gòu)成正三角形，且未知節(jié)點(diǎn)位于該正三角形內(nèi)，則未知節(jié)點(diǎn)通過三邊測(cè)量法計(jì)算自身位置； (7)已定位節(jié)點(diǎn)升級(jí)為靜態(tài)信標(biāo)輔助剩余未知節(jié)點(diǎn)定位，若剩余未知節(jié)點(diǎn)可以獲得至少三個(gè)不共線的信標(biāo)位置信息，則未知節(jié)點(diǎn)通過三邊測(cè)量法計(jì)算自身位置，該過程一直持續(xù)到所有節(jié)點(diǎn)完成定位或達(dá)到規(guī)定迭代次數(shù)為止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)密度分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)信標(biāo)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述的移動(dòng)信標(biāo)具有GPS定位裝置，移動(dòng)信標(biāo)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)數(shù)據(jù)包。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)密度分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)信標(biāo)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟(1)中基于DBSCAN的網(wǎng)絡(luò)分簇采用基于核心密度的簇頭選取機(jī)制，從簇頭出發(fā)，將簇頭η-跳(n ^ D范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)簇；節(jié)點(diǎn)i的η-跳范圍內(nèi)核心密度計(jì)算方法:
其中，
表示節(jié)點(diǎn) i 的 k_ 跳節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，因此NeighborNun^n表示節(jié)點(diǎn)i的n_跳范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)；
其中，Neighbor^ (j)表示節(jié)點(diǎn)in-跳范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)的有序集合，由近到遠(yuǎn)排列；Dist (i, Neighbori；n(j))表示節(jié)點(diǎn)i到其η-跳范圍內(nèi)第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的歐式距離；NeighborThr代表網(wǎng)絡(luò)連通度閾值A(chǔ)eighborNumij5表示節(jié)點(diǎn)i的k_跳節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；因此DistanceAvei，n表示節(jié)點(diǎn)i到其η-跳范圍節(jié)點(diǎn)的平均1-跳距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)密度分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)信標(biāo)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟(2)中簇頭位置估計(jì)采用MDS-MAP (P)算法計(jì)算出簇頭所在位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)密度分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)信標(biāo)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟(3)中移動(dòng)信標(biāo)全局路徑規(guī)劃采用蟻群算法計(jì)算出遍歷簇頭的先后順序，保證全局路徑規(guī)劃階段信標(biāo)移動(dòng)路徑最短。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)密度分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)信標(biāo)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟(4)中移動(dòng)信標(biāo)以簇頭所在位置為正六邊形中心，按正六邊形路徑遍歷簇，正六邊形個(gè)數(shù)m等于成簇節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)n，第m個(gè)正六變形邊長Bm與移動(dòng)信標(biāo)通信半徑 R 的關(guān)系為 am = m.0.27R, (I ^ m ^ n, m e N+),且 B1 = vt。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)密度分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)信標(biāo)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟(5)中移動(dòng)信標(biāo)在遍歷每個(gè)簇時(shí)，是指當(dāng)信標(biāo)沿著邊長為Bm =m-0.27R的正六邊形移動(dòng)時(shí)，每隔時(shí)間間隔t廣播一次信標(biāo)數(shù)據(jù)包，即移動(dòng)信標(biāo)每移動(dòng)距離B1廣播一次信標(biāo)數(shù)據(jù)包。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)密度分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)信標(biāo)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟(7)中已定位節(jié)點(diǎn)升級(jí)為靜態(tài)信標(biāo)輔助剩余未知節(jié)點(diǎn)定位可分為以下兩個(gè)階段: 未被定位的未知節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)出定位請(qǐng)求信息，并利用靜態(tài)信標(biāo)反饋的位置信息計(jì)算自身位置； 該過程一直持續(xù)到所有節(jié)點(diǎn)完成定位或未知節(jié)點(diǎn)發(fā)送的定位請(qǐng)求信息達(dá)到規(guī)定的次數(shù)為止。
【文檔編號(hào)】H04W40/02GK104135749SQ201410413393
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月20日
【發(fā)明者】張晨語, 韓光潔, 朱川, 江旭, 江金芳, 王峰, 鮑娜 申請(qǐng)人:河海大學(xué)常州校區(qū)