CN104822152A - 一种面向目标检测的无线传感器网络弱栅栏覆盖构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向目标检测的无线传感器网络弱栅栏覆盖构建方法，用以解决目前无线传感器网络中栅栏覆盖存在漏洞，导致目标丢失的问题。该方法包括：随机部署传感器节点到兴趣区域，节点汇报自己的位置与朝向角信息给基站；基于节点在下边界方向上的感知范围，基站将节点组成弱连接簇，并计算簇与簇之间的距离；建立有向弱栅栏图，通过查找有向弱栅栏图的最短路径，判定初始网络部署是否提供栅栏覆盖，以及构建栅栏覆盖所需的最少可移动节点数目(或成本)。与传统栅栏覆盖方法不同，本发明提出了有向弱栅栏图的模型，将所需要的最小数目(成本)可移动传感器节点问题转化为图的最短路径问题，是一种最优的解决方案。

Description

一种面向目标检测的无线传感器网络弱栅栏覆盖构建方法

技术领域

本发明涉及一种面向目标检测的无线传感器网络弱栅栏覆盖构建方法，属于无线传感器网络领域。

背景技术

无线传感器网络由部署在监测区域内大量的传感器节点组成，节点间通过无线通信方式形成一个多跳自组织网络，能够协作的感知、采集和处理网络覆盖区域内的感知对象信息，并发送给感兴趣用户群组。目标检测是无线传感器网络的重要研究内容之一，具有广泛的军事应用和民事应用前景，尤其在安全防卫领域发挥着重大作用，如战场监测、边境防卫、机场安全防卫、核泄露监控等。

面向目标检测的无线传感器网络弱栅栏覆盖问题面临着多个挑战：首先，静态传感器节点随机部署到兴趣区域中，由于静态传感器节点不能移动，无法保证确保提供弱栅栏覆盖；其次，为了构建栅栏覆盖，提出了部署可移动传感器节点弥补静态传感器节点间构建弱栅栏覆盖，然而可移动传感器节点成本高，如何构建弱栅栏覆盖的同时最小化可移动传感器节点数目是面临的主要挑战。

因此，本发明设计了一种最优的弱栅栏覆盖构建方法，以最少的可移动传感器节点数目(成本)与已部署的静态传感器节点构建弱栅栏覆盖。本方法的提出将为部署可移动传感器节点构建栅栏覆盖提供最优的解决方案，促进无线传感器网络在安全防卫领域的进一步应用。

发明内容

本发明的目的针对无线传感器网络中静态传感器节点随机部署后无法确保提供弱栅栏覆盖的问题，提供一种基于可移动传感器节点的弱栅栏覆盖构建方法，以最少的可移动传感器节点数目(成本)确保构建弱栅栏覆盖。

实现本发明目的的技术方案为：一种面向目标检测的无线传感器网络弱栅栏覆盖构建方法，该方法包含如下步骤：

1)传感器节点随机部署到兴趣区域，各节点汇报自身的ID、地理位置及朝向角信息给基站；

2)基于节点所汇报信息，基站计算每个节点在下边界方向上的感知范围；

3)基站利用弱连接簇形成算法将网络中节点组成弱连接簇，并计算簇与簇之间的距离；

4)基于弱连接簇以及兴趣区域信息，建立有向弱栅栏图，找到所述有向弱栅栏图中的最 短路径。若最短路径长度为0，网络初始部署提供弱栅栏覆盖；若最短路径长度不为0，最短路径的长度即为构建弱栅栏覆盖所需的最少可移动传感器节点数目；

5)部署所需的可移动传感器节点，并将可移动传感器节点移动到有向弱栅栏图中最短路径所对应的漏洞，弥补相应漏洞，构建弱栅栏覆盖。

所述的弱连接簇形成算法步骤为：按照节点在下边界方向上的左边界值，对所有节点进行排序，左边界值越小，节点排序越靠前；对于排序过的节点集合，初始化第一个弱连接簇，并将第一个节点作为此弱连接簇的成员，然后从左到右检查每个节点，如果节点与簇的感知范围存在交集，将该节点归入当前簇，并更新簇的右边界值；如果不存在交集，创建一个新的弱连接簇，并将该节点作为新的弱连接簇的第一个成员，继续检查后面的节点；重复前面操作直到检查完最后一个节点。

所述的兴趣区域为一矩形区域，上下边界的长度为L，左右边界的长度为H，目标从下边界进入，从上边界穿出。

所述的网络提供弱栅栏覆盖是指，目标沿着垂直于下边界的任意路径穿越兴趣区域，至少会被一个传感器节点所检测到。

所述的节点在下边界方向上的感知范围为节点感知区域在下边界方向上的投影。令i代表一个节点，下边界所在方向轴为x轴，为节点i在下边界方向上投影的左边界，为节点i在下边界方向上投影的右边界，因此，节点在下边界方向上的感知范围为

所述的弱连接簇由节点组成，其所在下边界方向上的感知范围是其簇内每个节点在下边界方向上的感知范围的并集，且感知范围是连续的。

所述的簇与簇之间的距离是指在右侧的弱连接簇的左边界值减去在左侧的弱连接簇的右边界值。

所述的有向弱栅栏图是一个全向图，用顶点s和t分别代表兴趣区域的左边界和右边界，每个弱连接簇对应于图中一个顶点，任意两个顶点之间均存在一条边界，边界的权重即为在下边界方向上连接两个顶点所需的最少可移动传感器节点数目。

所述的将网络中节点组成弱连接簇，具体步骤为：首先对节点进行排序为(a，b，c，d，e，f，g，h，i，j，k，l)，然后检查每个节点，初始化簇wc₁，并将节点a作为簇wc₁的第一个成员，由于节点b与节点a的感知范围在下边界方向上存在交集，节点b被归入簇wc₁，更新簇wc₁的右边界，继续检查下一个节点，同样的，节点c与节点d被归入簇wc₁，簇wc₁的右边界也不断更新，检查节点e，节点e与簇wc₁在下边界方向上不存在交集，因此新建一个簇wc₂，并将 节点e作为簇wc₂的第一个成员，继续检查后面的节点，直到最后一个节点1被检查过，最后得到两个弱连接簇wc₁＝{a，b，c，d}和wc₂＝{e，f，g，h，i，j，k，l}。

所述的最短路径上的漏洞是指最短路径上长度大于0的边所对应的弱连接簇与弱连接簇之间的漏洞，区域左边界与弱连接簇之间的漏洞、以及弱连接簇与区域右边界之间的漏洞。

本发明和现有技术相比，具有的有益效果是：

1)利用可移动传感器节点弥补静态传感器节点漏洞，能够确保构建弱栅栏覆盖。

2)提出了弱连接簇形成算法，其计算复杂度低，适用于大规模无线传感器网络。

3)提出了有向弱栅栏图的概念，将最小数目的可移动传感器节点问题转化为图的最短路径问题，找到了弥补栅栏覆盖所需可移动传感器节点的最优解决方案。

4)与以往技术相比，本发明的面向目标检测的无线传感器网络弱栅栏覆盖算法，能够有效地判断网络初始部署是否提供弱栅栏覆盖，并利用最小数目(成本)的可移动传感器节点与已部署的静态传感器节点构建栅栏覆盖，最小化构建弱栅栏覆盖所需的可移动传感器节点成本。

附图说明

图1为无线传感器网络弱栅栏覆盖示意图。

图2为初始部署网络节点示意图。

图3为基于节点部署形成的弱连接簇示意图。

图4为基于弱连接簇构建的有向弱栅栏图示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。

实施例

现结合附图1、2、3和4说明本发明的具体实施例为：

1)无线传感器网络弱栅栏覆盖示意图

图1所示为无线传感器网络弱栅栏覆盖示意图。矩形区域代表节点所部署在的兴趣区域。虚线代表目标的正交穿越路径，该穿越路径垂直于上下边界，从下边界进入，上边界穿出。扇形代表节点的感知区域。灰色节点组成一条弱栅栏，保证对兴趣区域的弱栅栏覆盖，能够检测到任意一个沿着正交穿越路径穿越兴趣区域的目标。

2)基站利用弱连接簇形成算法将网络中节点组成弱连接簇：

图2所示为初始部署网络节点情况。基站计算每个节点在下边界方向上的感知范围，并基于弱连接簇形成算法将节点组成弱连接簇。其中，弱连接簇形成算法首先对节点进行排序， 顺序为(a，b，c，d，e，f，g，h，i，j，k，l)，然后检查每个节点。初始化簇wc₁，并将节点a作为簇wc₁的第一个成员，由于节点b与节点a的感知范围在下边界方向上存在交集，节点b被归入簇wc₁，更新簇wc₁的右边界，继续检查下一个节点，同样的，节点c与节点d被归入簇wc₁，簇wc₁的右边界也不断更新。当检查节点e的时候，节点e与簇wc₁在下边界方向上不存在交集，因此新建一个簇wc₂，并将节点e作为簇wc₂的第一个成员，继续检查后面的节点，直到最后一个节点1被检查过。如图3所示，我们可以得到两个弱连接簇wc₁＝{a，b，c，d}和wc₂＝{e，f，g，h，i，j，k，l}。

3)基于弱连接簇以及兴趣区域信息，建立有向弱栅栏图，找到图中的最短路径：

建立的有向弱栅栏图如图4所示。用s代表兴趣区域的左边界，t代表兴趣区域的右边界，两个弱连接簇wc₁和簇wc₂分别对应于各自的一个顶点。任意两个顶点之间均存在一条边，边的权重为连接两个顶点所需的最少可移动传感器节点的数目。比如，簇wc₁与簇wc₂之间的边权重为1，是因为连接簇wc₁与簇wc₂所需的最少可移动传感器节点数目为1，同理，连接簇wc₁与t至少需要7个可移动传感器节点。需要注意的是，s与簇wc₁之间的边权重为0，这是因为簇wc₁与左边界相交，无需部署可移动传感器节点。

利用图论中经典的Dijkstra算法可以找到有向弱栅栏图的最短路径为s--wc₁--wc₂--t，路径长度为2。因此，网络初始部署不提供弱栅栏覆盖，至少需要额外部署两个可移动传感器节点才能构建弱栅栏覆盖。

4)部署所需的可移动节点，并将可移动节点移动到图中最短路径所对应的漏洞，弥补相应漏洞，构建弱栅栏覆盖。

在图4中，最短路径随对应的漏洞是指：簇wc₁与簇wc₂之间的漏洞，簇wc₂与t之间的漏洞。两个漏洞分别只需要1个可移动传感器节点即可被弥补。因此，随机部署两个可移动传感器节点，其中1个节点移动到簇wc₁与簇wc₂之间，另一个节点移动到wc₂与t之间，从而构建弱栅栏覆盖。

上述具体实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对不发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种面向目标检测的无线传感器网络弱栅栏覆盖构建方法，其特征在于包含如下步骤：

1)传感器节点随机部署到兴趣区域，各节点汇报自身的ID、地理位置及朝向角信息给基站；

2)基于节点所汇报信息，基站计算每个节点在下边界方向上的感知范围；

3)基站利用弱连接簇形成算法将网络中节点组成弱连接簇，并计算簇与簇之间的距离；

4)基于弱连接簇以及兴趣区域信息，建立有向弱栅栏图，找到所述有向弱栅栏图中的最短路径；若最短路径长度为0，网络初始部署提供弱栅栏覆盖；若最短路径长度不为0，最短路径的长度即为构建弱栅栏覆盖所需的最少可移动传感器节点数目；

5)部署所需的可移动传感器节点，并将可移动传感器节点移动到有向弱栅栏图中最短路径所对应的漏洞，弥补相应漏洞，构建弱栅栏覆盖。

2.如权利要求1所述的一种面向目标检测的无线传感器网络弱栅栏覆盖构建方法，其特征在于：步骤3)中所述的弱连接簇形成算法的步骤为：按照节点在下边界方向上的左边界值，对所有节点进行排序，左边界值越小，节点排序越靠前；对于排序过的节点集合，初始化第一个弱连接簇，并将第一个节点作为此弱连接簇的成员，然后从左到右检查每个节点，若节点与簇的感知范围存在交集，将该节点归入当前簇，并更新簇的右边界值；如果不存在交集，创建一个新的弱连接簇，并将该节点作为新的弱连接簇的第一个成员，继续检查后面的节点；重复前面操作直到检查完最后一个节点。

3.如权利要求1所述的一种面向目标检测的无线传感器网络弱栅栏覆盖构建方法，其特征在于：步骤3)中所述的簇与簇之间的距离是指在右侧的弱连接簇的左边界值减去在左侧的弱连接簇的右边界值。

4.如权利要求1所述的一种面向目标检测的无线传感器网络弱栅栏覆盖构建方法，其特征在于：步骤1)中所述的兴趣区域为一矩形区域，上下边界的长度为L，左右边界的长度为H，目标从下边界进入，从上边界穿出。

5.如权利要求1所述的一种面向目标检测的无线传感器网络弱栅栏覆盖构建方法，其特征在于：步骤2)中所述的传感器节点在下边界方向上的感知范围为节点感知区域在下边界方向上的投影，令i代表一个节点，下边界所在方向轴为x轴，为节点i在下边界方向上投影的左边界，为节点i在下边界方向上投影的右边界，节点在下边界方向上的感知范围为

6.如权利要求1所述的一种面向目标检测的无线传感器网络弱栅栏覆盖构建方法，其特征在于：步骤4)中所述的网络提供弱栅栏覆盖是指，目标沿着垂直于下边界的任意路径穿越兴趣区域，至少会被一个传感器节点所检测到。

7.如权利要求1所述的一种面向目标检测的无线传感器网络弱栅栏覆盖构建方法，其特征在于：步骤4)中所述的弱连接簇由各节点组成，其所在下边界方向上的感知范围是其簇内每个节点在下边界方向上的感知范围的并集，且感知范围是连续的。

8.如权利要求1所述的一种面向目标检测的无线传感器网络弱栅栏覆盖构建方法，其特征在于：步骤4)中所述的有向弱栅栏图是一个全向图，用顶点s和t分别代表兴趣区域的左边界和右边界，每个弱连接簇对应于图中一个顶点，任意两个顶点之间均存在一条边界，边界的权重即为在下边界方向上连接两个顶点所需的最少可移动传感器节点数目。

9.如权利要求1所述的一种面向目标检测的无线传感器网络弱栅栏覆盖构建方法，其特征在于：所述的将网络中节点组成弱连接簇，具体步骤为：首先对节点进行排序为(a，b，c，d，e，f，g，h，i，j，k，l)，然后检查每个节点，初始化簇wc₁，并将节点a作为簇wc₁的第一个成员，由于节点b与节点a的感知范围在下边界方向上存在交集，节点b被归入簇wc₁，更新簇wc₁的右边界，继续检查下一个节点，同样的，节点c与节点d被归入簇wc₁，簇wc₁的右边界也不断更新，检查节点e，节点e与簇wc₁在下边界方向上不存在交集，因此新建一个簇wc₂，并将节点e作为簇wc₂的第一个成员，继续检查后面的节点，直到最后一个节点1被检查过，最后得到两个弱连接簇wc₁＝{a，b，c，d}和wc₂＝{e，f，g，h，i，j，k，l}。

10.如权利要求1所述的一种面向目标检测的无线传感器网络弱栅栏覆盖构建方法，其特征在于：所述的最短路径对应的漏洞是指最短路径的长度大于0的边所对应的弱连接簇与弱连接簇之间的漏洞，区域左边界与弱连接簇之间的漏洞，以及弱连接簇与区域右边界之间的漏洞。