[发明专利]基于概率的三维无线传感器网络覆盖方法

说明书

技术领域

本发明涉及采用无线传感器网络的环境监测技术领域，特别涉及了一种基于概率的三维无线传感器网络K-覆盖控制方法。

背景技术

无线传感器网络(WSNs)是随着无线通信技术、嵌入式计算技术、传感器技术、微机电技术的发展而出现的一种新兴的信息获取技术，在军事、汽车电子、工业控制、环境监测、医疗卫生、智能家居等领域有很好的应用前景，尤其在无人值守或恶劣环境下的事件监测和目标跟踪中显示了很大的优势。

基于无线传感器网络的监控系统中，各个传感器节点收集自身周围的局部信息，对其进行处理后传送至汇聚节点，汇聚节点汇总所有节点采集的局部数据得到感兴趣区域的整体信息。为确保整体信息的完整性和准确性，汇聚节点首先要判定感兴趣区域是否被一组给定的传感器节点所覆盖。例如，在火灾火情监控中，需要知道传感器网络对某片重灾地区的覆盖情况。因此，对传感器网络的覆盖问题进行深入而系统的研究具有重要意义。覆盖考虑的两个问题是：(a)传感器节点的初始布置是否覆盖了整个目标区域；(b)这些节点能否能准确完整地采集目标区域的信息。WSNs的覆盖控制，是在传感器网络节点能量、无线网络通信带宽、网络计算处理能力等资源普遍受限的情况下，通过传感器节点放置及路由选择等手段，最终使WSNs的各种资源得到优化分配，进而使感知、传感、通信、监测等各种服务质量得到改善。如何根据不同的应用环境，对WSNs进行不同级别的覆盖控制就成了WSNs中一个基础而亟待解决的问题。尽管目前的许多方案都很好地解决了二维平面的覆盖控制问题，但由于三维空间的覆盖控制在计算几何与随机图论等数学理论上仍是一个NP难问题，因此现有的三维空间覆盖控制方法只能得到近似优化的结果。如何针对WSNs在三维空间具体的应用需要，设计出有效的方法与协议，是一个很有意义的研究课题。

基于网格的目标覆盖是一种较常见的WSNs覆盖控制方法，是指当地理环境情况预先确定时，使用二维(也可以为三维)的网格进行网络的建模，并选择在合适的格点配置传感器节点来完成区域/目标的覆盖。

现有的基于网格的目标覆盖控制方法中，较有代表性的有以下几种方法：

(1)基于网格形式的覆盖控制方法，解决在价格受限和完全覆盖约束条件下的传感器节点部署问题。该方法依赖于“精确的”传感器监测，要求传感器在监测时输出一个是/否的二元结果。

(2)针对传感器在读数等方面存在的固有的不确定性，提出基于概率的传感器网络的覆盖控制方法。

但上述方法在覆盖程度上均只达到1-覆盖，即监测区域中的每个目标格点只被一个传感器节点所监测。某些应用场合，如军事应用，系统需具有较强的容错能力和鲁棒性，要求达到K-覆盖，即监测区域的每个目标格点至少被K个传感器所监测，其中K＞1。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于概率的三维传感器网络K-覆盖控制方法，要求监测区域中的所有网格点都至少被K个传感器以概率T覆盖，提高监测的可靠性。此外，本方法也提出对某一子区域实行优先覆盖(覆盖度优先和监测精度优先)的策略。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

1、建立传感器阈值模型；

2、对三维待监测区域用网格建模，建立失误概率矩阵；

3、用迭代的贪婪启发式方法确定传感器节点在网格中的位置，每一步迭代完成一个传感器节点的放置，直到节点总数达到预设的上界或每个网格点以概率T达到足够的覆盖度为止。

步骤1中建立传感器阈值模型的方法如下：

设定待监测目标被某个传感器节点监测到的概率随目标与传感器节点之间的距离呈指数变化：若待监测目标与传感器节点问的距离为d，则目标被该传感器监测到的概率为e^-αd，监测参数α＞0用来表征目标被传感器节点监测到的概率随距离的增大而减小的速率。若目标与传感器节点重合，即d＝0，则目标被传感器节点监测到的概率为1。对待监测区域中的任意两个网格点i和j，设定p_ij＝p_ji，p_ij表示网格点j处的目标被网格点i处的传感器节点监测到的监测概率，p_ji表示网格点i处的目标被网格点j处的传感器节点监测到的监测概率。考虑在水环境监测等一些特殊的应用中，信号衰减较快，当传感器节点对某待监测目标的监测概率小于β时，则认为监测概率为0，其中β表示监测范围阈值，为设定的常数。

由此，传感器节点的感知范围就可视为一个球体，且其感知能力与球体的半径有关，β决定了感知球体的大小。传感器阈值模型表示为：