[发明专利]面向三维场景的无线传感器网络节点确定性部署方法

说明书

技术领域

本发明是一种面向三维场景的无线传感器网络的覆盖解决方案。主要用于解决无线传感网节点的部署问题，属于无线传感器网络的三维覆盖技术领域。

背景技术

随着无线通信和嵌入式计算技术、传感器技术、微机电技术的发展，无线传感器网络作为一种新兴的信息获取技术在军事、环境监测、医疗卫生、智能家庭等方面展示出较大的应用前景，尤其在无人监测或环境恶劣情况下的场景监测和事件跟踪中显示出巨大的优势。节点的部署反映了无线传感器网络的成本和性能。合理的部署策略能使WSN的资源得到优化分配，进而增强传感器网络的感知质量，降低成本。覆盖问题反映了传感器网络节点对指定监控区域的监控程度，是衡量部署效果的一项主要指标。

按照节点部署方法的不同，WSN通常分为随机部署和确定性部署。随机节点覆盖是指在WSN中传感器节点随机分布且预先不知道节点位置的条件下，网络完成对监测区域的覆盖任务。确定性部署的特点是在监测区域的大小和特性已知的环境中，计算所有传感器节点的精确位置，逐一放置传感器节点，以保证使用最少数目来获得连通性或覆盖性的最优。该种部署方案一般是先划分网络格点，再进行传感器节点部署。

目前，节点部署主要集中于理想的二维平面而开展的，包括基于规则多边形的最优部署模型。事实上，布撒的传感器节点均处于现实的三维物理世界中，无论传感器节点本身的感知模型以及对应感知场景均为三维结构。传统简化的二维感知模型及其对应覆盖控制算法很难直接应用于现实三维物理环境中。随着研究的深入和实际应用需求的不断扩展，三维传感器网络受到越来越多的重视，如以三维网络为背景的水声传感器网络和大气监测传感器网络。尤其是近年来水下传感器网络研究的兴起，研究者开始思考与现实物理世界更为贴近的传感器节点的三维感知模型及其对应部署方法。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种无线传感器网络中的节点确定性部署方法，本方法在确保三维场景覆盖率的同时，有效减少了传感器节点数目。

技术方案：本发明的方法是一种策略性的方法，在分析常用规则多面体模型在三维空间覆盖的基础上，提出了一种基于长方体结构的覆盖模型，在此基础上理论推导出覆盖模型和节点传感半径之间的定量关系，更进一步基于该定量关系计算网络区域保持充分覆盖所需的最少节点数，最后对网络区域进行三维网格有限剖分后按照覆盖模型进行节点的部署。

方法流程：

1.覆盖模型设计方案

图1给出了一个我们设计的覆盖模型                                                ，下面我们给出几个具体的说明：

⑴ 模型描述

其中，四面体是一个长、宽、高分别为X、Y、Z的长方体；平面EFGH位于长方体的正中间，即与底面ABCD平行，并位于的高度，点I是平面EFGH的中心；节点部署为分别在点E、F、G、H、I五个位置各放置一个传感器节点。

⑵ 覆盖模型的全覆盖

覆盖模型的全覆盖：如果传感器节点的传感半径均为r，长方体中的任意一个点至少被E、F、G、H、I处的任一个节点的传感范围所覆盖到，则称覆盖模型全覆盖。

⑶ 覆盖密度

覆盖密度：覆盖模型的覆盖密度等于传感半径为r的五个传感器节点的传感总范围空间与长方体的体积之比，记为，且有下式成立：

⑷ 最优的覆盖模型

最优的覆盖模型：给定节点的传感半径r，在所有满足全覆盖的覆盖模型下，覆盖密度最小对应的覆盖模型称为最优覆盖模型。

根据说明⑷，求解最优覆盖模型可看做求解长方体的最大体积V，设长方体的长宽高分别为，，，则：

                                         （1）

求解 可以看成一个覆盖约束条件下的非线性优化问题。长方体中，所有与平面EFGH平行的平面中，平面ABCD和平面A’B’C’D’是最难被覆盖到的，因为传感器节点在这个平面上的感知范围最小。若平面ABCD和平面A’B’C’D’被完全覆盖，则覆盖模型中所有与平面EFGH平行的平面都能被完全覆盖。根据几何对称性，我们可以把三维长方体的全覆盖映射到二维长方形ABCD的全覆盖。设传感器节点的感知半径为，则节点在平面ABCD的感知范围是一个圆形区域，设该区域的半径为半径为，有：