[发明专利]一种面向多目标点监测的无线传感网感知拓扑构建方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种面向多目标点监测的无线传感网感知拓扑构建方法，更确切地说，本发明涉及一种无线传感网多目标点的覆盖及对应拓扑构建方法。属于无线传感网领域。

背景技术

多目标点自适应感知拓扑的构建问题的一般解决流程大致包括两个步骤：一是活动节点的选择；二是活动节点路由的构建。

在第一个步骤中，一般需要考虑的因素包括覆盖率和活动节点整体的能量特性。即首先要求选择的活动节点能覆盖所有的目标点，其次则要求选择出的活动节点具备均衡自适应网络能量消耗的特性。在第二个步骤中，需要考虑活动节点如何构建一个通往Sink节点的数据通道。

1)对于第一个步骤，覆盖率的支持较容易实现；而自适应能量特性则要求节点能根据相关节点的能量消耗情况，决定自身的工作状态。

一般情况下，目标点和传感器节点均随机布设，同时假设传感器节点满足0/1分布的监测感知模型，网络以轮的方式进行调度管理。认为只有能监测到目标点的传感器节点才会定期产生有效数据。由于随机布设的不均匀性，各个目标点可能被多个传感器节点覆盖，如果我们同时使用多个传感器节点对一个目标点进行监测，那么这些传感器节点将产生出相同的数据，这是对传感器资源的一种浪费。同时网络中其他节点可能需要配合该传感器节点完成数据的上传工作，这同时也加剧了网络中其他节点的通信负担。一种有效的方式是使得冗余的传感器节点进入休眠状态，每轮仅有有限个节点活动，但同时要完成目标监测的任务，实现网络中节点能耗的均衡。因此活动节点的选择问题，实际上可等价为多目标点覆盖调度问题。

2)对于第二个步骤，可简化认为活动节点能通过一跳路由与某个不能覆盖到目标点的节点通信，或是能通过一跳路由直接与Sink节点通信，从而使我们的目标锁定在多目标点覆盖调度问题上。

综合以上描述，可看出多目标点监测感知拓扑构建问题可通过合理优化传感器节点调度，自适应控制传感器节点开关状态来解决，而网络中的路由则能以活动节点为基础进行构建。

以上所涉及的传感网多目标点监测问题，已经有了研究报道：

1)一种研究的方式是不区分目标点的多重覆盖，认为节点消耗的能量等比于其覆盖的目标点数或是与时间成正比关系。

Cardei M，Thai MT，Yingshu L，et al.”[Energy-efficient target coverage in wireless sensor networks，”Proc.IEEE Infocom Conference，vol.1973，PP.1976-1984，2005]在文章中较早针对K目标监测提出了最大覆盖控制集(Maximum Set Covers)的概念，简称MSC，作者以二分图来表示传感器节点和目标点之间的覆盖关系，并从线性规划的角度给出了两个解决方案，分别是启发式的LP-MSC和贪婪式的Greedy MSC，通过构建多个非不相交覆盖集的方法达到最大化网络生命周期的目标，此外作者还有效证明了MSC问题本身是一个NP完全问题。该文作者在论证和仿真的过程中，仅仅假设传感器节点仅能工作一个生命周期，当扩展到多生命周期时，该文献提出的方法不能有效的对节点的剩余能量进行考虑；此外，该文作者没有关注多重覆盖的目标点，认为节点一旦覆盖了某个目标点，就会周期产生数据，那么对于多重覆盖的目标点，必然会有一个数据冗余的问题。文献[Jiming C，Junkun L，Shibo H，et al.Energy-Efficient Coverage Based on Probabilistic Sensing Model in Wireless Sensor Networks[J].Communications Letters，IEEE，2010，14(9)：833-835]则是把多目标的覆盖调度问题归结为最小权重传感器覆盖问题(MWSCP)，并考虑在概率覆盖模型下的覆盖调度，通过构建一个整数线性规划模型，作者分别使用蚁群算法和粒子群算法对这个问题进行求解。在该文中，作者只把节点区分成工作态和非工作态，并认为无论节点覆盖多少目标点，其在工作状态的能耗都相同。这种假设具备一定的合理性，但仍是不足的。

2)另外，一种研究的报道则是对目标点的多重覆盖情况进行考虑，认为节点能耗等比于其负责的目标点数目。