[发明专利]一种基于POOL机制的WSN目标跟踪簇调整算法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于POOL机制的WSN目标跟踪簇调整算法，属于无线传感器网络技术领域。

背景技术

无线传感器网络(WSN)是由大量体积小、成本低，具有感知、通信和数据处理能力的传感器节点构成，具有自组织成网和隐蔽性好等特点，非常适合被应用于移动目标的定位和跟踪。WSN使用电池供电，一旦部署更换电池很难实现，因此能量受限是WSN的重要特征之一，如何降低网络能耗是设计目标跟踪系统时必需考虑和解决的关键问题，事实上，网络能耗均衡和跟踪目标精度是无线传感器网络目标跟踪算法主要的两个研究问题。由于无线传感器网络节点数量大，密度高，一般采用簇形网络结构。在簇形网络中，簇首负责与所有成员节点通信，汇总各成员节点数据，能量消耗明显高于成员节点。长期以来，研究人员针对无线传感器网络目标跟踪研究做出了大量努力。提出的典型算法主要有双元检测算法，信息驱动协作跟踪算法，传送树跟踪算法。研究人员针对经典算法也给出了很多优化或补充算法，如时间异步条件下的动态簇算法、基于粒子滤波的跟踪算法、分布式自适应算法等。但这些算法中，簇首调整基于目标节点位置的变化，如目标移动速度缓慢或时而静止，簇首会一直担任，导致能量消耗过快，形成能量空洞。

发明内容

针对传统目标跟踪算法中，目标慢速移动或是接近静止时，簇首节点因长时间担任簇首，能量消耗过快，形成能量空洞的问题，本发明提出基于簇首池(POOL)机制的簇调整算法。变速目标跟踪过程中，节点担任簇首的时间设有阀值，时间到时簇首从POOL中根据剩余能量及距离目标节点RSSI信号强度等因素选择一个节点作为新任簇首。目标变速移动过程中，POOL结构及数据不断更新。此机制保证簇首的平滑转移，在保证跟踪精度的同时，减少能耗，延长网络寿命。

本发明在满足以下系统模型的基础上提出：

定义跟踪区域为F，N个无线传感器节点随机分布，分为普通节点和汇聚(Sink)节点，目标周期性的发送射频信号，普通节点大部分时间处于休眠状态，并周期性醒来检测目标信号。简化系统模型如下：

1)节点空间部署等密度且随机，节点坐标(x，y)可知；

2)每个节点有唯一的ID，具有数据融合功能；

3)节点同构对等，无线传播范围相同；

4)节点具有组簇能力；

5)若传感器的通信半径为R_n，目标信号的有效传输半径为R_s，两者满足R_s≤R_n/2，保证所有能探测到目标的节点，都在彼此的通信范围内，并且只会形成一个簇。

本发明是由以下方式实现的：

1、跟踪簇的建立

为节省能量，无线传感器网络所有节点在没有目标跟踪时处于休眠状态。目标靠近时，目标附近的多个传感器节点同时检测到目标信号，当节点检测到目标的信号能量强度(RSSI)值大于RSSI₀时，判断为目标进入跟踪范围，这些节点构成集合它们共同组成跟踪簇，并参与到跟踪簇的组建及簇首选择的过程中；节点接收到的RSSI值小于RSSI₀，或是没有侦测到目标信号，该节点将继续保持休眠状态。

检测到目标信号RSSI值大于RSSI₀的节点首先广播询问簇首ID，并启动定时器T0，现任簇首收到询问后，回应新加进节点，使其加入到簇中成为簇成员；若T0计时时间达到设定值时，簇首无回应，则认为无簇首，检测到目标信号RSSI值大于RSSI₀的节点竞争选举簇首；竞争选举簇首的方法如下：根据接收到的目标信号RSSI值，启动一个选举定时器T1，RSSI值越大，定时时间越短，并进入候选状态，同时设置自身状态为簇首；如节点在定时器超时前未收到任何其他节点选举通告，则广播一个选举通告，确立簇首地位；否则，如果节点在定时器超时前收到其他节点的选举通告信息，它将终止自己的选举定时器，承认发送选举通告信息节点的簇首地位，并设置自身为成员状态，成为子节点。图1为对半径为50m，节点数100左右的簇，基于自由空间模型做出的簇首与中心距离对应其能量消耗关系的仿真统计图。由图可以看出，簇首选择与其能量消耗有如下关系：距离簇中心越远的节点担任簇首，有能量消耗越多的趋势。基于此关系，本文在簇首选择的过程中，将节点与簇中心距离作为一个重要考量因素。