[发明专利]基于Voronoi图的三维有向异构移动传感器网络自部署方法

说明书

本发明公布了一种三维有向异构移动传感器网络自部署方法，基于加权Voronoi划分和虚拟力计算，将自主部署过程转化为网络节点的自主移动、转动过程，包括：计算节点权值；调节节点方向在被监测区域内；进行Voronoi划分；计算Voronoi区域质心；计算虚拟斥力；计算节点所受虚拟斥力的合力、位移向量；计算每个节点合位移向量；更新节点位置；再调整边界节点的位置和方向信息，使节点回到被监测区域内；由此解决三维空间环境下有向异构移动传感器节点集中放置的空间区域覆盖问题；提升网络的覆盖率；快速完成节点的部署；保证网络的覆盖性能。

技术领域

本发明属于无线传感器网络领域，涉及一种三维环境下有向异构移动传感器网络自主部署的实现方法。

背景技术

随着无线通信、电子与传感技术的发展，无线传感器网络可以把虚拟世界与现实世界以前所未有的规模进行连接，在国家安全、环境监测、交通管理、空间探索、灾难预防和救援等领域有重大的应用价值，它由于其高度的学科交叉性和广泛的应用前景受到世界各地学术界和工业界的高度关注，已成为当前IT领域新兴的前沿热点。根据采用的传感器节点类型,无线传感器网络可分为很多种。例如，若节点带有摄像装置，具有视频采集功能，则称之为视频传感器网络；若带有移动装置，则称为移动传感器网络；若组成网络的传感器节点的感知范围与方向相关，则称为有向传感器网络。在目标监测问题上，有向传感器在覆盖侧重和能耗使用方面相比传统的全向传感器更加具有优势。从实际应用角度上来看，目前常见的传感器类型，如图像、红外、声波等均具有方向性，由此可见有向传感器网络更为接近实用。

有向传感器网络节点加装了自主移动装置，就构成了有向移动传感器网络，例如用于军事、农业、灾难救援中的空中视频传感器网络，其节点是一架带有摄像头的微小型飞行器，由于能够组网协同飞行，从而能够更及时准确地获取目标区域的信息。有向移动传感器网络根据节点的规格分为有向同构传感器网络和有向异构移动传感器网络，当所有的点的规格都相同是称为有向同构移动传感器网络；当节点的规格不全相同时则称为有向异构传感器网络，相比有向同构移动传感器网络，有向异构移动传感器网络的部署与覆盖控制问题更加复杂。

针对各类无线传感器网络，节点的部署和覆盖控制问题一直是研究的热点问题。常用的节点部署方法主要分为随机部署、人工部署和自主部署三类。在随机部署方式中，节点被一次性随机抛撒在监测区域内；在人工部署方式中，需要人工手动布设每一个节点；自主部署是指初始时节点被随机布撒或者集中布撒，但由于节点自身带有移动装置能够自主移动，会按着一定的部署方法通过自主移动完成部署。

对于自主部署而言，由于节点的资源受限，通信范围和感知范围都十分有限，因此自主部署算法的好坏会对监测区域覆盖产生重要影响。好的自主部署算法应尽可能避免重叠覆盖、尽可能减少覆盖漏洞、尽可能快速完成部署，部署过程中尽可能避免节点之间或节点与目标之间的相互干扰(如碰撞)。

有向异构移动传感器网络在灾难救援中具有具大的应用潜力，可以充分利用不同规格的节点资源快速、近距离对灾难发生地点进行全方位监测，协助搜索被困人员、及时反馈现场信息。根据现有的资料表明，目前已有的自主部署算法，主要是针对二维平面环境进行区域覆盖，现有方法还难以解决针对三维空间内异构节点集中放置的空间区域覆盖，如何进行部署的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，解决三维空间环境下有向异构移动传感器网络中节点集中放置的空间区域覆盖问题，本发明提出一种基于Voronoi图的三维有向异构移动传感器网络自部署方法，基于加权Voronoi划分方法和虚拟力原理相结合，将有向移动传感器网络协同自主部署过程转化为节点的自主移动、自主转动的过程，适于有向异构移动传感器网络的自主部署。

本发明的技术方案是：