[发明专利]基于概率的三维无线传感器网络覆盖方法

摘要

本发明公开了一种基于概率的三维无线传感器网络覆盖方法。无线传感器网络在三维空间监测中存在固有的不确定性和系统应具有较强的容错能力和鲁棒性之间存在着矛盾，目前的覆盖控制方法多局限在二维平面，且只能提供1－覆盖。本发明对三维待监测区域用网格建模，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k－覆盖为止。本发明具有较高的可靠性与鲁棒性，可用于水环境等信号传播能力较弱的特殊环境监测中，同时也适用于对整个监测区域中有优先覆盖要求(覆盖度优先和监测精度优先)局部区域的情形。

主权项

1、基于概率的三维无线传感器网络覆盖方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(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间的距离为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；对待监测区域中的任意两个网格点i和j，设定pij＝pji，pij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，pji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；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：$p_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{c}{e}^{-\mathrm{\alpha d}},e^{-\mathrm{\alpha d}}>\beta \\ 0,e^{-\mathrm{\alpha d}}<\beta \end{array}\right.步骤(2)中对三维待监测区域网格建模，建立失误概率矩阵的方法如下：将三维待监测区域划分为n\times n\times n的网格，共有N＝n3个网格点，令网格中所有网格点对之间的监测概率矩阵为D＝[pij]N\times N，共n6个元素，其中，pij按照步骤(1)所述的传感器阈值模型进行计算；由监测概率矩阵D设定失误概率矩阵M＝[mij]N\times N，其中mij为失误概率，表示网格点j处的目标没有被网格点i处的传感器节点监测到的概率，mij＝1-pij；将向量L初始化为全零向量，即L＝(0，0，\dots ，0)，其中向量L＝(L1，L2，\dots ，LN)，表示N＝n3个网格点的覆盖度集合，其中的元素Li表示网格点i在节点配置过程中所达到的覆盖度；步骤(3)中的迭代方法如下：1)传感器节点数初始化为0；2)将传感器节点放置在网格点k，使得该该网格点处的节点对其他网格点的失误概率之和\sum k最小，其中\sum k＝mk1+mk2+\dots +mkN，k＝1，\dots ，N；3)若mki＜Mmax，i＝1，\dots ，N，则对相应的Li加1，更新向量L，其中Mmax\; 为网格点的允许的最大失误概率，Mmax＝1-T，T为监测精度；在有监测精度优先覆盖网格点要求时，则为每个网格点i设定不同的监测精度Ti，相应网格点的允许的最大失误概率$ M_{\max }^i=1-T_i,则每个失误概率mki与每个网格点的Mmax\; i进行比较；4)传感器节点数加1；5)若Li达到指定的覆盖度，则删除M矩阵的第i行和第i列，更新M矩阵，网格点总数N减1；6)转至步骤2)，直到Li\ge Cov，i＝1，\dots ，N，或者已配置的传感器节点数量超过了预设的上界；在有覆盖度优先覆盖网格点要求时，为每个网格点i设定不同的覆盖度Covi，则循环终止条件变为检查每个网格点是否达到各自的覆盖度或传感器节点数量是否超过预设的上界。$$