[发明专利]一种基于选择框的有向K‑栅栏构建方法

摘要

一种基于选择框的有向K‑栅栏构建方法，包括以下步骤步骤1，选择MDNSB基准位置；步骤2，节点选择框的创建；步骤3有向节点运动能耗；步骤4，竖直栅栏构建；步骤5，感知角度大于60°时MDNSB的创建。本发明可以用最少节点的组建有向强栅栏(MDNSB)模型；把复杂的栅栏组建问题转换成节点目标位置的选定。基于有向节点选择框的有向强栅栏构建方法不需要全局信息，只需要目标位置周围的节点信息，就可以选择节点组建有向栅栏。首次采用最少的运动能耗作为节点的选择标准。有向移动节点的运动能耗包含移动到基准位置的能耗和感知方向转动到水平方向的转动能耗两部。

主权项

一种基于选择框的有向K‑栅栏构建方法，包括以下步骤：步骤1，选择有向强栅栏MDNSB基准位置；假设0≤s≤K，0≤z≤V，K为要形成的栅栏数，V表示水平方向的分区数；在长为Lsz，宽为Wsz的子区域Asz中，存在随机分布的Nsz个传感器节点；MDNSB选取框宽度wb等于节点选取框的宽度；子区域Asz多个MDNSB选择区域中，节点最多的位置就是这个子区域的栅栏位置；步骤2，节点选择框的创建；根据最少有向节点的强栅栏的定义，子区域AszMDNSB共有个节点位置；r表示节点的感知半径；从左到右的第i(i＝1,2,3,…,m‑1)个节点位置，由左右两个点决定；两个基准位置的坐标从左到右为如公式(1),(2)所示；其中表示子区域Asz的左边界的横坐标，表示节点选择框的宽度；MDNSB最右边的节点位置由子区域的右边界决定，即确定最右边节点位置的两个点横坐标分别为如果超出右边界，则子区域的右边界就是右边的基准点横坐标；其纵坐标仍为xilb=xsz0+(i-1)*r,yilb=Yszb+wns/2---(1)]]>xirb=xsz0+i*r,yirb=yilb---(2)]]>定义1：有向节点选择框，为MDNSB中的有向节点位置选择能耗最少的移动节点而设定的选择框称为节点选择框；与全向栅栏不同，在MDNSB中，一个节点位置有两个相邻的基准位置决定；先为一个基准位置选择移动节点；为了选择最佳移动节点移动到基准位置，使基准位置处于节点选择框中心；设节点分布密度为ρ，由于区域内节点服从均匀分布，若以基准位置为中心，划定一个节点选择框，使其内部期望有1个节点移动到基准位置，则子区域期望面积应为1/ρ；相邻的节点选择框存在重叠面积，边长越大，重叠面积越大，造成节点的重新选择，增加算法的复杂度；为了避免这种情况，需要进一步设定节点选择框的长和宽；另一方面，为了使两个相邻的基准位置均能处于两个彼此不相交的正方形内，则做两个相邻的基准位置连线的垂直平分线；再将选择框的长度从两个基准位置两侧分别延伸r/2的距离，由于则一个基准位置的节点选择框的长度长度设定好以后，进一步设定节点选择框的宽度；为减少节点选择框过宽所带来的误差，应使基准位置处于正方形的中心位置，所以一个基准位置节点选择框的宽度为MDNSB中，一个节点位置有两个相邻的基准位置确定，这两个相邻的基准位置选择框合起来就是有向节点选择框，有向节点选择框为长方形，当框内不存在节点时，采用扩展节点选择框的方式寻找移动节点，具体扩展方式下文会作详细介绍；节点选择框大小确定好以后，找出圆心在选择框内的传感器节点，将坐标参数保存在集合SNi中；步骤3有向节点运动能耗找出节点选择框内的节点以后，根据有向节点运动能耗选择最佳移动节点运动到目标位置；定义2：有向节点运动能耗，有向移动节点移动到MDNSB中的目标位置消耗的能量和转动到水平方向所消耗的能量之和，就是有向节点的运动能耗，如公式(3),(4)所示，公式中，J1、J2分别为移动1m的能耗、转到角度为π的能耗，α为有向节点的感知方向，分别表示到左点、右点的欧式距离；有向移动节点距离目标位置越近，移动能耗越小；对于选择框内的节点集合SNi，根据距离目标位置的远近选择节点，同时节点的感知方向也要调整到水平方向，即感知角度α＝0°或者α＝180°；根据定义2，有向传感器节点移动到基准目标位置所消耗的能量由移动消耗的能量和转动消耗的能量两部分组成；针对第i选择框内的节点集合SNi第j(j＝1,2,3…)个节点，设其坐标为(xij,yij)，两个基准位置的坐标从左到右位为如公式(1),(2)所示；求出两种情况下移动距离为所消耗的能量如公式(3),(4)，较小的值的位置保存在Ei集合中；Wijl=J1*dijl+J2*α0≤α≤πJ1*dijl+J2*|2π-α|π≤α≤2π---(3)]]>Wijr=J1*dr+J2*|π-α|---(4)]]>将Ei集合中最小的能量值所对应的有向移动传感器节点移动到目标位置，感知方向调整为相应的水平方向，或者与X轴方向一致，或者与X轴的负方向一致；如果节点选择框内没有节点，要对节点选择框进行扩展，为了保证基准位置圆心处于正方形中心，上下左右都扩大0.5r，步骤4竖直栅栏构建如果当前子区域的左侧基准栅栏位置纵坐标为当前子区域的基准栅栏位置纵坐标为则这两个相邻MDNSB之间的纵坐标差为计算竖直栅栏所需要的传感器节点数量且在纵坐标上均匀分布；从当前子区域的栅栏的左端点开始自上往下或者自下往上选择最佳的传感器节点，与步骤2类似，仍然对基准位置采用节点选择框选取最优节点移动到目标位置，但是感知方向不再是水平的，而是垂直的；竖直栅栏从下到上的第i(i＝1,2,3…)个基准位置，由上下两个点决定，其坐标分别为如公式(5),(6)所示，其中，表示相邻栅栏位置的较小值；针对第i选择框内的节点集合SNi第j(j＝1,2,3…)个节点，其坐标为(xij,yij)，求出两种情况下移动距离为(即欧式距离)，所消耗的能量如公式(7),(8)所示，较小值的位置保存在Ei集合中；xidb=xsz0,yidb=Yminb+r*(i-1)---(5)]]>xiub=xsz0,yiub=yidb+r*i---(6)]]>Wijd=dijd*J1+|π/2-α|*J20≤α≤3π/2dijd*J1+(5π/2-α)*J23π/2≤α≤2π---(7)]]>Wiju=diju*J1+(π/2+α)*J20≤α≤π/2diju*J1+|3π/2-α|*J2π/2≤α≤2π---(8)]]>将Ei集合中最小的能量值所对应的有向移动传感器节点移动到竖直目标位置，感知方向调整为相应得水平方向，或者与Y轴方向一致，或者与Y轴的负方向一致；步骤5感知角度大于60°时MDNSB的创建当感知角度θ＞π/3时，节点的最大感知半径R＝2r*sin(θ/2)，有向强栅栏MDNSB的构建过程中，仍然使节点的最大感知半径与栅栏方向重合；当感知角度π≤θ≤2π时，节点的最大感知半径R＝2r，MDNSB的构建过程中，仍然保证节点的最大感知半径与栅栏方向重合有向强栅栏MDNSB；这个时候，基准栅栏选取框的宽度仍然与节点选择框的宽度一样；节点选取框也发生了变化，由于两个基准位置处于一条垂直线上，因此只需节点选择框长度等于最大感知距离，基准位置就处于选择框水平方向的中线上，最大感知距离如公式(9)所示；选择框宽度的选取思路与上文感知角度小于60°时有所不同；当感知角度π/3＜θ≤π时，由于两个基准位置的圆心处于一条垂直线上，因此两个圆心之间的距离为2r*cos(θ/2),最大距离为小于2r，而随着感知角度的增大，两个基准位置的圆心之间的距离会越来越小直至等于0，如果为了满足基准位置的圆心处于正方形的中心而使选择框的宽度等于2r*cos(θ/2)，则会导致选择框不断缩小直至消失，因此在这种情况下不计重叠区域而使基准位置处于中心位置，即选择框宽度为2r*(cos(θ/2)+sin(θ/2))；当感知角度π≤θ≤2π时，由于基准位置圆心重合，因此选择框的长、宽一样，即这个时候当感知角度π/3＜θ≤π时，基准栅栏从左到右的第i(i＝1,2,3…)个节点基准位置，由上下两个点决定；从下到上的坐标为如公式(10),(11)所示；xidb=xsz0+i*lns-0.5lns,yidb=Yszb+wns2-r*cos(θ/2)---(10)]]>xiub=xidb,yiub=Yszb+wns2+r*cos(θ/2)---(11)]]>当感知角度π＜θ≤2π时，只有一个目标位置，当π/3＜θ≤π时，针对第i选择框内的节点集合SNi第j(j＝1,2,3…)个节点，其坐标仍为(xij,yij)，目标基准位置的选择均存在两个，从下到上分别为求出两种情况下移动距离为(即欧式距离)，能量消耗如公式(7),(8)所示；当π＜θ≤2π时，虽然只有一个目标位置，但是其感知方向是不一样的，也就是转动的能耗不一样，其消耗的能量公式与π/3＜θ≤π相同；竖直栅栏的节点选择框的从下到上的第i(i＝1,2,3…)个基准位置，针对第i选择框内的节点集合SNi第j(j＝1,2,3…)个节点，设其坐标为(xij,yij)，当π/3＜θ≤π时，两个基准位置的坐标从左到右位为如公式(12),(13)所示，表示相邻栅栏的位置的较小值；求出两种情况下移动距离为(即欧式距离)，所消耗的能量如公式(6),(7)所示；xilb=xsz0-rcos(θ/2),yilb=yminb+rsin(θ/2)*(2i-1)---(12)]]>xirb=xsz0+rcos(θ/2),yilb=yirb---(13)]]>当π＜θ≤2π时，竖直栅栏的节点选择框的从下到上的第i(i＝1,2,3…)个基准位置由决定，这时候但是感知方向不一样，所消耗的能量仍然用公式(3),(4)计算。