專利名稱：一種有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋判定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋判定方法。
背景技術(shù)：
傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋控制旨在通過各個傳感器節(jié)點協(xié)作而達(dá)到對監(jiān)視區(qū)域的不同管理或感應(yīng)的效果，它是整個環(huán)境監(jiān)測任務(wù)得以有效開展的前提和基礎(chǔ)。作為傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制理論的研究熱點之一，柵欄覆蓋(Barrier Coverage)主要研究如何分配網(wǎng)絡(luò)時空資源來保證當(dāng)任意移動目標(biāo)沿任意路徑穿越監(jiān)控區(qū)域時都能被監(jiān)測到。這類覆蓋控制問題的目標(biāo)是找出連接左右邊界的一條或多條路徑，使得這樣的路徑能夠在不同模型定義下提供對移動目標(biāo)的不同傳感/監(jiān)視質(zhì)量。柵欄覆蓋算法研究引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并基于傳統(tǒng)的全向感知模型積累了一些理論和算法，廣泛應(yīng)用于邊界保護(hù)、移動目標(biāo)監(jiān)控等任務(wù)。近幾年來，一些學(xué)者開展了有向傳感器網(wǎng)絡(luò)柵欄覆蓋控制方面的探索性研究，并陸續(xù)在IEEE系列會議發(fā)表了數(shù)篇前沿的研究成果。具體來講，有向傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的感知范圍是以節(jié)點為圓心、半徑為其感知距離的扇形區(qū)域(例如圖像/視頻、麥克風(fēng)、紅外、超聲波等傳感器節(jié)點)。鑒于視角受限節(jié)點的感知特點，即使是分布在同一地理位置上的兩個傳感器節(jié)點，也會因其傳感方向的不同而導(dǎo)致對同一目標(biāo)覆蓋能力上存在很大差異；另外，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常工作在未知的、復(fù)雜的環(huán)境下，難以通過人為干預(yù)將眾多傳感器節(jié)點放置在適合的位置，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點初始分布的不均勻性，這些都給有向傳感器網(wǎng)絡(luò)中柵欄覆蓋控制理論及算法研究帶來了不小的挑戰(zhàn)。根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動軌跡特點，可將柵欄覆蓋分為兩類強(qiáng)柵欄覆蓋(Strong BarrierCoverage)和弱柵欄覆蓋(Weak Barrier Coverage)。強(qiáng)柵欄覆蓋滿足目標(biāo)以任意軌跡從出發(fā)位置運(yùn)動至目的位置，總能被網(wǎng)絡(luò)中至少一個傳感器節(jié)點監(jiān)測到，如圖1(a)所示；而弱柵欄覆蓋則限定目標(biāo)僅沿直線軌跡從出發(fā)位置運(yùn)動至目的位置，確保每條直線軌跡總能被網(wǎng)絡(luò)中至少一個傳感器節(jié)點監(jiān)測到，如圖1(b)所示。在文獻(xiàn)《利用有向傳感器實現(xiàn)強(qiáng)柵欄覆蓋》(“Strong Barrier Coverage withDirectional Sensors”，發(fā)表于IEEE GL0BEC0M 2009)中，文中假定每個節(jié)點的傳感方向只有q個有限取值，當(dāng)節(jié)點總數(shù)為η時，構(gòu)造有向覆蓋圖G包含O(nq)個頂點，0(q2n2) 條邊，即用頂點表示每個節(jié)點所有可能的感知扇形。一旦計算發(fā)現(xiàn)兩個扇形之間存在重疊， 就將有向覆蓋圖G中相應(yīng)兩個頂點之間建立連線。然而，隨著每個節(jié)點傳感方向取值q的不斷增加，算法復(fù)雜度增長速度會很大。在文獻(xiàn)《旋轉(zhuǎn)有向傳感器部署及感知方向配置問題〉〉("Placement and Orientationof Rotating Directional Sensors，，發(fā)表于國際會議 IEEE SECON 2010)，作者基于動態(tài)的持續(xù)旋轉(zhuǎn)感知模型，探索有向傳感網(wǎng)絡(luò)中弱柵欄覆蓋問題?；窘鉀Q思路在于采用有限離散的方法去解決一個無限連續(xù)的NP問題，設(shè)計貪心優(yōu)化算法確定視角受限節(jié)點的初始傳感方向以獲得對所有入侵者的最大監(jiān)測概率，以及部署最少數(shù)目的有向節(jié)點并確定其初始傳感方向，以使得所有入侵者都被監(jiān)測到。通過上述文獻(xiàn)可以看出，目前對有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋的研究還十分有限。 首先，文獻(xiàn)1設(shè)定每個有向節(jié)點的傳感方向為有限個，這與實際應(yīng)用相差很遠(yuǎn)，實際網(wǎng)絡(luò)中的有向節(jié)點的傳感方向可能會很多；而且，當(dāng)文獻(xiàn)1設(shè)定的有向節(jié)點的傳感方向過多時，其算法復(fù)雜度會很大。其次，文獻(xiàn)2中的有向節(jié)點感知模型并非動態(tài)持續(xù)旋轉(zhuǎn)的，這也不符合傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際情況；同時，文獻(xiàn)2應(yīng)用意義在于弱柵欄覆蓋，而不是強(qiáng)柵欄覆蓋
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋判定方法，用以解決目前有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋的研究存在的問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是，一種有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋判定方法，有向傳感器網(wǎng)絡(luò)由有向傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和兩個虛擬邊界節(jié)點組成；其中，有向傳感器節(jié)點的感知區(qū)域是以R為傳感半徑，2 α為感知視角，感知視角的角平分線為中軸線的扇形感知區(qū)域，兩個虛擬邊界節(jié)點分別用于描述有向傳感器網(wǎng)絡(luò)的左邊界和右邊界， 其特征是所述方法包括步驟1 隨機(jī)部署有向傳感器節(jié)點，有向傳感器節(jié)點通過廣播方式自組織構(gòu)成有向傳感器網(wǎng)絡(luò)；步驟2 匯聚節(jié)點為每個有向傳感器節(jié)點生成虛擬節(jié)點；所述虛擬節(jié)點的感知區(qū)域是以2 α為感知視角，以R為傳感半徑的扇形區(qū)域；步驟3 匯聚節(jié)點根據(jù)生成的虛擬節(jié)點和兩個虛擬邊界節(jié)點，構(gòu)建有向覆蓋連通圖；步驟4:匯聚節(jié)點遍歷有向覆蓋連通圖，如果找到一條從一個虛擬邊界節(jié)點到另一個虛擬邊界節(jié)點的連通路徑，則判定有向傳感器網(wǎng)絡(luò)滿足強(qiáng)柵欄覆蓋；否則，判定有向傳感器網(wǎng)絡(luò)不滿足強(qiáng)柵欄覆蓋。所述匯聚節(jié)點為每個有向傳感器節(jié)點生成虛擬節(jié)點具體包括步驟21 匯聚節(jié)點分別根據(jù)左邊界和右邊界與有向傳感器節(jié)點的位置關(guān)系，建立左邊界節(jié)點集Π ！和右邊界節(jié)點集Π r ；步驟22 匯聚節(jié)點判斷左邊界節(jié)點集Π ！和右邊界節(jié)點集Π r是否都不為空集，如果是，則執(zhí)行步驟23 ；否則，結(jié)束該過程；步驟23 將每個有向傳感器節(jié)點的扇形感知區(qū)域擴(kuò)展為圓形感知區(qū)域；步驟24 有向傳感器節(jié)點的圓形感知區(qū)域與邊界相交形成邊界交點；有向傳感器節(jié)點的圓形感知區(qū)域與有向傳感器節(jié)點的鄰居節(jié)點的圓形感知區(qū)域相交形成鄰居交點；步驟25 每個有向傳感器節(jié)點的扇形傳感區(qū)域繞自身旋轉(zhuǎn)掃視一周，當(dāng)遇到邊界交點、鄰居交點或者其他有向傳感器節(jié)點時，就生成一個虛擬節(jié)點。所述步驟21具體是匯聚節(jié)點找到距離左邊界不超過傳感半徑R的有向傳感器節(jié)點，并將其加入到左邊界節(jié)點集Π ！中；并找到距離右邊界不超過傳感半徑R的有向傳感器節(jié)點，并將其加入到右邊界節(jié)點集Π r中。所述有向傳感器節(jié)點的鄰居節(jié)點是指與所述有向傳感器節(jié)點的距離小于等于傳感半徑兩倍的另一個有向傳感器節(jié)點。
所述構(gòu)建有向覆蓋連通圖具體是，將生成的所有虛擬節(jié)點和兩個虛擬邊界節(jié)點構(gòu)成頂點集合，在頂點集合中，當(dāng)虛擬節(jié)點的感知區(qū)域覆蓋到左邊界/右邊界時，則在描述左邊界/右邊界的虛擬邊界節(jié)點與該虛擬節(jié)點之間建立一條邊；當(dāng)不屬于同一個有向傳感器節(jié)點的兩個虛擬節(jié)點的感知區(qū)域形成覆蓋重疊時，則在這兩個虛擬節(jié)點之間建立一條邊。本發(fā)明克服了現(xiàn)有判定方法假設(shè)簡單、運(yùn)算量大等在實際應(yīng)用中的局限性，有效實現(xiàn)有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋的判定。


圖1是有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋和弱柵欄覆蓋示意圖，其中，(a)是有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋示意圖，(b)是有向傳感器網(wǎng)絡(luò)弱柵欄覆蓋示意圖；圖2是本發(fā)明提供的有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋判定方法流程圖；圖3是本發(fā)明提供的有向傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖；圖4是有向傳感器節(jié)點方向可調(diào)感知模型示意圖；圖5是有向傳感器節(jié)點和有向傳感器節(jié)點的鄰居節(jié)點示意圖；其中，(a)是互為鄰居節(jié)點的一對有向傳感器節(jié)點通過調(diào)整傳感方向，形成重疊傳感區(qū)域的示意圖；(b)是互為鄰居節(jié)點的一對有向傳感器節(jié)點通過調(diào)整傳感方向，形成重疊傳感區(qū)域的另一種示意圖；圖6是確定有向傳感器網(wǎng)絡(luò)左/右邊界節(jié)點集的示意圖；圖7是有向傳感器節(jié)點擴(kuò)展為完整的圓形感知區(qū)域后的關(guān)系示意圖；圖8是有向傳感器節(jié)點生成虛擬節(jié)點示意圖，其中，(a)是有向傳感器節(jié)點的扇形傳感區(qū)域繞自身旋轉(zhuǎn)掃視一周遇到邊界交點生成虛擬節(jié)點示意圖，(b)是兩個距離小于等于傳感半徑R的有向傳感器節(jié)點中的一個有向傳感器節(jié)點的扇形傳感區(qū)域繞自身旋轉(zhuǎn)掃視一周遇到鄰居交點和鄰居節(jié)點生成虛擬節(jié)點示意圖，(c)是兩個距離大于1倍傳感半徑 R并小于等于2倍傳感半徑R的有向傳感器節(jié)點中的一個有向傳感器節(jié)點的扇形傳感區(qū)域繞自身旋轉(zhuǎn)掃視一周遇到鄰居交點生成虛擬節(jié)點示意圖；圖9是不屬于同一個有向傳感器節(jié)點的兩個虛擬節(jié)點的感知區(qū)域之間形成覆蓋重疊時的示意圖；圖10是本發(fā)明構(gòu)建的有向覆蓋連通圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明提供的方法進(jìn)行判定的結(jié)果示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。有向傳感器網(wǎng)絡(luò)由具有信息采集、多跳通信和處理等功能的多個有向傳感器節(jié)點(Directional Node)、匯聚節(jié)點(Sink Node)和兩個虛擬邊界節(jié)點(VirtualBoundary Node)組成的，虛擬邊界節(jié)點是虛構(gòu)出來的兩個邊界節(jié)點分別用于描述左/右邊界。圖2是本發(fā)明提供的有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋判定方法流程圖，圖2中，向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋判定方法包括步驟1 隨機(jī)部署有向傳感器節(jié)點，有向傳感器節(jié)點通過廣播方式自組織構(gòu)成有向傳感器網(wǎng)絡(luò)。
圖3是本發(fā)明提供的有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)示意圖，圖3中，隨機(jī)部署的有向傳感器節(jié)點通過廣播方式自組織構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。每個有向傳感器節(jié)點通過GPS設(shè)備獲知位置信息，并對自身傳感方向可知可控。節(jié)點ID、位置和傳感方向等信息通過無線多跳通信方式上傳至充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)管理者的匯聚節(jié)點，并由匯聚節(jié)點生成網(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)鋱D。與傳統(tǒng)基于全向感知模型的傳感器節(jié)點不同，有向傳感器節(jié)點的感知能力受到方向性限制，即其感知范圍是一個以傳感器節(jié)點為圓心，與感知距離和感知視角相關(guān)的扇形區(qū)域。圖4是有向傳感器節(jié)點方向可調(diào)感知模型示意圖，圖4中，方向可調(diào)感知模型可以用一個四元組<戶，尺，^ >來表示。P = (X，y)表示有向傳感器節(jié)點的位置坐標(biāo)；R表示有
向傳感器節(jié)點的傳感半徑；單位向量P=ζ)為感知區(qū)域的中軸線，即有向傳感器節(jié)點
UUULU
的傳感方向Af卩&分別是單位向量卩在X軸和Y軸方向上的投影分量；α表示邊界距離
傳感向量 ■的傳感偏移角度，2 α表示感知視角(FOV)。有向傳感器節(jié)點的傳感能力可調(diào)可控，它有能力覆蓋到其傳感半徑內(nèi)的整個圓形區(qū)域。定義距離小于等于傳感半徑R的兩倍的一對有向傳感器節(jié)點互為鄰居節(jié)點，圖5 是有向傳感器節(jié)點和有向傳感器節(jié)點的鄰居節(jié)點示意圖，圖5中，對于互為鄰居的一對有向傳感器節(jié)點而言，通過傳感方向的調(diào)整彼此有可能形成傳感區(qū)域的重疊。步驟2 匯聚節(jié)點為每個有向傳感器節(jié)點生成虛擬節(jié)點。其過程具體是步驟21 匯聚節(jié)點分別根據(jù)左邊界與有向傳感器節(jié)點的位置關(guān)系以及右邊界與有向傳感器節(jié)點的位置關(guān)系，建立左邊界節(jié)點集Π ！和右邊界節(jié)點集Π匯聚節(jié)點根據(jù)左/右邊界與有向傳感器節(jié)點的位置關(guān)系，分別找到距離左/右邊界不超過傳感半徑R(即這些有向傳感器節(jié)點通過傳感方向調(diào)整有可能覆蓋到左或右邊界)的有向傳感器節(jié)點，并加入到左/右邊界節(jié)點集Π ！和Π圖6是確定有向傳感器網(wǎng)絡(luò)左/右邊界節(jié)點集的示意圖。圖6中，有三個有向傳感器節(jié)點Stl，S1, S2分別與左邊界距離小于等于傳感半徑R，因此，左邊界節(jié)點集Π ！ = {s0, S1, S2I。類似地，右邊界節(jié)點集Π r = {sn_i，sj。步驟22 匯聚節(jié)點判斷左邊界節(jié)點集Π ！和右邊界節(jié)點集Π r是否都不為空集時， 如果是，則執(zhí)行步驟23 ；否則，結(jié)束該過程；步驟21結(jié)束后，匯聚節(jié)點需要進(jìn)行判定當(dāng)TI1^ Φ和Π,興Φ同時滿足時，方執(zhí)行后續(xù)過程；否則，判定過程提前結(jié)束，可以直接判定有向傳感器網(wǎng)絡(luò)不滿足強(qiáng)柵欄覆蓋。步驟23 將每個有向傳感器節(jié)點的扇形感知區(qū)域擴(kuò)展為圓形感知區(qū)域。步驟24 有向傳感器節(jié)點的圓形感知區(qū)域與邊界相交形成邊界交點；有向傳感器節(jié)點的圓形感知區(qū)域與有向傳感器節(jié)點的鄰居節(jié)點的圓形感知區(qū)域相交形成鄰居交點。圖7是有向傳感器節(jié)點擴(kuò)展為完整的圓形感知區(qū)域后的關(guān)系示意圖。圖7所示的實例涵蓋了有向傳感器節(jié)點擴(kuò)展為完整的圓形感知區(qū)域后的四種基本位置關(guān)系，包括(Al)有向傳感器節(jié)點的圓形感知區(qū)域與邊界相交形成邊界交點。如圖7中有向傳感器節(jié)點Stl，S1, S2的圓形感知區(qū)域與邊界相交形成的邊界交點。(Α2)兩個距離小于等于傳感半徑R的有向傳感器節(jié)點(互為鄰居節(jié)點)的圓形感知區(qū)域相交形成的鄰居交點。如圖7中有向傳感器節(jié)點Stl和S1的圓形感知區(qū)域相交形成的鄰居交點，以及有向傳感器節(jié)點S1和S2的圓形感知區(qū)域相交形成的鄰居交點。(A3)兩個距離大于1倍傳感半徑R但小于等于2倍傳感半徑R的有向傳感器節(jié)點 (互為鄰居節(jié)點)的圓形感知區(qū)域相交形成的鄰居交點。如圖7中有向傳感器節(jié)點Stl和S2 的圓形感知區(qū)域相交形成的鄰居交點。(A4)孤島節(jié)點。如圖7中有向傳感器節(jié)點S3的圓形感知區(qū)域不與邊界相交，也不與其他有向傳感器節(jié)點的圓形感知區(qū)域相交。
步驟25 每個有向傳感器節(jié)點的扇形傳感區(qū)域繞自身旋轉(zhuǎn)掃視一周，當(dāng)遇到邊界交點、鄰居交點和其他有向傳感器節(jié)點時，就在該位置為該有向傳感器節(jié)點生成一個虛擬節(jié)點。圖7提供了有向傳感器節(jié)點擴(kuò)展為完整的圓形感知區(qū)域后的四種基本位置關(guān)系， 根據(jù)這四種基本位置關(guān)系，生成虛擬節(jié)點的具體過程分四種情況(Bi)如圖8(a)所示，當(dāng)有向傳感器節(jié)點的圓形感知區(qū)域與邊界相交形成邊界交點時，以有向傳感器節(jié)點Stl為例，用節(jié)點Stl的扇形感知區(qū)域從初始傳感方向出發(fā)，繞節(jié)點順時針旋轉(zhuǎn)掃視其圓周，一旦遇到與邊界的交點(A和B)時，就在該位置(A和B)為節(jié)點Stl生成一個虛擬節(jié)點。按虛擬節(jié)點生成的先后順序，分別命名為Vt 和V(ll。(B2)如圖8(b)所示，當(dāng)兩個距離小于等于傳感半徑R的有向傳感器節(jié)點(互為鄰居節(jié)點)的圓形感知區(qū)域相交形成鄰居交點時，以有向傳感器節(jié)點Stl和S1為例，有向傳感器節(jié)點Stl的扇形感知區(qū)域從初始傳感方向出發(fā)，繞StJ幌時針旋轉(zhuǎn)掃視其圓周。一旦遇到與S1的圓形感知區(qū)域相交形成的鄰居交點(C和D)時，以及遇到節(jié)點S1時，就在該位置(C 點、D點和S1點)為節(jié)點Stl生成一個虛擬節(jié)點。按虛擬節(jié)點生成的先后順序，分別命名為
V02，V03 禾口 V04°(B3)如圖8 (c)所示，當(dāng)兩個距離大于1倍傳感半徑R但小于等于2倍傳感半徑R 的有向傳感器節(jié)點的圓形感知區(qū)域相交形成鄰居交點時，以有向傳感器節(jié)點S0和S2為例， 用有向傳感器節(jié)點Stl的扇形感知區(qū)域從初始傳感方向出發(fā)，繞節(jié)點順時針旋轉(zhuǎn)掃視其圓周，一旦遇到與S2的圓形感知區(qū)域相交形成的鄰居交點(E和F)時，就在該位置(E和F)為有向傳感器節(jié)點Stl生成一個虛擬節(jié)點，按虛擬節(jié)點生成的先后順序，分別命名為Vtl5和Y060(B4)有向傳感器節(jié)點為孤島節(jié)點時，由于該節(jié)點的圓形感知區(qū)域不與邊界相交， 也不與其他有向傳感器節(jié)點的圓形感知區(qū)域相交，因此，孤島節(jié)點不能生成虛擬節(jié)點。通過上述方式生成的虛擬節(jié)點也是具有感知方向和感知區(qū)域的，其感知區(qū)域是以 R為傳感半徑、2 α為感知視角的扇形感知區(qū)域。從上述實例(Β1)-(Β4)可以看出一個有向傳感器節(jié)點有可能生成0個或者1個及以上虛擬節(jié)點。其中，生成0個虛擬節(jié)點就是孤島節(jié)點的情況。每個虛擬節(jié)點屬于且僅屬于一個真實的有向傳感器節(jié)點。假設(shè)一個有向傳感器網(wǎng)絡(luò)中有η個有向傳感器節(jié)點，根據(jù)上述方法，匯聚節(jié)點為這η個有向傳感器節(jié)點生成了 m個虛擬節(jié)點(一般地，η < m)。有向傳感器節(jié)點與邊界節(jié)點、鄰居節(jié)點位置關(guān)系的差異，會造成不同的有向傳感器節(jié)點生成的虛擬節(jié)點數(shù)目不同。例如圖8中所示，節(jié)點Stl生成V(1(1、
V01、V02、V03、V04、V05 和Vtl6共計7個虛擬節(jié)點；而節(jié)點S1則
生成8個虛擬節(jié)點，節(jié)點S2生成7個虛擬節(jié)點，節(jié)點S3生成0個虛擬節(jié)點。根據(jù)此方法，可以對網(wǎng)絡(luò)中的所有有向傳感器節(jié)點生成其虛擬節(jié)點。步驟3 匯聚節(jié)點根據(jù)生成的虛擬節(jié)點和兩個虛擬邊界節(jié)點，構(gòu)建有向覆蓋連通圖。所有有向傳感器節(jié)點生成虛擬節(jié)點后，匯聚節(jié)點根據(jù)生成的虛擬節(jié)點和兩個虛擬邊界節(jié)點，構(gòu)建有向覆蓋連通圖。其構(gòu)建過程是將生成的所有虛擬節(jié)點和兩個虛擬邊界節(jié)點構(gòu)成頂點集合，在頂點集合中，當(dāng)虛擬節(jié)點的感知區(qū)域覆蓋到左邊界/右邊界時，則在描述左邊界/右邊界的虛擬邊界節(jié)點與該虛擬節(jié)點之間建立一條邊；當(dāng)不屬于同一個有向傳感器節(jié)點的兩個虛擬節(jié)點的感知區(qū)域之間形成覆蓋重疊時，則在所述兩個虛擬節(jié)點之間建立一條邊。在本實施例中，構(gòu)建有向覆蓋連通圖分兩種情況(Cl)如圖8(a)所示，如果節(jié)點Stl，S1, S2的虛擬節(jié)點能覆蓋到左邊界，則在有向覆蓋連通圖G(v，e)中，在左虛擬邊界節(jié)點ζ與該虛擬節(jié)點之間建立一條邊。例如對％節(jié)點而言，如果虛擬節(jié)點Vtltl和Vtll的感知區(qū)域能覆蓋到左邊界，則在G(v，e)中，在(z，V00)和 (ζ, ν01)兩對頂點之間建立連線。從圖8(a)中可以看出，虛擬節(jié)點Vt 和Vtll都落在了左邊界，那么虛擬節(jié)點Vtltl和Vtll的感知區(qū)域必然能夠覆蓋左邊界，因此在有向覆蓋連通圖G(v， e)中，在(Z，VJ和(z，V(11)兩對頂點之間建立連線。類似地，如果虛擬節(jié)點sn_j“n的感知區(qū)域能覆蓋到右邊界，則在有向覆蓋連通圖G(v，e)中，在右虛擬邊界節(jié)點t與這些虛擬節(jié)點之間，分別建立一條邊。(C2)圖9是不屬于同一個有向傳感器節(jié)點的兩個虛擬節(jié)點的感知區(qū)域之間形成覆蓋重疊時的示意圖。圖9中，虛擬節(jié)點Vitl屬于有向傳感器節(jié)點Si (即Vitl由Si生成)，虛擬節(jié)點、和、屬于有向傳感器節(jié)點~。從圖9中看出，虛擬節(jié)點Vitl的感知區(qū)域分別與虛擬節(jié)點、和 的感知區(qū)域形成重疊覆蓋，則在有向覆蓋連通圖G(v，e)中，分別在(Vitl， vJ0)和(Vitl，Vjl)兩對節(jié)點之間建立連線。圖10是按照上述方式構(gòu)建的有向覆蓋連通圖G(v，e)。步驟4:匯聚節(jié)點遍歷有向覆蓋連通圖，如果找到一條從一個虛擬邊界節(jié)點到另一個虛擬邊界節(jié)點的連通路徑，則判定有向傳感器網(wǎng)絡(luò)滿足強(qiáng)柵欄覆蓋；否則，判定有向傳感器網(wǎng)絡(luò)不滿足強(qiáng)柵欄覆蓋。圖11是根據(jù)本發(fā)明提供的方法進(jìn)行判定的結(jié)果示意圖。圖11中，在判定階段，匯聚節(jié)點遍歷有向覆蓋連通圖G (v，e)，若能找到一條從ζ到t的連通路徑，則判定有向傳感器網(wǎng)絡(luò)滿足強(qiáng)柵欄覆蓋。需要格外指出的是屬于同一個有向傳感器節(jié)點的多個虛擬節(jié)點，最多也只有一個處于該連通路徑中。例如，對于節(jié)As1，它有k個虛擬節(jié)點，Vltl，vn，V12，…， Vlk，但Vli (i = 0，1，2，...，k)在構(gòu)成從ζ到t的連通路徑中只能出現(xiàn)一次。這是因為，對于一個有向傳感器節(jié)點而言，在某個具體時刻它能且只能處于一個虛擬節(jié)點的狀態(tài)。圖10中，找到一條從ζ到t的連通路徑P1 = {ζ- > S1- > S2- > S3- > s「> Sj- > sn_「> Sn- > t}(由于屬于同一個有向傳感器節(jié)點的虛擬節(jié)點在上述路徑中只能出現(xiàn)一次，因此在連通路徑Pl中，使用虛擬節(jié)點所屬的有向傳感器節(jié)點代替該虛擬節(jié)點)，其中連通路徑上面的各個有向傳感器節(jié)點根據(jù)其相對應(yīng)的虛擬節(jié)點重置其傳感方向，此時可判定該有向傳感器網(wǎng)絡(luò)滿足強(qiáng)柵欄覆蓋。另外，有可能找到兩條或更多條從ζ到t的連通路徑p2 = {ζ- > S2- > S4- > Sj- > sn_「> sn- > t}。由此可見構(gòu)成從ζ到t的連通路徑的虛擬節(jié)點以及虛擬節(jié)點數(shù)目均可以是不相同的，但因為這兩條連通路徑共用有向傳感器節(jié)點S2，S4, Sj, Slri和sn，因此只能選擇其中一種連通路徑的條件去重置相應(yīng)有向傳感器節(jié)點的傳感方向。否則，遍歷有向覆蓋連通圖G(V，e)無法找到一條從ζ到t的連通路徑， 我們則可以判定有向傳感器網(wǎng)絡(luò)不滿足強(qiáng)柵欄覆蓋。此時就需要部署額外的有向傳感器節(jié)點以最終實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)柵欄覆蓋。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明充分考慮了鄰居節(jié)點間的相對位置變化與形成網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋之間的聯(lián)系，采用有限離散的方法去解決一個無限連續(xù)問題，即通過定義有限數(shù)目的虛擬節(jié)點方法對問題進(jìn)行簡化和映射。同時，本發(fā)明又克服了現(xiàn)有判定方法假設(shè)簡單、 運(yùn)算量大等在實際應(yīng)用中的局限性。利用本發(fā)明提供的方法，可有效實現(xiàn)有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋的判定，通過調(diào)整有向傳感器節(jié)點的傳感方向來增強(qiáng)整個網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)柵欄覆蓋能力，為以有向感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的移動目標(biāo)穿越監(jiān)測提供良好的監(jiān)測性能。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋判定方法，有向傳感器網(wǎng)絡(luò)由有向傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和兩個虛擬邊界節(jié)點組成；其中，有向傳感器節(jié)點的感知區(qū)域是以R為傳感半徑， 2α為感知視角，感知視角的角平分線為中軸線的扇形感知區(qū)域，兩個虛擬邊界節(jié)點分別用于描述有向傳感器網(wǎng)絡(luò)的左邊界和右邊界，其特征是所述方法包括步驟1 隨機(jī)部署有向傳感器節(jié)點，有向傳感器節(jié)點通過廣播方式自組織構(gòu)成有向傳感器網(wǎng)絡(luò)；步驟2 匯聚節(jié)點為每個有向傳感器節(jié)點生成虛擬節(jié)點；所述虛擬節(jié)點的感知區(qū)域是以2α為感知視角，以R為傳感半徑的扇形區(qū)域；步驟3 匯聚節(jié)點根據(jù)生成的虛擬節(jié)點和兩個虛擬邊界節(jié)點，構(gòu)建有向覆蓋連通圖；步驟4 匯聚節(jié)點遍歷有向覆蓋連通圖，如果找到一條從一個虛擬邊界節(jié)點到另一個虛擬邊界節(jié)點的連通路徑，則判定有向傳感器網(wǎng)絡(luò)滿足強(qiáng)柵欄覆蓋；否則，判定有向傳感器網(wǎng)絡(luò)不滿足強(qiáng)柵欄覆蓋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋判定方法，其特征是所述匯聚節(jié)點為每個有向傳感器節(jié)點生成虛擬節(jié)點具體包括步驟21 匯聚節(jié)點分別根據(jù)左邊界和右邊界與有向傳感器節(jié)點的位置關(guān)系，建立左邊界節(jié)點集Π ！和右邊界節(jié)點集Π r ；步驟22 匯聚節(jié)點判斷左邊界節(jié)點集Π ！和右邊界節(jié)點集Π r是否都不為空集，如果是，則執(zhí)行步驟23 ；否則，結(jié)束該過程；步驟23 將每個有向傳感器節(jié)點的扇形感知區(qū)域擴(kuò)展為圓形感知區(qū)域；步驟M 有向傳感器節(jié)點的圓形感知區(qū)域與邊界相交形成邊界交點；有向傳感器節(jié)點的圓形感知區(qū)域與有向傳感器節(jié)點的鄰居節(jié)點的圓形感知區(qū)域相交形成鄰居交點；步驟25 每個有向傳感器節(jié)點的扇形傳感區(qū)域繞自身旋轉(zhuǎn)掃視一周，當(dāng)遇到邊界交點、鄰居交點或者其他有向傳感器節(jié)點時，就生成一個虛擬節(jié)點。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋判定方法，其特征是所述步驟21具體是匯聚節(jié)點找到距離左邊界不超過傳感半徑R的有向傳感器節(jié)點，并將其加入到左邊界節(jié)點集Π！中；并找到距離右邊界不超過傳感半徑R的有向傳感器節(jié)點，并將其加入到右邊界節(jié)點集TIr中。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋判定方法，其特征是所述有向傳感器節(jié)點的鄰居節(jié)點是指與所述有向傳感器節(jié)點的距離小于等于傳感半徑兩倍的另一個有向傳感器節(jié)點。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋判定方法，其特征是所述構(gòu)建有向覆蓋連通圖具體是，將生成的所有虛擬節(jié)點和兩個虛擬邊界節(jié)點構(gòu)成頂點集合，在頂點集合中，當(dāng)虛擬節(jié)點的感知區(qū)域覆蓋到左邊界/右邊界時，則在描述左邊界/右邊界的虛擬邊界節(jié)點與該虛擬節(jié)點之間建立一條邊；當(dāng)不屬于同一個有向傳感器節(jié)點的兩個虛擬節(jié)點的感知區(qū)域形成覆蓋重疊時，則在這兩個虛擬節(jié)點之間建立一條邊。
全文摘要
本發(fā)明公開了無線通信技術(shù)領(lǐng)域中的一種有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋判定方法，用以解決目前有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋的研究存在的問題。該方法包括隨機(jī)部署有向傳感器節(jié)點，有向傳感器節(jié)點通過廣播方式自組織構(gòu)成有向傳感器網(wǎng)絡(luò)；匯聚節(jié)點為每個有向傳感器節(jié)點生成虛擬節(jié)點；虛擬節(jié)點也具有感知方向和感知區(qū)域；匯聚節(jié)點根據(jù)生成的虛擬節(jié)點和兩個虛擬邊界節(jié)點，構(gòu)建有向覆蓋連通圖；匯聚節(jié)點遍歷有向覆蓋連通圖，并判定有向傳感器網(wǎng)絡(luò)是否滿足強(qiáng)柵欄覆蓋。本發(fā)明克服了現(xiàn)有判定方法假設(shè)簡單、運(yùn)算量大等在實際應(yīng)用中的局限性，有效實現(xiàn)了有向傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)柵欄覆蓋的判定。
文檔編號H04W84/18GK102158988SQ20111009340
公開日2011年8月17日 申請日期2011年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月14日
發(fā)明者陶丹 申請人:北京交通大學(xué)