本發(fā)明涉及目標(biāo)跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于分簇結(jié)構(gòu)減少能耗的目標(biāo)跟蹤算法。

背景技術(shù)：

傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用多種多樣，包括入侵者跟蹤、災(zāi)難救援和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)等，目標(biāo)跟蹤是這些應(yīng)用的基礎(chǔ)。例如，在對(duì)入侵者進(jìn)行跟蹤過(guò)程中，當(dāng)入侵者被某個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到時(shí)，通常網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將即時(shí)跟蹤目標(biāo)，并且即時(shí)將入侵者的實(shí)時(shí)位置發(fā)送到基站，以幫助用戶明確其當(dāng)前位置，從而安排己方人員進(jìn)行攔截。

網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不大時(shí)，目標(biāo)位置的匯報(bào)速度較快，但是在大型網(wǎng)絡(luò)中，信息傳輸可能的延時(shí)會(huì)導(dǎo)致位置信息準(zhǔn)確性下降，向基站實(shí)時(shí)匯報(bào)成為該領(lǐng)域一大難題。

近些年，也建立了各種跟蹤算法，其中有利用信息驅(qū)動(dòng)，以目標(biāo)的移動(dòng)過(guò)程為基礎(chǔ)，選擇出信息效用最大化的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，從而保證目標(biāo)跟蹤的能量有效性；有利用保持檢測(cè)目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目維持在較低水平，不斷隨著目標(biāo)的移動(dòng)剪掉遠(yuǎn)離目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)，加入靠近的節(jié)點(diǎn)等，這些算法大都考慮到了傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)能量有效的需求，并以此為著眼點(diǎn)進(jìn)行算法的設(shè)計(jì)，但是往往忽略了大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，向基站匯報(bào)目標(biāo)位置信息的實(shí)時(shí)性通常難以保證。

因此，有必要綜合以上需求，設(shè)計(jì)出面向大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)的高效的目標(biāo)跟蹤算法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了針對(duì)大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)跟蹤實(shí)時(shí)性的要求，利用簇結(jié)構(gòu)，提出了一種基于分簇結(jié)構(gòu)減少能耗的目標(biāo)跟蹤算法。

本發(fā)明旨在構(gòu)建一個(gè)基于分簇結(jié)構(gòu)減少能耗的目標(biāo)跟蹤算法，首先，采用簇的分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行激活進(jìn)而跟蹤目標(biāo)，該簇的分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括：把不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)劃分并歸為多個(gè)簇，各個(gè)簇均由一個(gè)簇頭以及數(shù)個(gè)成員節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)成員節(jié)點(diǎn)只能屬于一個(gè)簇；簇頭并不固定，采取周期輪換制度，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可能成為簇頭；把傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層，上層的骨干網(wǎng)均由簇頭構(gòu)成，處于相鄰的簇間的簇頭能夠與基站進(jìn)行通信，上層網(wǎng)絡(luò)與成員節(jié)點(diǎn)保持獨(dú)立；其次，在目標(biāo)的移動(dòng)過(guò)程中，位于監(jiān)控范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到目標(biāo)后匯報(bào)給簇頭，簇頭對(duì)目標(biāo)當(dāng)前位置信息進(jìn)行估計(jì)，對(duì)其可能的下一位置進(jìn)行預(yù)測(cè)并喚醒預(yù)測(cè)位置附近的節(jié)點(diǎn)，采用公式(1)～(9)預(yù)測(cè)目標(biāo)的位置，監(jiān)測(cè)目標(biāo)的到來(lái)，預(yù)測(cè)方式具體為：

zk＝hkxk+vk(1)

其中，zk即在k時(shí)刻檢測(cè)到的目標(biāo)位置的數(shù)值，hk指測(cè)量矩陣，vk表示在測(cè)量時(shí)的噪聲，如果滿足數(shù)值為0，方差是rk的高斯分布，

目標(biāo)的預(yù)測(cè)狀態(tài)如下：

預(yù)測(cè)方差矩陣如下：

卡爾曼增益為：

目標(biāo)狀態(tài)更新為：

xk+1|k+1＝xk+1|k+kk+1(zk+1-hkxk+1|k)(5)

此時(shí)的方差矩陣更新為：

pk+1|k+1＝(1-kk+1hk)pk+1|k(6)

給定與勻速移動(dòng)模型，觀測(cè)矩陣為：

其中(xk|k，yk|k)指目標(biāo)在k時(shí)刻的位置，是目標(biāo)在x方向和y方向上的移動(dòng)速度，目標(biāo)下一時(shí)刻的位置為：

令是指預(yù)測(cè)的目標(biāo)所處位置，當(dāng)前簇頭選擇對(duì)預(yù)測(cè)位置周邊的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行激活，激活半徑是rα，設(shè)定cj是當(dāng)前工作的簇，節(jié)點(diǎn)包含在當(dāng)前工作簇內(nèi)，而且處于激活區(qū)域范圍內(nèi)，才可以被喚醒，所以被激活節(jié)點(diǎn)的集合表示為：

最后，簇頭組成的上層網(wǎng)絡(luò)將目標(biāo)的位置信息實(shí)時(shí)傳遞給基站。

與相關(guān)技術(shù)相比，本發(fā)明提供的基于分簇結(jié)構(gòu)減少能耗的目標(biāo)跟蹤算法在目標(biāo)跟蹤過(guò)程由一個(gè)軟切換算法保證，其能量消耗低，且延時(shí)性低，適合節(jié)點(diǎn)密度較高的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的目標(biāo)跟蹤。

附圖說(shuō)明

圖1為三種算法定位誤差與節(jié)點(diǎn)密度關(guān)系圖；

圖2為三種算法節(jié)點(diǎn)能耗與節(jié)點(diǎn)密度關(guān)系圖；

圖3為三種算法節(jié)點(diǎn)密度與算法延時(shí)關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

以下詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。

實(shí)施例

本發(fā)明提供的一種基于分簇結(jié)構(gòu)減少能耗的目標(biāo)跟蹤算法，

首先，采用簇的分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行激活進(jìn)而跟蹤目標(biāo)，該簇的分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括：把不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)劃分并歸為多個(gè)簇，各個(gè)簇均由一個(gè)簇頭以及數(shù)個(gè)成員節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)成員節(jié)點(diǎn)只能屬于一個(gè)簇；簇頭并不固定，采取周期輪換制度，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可能成為簇頭；把傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層，上層的骨干網(wǎng)均由簇頭構(gòu)成，處于相鄰的簇間的簇頭能夠與基站進(jìn)行通信，上層網(wǎng)絡(luò)與成員節(jié)點(diǎn)保持獨(dú)立。簇頭不必與基站直接通信，而能夠通過(guò)其他簇頭為中繼，經(jīng)過(guò)多跳回到基站，有效降低了通信能耗；此外，通過(guò)簇頭多跳回到基站產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)顯著低于通過(guò)成員節(jié)點(diǎn)多調(diào)回至基站所引起的數(shù)據(jù)傳送延時(shí)。

建立上層骨干網(wǎng)時(shí)，建立對(duì)每一個(gè)簇頭維護(hù)的鄰居表，該鄰居表內(nèi)儲(chǔ)存有此簇頭周邊每個(gè)鄰居簇頭到基站的跳數(shù)。該鄰居表內(nèi)儲(chǔ)存的此簇頭自身至基站的跳數(shù)初始化成較大值。比如1000，基站則把跳數(shù)設(shè)置成0。具體為：基站利用廣播的形式將bbc包傳輸給網(wǎng)絡(luò)中的不同節(jié)點(diǎn)，當(dāng)某一個(gè)簇頭ci接收到鄰居節(jié)點(diǎn)cj傳送來(lái)的bbc包時(shí)，此簇頭ci會(huì)比較鄰居跳數(shù)與自身跳數(shù)的大小。以hopi和hopj分別代表簇頭ci和cj到基站的跳數(shù)，若hopi＞hopj+1，則簇頭ci更新自身跳數(shù)hopi＝hopj+1，與此同時(shí)把鄰居表內(nèi)cj的跳數(shù)修改成hopj，接著按照鄰居表把含有自身跳數(shù)的新的bbc包發(fā)送至全部鄰居簇頭；若hopi≤hopj+1，簇頭ci僅僅更新鄰居表中cj的跳數(shù)，而不向鄰居簇頭廣播新的bbc包。當(dāng)所有簇頭完成此過(guò)程之后，各個(gè)簇頭就獲取到了自身至基站的跳數(shù)信息以及鄰居至基站的跳數(shù)信息，利用此信息，簇頭可以選擇最短路徑快速傳遞數(shù)據(jù)到基站。

但是這種結(jié)構(gòu)有可能會(huì)使簇頭每次均選用相同的路徑進(jìn)行傳送數(shù)據(jù)信息，導(dǎo)致此路徑之上的簇頭能量耗散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于其他路徑上的簇頭，甚至造成負(fù)載不均衡。為了解決這一問(wèn)題，盡可能延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，路徑選擇不僅要考慮跳數(shù)，還要同時(shí)考慮剩余能量。簇頭同樣應(yīng)該定時(shí)把自身當(dāng)前具有的剩余能量傳輸?shù)剿朽従哟仡^，在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，全面考慮跳數(shù)與剩余能耗量作為選擇的參考指標(biāo)，計(jì)算出所有鄰居節(jié)點(diǎn)中二者綜合值最優(yōu)的作為下一個(gè)跳節(jié)點(diǎn)。

通常情況下，節(jié)點(diǎn)并不會(huì)一直處在工作的狀態(tài)，一般會(huì)在休眠狀態(tài)中不斷進(jìn)行周期蘇醒。在目標(biāo)的移動(dòng)過(guò)程中，位于監(jiān)控范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到目標(biāo)后匯報(bào)給簇頭，簇頭對(duì)目標(biāo)當(dāng)前位置信息進(jìn)行估計(jì)，對(duì)其可能的下一位置進(jìn)行預(yù)測(cè)并喚醒預(yù)測(cè)位置附近的節(jié)點(diǎn)，采用公式(1)～(9)預(yù)測(cè)目標(biāo)的位置，監(jiān)測(cè)目標(biāo)的到來(lái)，預(yù)測(cè)方式具體為：

zk＝hkxk+vk(1)

其中，zk即在k時(shí)刻檢測(cè)到的目標(biāo)位置的數(shù)值，hk指測(cè)量矩陣，vk表示在測(cè)量時(shí)的噪聲，如果滿足數(shù)值為0，方差是rk的高斯分布，

目標(biāo)的預(yù)測(cè)狀態(tài)如下：

預(yù)測(cè)方差矩陣如下：

卡爾曼增益為：

目標(biāo)狀態(tài)更新為：

xk+1|k+1＝xk+1|k+kk+1(zk+1-hkxk+1|k)(5)

此時(shí)的方差矩陣更新為：

pk+1|k+1＝(1-kk+1hk)pk+1|k(6)

給定與勻速移動(dòng)模型，觀測(cè)矩陣為：

其中(xk|k，yk|k)指目標(biāo)在k時(shí)刻的位置，是目標(biāo)在x方向和y方向上的移動(dòng)速度，目標(biāo)下一時(shí)刻的位置為：

令是指預(yù)測(cè)的目標(biāo)所處位置，當(dāng)前簇頭選擇對(duì)預(yù)測(cè)位置周邊的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行激活，激活半徑是rα，設(shè)定cj是當(dāng)前工作的簇，節(jié)點(diǎn)包含在當(dāng)前工作簇內(nèi)，而且處于激活區(qū)域范圍內(nèi)，才可以被喚醒，所以被激活節(jié)點(diǎn)的集合表示為：

最后，簇頭組成的上層網(wǎng)絡(luò)將目標(biāo)的位置信息實(shí)時(shí)傳遞給基站。

假定傳感器網(wǎng)絡(luò)可抽象為二維區(qū)域模型，而節(jié)點(diǎn)的部署隨機(jī)性符合泊松點(diǎn)過(guò)程(密度為λ)，給定區(qū)域面積設(shè)為a，那么區(qū)域中有κ個(gè)節(jié)點(diǎn)的概率可由下列公式計(jì)算：

公式中，n(a)指相應(yīng)區(qū)域內(nèi)包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

同一傳感器網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的不同可將其劃分成各種通信等級(jí)，這些通信等級(jí)與通信距離相對(duì)應(yīng)。級(jí)別與距離成正比。若某節(jié)點(diǎn)為簇頭，則工作等級(jí)較高，顯然相應(yīng)的通信距離則越遠(yuǎn)。

對(duì)比例

將本申請(qǐng)文件的算法(ecsl算法)和dctc算法和adct算法進(jìn)行對(duì)比，仿真環(huán)境按照如下參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：傳感器的節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)置成200，此些傳感器節(jié)點(diǎn)在100m×100m的區(qū)域范圍中進(jìn)行隨機(jī)分布，所有傳感器節(jié)點(diǎn)具有的感知范圍均設(shè)定為半徑大小是10m的圓形區(qū)域，通信的距離是20m，激活距離則為20m。此外，控制包的數(shù)值是10字節(jié)，數(shù)據(jù)包的數(shù)值是40字節(jié)。利用leach協(xié)議建立組簇算法并且對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)劃分，所有簇均由一個(gè)簇頭以及數(shù)個(gè)成員節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)成。

請(qǐng)參閱圖1為三種算法定位誤差與節(jié)點(diǎn)密度關(guān)系圖。三種算法的定位誤差都隨著節(jié)點(diǎn)密度的增大而逐步減小。這是質(zhì)心定位的計(jì)算方法決定的，節(jié)點(diǎn)密度增大影響了目標(biāo)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，數(shù)目越多，定位越準(zhǔn)確。ecsl算法相對(duì)誤差數(shù)值較大，這是由于利用ecsl算法的過(guò)程中，激活的節(jié)點(diǎn)數(shù)量所受到簇的影響程度較低，導(dǎo)致誤差較大。

請(qǐng)參閱圖2為三種算法節(jié)點(diǎn)能耗與節(jié)點(diǎn)密度關(guān)系圖。三種算法的能耗隨著節(jié)點(diǎn)密度的增大而增大。ecsl算法的能量消耗在三種算法中最低，而dctc算法的能量消耗最高。原因是ecsl算法無(wú)需創(chuàng)建和解散簇，相較adct算法能耗更小；dctc算法沒(méi)有使用簇結(jié)構(gòu)，而是使用樹(shù)結(jié)構(gòu)，維護(hù)動(dòng)態(tài)樹(shù)需要消耗更多能量。此外，當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)時(shí)，ecsl算法能量消耗的上升速度將低于其余兩種算法。

請(qǐng)參閱圖3為三種算法節(jié)點(diǎn)密度與算法延時(shí)關(guān)系圖。節(jié)點(diǎn)密度對(duì)算法的延時(shí)影響可以忽略不計(jì)。ecsl算法的延時(shí)相對(duì)其他兩種算法更小，因?yàn)閿?shù)據(jù)能夠通過(guò)簇頭構(gòu)建的上層網(wǎng)絡(luò)及時(shí)地傳輸至基站。

由以上對(duì)比得出，這三個(gè)算法遵循一個(gè)相同的規(guī)律，即節(jié)點(diǎn)密度越大，那么定位誤差就會(huì)降低，同時(shí)能量消耗會(huì)上升，而延時(shí)則總體上不會(huì)受到節(jié)點(diǎn)密度的影響。三種算法中，ecsl算法在能量消耗與延時(shí)性能方面則要顯著好于其余兩類算法。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其它相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。