一種二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的優(yōu)化方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著微電子技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)技術(shù)的不斷進(jìn)展，作為信息獲取最基本和 最重要的技術(shù)一一傳感器技術(shù)，也得到了長(zhǎng)足發(fā)展。傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi) 大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察 者。傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能是衡量傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，直接影響著整個(gè) 網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題的研宄大部分基于傳統(tǒng)的全向感知模型，而且已 經(jīng)積累了較為豐富的成果。近年來(lái)，隨著圖像/視頻、紅外、超聲波等有向性傳感器的廣泛 應(yīng)用，有向傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋問(wèn)題得到了越來(lái)越多的關(guān)注并發(fā)展成為業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。
[0003] 在實(shí)際中，傳感網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能會(huì)受到多種因素的影響，例如，由于很多應(yīng)用環(huán)境 較為復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)的初始部署大都采用拋灑、投擲、噴射等隨機(jī)部署策略，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的 分布具有很大的隨機(jī)性，易造成節(jié)點(diǎn)分布不均；再加上有向傳感節(jié)點(diǎn)的感知方向隨機(jī)分布， 感知范圍有限，這樣就更加容易形成感知區(qū)域的覆蓋空洞和覆蓋重疊，這些都會(huì)影響網(wǎng)絡(luò) 的覆蓋性能；另外，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多的情況下，網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能的影響因素多且關(guān)系復(fù) 雜，難以優(yōu)化。
[0004] 因此，研宄隨機(jī)部署情況下有向傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)有向傳感器網(wǎng) 絡(luò)覆蓋的優(yōu)化對(duì)于提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)性能、改善監(jiān)測(cè)質(zhì)量具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了提高現(xiàn)有的二維有向性傳感網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率，本發(fā)明提供一種二維有向性傳感 器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的優(yōu)化方法，該方法通過(guò)調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)的感知方向使網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控區(qū)域能夠以較 大概率被覆蓋，從而得到有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)近優(yōu)的覆蓋，優(yōu)化效率高，易于實(shí)現(xiàn)。
[0006] 本發(fā)明提供一種二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的優(yōu)化方法，包括步驟：
[0007] Sl :初始化二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合所述二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)中各傳感器 節(jié)點(diǎn)的位置、感知半徑、扇形感知方位角度、感知扇形張角計(jì)算所述二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò) 的初始覆蓋率；
[0008] S2 :令迭代次數(shù)N = 1 ;
[0009] S3:為所述二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置一隨機(jī)擾動(dòng)角 度，并將各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)擾動(dòng)角度組成第N次迭代的擾動(dòng)角度向量△ Θ = (Λ Θ i，Λ Θ 2, . . .，Λ θ ρ) ; Λ Θ 當(dāng)前第i個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)擾動(dòng)角度，p為所述 二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；
[0010] S4 :根據(jù)當(dāng)前各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)擾動(dòng)角度對(duì)各傳感器節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前扇形感知 方位角度進(jìn)行正反兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)，獲取當(dāng)前二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)所述第N次迭代 的擾動(dòng)角度向量在正、反兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向上的第N次迭代的覆蓋率y+、y、
[0011] S5 :根據(jù)第N次迭代的擾動(dòng)角度向量Λ θ、第N次迭代的覆蓋率y+、ylP相關(guān)參數(shù) 計(jì)算當(dāng)前各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)覆蓋率函數(shù)的近似梯度值；
[0012] S6:根據(jù)當(dāng)前各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)覆蓋率函數(shù)的近似梯度值更新各傳感器節(jié)點(diǎn)的扇 形感知方位角度，并判斷N是否等于預(yù)先設(shè)定的迭代次數(shù)K，若是，則輸出當(dāng)前更新后的各 傳感器節(jié)點(diǎn)的扇形感知方位角度并結(jié)束流程，否則，令N = N+1，將當(dāng)前更新后的各傳感器 節(jié)點(diǎn)的扇形感知方位角度作為下次角度旋轉(zhuǎn)的基準(zhǔn)，并返回執(zhí)行S3。
[0013] 其中，S6中所述根據(jù)當(dāng)前各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)覆蓋率函數(shù)的近似梯度值更新各傳感 器節(jié)點(diǎn)的扇形感知方位角度之后，判斷N是否等于預(yù)先設(shè)定的迭代次數(shù)K之前，還包括步 驟：
[0014] 判斷當(dāng)前各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)覆蓋率函數(shù)的近似梯度值的絕對(duì)值是否小于等于預(yù) 先設(shè)定的正數(shù)ε，若是，則輸出當(dāng)前各傳感器節(jié)點(diǎn)的扇形感知方位角度并結(jié)束流程，否則， 再判斷N是否等于預(yù)先設(shè)定的迭代次數(shù)Κ。
[0015] 其中，所述S3之前，還包括步驟：預(yù)先設(shè)定迭代次數(shù)K和第N次迭代的擾動(dòng)參數(shù)；
[0016] 所述S4包括：在第N次迭代中，將各傳感器節(jié)點(diǎn)以其當(dāng)前扇形感知方位角度為基 準(zhǔn)，根據(jù)第N次迭代的擾動(dòng)參數(shù)以及當(dāng)前各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)擾動(dòng)角度將各傳感器節(jié) 點(diǎn)往其基準(zhǔn)方位正、反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，分別計(jì)算當(dāng)前二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方 向下的覆蓋率，得到第N次迭代的覆蓋率y+、y'
[0017] 其中，所述SI還包括：預(yù)先設(shè)定當(dāng)前二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域的面 積；
[0018] S4中所述分別計(jì)算當(dāng)前二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向下的覆蓋率的方 法為：首先分別計(jì)算根據(jù)所述第N次迭代的擾動(dòng)角度向量，在基準(zhǔn)方位的正、反兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方 向下當(dāng)前二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)的扇形感知覆蓋區(qū)域面積；然后對(duì)于每個(gè)旋轉(zhuǎn) 方向，將預(yù)先設(shè)定的當(dāng)前二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域內(nèi)的該旋轉(zhuǎn)方向下、當(dāng)前 二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)的扇形感知區(qū)域并集的總面積和所述預(yù)先設(shè)定的當(dāng)前 二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署區(qū)域面積的比值作為在該旋轉(zhuǎn)方向下當(dāng)前二維有向性傳感 器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率。
[0019] 其中，所述第N次迭代的擾動(dòng)參數(shù)Cn根據(jù)以下公式計(jì)算：
[0020]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的優(yōu)化方法，其特征在于，包括步驟： 51 ;初始化二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合所述二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點(diǎn) 的位置、感知半徑、扇形感知方位角度、感知扇形張角計(jì)算所述二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)的初 始覆蓋率； 52 ;令迭代次數(shù)N= 1 ; 53 ;為所述二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置一隨機(jī)擾動(dòng)角度， 并將各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)擾動(dòng)角度組成第N次迭代的擾動(dòng)角度向量A0 = (A0 1，A0 2,...，A0P) ;A0i為當(dāng)前第i個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)擾動(dòng)角度，P為所述 二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)； S4;根據(jù)當(dāng)前各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)擾動(dòng)角度對(duì)各傳感器節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前扇形感知方位 角度進(jìn)行正反兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)，獲取當(dāng)前二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)所述第N次迭代的擾 動(dòng)角度向量在正、反兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向上的第N次迭代的覆蓋率y\y-; S5 ;根據(jù)第N次迭代的擾動(dòng)角度向量A0、第N次迭代的覆蓋率相關(guān)參數(shù)計(jì)算 當(dāng)前各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)覆蓋率函數(shù)的近似梯度值； S6;根據(jù)當(dāng)前各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)覆蓋率函數(shù)的近似梯度值更新各傳感器節(jié)點(diǎn)的扇形感 知方位角度，并判斷N是否等于預(yù)先設(shè)定的迭代次數(shù)K，若是，則輸出當(dāng)前更新后的各傳感 器節(jié)點(diǎn)的扇形感知方位角度并結(jié)束流程，否則，令N=化1，將當(dāng)前更新后的各傳感器節(jié)點(diǎn) 的扇形感知方位角度作為下次角度旋轉(zhuǎn)的基準(zhǔn)，并返回執(zhí)行S3。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的優(yōu)化方法，其特征在于，S6 中所述根據(jù)當(dāng)前各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)覆蓋率函數(shù)的近似梯度值更新各傳感器節(jié)點(diǎn)的扇形感 知方位角度之后，判斷N是否等于預(yù)先設(shè)定的迭代次數(shù)K之前，還包括步驟： 判斷當(dāng)前各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)覆蓋率函數(shù)的近似梯度值的絕對(duì)值是否小于等于預(yù)先設(shè) 定的正數(shù)e，若是，則輸出當(dāng)前各傳感器節(jié)點(diǎn)的扇形感知方位角度并結(jié)束流程，否則，再判 斷N是否等于預(yù)先設(shè)定的迭代次數(shù)K。
3. 如權(quán)利要求1所述的二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的優(yōu)化方法，其特征在于，所述S3 之前，還包括步驟：預(yù)先設(shè)定迭代次數(shù)K和第N次迭代的擾動(dòng)參數(shù)； 所述S4包括；在第N次迭代中，將各傳感器節(jié)點(diǎn)W其當(dāng)前扇形感知方位角度為基準(zhǔn)，根 據(jù)第N次迭代的擾動(dòng)參數(shù)W及當(dāng)前各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)擾動(dòng)角度將各傳感器節(jié)點(diǎn)往 其基準(zhǔn)方位正、反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，分別計(jì)算當(dāng)前二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向下 的覆蓋率，得到第N次迭代的覆蓋率y\y-。
4. 如權(quán)利要求3所述的二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的優(yōu)化方法，其特征在于，所述SI 還包括；預(yù)先設(shè)定當(dāng)前二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域的面積； S4中所述分別計(jì)算當(dāng)前二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向下的覆蓋率的方法為： 首先分別計(jì)算根據(jù)所述第N次迭代的擾動(dòng)角度向量，在基準(zhǔn)方位的正、反兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向下 當(dāng)前二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)的扇形感知覆蓋區(qū)域面積；然后對(duì)于每個(gè)旋轉(zhuǎn)方 向，將預(yù)先設(shè)定的當(dāng)前二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域內(nèi)的該旋轉(zhuǎn)方向下、當(dāng)前二 維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)的扇形感知區(qū)域并集的總面積和所述預(yù)先設(shè)定的當(dāng)前二 維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署區(qū)域面積的比值作為在該旋轉(zhuǎn)方向下當(dāng)前二維有向性傳感器 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率。
5. 如權(quán)利要求3所述的二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的優(yōu)化方法，其特征在于，所述第N 次迭代的擾動(dòng)參數(shù)C。根據(jù)W下公式計(jì)算：
其中，N為當(dāng)前迭代次數(shù)，所述C，丫選取經(jīng)驗(yàn)值。
6. 如權(quán)利要求3所述的二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的優(yōu)化方法，其特征在于，S5中所 述當(dāng)前各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)覆蓋率函數(shù)的近似梯度值的計(jì)算方法為：
其中，g"(e1)為第i個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)覆蓋率函數(shù)的近似梯度值；分別表示當(dāng)前 二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)在當(dāng)前擾動(dòng)角度向量正反兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向上的第N次迭代的覆蓋率， 0i為第N次迭代的第i個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的扇形感知方位、A0i為第N次迭代的第i個(gè)傳感 器節(jié)點(diǎn)的感知扇形的擾動(dòng)角度向量，C。為第N次迭代的擾動(dòng)參數(shù)。
7. 如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的優(yōu)化方法，其特征在 于，所述步驟S6之前，還包括步驟：預(yù)先設(shè)定第N次迭代的增益參數(shù)； S6中所述根據(jù)當(dāng)前各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)覆蓋率函數(shù)的近似梯度值更新各傳感器節(jié)點(diǎn)的 扇形感知方位角度的方法為采用W下公式更新： 日i=目i'+a。?gn(日i) 其中，g"(ei)為第i個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)覆蓋率函數(shù)的近似梯度值，0 為第N次迭代 時(shí)第i個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的初始扇形感知方位角度，ei為第N次迭代后更新完成的第i個(gè)傳感 器節(jié)點(diǎn)的扇形感知方位角度，a。為第N次迭代的增益參數(shù)，。
8. 如權(quán)利要求7所述的二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的優(yōu)化方法，其特征在于，所述增 益參數(shù)根據(jù)W下公式計(jì)算：
其中，N為當(dāng)前迭代次數(shù)，所述A，a選取經(jīng)驗(yàn)值。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的優(yōu)化方法，屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域。所述方法包括：S1：初始化傳感器網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合節(jié)點(diǎn)的初始位置、感知半徑、扇形感知方位角度、感知扇形張角等計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的初始覆蓋率；S2：迭代次數(shù)N＝1；S3：為各傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置一隨機(jī)擾動(dòng)角度得到第N次迭代的擾動(dòng)角度向量；S4：獲取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)在所述隨機(jī)擾動(dòng)角度向量的正反兩個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)得到的第N次迭代的覆蓋率；S5：根據(jù)第N次迭代的擾動(dòng)角度向量和覆蓋率計(jì)算當(dāng)前各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)覆蓋率函數(shù)的近似梯度值；S6：更新各傳感器節(jié)點(diǎn)感知方位角度，并在N等于預(yù)先設(shè)定的迭代次數(shù)K時(shí)結(jié)束流程，否則，N＝N+1并返回執(zhí)行S3。該方法能夠得到二維有向性傳感器網(wǎng)絡(luò)的各傳感器節(jié)點(diǎn)近優(yōu)的旋轉(zhuǎn)角度，優(yōu)化效率高。
【IPC分類】H04W16-18, H04W16-30
【公開號(hào)】CN104796915
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510233083
【發(fā)明人】隆克平, 張燕, 皇甫偉, 張中山
【申請(qǐng)人】北京科技大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年5月8日