CN102291724A - 面向三维场景的无线传感器网络节点确定性部署方法 - Google Patents

面向三维场景的无线传感器网络节点确定性部署方法 Download PDF

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CN102291724A CN201110197068XA CN201110197068A CN102291724A CN 102291724 A CN102291724 A CN 102291724A CN 201110197068X A CN201110197068X A CN 201110197068XA CN 201110197068 A CN201110197068 A CN 201110197068A CN 102291724 A CN102291724 A CN 102291724A
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肖甫
杨阳
孙力娟
王汝传
叶晓国
邹志强
刘林峰
李鹏
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Abstract

无线传感网节点的确定性部署方法是一种面向三维场景的无线传感器网络的覆盖解决方案。主要用于解决无线传感网节点的部署问题，属于无线传感器网络的三维覆盖技术领域。它应具有如下特征：本方法基于三维场景设计，首先构造一种基于长方体结构的最佳覆盖模型，在此基础上对网络区域进行三维网格有限剖分后按照最佳覆盖模型进行节点的部署，在保证无线传感网络覆盖率的同时，相比于传统随机均匀部署方法，本发明有效减少了所需的传感器节点数目。

Description

面向三维场景的无线传感器网络节点确定性部署方法
技术领域
本发明是一种面向三维场景的无线传感器网络的覆盖解决方案。主要用于解决无线传感网节点的部署问题，属于无线传感器网络的三维覆盖技术领域。
背景技术
随着无线通信和嵌入式计算技术、传感器技术、微机电技术的发展，无线传感器网络作为一种新兴的信息获取技术在军事、环境监测、医疗卫生、智能家庭等方面展示出较大的应用前景，尤其在无人监测或环境恶劣情况下的场景监测和事件跟踪中显示出巨大的优势。节点的部署反映了无线传感器网络的成本和性能。合理的部署策略能使WSN的资源得到优化分配，进而增强传感器网络的感知质量，降低成本。覆盖问题反映了传感器网络节点对指定监控区域的监控程度，是衡量部署效果的一项主要指标。
按照节点部署方法的不同，WSN通常分为随机部署和确定性部署。随机节点覆盖是指在WSN中传感器节点随机分布且预先不知道节点位置的条件下，网络完成对监测区域的覆盖任务。确定性部署的特点是在监测区域的大小和特性已知的环境中，计算所有传感器节点的精确位置，逐一放置传感器节点，以保证使用最少数目来获得连通性或覆盖性的最优。该种部署方案一般是先划分网络格点，再进行传感器节点部署。
目前，节点部署主要集中于理想的二维平面而开展的，包括基于规则多边形的最优部署模型。事实上，布撒的传感器节点均处于现实的三维物理世界中，无论传感器节点本身的感知模型以及对应感知场景均为三维结构。传统简化的二维感知模型及其对应覆盖控制算法很难直接应用于现实三维物理环境中。随着研究的深入和实际应用需求的不断扩展，三维传感器网络受到越来越多的重视，如以三维网络为背景的水声传感器网络和大气监测传感器网络。尤其是近年来水下传感器网络研究的兴起，研究者开始思考与现实物理世界更为贴近的传感器节点的三维感知模型及其对应部署方法。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种无线传感器网络中的节点确定性部署方法，本方法在确保三维场景覆盖率的同时，有效减少了传感器节点数目。
技术方案：本发明的方法是一种策略性的方法，在分析常用规则多面体模型在三维空间覆盖的基础上，提出了一种基于长方体结构的覆盖模型，在此基础上理论推导出覆盖模型和节点传感半径之间的定量关系，更进一步基于该定量关系计算网络区域保持充分覆盖所需的最少节点数，最后对网络区域进行三维网格有限剖分后按照覆盖模型进行节点的部署。
方法流程：
1.覆盖模型设计方案
图1给出了一个我们设计的覆盖模型                                                
Figure 456590DEST_PATH_IMAGE001
，下面我们给出几个具体的说明：
⑴ 模型描述
其中，四面体
Figure 832208DEST_PATH_IMAGE002
是一个长、宽、高分别为X、Y、Z的长方体；平面EFGH位于长方体
Figure 203890DEST_PATH_IMAGE002
的正中间，即与底面ABCD平行，并位于
Figure 348563DEST_PATH_IMAGE003
的高度，点I是平面EFGH的中心；节点部署为分别在点E、F、G、H、I五个位置各放置一个传感器节点。
⑵ 覆盖模型的全覆盖
覆盖模型
Figure 574194DEST_PATH_IMAGE001
的全覆盖：如果传感器节点的传感半径均为r，长方体
Figure 736185DEST_PATH_IMAGE002
中的任意一个点至少被E、F、G、H、I处的任一个节点的传感范围所覆盖到，则称覆盖模型
Figure 751677DEST_PATH_IMAGE001
全覆盖。
⑶ 覆盖密度
覆盖密度：覆盖模型
Figure 973711DEST_PATH_IMAGE001
的覆盖密度等于传感半径为r的五个传感器节点的传感总范围空间与长方体
Figure 307609DEST_PATH_IMAGE002
的体积之比，记为
Figure 273291DEST_PATH_IMAGE004
，且有下式成立：
Figure 146219DEST_PATH_IMAGE005
⑷ 最优的覆盖模型
最优的覆盖模型
Figure 625928DEST_PATH_IMAGE006
：给定节点的传感半径r，在所有满足全覆盖的覆盖模型下，覆盖密度
Figure 129721DEST_PATH_IMAGE004
最小对应的覆盖模型称为最优覆盖模型
Figure 165810DEST_PATH_IMAGE006
。
根据说明⑷，求解最优覆盖模型可看做求解长方体
Figure 480379DEST_PATH_IMAGE002
的最大体积V，设长方体的长宽高分别为
Figure 539602DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 96354DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 190212DEST_PATH_IMAGE009
，则：
Figure 672753DEST_PATH_IMAGE010
                                         （1）
求解 
Figure 219272DEST_PATH_IMAGE011
可以看成一个覆盖约束条件下的非线性优化问题。长方体中，所有与平面EFGH平行的平面中，平面ABCD和平面A’B’C’D’是最难被覆盖到的，因为传感器节点在这个平面上的感知范围最小。若平面ABCD和平面A’B’C’D’被完全覆盖，则覆盖模型中所有与平面EFGH平行的平面都能被完全覆盖。根据几何对称性，我们可以把三维长方体的全覆盖映射到二维长方形ABCD的全覆盖。设传感器节点的感知半径为
Figure 314136DEST_PATH_IMAGE012
，则节点在平面ABCD的感知范围是一个圆形区域，设该区域的半径为半径为
Figure 262500DEST_PATH_IMAGE013
，有：
Figure 230456DEST_PATH_IMAGE014
长方形ABCD全覆盖的最佳情况对应为覆盖模型中5个传感器节点在长方形ABCD上相交的感知范围最小。根据长度x,宽度y与传感半径
Figure 15004DEST_PATH_IMAGE013
之间的关系，可分成以下三种情况：
ⅰ) x>2,y>2
实现空间的全覆盖要满足以下条件：
Figure 58549DEST_PATH_IMAGE015
ⅱ) x>
Figure 79462DEST_PATH_IMAGE016
,y
Figure 532440DEST_PATH_IMAGE017
实现空间的全覆盖要满足以下条件：
ⅲ) x
Figure 952106DEST_PATH_IMAGE017
,y
Figure 757251DEST_PATH_IMAGE017
实现空间的全覆盖要满足以下条件：
Figure 499073DEST_PATH_IMAGE019
通过分析三种情况下的满足覆盖条件，我们得到最佳模型
Figure 276536DEST_PATH_IMAGE006
的大小：
Figure 944147DEST_PATH_IMAGE020
,
Figure 439850DEST_PATH_IMAGE021
,
Figure 716854DEST_PATH_IMAGE022
。
节点部署设计方案
因为最优覆盖模型
Figure 614403DEST_PATH_IMAGE006
是一个长方体，由于长方体具有空间剖分性，因此通过对实际环境进行三维剖分成若干个最优覆盖模型
Figure 452915DEST_PATH_IMAGE006
，即可实现对实际场景的全覆盖。为便于分析忽略实际环境中边界不规整的区域。设实际环境为一个长为
Figure 170335DEST_PATH_IMAGE023
，宽为
Figure 253960DEST_PATH_IMAGE024
，高为
Figure 6015DEST_PATH_IMAGE025
的长方体三维空间。
我们按照最优覆盖模型
Figure 15428DEST_PATH_IMAGE006
的结构大小，将长方体三维空间剖分成若干个长、宽为
Figure 282462DEST_PATH_IMAGE026
，高为的小长方体。每个小长方体视作一个最优覆盖模型，传感器节点按上文所述布置在
Figure 710316DEST_PATH_IMAGE006
中，即可实现对三维场景的全覆盖。对于传感半径为
Figure 651596DEST_PATH_IMAGE012
的节点，对应所需的节点数N为：
下面是传感器节点的部署方法，包括以下步骤：
步骤1. 在三维空间的底面选择一个顶点作为坐标原点。
步骤2. 从原点开始沿x轴（长度方向）每隔
Figure 115255DEST_PATH_IMAGE026
长度放置一个节点，直至到边界，并在空间的边界处放置一个节点。
步骤3. 对x轴方向上的每个节点沿y轴（宽度方向）每隔
Figure 967936DEST_PATH_IMAGE026
长度放置一个节点，直至到边界，并在边界处放置一个节点。
步骤4. 对底面的所有节点沿z轴（高度方向）每隔
Figure 147245DEST_PATH_IMAGE027
长度放置一个节点，直至到边界，并在边界处放置一个节点。
有益效果：本方法基于三维场景设计，首先构造一种基于长方体结构的最佳覆盖模型，在此基础上对网络区域进行三维网格有限剖分后按照覆盖模型进行节点的部署，在保证无线传感网络覆盖率的同时，相比于传统随机均匀部署方法，本方法有效减少了所需的传感器节点数目。
附图说明
图1是本方法提出的覆盖模型。
图2是节点部署示意图。
具体实施方式
本方法提出的节点部署具体实施的时候分为两个部分：一部分是最佳覆盖模型的设计，另一部分是按照覆盖模型对实际空间进行三维剖分并进行节点部署。
一. 最佳覆盖模型的设计
图1给出了一个我们设计的覆盖模型，下面我们给出几个具体的说明：
⑴ 模型描述
其中，四面体
Figure 252790DEST_PATH_IMAGE002
是一个长、宽、高分别为X、Y、Z的长方体；平面EFGH位于长方体
Figure 791218DEST_PATH_IMAGE002
的正中间，即与底面ABCD平行，并位于
Figure 254561DEST_PATH_IMAGE003
的高度，点I是平面EFGH的中心；节点部署为分别在点E、F、G、H、I五个位置各放置一个传感器节点。
⑵ 覆盖模型
Figure 284440DEST_PATH_IMAGE001
的全覆盖
覆盖模型的全覆盖：如果传感器节点的传感半径均为r，长方体
Figure 413119DEST_PATH_IMAGE002
中的任意一个点至少被E、F、G、H、I处的任一个节点的传感范围所覆盖到，则称覆盖模型
Figure 363758DEST_PATH_IMAGE001
全覆盖。
⑶ 覆盖密度
覆盖密度：覆盖模型
Figure 183946DEST_PATH_IMAGE001
的覆盖密度等于传感半径为r的五个传感器节点的传感总范围空间与长方体
Figure 224846DEST_PATH_IMAGE002
的体积之比，记为
Figure 105077DEST_PATH_IMAGE004
，且有下式成立：
Figure 543011DEST_PATH_IMAGE005
⑷ 最优的覆盖模型
最优的覆盖模型
Figure 560832DEST_PATH_IMAGE006
：给定节点的传感半径r，在所有满足全覆盖的覆盖模型下，覆盖密度
Figure 353908DEST_PATH_IMAGE004
最小对应的覆盖模型称为最优覆盖模型
Figure 216822DEST_PATH_IMAGE006
。
根据说明⑷，求解最优覆盖模型可看做求解长方体的最大体积V，设长方体的长宽高分别为
Figure 955157DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 911611DEST_PATH_IMAGE008
，，则：
Figure 978235DEST_PATH_IMAGE010
                                         （1）
求解 
Figure 346769DEST_PATH_IMAGE011
可以看成一个覆盖约束条件下的非线性优化问题。长方体中，所有与平面EFGH平行的平面中，平面ABCD和平面A’B’C’D’是最难被覆盖到的，因为传感器节点在这个平面上的感知范围最小。若平面ABCD和平面A’B’C’D’被完全覆盖，则覆盖模型中所有与平面EFGH平行的平面都能被完全覆盖。根据几何对称性，我们可以把三维长方体的全覆盖映射到二维长方形ABCD的全覆盖。设传感器节点的感知半径为
Figure 739704DEST_PATH_IMAGE012
，则节点在平面ABCD的感知范围是一个圆形区域，设该区域的半径为半径为
Figure 59434DEST_PATH_IMAGE013
，有：
Figure 563227DEST_PATH_IMAGE014
长方形ABCD全覆盖的最佳情况对应为覆盖模型中5个传感器节点在长方形ABCD上相交的感知范围最小。根据长度x,宽度y与传感半径
Figure 864896DEST_PATH_IMAGE013
之间的关系，可分成以下三种情况：
ⅰ) x>2
Figure 678000DEST_PATH_IMAGE013
,y>2
Figure 737222DEST_PATH_IMAGE013
实现空间的全覆盖要满足以下条件：
Figure 795439DEST_PATH_IMAGE015
ⅱ) x>
Figure 889297DEST_PATH_IMAGE016
,y
Figure 873303DEST_PATH_IMAGE017
实现空间的全覆盖要满足以下条件：
Figure 482139DEST_PATH_IMAGE018
ⅲ) x
Figure 327735DEST_PATH_IMAGE017
,y
Figure 29761DEST_PATH_IMAGE017
实现空间的全覆盖要满足以下条件：
Figure 935401DEST_PATH_IMAGE019
通过分析三种情况下的满足覆盖条件，我们得到最佳模型
Figure 218483DEST_PATH_IMAGE006
的大小：
Figure 867770DEST_PATH_IMAGE020
,,
Figure 622548DEST_PATH_IMAGE022
。
二. 节点具体的部署
为了方便描述，我们假定有如下应用实例：
在1000*1000*1000m的区域内部署感知半径
Figure 829145DEST_PATH_IMAGE012
=30m节点，我们提出的最佳覆盖模型大小为：
Figure 531391DEST_PATH_IMAGE029
m,
Figure 188768DEST_PATH_IMAGE030
m。我们按照以下步骤进行节点部署：
步骤1. 在三维空间的底面选择一个顶点作为坐标原点。
步骤2. 从原点开始沿x轴（长度方向）每隔
Figure 186942DEST_PATH_IMAGE031
m放置一个节点，直至到边界，并在空间的边界处放置一个节点。
步骤3. 对x轴方向上的每个节点沿y轴（宽度方向）每隔
Figure 195350DEST_PATH_IMAGE031
m放置一个节点，直至到边界，并在边界处放置一个节点。
步骤4. 对底面的所有节点沿z轴（高度方向）每隔
Figure 435707DEST_PATH_IMAGE032
m放置一个节点，直至到边界，并在边界处放置一个节点。
本方法仅需要14645个节点即可实现对三维场景的全覆盖。

Claims (1)

1.一种无线传感网节点的确定性部署方法，其特征在于该方法所包含的步骤如下：
步骤1. 获取实际应用的传感器节点传感半径的大小                                                
Figure 201110197068X100001DEST_PATH_IMAGE001
，
步骤2. 将实际三维空间规整为一个规则的长方体，
步骤3. 在三维空间的底面选择一个顶点作为坐标原点，
步骤4. 从原点开始沿长度方向x轴每隔
Figure 543531DEST_PATH_IMAGE002
长度放置一个节点，直至到边界，并在空间的边界处放置一个节点，
步骤5. 对x轴方向上的每个节点沿宽度方向y轴每隔
Figure 581501DEST_PATH_IMAGE002
长度放置一个节点，直至到边界，并在边界处放置一个节点，
步骤6. 对底面的所有节点沿高度方向z轴每隔
Figure 201110197068X100001DEST_PATH_IMAGE003
长度放置一个节点，直至到边界，并在边界处放置一个节点。
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