CN103327607A - 无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，所述网络中包括多个静止未知节点和三个移动锚节点，其步骤包括：三个移动锚节点之间有动态绑定和静态绑定两种关系，首先确定三个移动锚节点之间的关系形式；根据环境应用需求、三个移动锚节点之间的关系形式及三个移动锚节点处于区域中的位置和能量剩余这三个标准来确定组的移动模型；三个移动锚节点分别位于等边三角形顶点处，根据已确定的移动模型，每隔周期T移动并发送信标信号，在移动至传感区域边界处采用两种边缘漏洞解决方法保证整个区域的覆盖，而未知节点不断监听接收信标信息，通过三边测量法，获得位置信息。本发明有效辅助定位，提高定位精度及定位覆盖率。

Description

无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络领域，尤其涉及一种无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法。 

背景技术

近年来，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)高速发展，广泛应用于环境、军事、安全、工业及家具等领域，传感器节点精确的位置信息对WSN的应用具有至关重要的意义。目前，学者们提出很多关于WSN的定位机制，许多定位机制都是使用静止的锚节点，在实际应用中存在定位精度低，定位覆盖率低，网络成本高的问题。为了解决这些问题，提出了使用移动锚节点辅助节点定位的定位方法。移动锚节点的移动模型主要分为两大类：随机移动模型和路径规划模型。随机移动模型在辅助定位上并不能有效的帮助节点完成精确定期以及减小能耗。路径规划模型在辅助定位上普遍表现比随机移动模型好，但是移动锚节点能有效的完成精确定位对其路径有较高的要求。因此，为了提高定位精度、定位覆盖率及减少网络成本，移动锚节点的路径规划是一个极具挑战性的问题。 

目前针对无线传感器网络路径规划的相关研究文献如下： 

1、Koutsonikolas等在2007年的《Computer Communication》上发表的文章“Path planning of mobile landmarks for localization in wireless sensor networks”中提出了三种Scan，Double Scan和Hilbert 三种移动路径，其目的是减少网络成本花费，用一个移动锚节点替代 多个静止的锚节点且同样能完成未知节点的定位。通过理论和实验分析了移动节点沿坐标轴方向移动的路径，比较了其优缺点，其中Scan方法虽然移动长度最短，但其路径会造成未知节点接受的信标信息在同一条直线上；DoubleScan是在Scan的基础上增加移动锚节点在x轴上移动路径，这种路径规划解决信标信息共线的问题，但同样增加锚节点移动路径的长度，这样导致网络能耗增加；与Scan和Double Scan相比，Hilbert有许多转弯，这种路径规划在辅助定位过程中，能减少过线的问题，也提高定位精度。但是这种曲线形状导致移动锚节点无法到达网络的边界，导致在边界附近的未知节点可能只能接收到来自一个方向的信标，从而它们的位置估计不精确。 

2、RuiHuang等在2007年的《In Proceeding of the Fifth Annual IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops》上发表的文章“Static path planning for mobile beacons to localize sensor networks”使移动锚节点按照CIRCLES和S-CURVES路径移动。这两种路径规划方法使移动锚节点的路径长度虽然减短，并且相应的节省网络中能量消耗，但移动锚节点难以到达边缘，导致在边缘的节点由于接收不到足够的信标信息而无法定位。 

3、Songsheng Li等在2011年的《In Proceeding of the 17th Asia-Pacific Conference on Communications》上发表的文章“Wireless sensor network localization algorithm using dynamic path of mobile beacon”中提出了一种动态的路径规划辅助未知节点定位，相比静态路 径规划，动态路径规划由未知节点的分布和位置情况来实时决定，从而移动锚节点的移动更具灵活性，且节约网络能量，但是路径的长度和定位率两方面的问题还需要解决。 

4、Guangjie Han等在2011年的《Wireless Communications and Mobile Computing》上发表的文章“Path planning using a mobile anchor node based on trilateration in wireless sensor networks”中提出了LMAT（Localization algorithm with a Mobile Anchor node based on Trilateration）的定位算法，其目的在与得到高的定位精度和减少网络中的消耗。该定位算法主要就是用移动锚节点辅助定位，提出一种基于等边三角形的锚节点路径规划方法。移动锚节点沿着等边三角形的轨迹移动，锚节点在三角形顶点处的位置发送信息包，未知节点不断监听并接收信标信息，一旦接收到移动锚节点广播的非共线的三个信标信息，即能计算自己的位置。该路径可以使传感区域中任何位置的未知节点都能接收到3个以上非共线的锚节点信号，且调整三角形轨迹的变成，能使移动锚节点遍历整个区域。在定位精度方面，LMAT表现比Scan，Double Scan，Hilbert和Spipal好。但是由于只有一个锚节点的移动，遍历整个网络的周期性较长，未知节点完成全部定位的速率较慢。其次由于该路径规划只针对单个锚节点，在一些特定的环境中，比如军事、野外研究等方面，应用将受到限制。因此文中涉及的路径规划仍需要改善。 

5、Chia-Ho Ou等在2013年的《IEEE Sensors Journal》上发表的文章“Path planning algorithm for mobile anchor-based localization in  wireless sensor networks”提出了一中路径规划的方案，可以减少定位误差且保证所有节点可以获取他们的位置信息，同时提出了有障碍物情况下的规划路径。本文针对Ssu的方案的改进，Ssu基于初等几何中的“弦的垂直平分线通过圆心”这一性质来定位未知节点，即若移动锚节点经过未知节点感知范围内两次就有两条弦在感知范围内，四个交点，这样就能帮助定位，而Ssu中移动锚节点的移动模式是RWP,这样将导致一些节点无法定位，而类似于Scan，Double Scan和Circles等路径规划却不能应用在Ssu提出的定位算法中。此路径规划有效解决一旦四个锚节点组成的两条弦较短而带来的较大误差的问题，保证组成弦的长度总是大于2/3R，R为节点的传输半径，使用该路径规划，减小定位误差，提高定位率。但是该路径规划是特定于Ssu定位方案而设计，其应用方面受到一定的限制。 

综上所述，虽然路径规划研究取得了很大进展并且越来越多的应用在定位算法中，但还有一些问题需要进一步研究： 

1.大多数的路径规划方案的设计只是针对一个移动的锚节点，一旦应用中的出现多个移动锚节点或者是移动锚节点以组的形式存在，这些方案将不能被应用。 

2.传统的路径规划方法路径规划存在边缘问题和共线问题导致定位精度低、定位覆盖率低和能量消耗高的问题。 

3.大多数的路径规划方法使用一个移动锚节点，虽然能节约网络成本，但是降低整个网络的定位速率，在实际应用中受到限制。 

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于由三个移动锚节点组成的组的无线传感器网络，用于辅助定位，且有效解决边缘漏洞问题的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法。 

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是： 

一种无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其特征在于，其步骤包括： 

（1）根据应用需求，确定三个移动锚节点之间的关系形式； 

（2）确定三个移动锚节点形成的组的移动模型； 

（3）三个移动锚节点每隔周期T移动并发送信标信号； 

（4）传感区域边界处采用解决边缘漏洞方法保证整个区域的覆盖，未知节点不断监听接收信标信号，通过定位方法，获得位置信息。 

前述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其特征在于，所述的三个移动锚节点之间的关系形式的确定方法为： 

当三个移动锚节点在物理关系和逻辑关系上都是一个整体，在物理关系上，三个移动锚节点之间的相对位置不发生改变，在逻辑关系上，三个移动锚节点之间存在主从关系时，三个移动锚节点之间的关系为静态绑定； 

当三个移动锚节点只要求在完成移动后以组形式存在，在物理关系上，三个移动锚节点在移动过程中相对位置可以发生改变，在逻辑关系上，三个移动锚节点是平等关系时，三个移动锚节点之间的关系为动态绑定。 

前述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其特征在 于，所述的主从关系是指三个移动锚节点只有一个主锚节点和两个从锚节点，主锚节点具有GPS定位装置，主锚节点通过GPS获取位置信息，从锚节点不具有GPS定位装置，从锚节点位置信息根据主锚节点的位置信息和从锚节点与主锚节点的相对位置关系计算获取。 

前述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其特征在于，所述的平等关系是指三个移动锚节点在组成的组中地位是相同的，且都具有GPS定位装置，它们的位置信息都通过GPS获取。 

前述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其特征在于，所述的动态绑定关系可以转为静态绑定关系，即三个移动锚节点在某个时间段内保持它们之间的相对位置不发生改变且关闭其中两个移动锚节点的GPS装置来节约能量；而三个移动锚节点一旦确定静态绑定关系不可以再转为动态绑定关系。 

前述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其特征在于，所述三个移动锚节点形成的组的移动模型的确定标准为： 

标准1）三个移动锚节点确定的关系形式； 

标准2）环境应用需求； 

标准3）三个移动锚节点在无线传感网络区域中的位置和它们剩余能量情况。 

前述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其特征在于，所述三个移动锚节点形成的组的移动模型的确定方法为： 

如果每隔周期T，三个移动锚节点组成的组所在当前位置与上一时刻的位置相比，发生变化，则为组间移动； 

如果移动周期T内，组中三个移动锚节点至少有一个发生移动，三个移动锚节点之间的相对位置发生改变，则为组内移动。 

前述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其特征在于，所述三个移动锚节点移动并发送信标信号的周期T范围为，T_tra<T<T_max； 

其中，T_tra为一跳范围内锚节点与未知节点之间的数据传输的时间；T_max为三个移动锚节点信标首次覆盖区域的最大时间。 

前述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其特征在于，所述未知节点获得位置信息的具体步骤为： 

（1）三个移动锚节点分别位于等边三角形顶点处，根据已确定的移动模型，每隔周期T移动并发送信标信号，在移动至传感区域边界处采用解决边缘漏洞方法保证整个区域的覆盖； 

（2）未知节点保持静止并不断监听接收信标信息，未知节点采用接收信号强度方法测量和三个移动锚节点间的距离； 

（3）未知节点接收到三个信标信息后，采用三边测量法，获取自身的位置信息。 

前述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其特征在于，所述的解决边缘漏洞包括两种方法： 

（1）补偿法：当三个移动锚节点组成的组到达边缘时，在边缘处增加移动频率从而增加一个或多个信标点，解决边缘漏洞； 

（2）移位法：当三个移动锚节点组成的组到达边缘时，整组移出任务区域，使得感知区域大于任务区域，解决边缘漏洞。 

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是： 

（1）把移动的物体抽象成移动锚节点，确定移动物体之间的相互关系，根据应用需求，确定移动物体组成的组的移动模型。 

（2）对节点密度没有限制，无论是在密集网络还是在稀疏网络中，对辅助定位的效果没有影响；提出的组的两种移动模型，可以扩展至多个移动锚节点组成的组移动中，满足各种应用需求。 

（3）本发明针对在路径规划中存在边缘漏洞的情况，提出补偿法和移位法两种解决边缘漏洞的方法，保证三个移动锚节点完全覆盖整个区域。 

附图说明

图1为本发明无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法； 

图2为未知节点随机分布图； 

图3为三个移动锚节点组间移动且采用移位法解决边缘漏洞示意图； 

图4为三个移动锚节点组内组间移动且采用补偿法解决边缘漏洞示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。 

如图1所示，一种无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其步骤包括： 

（1）根据应用需求，确定三个移动锚节点之间的关系形式； 

（2）确定三个移动锚节点形成的组的移动模型； 

（3）三个移动锚节点每隔周期T移动并发送信标信号； 

（4）传感区域边界处采用解决边缘漏洞方法保证整个区域的覆盖，未知节点不断监听接收信标信号，通过三边定位方法，获得位置信息。 

所述三个移动锚节点移动并发送信标信号的周期T范围为，T_tra<T<T_max； 

其中，T_tra为一跳范围内锚节点与未知节点之间的数据传输的时间；T_max为三个移动锚节点信标首次覆盖区域的最大时间。 

在上述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法中，所述的三个移动锚节点确定它们之间的关系形式，三个移动锚节点之间的关系有两种，静态绑定和动态绑定。 

在上述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法中，所述的由三个移动锚节点组成的组的移动模型有两种，组间移动和组内移动。 

在上述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法中，所述的三个移动锚节点移动至传感区域边界处，为了保证它们的信标信号能完全覆盖整个无线传感器网络区域，对区域的边缘存在信标漏洞情况下，采用两种解决方法，分别为补偿法和移位法。 

如图2所示，未知节点被随机分布在无线传感器网络区域中。三个移动锚节点分别位于等边三角形顶点处，而未知节点随机均匀分布在区域中。三个移动锚节点每隔周期T移动，每次移动后，三个移动锚节点仍然组成一个等边三角形，广播的信标位置就是图中所示的等边三角形三个顶点处的坐标，信标覆盖整个区域。 

如图3所示，三个移动锚节点组间移动且采用移位法解决边缘漏洞。三个移动锚节点根据应用要求，确定的关系是静态绑定，三个移动锚节点在物理关系和逻辑关系上都是一个整体，在物理关系上，三个移动锚节点之间的相对位置不发生改变，在逻辑关系上，三个移动锚节点只有一个主锚节点和两个从锚节点，主锚节点具有GPS定位装置，主锚节点通过GPS获取位置信息，从锚节点不具有GPS定位装置，从锚节点位置信息根据主锚节点的位置信息和从锚节点与主锚节点的相对位置关系计算获取，1号为主锚节点，2号和3号是从锚节点。静态绑定的三个移动锚节点只能选择组间移动。三个移动锚节点每隔周期T移动并发送信标信号，组的移动速度和每个移动锚节点移动的速度是相同的，速度为v=d/T。由于在边界处存在边缘漏洞，因此需要使用边缘漏洞解决方法。此图中，采用移位方法来解决边缘漏洞，三个移动锚节点组成的组移出任务区域，使得感知区域大于任务区域，解决边缘漏洞。三个移动锚节点组成的组在水平方向上是水平向右移动，在垂直方向上是垂直向上移动。 

如图4所示，三个移动锚节点组内组间移动且采用补偿法解决边缘漏洞。三个移动锚节点根据应用要求，确定的关系是动态绑定，在物理关系上，三个移动锚节点在移动过程中相对位置可以发生改变，在逻辑关系上，三个移动锚节点是平等关系。动态绑定关系的三个移动锚节点可以选择组内移动和组间移动模型。如图4所示，三个移动锚节点每隔周期T移动，每次移动后，三个移动锚节点仍然组成一个等边三角形。由于这三个移动锚节点是平等关系，三个移动锚节点在 组成的组中地位是相同的，且都具有GPS定位装置，它们的位置信息都通过GPS获取。完成每次移动后，三个移动锚节点发送它们的位置信息。图中，三个移动锚节点组内移动形式是沿着两个三角形拼成的菱形的对角线方向移动。三个移动锚节点移动的次序按照它们组成的组的组间移动方向依次进行，即图中组间移动方向是要求向右，那么三个移动锚节点组内移动后产生的组间移动必须是向右的。三个移动锚节点组成的组移动中存在组间移动和组内移动两种移动模型，而每个移动锚节点移动的路程和它们组成的组移动的路程有区别，因此两种组移动模型速度也不同。组内移动模型中，水平方向上的速度为 

垂直方向上的速度为

组间移动模型中，水平方向上的速度为v₂=(L+d)/nT，其中n为三个移动锚节点在水平方向上共移动的次数，垂直方向上的速度为

在动态绑定关系中，三个移动的锚节点允许相对位置发生改变，因此，在解决边缘漏洞问题中，可以同时补偿法和移位法。图中，在无线传感器网络区域的左侧区域采用移位法，扩大区域一侧的感知区域大小，解决左侧区域漏洞；在右侧区域采用补偿法，在边界中增加一个信标点，从而解决右侧的区域漏洞。 

以上两种实施例是本发明的其中的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，在不脱离本发明提出的方法前提下，无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法有若干新的实施方案以及对本方案的变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。 

Claims (10)

1.一种无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其特征在于，其步骤包括：

（1）根据应用需求，确定三个移动锚节点之间的关系形式；

（2）确定三个移动锚节点形成的组的移动模型；

（3）三个移动锚节点每隔周期T移动并发送信标信号；

（4）传感区域边界处采用解决边缘漏洞方法保证整个区域的覆盖，未知节点不断监听接收信标信号，通过定位方法，获得位置信息。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其特征在于，所述的三个移动锚节点之间的关系形式的确定方法为：

当三个移动锚节点在物理关系和逻辑关系上都是一个整体，在物理关系上，三个移动锚节点之间的相对位置不发生改变，在逻辑关系上，三个移动锚节点之间存在主从关系时，三个移动锚节点之间的关系为静态绑定；

当三个移动锚节点只要求在完成移动后以组形式存在，在物理关系上，三个移动锚节点在移动过程中相对位置可以发生改变，在逻辑关系上，三个移动锚节点是平等关系时，三个移动锚节点之间的关系为动态绑定。

3.根据权利要求2所述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其特征在于，所述的主从关系是指三个移动锚节点只有一个主锚节点和两个从锚节点，主锚节点具有GPS定位装置，主锚节点通过GPS获取位置信息，从锚节点不具有GPS定位装置，从锚节点位置信息根据主锚节点的位置信息和从锚节点与主锚节点的相对位置关系计算获取。

4.根据权利要求2所述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其特征在于，所述的平等关系是指三个移动锚节点在组成的组中地位是相同的，且都具有GPS定位装置，它们的位置信息都通过GPS获取。

5.根据权利要求2所述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其特征在于，所述的动态绑定关系可以转为静态绑定关系，即三个移动锚节点在某个时间段内保持它们之间的相对位置不发生改变且关闭其中两个移动锚节点的GPS装置来节约能量；而三个移动锚节点一旦确定静态绑定关系不可以再转为动态绑定关系。

6.根据权利要求1所述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其特征在于，所述三个移动锚节点形成的组的移动模型的确定标准为：

标准1）三个移动锚节点确定的关系形式；

标准2）环境应用需求；

标准3）三个移动锚节点在无线传感网络区域中的位置和它们剩余能量情况。

7.根据权利要求1所述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其特征在于，所述三个移动锚节点形成的组的移动模型的确定方法为：

如果每隔周期T，三个移动锚节点组成的组所在当前位置与上一时刻的位置相比，发生变化，则为组间移动；

如果移动周期T内，组中三个移动锚节点至少有一个发生移动，三个移动锚节点之间的相对位置发生改变，则为组内移动。

8.根据权利要求1或7所述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其特征在于，所述三个移动锚节点移动并发送信标信号的周期T范围为，T_tra<T<T_max；

其中，T_tra为一跳范围内锚节点与未知节点之间的数据传输的时间；T_max为三个移动锚节点信标首次覆盖区域的最大时间。

9.根据权利要求1所述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其特征在于，所述未知节点获得位置信息的具体步骤为：

（1）三个移动锚节点分别位于等边三角形顶点处，根据已确定的移动模型，每隔周期T移动并发送信标信号，在移动至传感区域边界处采用解决边缘漏洞方法保证整个区域的覆盖；

（2）未知节点保持静止并不断监听接收信标信息，未知节点采用接收信号强度方法测量和三个移动锚节点间的距离；

（3）未知节点接收到三个信标信息后，采用三边测量法，获取自身的位置信息。

10.根据权利要求1或9所述的无线传感器网络多锚节点组移动路径规划方法，其特征在于，所述的解决边缘漏洞包括两种方法：

（1）补偿法：当三个移动锚节点组成的组到达边缘时，在边缘处增加移动频率从而增加一个或多个信标点，解决边缘漏洞；

（2）移位法：当三个移动锚节点组成的组到达边缘时，整组移出任务区域，使得感知区域大于任务区域，解决边缘漏洞。

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