CN103997747A - 一种基于虚拟力的空间网络节点均匀部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于虚拟力的空间网络节点均匀部署方法，其实现过程为：设置虚拟力算法模型；设置基于虚拟力的传感器节点，每个传感器节点对它平衡球以内的邻居节点仅产生斥力作用，对平衡球以外但是通信球以内的邻居节点，仅产生引力作用；每一个时间步长，节点根据和目标区域的距离计算中心引力，根据和邻居节点的关系计算虚拟力和均匀力；将所有力做向量加法得到合力，节点个体不断调整自身位置，直到受力平衡，整个网络开始感知目标区域，执行任务。该一种基于虚拟力的空间网络节点均匀部署方法和现有技术相比，使得节点在三维空间自由移动的情况下，以自适应的方式部署在目标区域中，实用性强。

Description

一种基于虚拟力的空间网络节点均匀部署方法

技术领域

本发明涉及计算机通信技术领域，具体的说是一种基于虚拟力的空间网络节点均匀部署方法。 

背景技术

空间网络最大的不同在于它是一个分布于三维空间的网络。本专利致力于研究三维网络的部署问题，即目标覆盖问题。通过制定一种策略，让三维移动节点能够自组织地形成对目标空间的紧密覆盖，保证目标区域的每一个点都处于本网络的感知范围中。但是，当复杂度从二维转为三维后，问题变得格外复杂和棘手。近年来，研究人员对于三维网络做了大量的相关理论研究，然而大部分工作仅局限于三维静态无线网络，考虑到移动特性的相关研究十分有限。移动特性使得网络有了自组织和自部署的能力，能够使网络从某种紧密配置的初始状态智能地自动跟踪目标事件，形成一个自适应的拓扑结构。这些特点为各种应用提供了前所未有的感知三维物理世界的机会，但同时，也带来了更多的难题。 

和大多三维研究相似，假定节点的感知半径和通信半径均为确定性的、全向的球形模型。如此，每个节点都会产生相同大小的感知球和通信球。 

采用二元感知模型。当目标事件在传感器的感知半径内时，认为被探测到的几率是1，否则为0。另一种随着目标距离变化而探测概率相对变化的概率感知模型，由于它的不确定性和复杂性，在此不被采用。 

每个节点能从它本身或者它的移动载体上所附带的GPS等定位系统上获得自己的绝对坐标信息，或者能够通过诸如RSSI、TOA等定位协议计算出自己的相对位置坐标。 

检测的目标区域始终保持静止或者移动速度缓慢，从而能够一直保持在网络的感知范围内。因为快速移动的物体可能导致传感器节点不断调整自身位置，从而网络会一直处于不收敛的状态。 

基于此，现提供一种节点在三维空间自由移动的情况下，以自适应的方式部署在目标区域中的空间网络节点均匀部署方法。 

发明内容

本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种基于虚拟力的空间网络节点均匀部署方法。 

本发明的技术方案是按以下方式实现的，该一种基于虚拟力的空间网络节点均匀部署方法，其实现过程为： 

一、设置虚拟力算法模型：将个体移动的传感器网络看成是包含力和速度的一个虚拟物理系统，在三维空间中，每一个节点对应着3个同心球，即感知球、通信球和平衡球，其中

感知球为每个节点以全向的方式感知一定距离内的目标事件而形成的球形区域，半径为 ；

通信球为每个节点通过无线射频与一定距离内的邻居节点直接通信，该距离为通信半径，对应的通信区域；

平衡球是以为半径，其中为吸引力和排斥力的分界；

二、设置基于虚拟力的传感器节点，每个传感器节点对它平衡球以内的邻居节点仅产生斥力作用，对平衡球以外但是通信球以内的邻居节点，仅产生引力作用；

三、每一个时间步长，节点根据和目标区域的距离计算中心引力CG，根据和邻居节点的关系计算虚拟力TV和均匀力EF，其中CG为目标区域对节点群的正面吸引力，三维空间中传感器节点随机运动以搜索目标区域，一旦目标确认，传感器节点将朝着目标产生的CG方向运动，同时还会将目标的坐标位置信息通知给其他同伴；虚拟力帮助邻居节点朝自己的平衡球表面移动；均匀力作为一个协调器去平衡以自我为中心的局部区域；

四、将所有力做向量加法得到合力，节点个体不断调整自身位置，直到受力平衡，整个网络开始感知目标区域，执行任务。

所述步骤二中的传感器节点用一个五元组表示，其中表示节点的坐标；为节点自身的半径属性集，即产生的三个同心球的半径；表示节点中三维空间中的速度； 表示节点的邻居节点集合；F为节点产生的力场集合。 

所述步骤三中虚拟力的计算公式为： 

。

上述公式中，S1、S2为任意两个处于通信范围内的传感器节点，其坐标为和，它们的欧氏距离为，矢量即为它们之间的虚拟力，其中表示放大指数，用以放大与平衡点距离的影响；用来确保方程为增函数，在此给赋值为10。 

所述步骤三中均匀力的计算公式为： 

。

在上述公式中，表示节点i对邻居节点j产生的均匀力；表示节点i到其所有邻居节点距离的平均值；表示放大指数，用以放大与平衡点距离的影响；用来确保方程为增函数，在此给赋值为10。 

所述步骤四中合力的计算公式为： 

 。                  

该合力的方向决定了节点在下一时间步长的运动方向，表示节点的邻居节点集合。

所述步骤四中节点个体不断调整自身位置的详细步骤为： 

初始化节点坐标位置；

初始化节点的移动速度；

初始化节点的半径参数；

将节点在三维空间内随机移动；

如果发现目标或邻居节点通知目标位置；

存储目标区域位置；

根据目标位置初始化中心引力；

获得邻居节点集合；

计算节点到其邻居节点的平均距离值；

根据公式计算节点与其邻居节点之间的传统虚拟力；

计算节点与其邻居节点之间的合力；

更新速度；

根据速度移动一个步长。

本发明与现有技术相比所产生的有益效果是： 

本发明的一种基于虚拟力的空间网络节点均匀部署方法通过引入中心引力和均匀力，使得节点在三维空间自由移动的情况下，以自适应的方式部署在目标区域中，采用完全分布式的策略，使得部署过程更加合理有效，操作更加简单，实用性强，易于推广。

具体实施方式

下面对本发明的一种基于虚拟力的空间网络节点均匀部署方法作以下详细说明。 

本发明提供一种基于虚拟力的空间网络节点均匀部署方法，其实现过程为： 

一、设置虚拟力算法模型。

传统的虚拟力算法由势场法和圆盘理论发展而来。它在节点之间同时定义了互相牵制的吸引力和排斥力。 

在虚拟力算法部署过程中，为了保持一个紧密的结构，不让移动节点个体“逃离”目标区域，每个节点都会吸引周围节点使其不离开自己身边。模拟物理世界，称其为吸引力。在节点互相处于通信范围内的前提下，相对距离越长，节点之间互相靠近的渴望就越强烈，因而产生越大的吸引力。另一方面，为了防止节点之间距离太近而生成不必要的覆盖区域重叠，了相互之间的排斥力，从而保证了节点不会过于拥挤密集。排斥力能够使节点避免碰撞，从而符合了经济和安全要求。 

事实上，虚拟力机制将个体移动的传感器网络看成是包含力和速度的一个虚拟物理系统。为了设计的简单化，通常将某一时刻节点所受合力的方向看成是下一时刻节点运动的物理方向。最终，虚拟力机制会使得节点群变得相当稳定和紧凑。当某节点因为某些特殊原因失效时，由于局部的受力不均，剩下的节点会自动移动填补空当，直到一个新的收敛状态。 

在三维空间中，每一个节点对应着3个同心球。首先，每个节点能够以全向的方式感知一定距离内的目标事件，这样形成的球形区域为感知球，半径为。其次，每个节点能够通过无线射频与一定距离内的邻居节点直接通信，该距离为通信半径，对应的通信区域为通信球。最后的一种，称之为平衡球，以（）为半径，其中为吸引力和排斥力的分界。每个传感器节点对它平衡球以内的邻居节点仅产生斥力作用，对平衡球以外但是通信球以内的邻居节点，仅产生引力作用。 

在虚拟力系统中，每个节点都假定以自我为中心产生一个势场，对其邻近的所有节点施加不同的影响。 

虚拟力规则提炼如下：节点之间的距离越近（远），彼此产生的排斥力（吸引力）越大。即，离平衡球表面的距离越远，受到对应势场的影响越大。当彼此正好落于对方平衡球表面时（前提是同构网络），排斥力和吸引力均减为0。任意反应上述特点的数学公式都能选为节点虚拟力的计算公式。 

二、设置基于虚拟力的传感器节点，每个传感器节点对它平衡球以内的邻居节点仅产生斥力作用，对平衡球以外但是通信球以内的邻居节点，仅产生引力作用。 

该传感器节点用一个五元组表示。其中表示节点的坐标。为节点自身的半径属性集，即产生的三个同心球的半径。表示节点中三维空间中的速度。如果两个节点之间距离小于，称为邻居节点。表示节点的邻居节点集合。为节点产生的力场集合，包含的三种力将在下述步骤中给出。 

三、每一个时间步长，节点根据和目标区域的距离计算中心引力CG，根据和邻居节点的关系计算虚拟力TV和均匀力EF，其中CG为目标区域对节点群的正面吸引力，三维空间中传感器节点随机运动以搜索目标区域，一旦目标确认，传感器节点将朝着目标产生的CG方向运动，同时还会将目标的坐标位置信息通知给其他同伴；虚拟力帮助邻居节点朝自己的平衡球表面移动；均匀力作为一个协调器去平衡以自我为中心的局部区域。 

对于三维空间中任意两个处于通信范围内的传感器节点和，它们的欧氏距离为。令对施加的传统虚拟力（Traditional virtual force, TV）为，则矢量的方向由虚拟力的类型决定，大小由公式计算得到： 

。

其中表示放大指数，用以放大与平衡点距离的影响。用来确保方程为增函数，在此给赋值为10。公式计算的虚拟力会帮助邻居节点朝自己的平衡球表面移动。每个传感器节点通过综合计算三维空间中与邻近节点的位置关系，自动调整自己的当前位置，从而产生一个高耦合的网络结构。通过对的调整，可以让整个部署结果变得相对松散或紧凑。 

传统的虚拟力算法通常是假设节点群有着一个很密集的初始分布，通过扩散的方式让网络均匀部署开来。然而实际应用中，节点通常随机布散在三维空间里并通过移动以寻找目标区域。由此基础上实现的传统虚拟力算法通常会造成网络分割或者覆盖漏洞，需要进一步地调整让密集区域更松散或者稀疏区域更紧凑。传统虚拟力算法在此情况下表现得并不好，因为节点之间的地位是对等的且它们的先验知识是有限的，它们并不知道其他个体区域的覆盖密度，所以只能通过局部的形势来进行决策，而不是从全局的角度。 

整体协调的缺乏会带来潜在的两个问题。首先，目标区域可能不会被很好地覆盖。随机的布洒和无外界条件干涉的自部署方式，可能会产生对目标或大或小的偏移量。其次，即使前面的问题得到解决，节点最终仍有可能部署不均匀。极端情况下，即使网络整体在虚拟力的作用下处于平衡状态，局部仍有可能出现多处网络分割。在本发明中，除了传统的虚拟力，额外增加了中心引力（Central gravitation, CG）和均匀力（Equilibrium force, EF）的计算，以此来使得部署过程更加合理和有效。 

CG为目标区域对节点群的正面吸引力，大小可以参照传统的势场法，比如欧氏距离的相关函数。3DVFA算法为了简化，CG为与TV一个量级的常量。 

基于假设，目标区域已经在部署开始前被探测到。三维空间中传感器节点随机运动以搜索目标区域。一旦目标确认，传感器节点将朝着目标产生的CG方向运动，同时还会将目标的坐标位置信息通知给其他同伴。如此，节点群通过CG被吸引到目标区域中来 

另一方面，在分布式部署中并没有绝对的控制中心。由于个体知识的限制，仅由TV形成的紧耦合结构很有可能包含密度不均匀的区域。然而这种均匀分布是有较大实际意义的。有秩序的编队能够充分利用每一个节点的有效覆盖面积，从而使得整体参与的移动节点数目大大降低。

最有效的分布方式必然是基于确定性部署策略的，比如截十二面体模型。然而，基于虚拟力的自部署形状是无法预料的，也不鼓励根据Voronoi多面体模型动态计算每个节点的目的位置，然后让节点移动到该坐标。因为本质上这并不是严格意义上的自适应策略。最好的解决方法应该基于一种满足实际情况的完全分布式的准则。在此，提出了均匀力EF的概念。 

在部署过程中，每个节点不仅仅只作为一个产生TV的势场，同时还通过EF的方式，作为一个协调器去平衡以自我为中心的局部区域。为了简化，采用欧式距离作为计算方式。每个节点计算与其所有邻居节点的平均距离，然后将该值与邻居个体加以比较。如果均值大于个体值，则产生排斥力；反之则产生吸引力。 

以节点i为参考，则它对邻居节点j产生的均匀力表示为，该力的大小由方程计算得到： 

  。 

其中，表示节点i到其所有邻居节点距离的平均值。而和则和公式有着相同的意义。 

四、将所有力做向量加法得到合力，节点个体不断调整自身位置，直到受力平衡，整个网络开始感知目标区域，执行任务。 

合力的方向决定了节点在下一时间步长的运动方向。定义如下： 

 。

其中表示节点的邻居节点集合。 

上述步骤四中节点个体不断调整自身位置的详细步骤为： 

初始化节点坐标位置。

初始化节点的移动速度。 

初始化节点的半径参数，，。 

    将节点在三维空间内随机移动。 

如果节点发现目标或邻居节点通知目标位置。 

则存储目标区域位置。 

根据目标位置初始化中心引力。 

获得邻居节点集合。 

计算节点到其邻居节点的平均距离值。 

根据上述公式计算节点、之间的传统虚拟力。 

根据上述公式计算节点、之间的传统虚拟力。 

计算节点、之间的合力=+。 

计算节点所受到的合力  。 

更新速度。 

    根据速度移动一个步长； 

以上所述仅为本发明的实施例而已，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于虚拟力的空间网络节点均匀部署方法，其特征在于其实现过程为：

一、设置虚拟力算法模型：将个体移动的传感器网络看成是包含力和速度的一个虚拟物理系统，在三维空间中，每一个节点对应着3个同心球，即感知球、通信球和平衡球，其中

感知球为每个节点以全向的方式感知一定距离内的目标事件而形成的球形区域，半径为 ；

通信球为每个节点通过无线射频与一定距离内的邻居节点直接通信，该距离为通信半径，对应的通信区域；

平衡球是以为半径，其中为吸引力和排斥力的分界；

二、设置基于虚拟力的传感器节点，每个传感器节点对它平衡球以内的邻居节点仅产生斥力作用，对平衡球以外但是通信球以内的邻居节点，仅产生引力作用；

三、每一个时间步长，节点根据和目标区域的距离计算中心引力CG，根据和邻居节点的关系计算虚拟力TV和均匀力EF，其中CG为目标区域对节点群的正面吸引力，三维空间中传感器节点随机运动以搜索目标区域，一旦目标确认，传感器节点将朝着目标产生的CG方向运动，同时还会将目标的坐标位置信息通知给其他同伴；虚拟力帮助邻居节点朝自己的平衡球表面移动；均匀力作为一个协调器去平衡以自我为中心的局部区域；

四、将所有力做向量加法得到合力，节点个体不断调整自身位置，直到受力平衡，整个网络开始感知目标区域，执行任务。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟力的空间网络节点均匀部署方法，其特征在于：所述步骤二中的传感器节点用一个五元组表示，其中表示节点的坐标；为节点自身的半径属性集，即产生的三个同心球的半径；表示节点中三维空间中的速度； 表示节点的邻居节点集合；F为节点产生的力场集合。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于虚拟力的空间网络节点均匀部署方法，其特征在于：所述步骤三中虚拟力的计算公式为：

，

上述公式中，S1、S2为任意两个处于通信范围内的传感器节点，其坐标为和，它们的欧氏距离为，矢量即为它们之间的虚拟力，其中表示放大指数，用以放大与平衡点距离的影响；用来确保方程为增函数，在此给赋值为10。

4.根据权利要求3所述的一种基于虚拟力的空间网络节点均匀部署方法，其特征在于：所述步骤三中均匀力的计算公式为：

，

在上述公式中，表示节点i对邻居节点j产生的均匀力；表示节点i到其所有邻居节点距离的平均值；表示放大指数，用以放大与平衡点距离的影响；用来确保方程为增函数，在此给赋值为10。

5.根据权利要求4所述的一种基于虚拟力的空间网络节点均匀部署方法，其特征在于：所述步骤四中合力的计算公式为：，

该合力的方向决定了节点在下一时间步长的运动方向，表示节点的邻居节点集合。

6.根据权利要求5所述的一种基于虚拟力的空间网络节点均匀部署方法，其特征在于：所述步骤四中节点个体不断调整自身位置的详细步骤为：

初始化节点坐标位置；

初始化节点的移动速度；

初始化节点的半径参数；

将节点在三维空间内随机移动；

如果发现目标或邻居节点通知目标位置；

存储目标区域位置；

根据目标位置初始化中心引力；

获得邻居节点集合；

计算节点到其邻居节点的平均距离值；

根据公式计算节点与其邻居节点之间的传统虚拟力；

计算节点与其邻居节点之间的合力；

更新速度；

根据速度移动一个步长。