CN104734786A - 基于宽带无线传感器网络的指定高度层覆盖面积测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于插值投影的宽带无线传感器网络指定高度层覆盖范围的面积测量方法，在满足工程实践测量精度的要求下，用以解决当前的算法时间消耗较高的问题。本发明所述面积测量方法包括以下步骤：数据采集；划分网格；化简处理；插值投影；网格统计。本发明提供的宽带无线传感器网络指定高度层覆盖范围的面积测量方法快捷方便，精度与测量耗时都可以达到比较满意的效果，并且其可靠性也较高，可以处理各类样式的无线传感器网络指定高度层覆盖范围的面积。

Description

基于宽带无线传感器网络的指定高度层覆盖面积测量方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络，特别是涉及一种基于宽带无线传感器网络指定高度层覆盖面积测量方法，应用于无线传感器网络性能评估及优化部署。

背景技术

无线传感器网络指定高度层覆盖范围的面积是衡量无线传感器网络性能的重要指标之一，它的计算结果也是覆盖系数、盲区系数等其它指标的基础。

对于由多个传感器组成的无线传感器网络，由于不同传感器之间的探测范围可能存在重叠覆盖区域，因此无线传感器网络指定高度层覆盖范围的面积并不能通过简单地将单个传感器覆盖范围的面积相加得到。同时单个传感器的探测边界不一定是规则的圆形，可能受到电磁干扰或地形遮蔽产生形变，因此无法用简单的函数描述探测边界，从而无法通过解析方式计算无线传感器网络指定高度层覆盖范围的面积。

目前无线传感器网络指定高度层覆盖范围的面积测量方法主要是网格法，即在无线传感器网络指定高度层探测平面内划分网格进行面积测量，所述网格可以是正方形、圆形、六边形等形状。使用网格法测量覆盖范围面积的主要算法是蒙特卡洛随机算法，即在网格中抛洒随机点，判断该点是否落入覆盖区域，如此重复多次，形成正例反例两个计数器，最后求得覆盖范围的面积；另外，中国发明专利CN102798370B(以下简称对比文件1)公开了一种雷达网指定高度层作用范围的面积测量方法，该方法通过数据采集、生成网格、网格投影、去冗处理、拟合处理、集成处理、网格统计等步骤，较好的完成了面积测量，该方法也可以应用到无线传感器网络领域。

上述基于蒙特卡洛算法的网格法思路简洁，但需要产生大量的随机点，耗时较长，精度难以保证，难以满足需要重复调用面积算法的工程实践；而对比文件1所公开的方法在网格投影、去冗处理、拟合处理这三个步骤中采取了先投影再拟合的策略，导致了拟合处理之前需要处理大量离散投影点，且处理步骤复杂，虽然可以用于工程实践，但仍有很大改进空间。

发明内容

鉴于以上的问题，本发明提供一种基于插值投影的宽带无线传感器网络指定高度层覆盖范围的面积测量方法，在满足工程实践测量精度的要求下，用以解决当前的算法时间消耗较高、精度较低的问题。

本发明所述面积测量方法包括以下步骤：

数据采集步骤：设置采样密度，根据传感器覆盖半径和干扰环境，计算无线传感器网络中每个传感器在指定高度层上覆盖范围的边界采样点坐标值，并将其按照边界的顺时针或逆时针方向进行存储；

划分网格步骤：根据所得的边界采样点和覆盖半径确定网格区域范围，设置网格长度，划分网格，所述网格区域能够包含所有传感器的边界采样点；

化简处理步骤：将采样点的原始坐标变换为采样点对应网格的行号和列号，然后对存储位置相邻的且行号相同的采样点，取其平均值作为代表进行保留；

插值投影步骤：为整个无线传感器网络分配一个网格存储器，所述网格存储器是一个行数与网格区域垂直方向网格数目相同的二维表格，然后以插值的形式将采样点和插值点依次存放在网格存储器中；

网格统计步骤：根据网格存储器计算得到无线传感器网络指定高度层覆盖范围的面积。

所述采样密度，即在360度方向上的采样点数，取值范围最好在72～720之间；

所述计算每个传感器在指定高度层上覆盖范围的边界采样点坐标值的方法可采用电磁干扰或地形遮蔽算法；

所述网格长度l由下述公式确定：

$l=k\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}\·M;$

其中π为圆周率，N为采样点的采样密度，M为无线传感器网络中最小的覆盖半径，k为比例系数，一般取值在0.001～0.9之间。

所述的插值投影步骤具体包括以下步骤：

(1)为每一个传感器分配一个N_r×N_l的网格存储器，其中N_r、N_l为网格行数和列数，N_l＝α·n，α一般取5～20之间的整数，n为传感器个数；

(2)将化简处理步骤后行号相同的采样点，按照列号大小顺序存放在网格存储器的相应行号中；

(3)将化简处理步骤后的第i个采样点的行号同第i-1个采样点的行号和第i+1个采样点的行号比较。设y_i为第i个采样点的行号，如果满足下式，则称第i个采样点为极值点，将第i个采样点再存放一次，其中1<i<N，N为采样密度；

$\left\{\begin{array}{c}{y}_i>y_{i+1}\\ y_i>y_{i-1}\end{array}\right.$ 或者 $\left\{\begin{array}{c}{y}_i<y_{i+1}\\ y_i<y_{i-1}\end{array}\right.;$

(4)对于第一个采样点，将第一个、第二个和最后一个采样点进行比较，对于最后一个采样点，将倒数第二个、最后一个和第一个采样点进行比较，之后按照(3)原则进行处理；

(5)以每两个在存储位置上邻近的采样点为两个端点，根据下式，确定第h行的采样点的列号u并存储：

其中x_k、y_k分别为第k个采样点的列号和行号，x_k+1、y_k+1分别为第k+1个采样点的列号和行号，其中y_k<h<y_k+1，0<k<N，表示向上取整，N⁺表示正整数集，v表示中间变量。

所述的网络统计步骤具体包括以下步骤：

(1)对网格存储器中的每一行，按照列号由小到大对数据进行排序；

(2)对网格存储器的第y行的第i个数据，统计其前或后所属不同传感器的数据个数，所述数据个数不包括与该第i个数据所属相同传感器的数据个数，然后判断这些数据个数的奇偶性，若为奇数，则将第i个数据删去；若为偶数，则不作处理，其中i＝1,...,|y|，|y|为网格存储器第y行的数据个数总数；

(3)将第y行中第2f-1个数据同第2f个数据的差的绝对值相加，得到第2f-1个数据同第2f个数据之间的网格个数,其中|y|为网格存储器第y行的数据个数总数；统计第y行的网格个数的总数为g_y；

(4)统计得到整个无线传感器网络覆盖范围所覆盖的网格数进一步得到整个无线传感器网络覆盖范围的面积S＝G·l²。

相对于现有技术而言，本发明具有下列优点：本发明的测量精度较高，能够满足工程实践的要求，可靠性好；特别是耗时较短，方便计算各种不同类型的无线传感器网络的覆盖范围的面积。

附图说明

图1是原始坐标转换网格坐标示意图；

图2是本发明测量宽带无线传感器网络指定高度层覆盖范围的面积的流程图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图2所示为本发明测量宽带无线传感器网络指定高度层覆盖范围的面积的流程图。

步骤一：数据采集：设采样密度为N，根据传感器覆盖半径M_i和地理环境，经过计算获得无线传感器网络中每个传感器在指定高度层上覆盖范围的边界采样点坐标值，其中i＝1,…,n，n为传感器个数，其中采样密度N取值一般在72～720之间。

步骤二：划分网格：

(1)设比例系数为k，得到整个无线传感器网络中最小的覆盖半径进一步可以获得网格长度其中π为圆周率，比例系数k取值一般在0.001～0.9之间；

(2)根据每个传感器的位置坐标和覆盖半径，逐一比较，得到整个无线传感器网络指定高度层覆盖范围边界的最上端Q_u、最下端Q_d、最左端Q_l,然后以Q_u为基准确定网格区域的最上端，Q_d为最下端，Q_l为最左端，形成一个开口向右的网格区域，这个网格区域将包含所有传感器的边界采样点，即网格坐标系；

(3)网格坐标系的网格行数为因此，网格坐标系中的每一个网格均可以其行号和列号标定；

步骤三：化简处理：

(1)每个采样点在逻辑上都对应着网格区域中的一个网格，根据下式进行坐标转换，将采样点的原始坐标变换为采样点对应网格的行号和列号，其中x_i、y_i分别为采样点S_i的横坐标和纵坐标，x、y分别为S_i的网格列号和行号；

(2)假定第i个传感器的边界采样点的第k个采样点同第k+1个采样点的行号相同，则将这两个采样点去除，并通过下式得到新的采样点，其中x_k、y_k分别为第k个采样点的列号和行号，x_k+1、y_k+1分别为第k+1个采样点的列号和行号，分别为新的采样点的网格列号和行号；

(3)如果第i个传感器的边界采样点的第一个采样点同最后一个采样点的行号相同，则将这两个采样点去除，按照(2)的原则，得到新的采样点存入网格存储器；

如图1所示为原始坐标转换网格坐标示意图。

步骤四：插值投影：

(1)为每一个传感器分配一个N_r×N_l的网格存储器，其中N_l＝α·n，α一般取值为5～20之间的整数，n为传感器个数；

(2)将化简处理步骤后的行号为x的采样点的列号y，按照y由小到大的顺序存放在网格存储器的第x行；

(3)将化简处理步骤后的第i个采样点的行号同第i-1个采样点的行号和第i+1个采样点的行号比较。设y_i为第i个采样点的行号，如果满足下式，则称第i个采样点为极值点，将第i个采样点再存放一次，其中1<i<N，N为采样密度；

$\left\{\begin{array}{c}{y}_i>y_{i+1}\\ y_i>y_{i-1}\end{array}\right.$ 或者 $\left\{\begin{array}{c}{y}_i<y_{i+1}\\ y_i<y_{i-1}\end{array}\right.;$

(4)对于第一个采样点，则将第一个、第二个和最后一个采样点进行比较；对于最后一个采样点，则将倒数第二个、最后一个和第一个采样点进行比较，之后按照(3)原则进行处理；

(5)以每两个在存储位置上邻近的采样点为两个端点，根据下式，确定第h行的采样点的列号u并存储：

其中x_k、y_k分别为第k个采样点的列号和行号，x_k+1、y_k+1分别为第k+1个采样点的列号和行号，且y_k<h<y_k+1，0<k<N；表示向上取整，N⁺表示正整数集，v表示中间变量。

步骤五：网格统计：

(1)对网格存储器中的每一行，按照列号由小到大对数据进行排序；

(2)对网格存储器的第y行的第i个数据，统计其前或后所属不同传感器的数据个数，所述数据个数不包括与该第i个数据所属相同传感器的数据个数，然后判断这些数据个数的奇偶性，若为奇数，则将第i个数据删去；若为偶数，则不作处理，其中i＝1,...,|y|，|y|为网格存储器第y行的数据个数总数；

(3)将第y行中第2f-1个数据同第2f个数据的差的绝对值相加，得到第2f-1个数据同第2f个数据之间的网格个数,其中|y|为网格存储器第y行的数据个数总数；统计第y行的网格个数的总数为g_y；

(4)统计得到整个无线传感器网络覆盖范围所覆盖的网格数进一步得到整个无线传感器网络覆盖范围的面积S＝G·l²。

下面通过一个实验来更好的理解本发明。

根据步骤一：宽带无线传感器网络包括2个传感器，无线传感器网络传感器的基本参数如表1所示，本案例中传感器处于理想环境中，未受地形以及电磁干扰，主要是为了同解析结果进行对比；确定采样密度为N＝90，根据传感器覆盖半径，通过遮蔽算法计算获得无线传感器网络中每个传感器在指定高度层上覆盖范围的边界采样点坐标值，获得的采样点数据格式如表2所示，包括了传感器编号、传感器坐标、覆盖半径等信息，并描述了平面内均匀的各个方向的边界采样点的坐标；

表1

传感器编号	横坐标/cm	纵坐标/cm	覆盖半径/cm
				1	-200	500	348.89
2	200	500	521.71

表2

数据编号	数据内容	数据内容
			1	传感器编号	覆盖半径
2	传感器中心x轴坐标	传感器中心y轴坐标
			3	第1个采样点x轴坐标	第1个采样点y轴坐标
……	……	……
			N	第n-2个采样点x轴坐标	第n-2个采样点y轴坐标

步骤二：

(1)取比例系数k＝0.2，则M＝348.89网格长度为l＝4.87；

(2)求得整个无线传感器网络指定高度层覆盖范围边界的最上端Q_u、最下端Q_d、最左端的值Q_l,如表3所示。

表3

Qu	Qd	Ql,
			1021.7	-21.7	-548.9

(3)网格区域的网格行数为Nr＝215。

步骤三：

(1)根据化简处理步骤中的坐标转换公式，将采样点的原始直角坐标转换为网格坐标，如表4所示示例，编号为1的传感器的第1个采样点数据为<148.04,524.34>，那么该采样点所处的网格行号、列号分别为113、144；

表4

(2)如果存储位置上邻近的采样点行号相同，那么将其平均值取整后代替原来的那两个采样点，如表5所示，第23个数据同第24个数据的行号相同，取行号为179、列号为78的新的采样点替代原来的两个采样点；

表5

(3)本案例中边界的第一个采样点同最后一个采样点的行号不相同；

步骤四：

(1)为无线传感器网络分配一个215×10的网格存储器；

(2)将第i个采样点存放在网格存储器中，例如表6左侧表格所示，第1个传感器的第1个数据<113,144>，存储在网格存储器中的样式如表6右侧表格所示，将该采样点存放在网格存储器的第113行的第一列，并存放了采样点的传感器编号“1”，以及采样点的列号144；

表6

(3)如果第i个采样点为极值点，则再将该采样点存放一次，例如表7左侧表格所示，第1个传感器的第21个数据为极值点(处于采样点的最高点)，那么应当对其再进行一次存储，结果如表7右侧表格所示；

表7

(4)本案例中首末采样点均处于网格坐标系的中部，不属于极值点；

(5)当存储了第i个采样点和第i+1个采样点之后，以这两个点为端点，进行插值操作，如表8左侧表格所示，以第26个和第27个采样点为端点，其间只有第171行需要进行插值，因此根据插值公式得到结果，如表8右侧表格所示；

表8

步骤五：

(1)对网格存储器的采样点进行排序，如表9-10所示，其中表9是对所有传感器的采样点进行插值投影后网格存储器第40行的结果，而表10是排序后的结果；

表9

表10

(2)对于网格存储器中的每一行，统计每个采样点其前或后所属不同传感器的采样点个数，如表10所示，第1个采样点是第1个传感器的采样点，其后面有2个第2个传感器的采样点，第2个采样点是第2个传感器的采样点，其前后各有1个第1个传感器的采样点，以此类推，应当将第2个采样点和第3个采样点删除，如表11所示；

表11

(3)对于网格存储器中的每一行，统计网格数量，如表11所示，其网格总数为189；

(4)计算整个传感器网络覆盖区域面积，本例中总的覆盖面积是98.91m²，耗时0.011s；

本案例，按照解析方式计算其覆盖面积应为99.18m²，表明本发明精确度高达99.73％；而通过对比文件1公开的方法计算其覆盖面积应为96.20m²，耗时0.019s，表明其精度为97.00％，低于本发明精度，且耗时较长。

本发明提供了一种快捷方便的宽带无线传感器网络指定高度层覆盖范围的面积测量方法，精度与测量耗时都可以达到比较满意的效果，并且其可靠性也较高，可以处理各类样式的无线传感器网络指定高度层覆盖范围的面积。

Claims (6)

1.一种宽带无线传感器网络指定高度层覆盖范围的面积测量方法，其特征包括以下步骤：

数据采集步骤：设置采样密度，根据传感器覆盖半径和干扰环境，计算无线传感器网络中每个传感器在指定高度层上覆盖范围的边界采样点坐标值，并将其按照边界的顺时针或逆时针方向进行存储；

划分网格步骤：根据所得的边界采样点和覆盖半径确定网格区域范围，设置网格长度，划分网格，所述网格区域能够包含所有传感器的边界采样点；

化简处理步骤：将采样点的原始坐标变换为采样点对应网格的行号和列号，然后对存储位置相邻的且行号相同的采样点，取其平均值作为代表进行保留；

插值投影步骤：为整个无线传感器网络分配一个网格存储器，所述网格存储器是一个行数与网格区域垂直方向网格数目相同的二维表格，然后以插值的形式将采样点和插值点存放在网格存储器中；

网格统计步骤：根据网格存储器计算得到无线传感器网络指定高度层覆盖范围的面积。

2.根据权利要求1所述的宽带无线传感器网络指定高度层覆盖范围的面积测量方法，其特征在于数据采集步骤中所述采样密度的取值范围在72～720之间。

3.根据权利要求1所述的宽带无线传感器网络指定高度层覆盖范围的面积测量方法，其特征在于数据采集步骤中所述计算无线传感器网络中每个传感器在指定高度层上覆盖范围的边界采样点坐标值的方法为电磁干扰或地形遮蔽算法。

4.根据权利要求1至3任意之一所述的宽带无线传感器网络指定高度层覆盖范围的面积测量方法，其特征在于划分网格步骤中所述网格长度l由下述公式确定： $l=k\&CenterDot;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\&CenterDot;M;$

其中π为圆周率，N为采样点的采样密度，M为无线传感器网络中最小的覆盖半径，k为比例系数，取值在0.001～0.9之间。

5.根据权利要求4所述的宽带无线传感器网络指定高度层覆盖范围的面积测量方法，其特征在于所述插值投影步骤具体包括以下步骤：

(1)为每一个传感器分配一个N_r×N_l的网格存储器，其中N_r、N_l为网格行数和列数，N_l＝α·n，α取5～20之间的整数，n为传感器个数；

(2)将化简处理步骤中行号相同的采样点，按照列号大小顺序存放在网格存储器的相应行号中；

(3)将化简处理步骤后的第i个采样点的行号同第i-1个采样点的行号和第i+1个采样点的行号比较，y_i分别为第i个采样点的行号，1<i<N，N为采样密度，如果满足下式，则将第i个采样点再存放一次： $\left\{\begin{array}{c}{y}_i>y_{i+1}\\ y_i>y_{i-1}\end{array}\right.$ 或者 $\left\{\begin{array}{c}{y}_i<y_{i+1}\\ y_i<y_{i-1}\end{array}\right.;$

(4)对于第一个采样点，则将第一个、第二个和最后一个采样点进行比较；对于最后一个采样点，则将倒数第二个、最后一个和第一个采样点进行比较，之后按照(3)原则进行处理；

(5)以每两个在存储位置上邻近的采样点为两个端点，根据下式，确定第h行的采样点的列号u并存储：

其中x_k、y_k分别为第k个采样点的列号和行号，x_k+1、y_k+1分别为第k+1个采样点的列号和行号，且y_k<h<y_k+1，0<k<N；表示向上取整，N⁺表示正整数集，v表示中间变量。

6.根据权利要求5所述的宽带无线传感器网络指定高度层覆盖范围的面积测量方法，其特征在于所述网络统计步骤具体包括以下步骤：

(1)对网格存储器中的每一行，按照列号由小到大对数据进行排序；

(2)对网格存储器的第y行的第i个数据，统计其前或后所属不同传感器的数据个数，所述数据个数不包括与该第i个数据所属相同传感器的数据个数，然后判断这些数据个数的奇偶性，若为奇数，则将第i个数据删去；若为偶数，则不作处理，其中i＝1,...,|y|，|y|为网格存储器第y行的数据个数总数；

(3)将第y行中第2f-1个数据同第2f个数据的差的绝对值相加，得到第2f-1个数据同第2f个数据之间的网格个数,其中|y|为网格存储器第y行的数据个数总数；统计第y行的网格个数的总数为g_y；

(4)统计得到整个无线传感器网络覆盖范围所覆盖的网格数进一步得到整个无线传感器网络覆盖范围的面积S＝G·l²。