CN105898700A - 二维平面上移动传感节点的节能栅栏覆盖方法 - Google Patents

二维平面上移动传感节点的节能栅栏覆盖方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二维平面上移动传感节点的节能栅栏覆盖方法，该方法包括下述步骤：S1、将多个移动传感节点和一个移动sink节点随机抛洒在目标区域上；S2、移动sink节点首先收集所有移动传感节点的初始位置信息，然后根据所有节点位置信息和栅栏位置，计算所有节点在栅栏上的最终位置，并发送给每个传感节点；S3、各节点根据调度信息移动到指定的最终位置，采用节能栅栏覆盖算法直到栅栏覆盖形成。本发明通过随机抛洒方式初步部署移动传感节点，利用节能栅栏覆盖机制计算传感节点的最终位置，大大减少了栅栏覆盖所需节点的数量，同时实现节点移动能耗均衡，有效地延长网络寿命。

Description

二维平面上移动传感节点的节能栅栏覆盖方法
技术领域
本发明涉及无线传感网络研究领域，特别涉及一种二维平面上移动传感节点的节能栅栏覆盖方法。
背景技术
入侵检测的边境监测是无线传感器网络的一项重要的应用。例如，传感节点部署在国境线上以检测试图穿越国境线的非法入侵者。如何在监控区域的边界上以最小代价的方式部署传感节点以达到检测非法入侵者的目的是需要研究的栅栏覆盖问题。一个栅格是由一些传感节点组成，这些节点构成一个无线传感网使得任一穿越边界的入侵者能被至少一个节点所检测到。与区域覆盖问题相比，栅格覆盖无需覆盖监控区域的每个点，而只需检测那些穿越边界的入侵者。因此与区域覆盖相比，栅格覆盖需要用到的节点数量少，大大节省节点部署的代价，特别适应于大规模传感器网络的实际部署。
用于边界覆盖的初始传感节点部署很难覆盖整条边界线，有必要让传感节点具备移动功能使得传感节点可按需移动以覆盖边界的某个特定位置。因为节点携带的电池容量较小，考虑一个确保节点电池寿命最大化的智能部署方案至关重要。因此如何根据节点电池能量消耗以最小节点重定位代价，对节点进行重定位以有效地配置所需的栅栏是一个有挑战性的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种二维平面上移动传感节点的节能栅栏覆盖方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明二维平面上移动传感节点的节能栅栏覆盖方法，该方法包括下述步骤：
S1、将多个移动传感节点和一个移动sink节点随机抛洒在目标区域上；
S2、移动sink节点首先收集所有移动传感节点的初始位置信息，然后根据所有节点位置信息和栅栏位置，计算所有节点在栅栏上的最终位置，并发送给每个传感节点；
S3、各节点根据调度信息移动到指定的最终位置，采用节能栅栏覆盖算法直到栅栏覆盖形成。
优选的，步骤S2中：
首先找出节能栅栏覆盖的最优解的性质，得到包含最小最大节点移动距离的候选值集合，然后应用判定算法找到能构建栅栏覆盖的最小距离值以及节点调度信息，所述判定算法是根据给定节点的最大移动距离值，判定是否可实现栅栏覆盖；如果可，则计算传感节点的最终移动位置。
优选的，所述判定算法为：
S21、根据给定节点的最大移动距离值，计算每个节点在栅栏线上的移动范围，即栅栏线上移动范围的最左端和最右端，简称为移动范围最左端和最右端；
S23、选择当前栅栏线上最左未被覆盖的点作为目标点；如果栅栏线的最右端被覆盖，则转步骤S24；否则，执行步骤S23；
S23、找出所有可能覆盖该位置点的传感节点集合，如果集合为空，则表示在给定的移动范围条件下，栅栏覆盖无法形成，执行结束；否则，找出该集合的一个子集，该子集中的节点满足条件：当其处于移动范围最右端时与目标点的距离小于2倍传感半径；
S24、未确定最终位置的节点，设置其最终位置为其移动范围最右端。执行结束，返回所有节点的最终位置。
优选的，所述步骤S23中：
S231、如果子集不为空，则选择该子集中移动范围最右端最大的节点作为覆盖目标点的临界节点，其最终位置为其移动范围最右端；
S232、如果子集为空，则选择移动范围最右端最小的节点作为覆盖目标点的临界节点，其最终位置为目标点位置与传感半径之和。
优选的，上述节能栅栏覆盖最优解的必要条件：如果给定距离值是最优最大节点移动距离，则下面几种情况至少有一个为真：
(a)存在一个节点位于移动范围最右端，且最后一个节点处于L-r处，其中L为栅栏长度，r为节点的传感半径；这两个节点之间相隔常数倍个2r距离。
(b)存在一个节点位于移动范围最左端，且该节点与栅栏起点相隔非负整数倍个2r减r距离。
(c)存在两个节点都位于移动范围最右端，且这两个节点之间相隔常数倍个2r距离。
(d)存在一个节点都位于移动范围最右端，其右边有个节点位于移动范围最左端，且这两个节点之间相隔常数倍个2r距离。
优选的，步骤S3中，所述节能栅栏覆盖算法的具体方法为：
S31、根据最优解的性质，可得到包含最小最大移动距离值的候选值集合。根据最优解的必要条件中4种情形，可计算四个距离值λ1、λ2、λ3和λ4作为最优距离值的候选值，将四个距离值放入集合Λ中，有λ*∈Λ；
S32、将上述候选值进行排序，然后应用判定算法对这些候选值进行判定和二次查找，找到最小的判定为真的距离值为最小最大移动距离值。
优选的，步骤S31中，四个距离值λ1、λ2、λ3和λ4的计算方法如下：
a)对每个节点si和每个k，计算λ1满足等式xi+sqrt(λ2-yi 2)＝L-(k×2r+r)；
b)对每个节点si和每个k，计算λ2满足等式xi-sqrt(λ2-yi 2)＝k×2r+r；
c)对每对节点si和sj(i≠j)以及每个k，计算λ3满足等式：
xi+sqrt(λ2-yi 2)+k×2r+2r＝xj+sqrt(λ2-yj 2)；
d)对每对节点si和sj(i≠j)以及每个k，计算λ4满足等式：
xi+sqrt(λ2-yi 2)+k×2r+2r＝xj-sqrt(λ2-yj 2)。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明通过随机抛洒方式初步部署移动传感节点，利用节能栅栏覆盖机制计算传感节点的最终位置，大大减少了栅栏覆盖所需节点的数量，同时实现节点移动能耗均衡，有效地延长网络寿命。
附图说明
图1是本发明移动节点构建栅栏覆盖的方法流程图；
图2是本发明节能栅栏覆盖方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1、图2所示，本实施例二维平面上移动传感节点的节能栅栏覆盖方法，该方法包括下述步骤：
S1、将多个移动传感节点和一个移动sink节点随机抛洒在目标区域上；
S2、移动sink节点首先收集所有移动传感节点的初始位置信息，然后根据所有节点位置信息和栅栏位置，计算所有节点在栅栏上的最终位置，并发送给每个传感节点；
S3、各节点根据调度信息移动到指定的最终位置，采用节能栅栏覆盖算法直到栅栏覆盖形成。
步骤S2中，首先找出节能栅栏覆盖的最优解的性质，得到包含最小最大节点移动距离的候选值集合，然后应用判定算法找到能构建栅栏覆盖的最小距离值以及节点调度信息，所述判定算法是根据给定节点的最大移动距离值，判定是否可实现栅栏覆盖；如果可，则计算传感节点的最终移动位置。所述判定算法为：
S21、根据给定节点的最大移动距离值，计算每个节点在栅栏线上的移动范围，即栅栏线上移动范围的最左端和最右端，简称为移动范围最左端和最右端；
S23、选择当前栅栏线上最左未被覆盖的点作为目标点；如果栅栏线的最右端被覆盖，则转步骤S24；否则，执行步骤S23；
S23、找出所有可能覆盖该位置点的传感节点集合，如果集合为空，则表示在给定的移动范围条件下，栅栏覆盖无法形成，执行结束；否则，找出该集合的一个子集，该子集中的节点满足条件：当其处于移动范围最右端时与目标点的距离小于2倍传感半径；
S231、如果子集不为空，则选择该子集中移动范围最右端最大的节点作为覆盖目标点的临界节点，其最终位置为其移动范围最右端；
S232、如果子集为空，则选择移动范围最右端最小的节点作为覆盖目标点的临界节点，其最终位置为目标点位置与传感半径之和。
S24、未确定最终位置的节点，设置其最终位置为其移动范围最右端。执行结束，返回所有节点的最终位置。
判定算法(Algorithm 1）的代码描述如下：
输入：S:传感节点集合
输出：F：1栅栏覆盖可行0栅栏覆盖不可行；{x1 i|1≤i≤n}:传感节点最终位置
然后给出节能栅栏覆盖最优解的必要条件：如果给定距离值是最优最大节点移动距离，则下面几种情况至少有一个为真：
(a)存在一个节点位于移动范围最右端，且最后一个节点处于L-r处，其中L为栅栏长度，r为节点的传感半径；这两个节点之间相隔常数倍个2r距离。
(b)存在一个节点位于移动范围最左端，且该节点与栅栏起点相隔非负整数倍个2r减r距离。
(c)存在两个节点都位于移动范围最右端，且这两个节点之间相隔常数倍个2r距离。
(d)存在一个节点都位于移动范围最右端，其右边有个节点位于移动范围最左端，且这两个节点之间相隔常数倍个2r距离。
步骤S3中，所述节能栅栏覆盖算法的具体方法为：
S31、根据最优解的性质，可得到包含最小最大移动距离值的候选值集合。根据最优解的必要条件中4种情形，可计算四个距离值λ1、λ2、λ3和λ4作为最优距离值的候选值，将四个距离值放入集合Λ中，有λ*∈Λ；
四个距离值λ1、λ2、λ3和λ4的计算方法如下：
a)对每个节点si和每个k，计算λ1满足等式xi+sqrt(λ2-yi 2)＝L-(k×2r+r)；
b)对每个节点si和每个k，计算λ2满足等式xi-sqrt(λ2-yi 2)＝k×2r+r；
c)对每对节点si和sj(i≠j)以及每个k，计算λ3满足等式：
xi+sqrt(λ2-yi 2)+k×2r+2r＝xj+sqrt(λ2-yj 2)；
d)对每对节点si和sj(i≠j)以及每个k，计算λ4满足等式：
xi+sqrt(λ2-yi 2)+k×2r+2r＝xj-sqrt(λ2-yj 2)。
S32、将上述候选值进行排序，然后应用判定算法对这些候选值进行判定和二次查找，找到最小的判定为真的距离值为最小最大移动距离值。
节能栅栏覆盖算法的代码描述如下：
输入：S:传感节点集合
输出：λ*：最小最大移动距离
本发明通过随机抛洒方式初步部署移动传感节点，利用节能栅栏覆盖机制计算传感节点的最终位置，大大减少了栅栏覆盖所需节点的数量，同时实现节点移动能耗均衡，有效地延长网络寿命。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.二维平面上移动传感节点的节能栅栏覆盖方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
S1、将多个移动传感节点和一个移动sink节点随机抛洒在目标区域上；
S2、移动sink节点首先收集所有移动传感节点的初始位置信息，然后根据所有节点位置信息和栅栏位置，计算所有节点在栅栏上的最终位置，并发送给每个传感节点；
S3、各节点根据调度信息移动到指定的最终位置，采用节能栅栏覆盖算法直到栅栏覆盖形成。
2.根据权利要求1所述的二维平面上移动传感节点的节能栅栏覆盖方法，其特征在于，步骤S2中，
首先找出节能栅栏覆盖的最优解的性质，得到包含最小最大节点移动距离的候选值集合，然后应用判定算法找到能构建栅栏覆盖的最小距离值以及节点调度信息，所述判定算法是根据给定节点的最大移动距离值，判定是否可实现栅栏覆盖；如果可，则计算传感节点的最终移动位置。
3.根据权利要求2所述的二维平面上移动传感节点的节能栅栏覆盖方法，其特征在于，所述判定算法为：
S21、根据给定节点的最大移动距离值，计算每个节点在栅栏线上的移动范围，即栅栏线上移动范围的最左端和最右端，简称为移动范围最左端和最右端；
S23、选择当前栅栏线上最左未被覆盖的点作为目标点；如果栅栏线的最右端被覆盖，则转步骤S24；否则，执行步骤S23；
S23、找出所有可能覆盖该位置点的传感节点集合，如果集合为空，则表示在给定的移动范围条件下，栅栏覆盖无法形成，执行结束；否则，找出该集合的一个子集，该子集中的节点满足条件：当其处于移动范围最右端时与目标点的距离小于2倍传感半径；
S24、未确定最终位置的节点，设置其最终位置为其移动范围最右端。执行结束，返回所有节点的最终位置。
4.根据权利要求3所述的二维平面上移动传感节点的节能栅栏覆盖方法，其特征在于，所述步骤S23中，
S231、如果子集不为空，则选择该子集中移动范围最右端最大的节点作为覆盖目标点的临界节点，其最终位置为其移动范围最右端；
S232、如果子集为空，则选择移动范围最右端最小的节点作为覆盖目标点的临界节点，其最终位置为目标点位置与传感半径之和。
5.根据权利要求2所述的二维平面上移动传感节点的节能栅栏覆盖方法，其特征在于，上述节能栅栏覆盖最优解的必要条件：如果给定距离值是最优最大节点移动距离，则下面几种情况至少有一个为真：
(a)存在一个节点位于移动范围最右端，且最后一个节点处于L-r处，其中L为栅栏长度，r为节点的传感半径；这两个节点之间相隔常数倍个2r距离。
(b)存在一个节点位于移动范围最左端，且该节点与栅栏起点相隔非负整数倍个2r减r距离。
(c)存在两个节点都位于移动范围最右端，且这两个节点之间相隔常数倍个2r距离。
(d)存在一个节点都位于移动范围最右端，其右边有个节点位于移动范围最左端，且这两个节点之间相隔常数倍个2r距离。
6.根据权利要求1所述的二维平面上移动传感节点的节能栅栏覆盖方法，其特征在于，步骤S3中，所述节能栅栏覆盖算法的具体方法为：
S31、根据最优解的性质，可得到包含最小最大移动距离值的候选值集合。根据最优解的必要条件中4种情形，可计算四个距离值λ1、λ2、λ3和λ4作为最优距离值的候选值，将四个距离值放入集合Λ中，有λ*∈Λ；
S32、将上述候选值进行排序，然后应用判定算法对这些候选值进行判定和二次查找，找到最小的判定为真的距离值为最小最大移动距离值。
7.根据权利要求6所述的二维平面上移动传感节点的节能栅栏覆盖方法，其特征在于，步骤S31中，四个距离值λ1、λ2、λ3和λ4的计算方法如下：
a)对每个节点si和每个k，计算λ1满足等式xi+sqrt(λ2-yi 2)＝L-(k×2r+r)；
b)对每个节点si和每个k，计算λ2满足等式xi-sqrt(λ2-yi 2)＝k×2r+r；
c)对每对节点si和sj(i≠j)以及每个k，计算λ3满足等式：
xi+sqrt(λ2-yi 2)+k×2r+2r＝xj+sqrt(λ2-yj 2)；
d)对每对节点si和sj(i≠j)以及每个k，计算λ4满足等式：
xi+sqrt(λ2-yi 2)+k×2r+2r＝xj-sqrt(λ2-yj 2)。
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