CN107222900A - 一种基于动态链的无线传感器网络节点协作方法 - Google Patents

一种基于动态链的无线传感器网络节点协作方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于动态链的无线传感器网络节点协作方法。所述方法的一具体实施方式包括：在目标周围建立跟踪链来跟踪目标，随着目标的移动，跟踪链逐渐增加或者删除其中的节点；跟踪链的每个节点接收来自上游节点发送的感应数据，并把该数据和自己所观测到的数据进行融合处理后生成新的数据发送给下游节点，直至链头节点，链头节点把接收到的所有感应数据和自己节点所观测到的数据进行融合后发送给汇聚节点；跟踪链上的每个节点轮流担任链头节点。该方法一方面很好的解决了目前基于动态簇或树结构中当目标位置改变时，簇或树需要被重新建立而产生较大开销的问题，另一方面使跟踪节点的感应数据可以在局部被融合，从而提高网络的数据传输效率。

Description

一种基于动态链的无线传感器网络节点协作方法
技术领域
本申请涉及通信技术领域，尤其涉及无线传感器网络(WSN,Wireless SensorNetwork)领域，具体涉及一种基于动态链的无线传感器网络节点协作方法，该方法可用于无线传感器网络的动态目标跟踪与定位等。
背景技术
近年来，随着传感技术、嵌入式技术和无线通信技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的WSN迅速成为通信领域研究的热点。WSN是由部署在特定区域内的大量廉价微型传感器节点所组成，对监测对象的信息实时的感知、采集和处理，并将处理后的信息传送到感兴趣的网络用户终端。与传统无线网络相比，WSN具有分布式处理带来的高精度监测、大范围部署和多领域应用等众多优点，具有巨大的应用前景和价值，已经引起了世界军事部门、工业领域、科研机构和学术界的广泛关注。在WSN的诸多应用中，移动目标跟踪是一项基本功能，它在军事和民用领域都有着重要的价值，例如用于南海岛礁监测、敌方目标探测、灾难救援、室内外协同跟踪定位、野生动物跟踪监测、智能交通管理等。
然而，在面向目标跟踪的WSN中随着目标位置的移动，如果靠近目标的传感器节点没有及时加入跟踪就会影响整个系统的跟踪性能，如果远离目标的传感器节点没有及时退出跟踪则就会消耗过多不必要的能量，这就需要传感器节点间有一个有效的自组织方法来实现。现有的面向目标跟踪WSN的节点自组织和协作方式主要分为：基于分簇的节点协作和基于动态树的节点协作方法。其中基于分簇的节点协作又可以被分为基于静态簇和基于动态簇两种结构，在基于静态簇的方法中网络被划分成不同的区域，每个区域中选择一个簇头来负责管理其成员节点并收集本区域内的感应数据，并对这些数据进行融合处理后发送给汇聚节点。对于大规模WSN，基于分簇的节点协作方法是一种有效的节点组织方法，它使得大部分节点只需要在局部范围内传送自己的感应数据，提高了信道的重复利用率，降低了数据传输之间的碰撞和干扰，同时极大地提高了整个系统的可扩展性和延长了网络寿命。但是对于目标跟踪应用来说，由于移动目标的位置随机改变，同一个目标常常被不同分簇中的节点检测到，这些节点把观测到的数据分别发送给各自的族头，并通过不同的路由转发到汇聚节点，这使得相关性很强的同一个目标的感知数据难以被融合，最终导致网络中较多冗余数据的传输。基于动态簇方法的主要思想是沿着目标移动的轨迹动态的建立一系列的簇，选择离目标最近的节点为簇头节点，当目标移出该簇的区域时，该簇被解散，并且根据目标的位置重新建立一个簇来跟踪目标。虽然在动态簇中同一目标的感知数据可以在簇头处得到融合，然而随着目标的移动，需要重新选择簇头节点并建立新的簇，这样整个网络在簇结构的重建和维护上开销过大。在基于动态树的方法中，常常以目标周围的某个节点为根来建立一个动态树来跟踪目标，该树包括了移动目标周围的传感器节点，并且随着目标的移动，动态树能够自适应的添加和删除相应的节点。然而，当目标位置改变时，树的根节点需要被更换并且动态树本身的结构也需要被重新建立，这使得此类方法的能量利用率大大降低。
因此目前针对目标跟踪的节点自组织方法和网络架构并不能得到满意的系统性能，急需研究一种面向移动目标跟踪的WSN节点之间的自组织和协作方式来提高跟踪效率并节省网络能耗。
发明内容
本申请的目的在于提出了一种改进的基于动态链的无线传感器网络节点协作方法(DCBC，a dynamic chain-based collaboration)，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。本申请受国家自然科学基金青年项目号为61601352的项目和西安电子科技大学自由探索项目的资助。
本申请提供的基于动态链的无线传感器网络节点协作方法，所述方法包括：当目标进入网络区域时，建立传输能量消耗最小的跟踪链，其中，所述跟踪链的节点包括动态跟踪链成员节点和动态跟踪链头节点；随着所述目标的移动，有需要退出所述跟踪链的节点，该节点向相邻的两节点发送退出消息，所述两节点根据接收的所述退出消息组建成新的相邻节点；随着所述目标的移动，有新节点需要加入所述跟踪链，计算得出所述新节点加入到所述跟踪链的不同位置时，所述跟踪链的传输能量消耗值的增加量最小的位置，作为所述新节点加入所述跟踪链的位置；所述跟踪链的每个动态跟踪链成员节点接收来自上游节点发送的感应数据，并把所述感应数据和自己节点所观测到的数据进行合并融合处理后生成新的感应数据，再将所述新的感应数据发送给该节点的下游节点，直至下游节点是所述动态跟踪链头节点，所述动态跟踪链头节点把接收到的感应数据和自己节点所观测到的数据进行合并融合后发送给汇聚节点；所述跟踪链上的每个节点轮流担任动态跟踪链头节点，且每个节点根据最短担任期限、该节点与所述汇聚节点间的距离、该节点的剩余能量计算该节点担任动态跟踪链头节点的期限。
在一些实施例中，所述当目标进入网络区域时，建立传输能量消耗最小的跟踪链，包括：当目标进入网络区域时，各个网格头节点接收汇聚节点发送的目标信息，并根据所述目标信息唤醒相应网格成员节点；第一个检测到目标的网格头节点向被唤醒的各个网格成员节点和各个网格头节点发送建立跟踪链消息，所述第一个检测到目标的网格头节点首先加入跟踪链并创建链头令牌成为初始的动态跟踪链头节点；所述动态跟踪链头节点接收所述已唤醒的各个网格成员节点和各个网格头节点发送的节点信息，其中，节点信息是指该节点在接收到所述建立跟踪链消息后返回的该节点的标识ID和位置信息；所述动态跟踪链头节点根据已接收的各个网格成员节点和各个网格头节点的节点信息建立传输能量消耗最小的跟踪链，网格成员节点和网格头节点加入所述跟踪链后变成动态跟踪链成员节点。
在一些实施例中，所述基于动态链的无线传感器节点协作方法方法还包括：所述跟踪链上的节点的通信模块在有数据需要收发时处于活动状态，其它时间则处于关闭状态。
在一些实施例中，所述基于动态链的无线传感器节点协作方法方法还包括：所述跟踪链上的节点可以根据数据发送的距离来调整自己的发射功率。
本申请提供的基于动态链的无线传感器网络节点协作方法，通过在目标周围建立一个动态的跟踪链，随着目标的移动，跟踪链中的远离目标的节点可以退出跟踪链，新的节点可以加入跟踪链，这样既保证了系统的跟踪性能又节省了节点的能量消耗，并且在感应数据传输时，每个动态跟踪链成员节点接收来自上游节点发送的数据，把该数据和自己所观测到的数据合并融合处理后再发送给该节点的下游节点，最后由动态跟踪链头节点把融合好的数据发送给汇聚节点，因此感应数据沿着动态跟踪链传输的每一步都可以被合并和融合，在数据传输方面也节省了较多的能量。当有节点要加入或者退出跟踪链时只需要通知自己相邻的两个节点，并且当动态跟踪链头节点改变时，不需要重新建立动态跟踪链。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是根据本申请的网络节点协作方法的一个实施例的流程图；
图2是根据本申请的网络节点协作方法的建立的一条跟踪链的示意图；
图3是动态跟踪链成员节点退出跟踪链的示意图；
图4是节点加入动态跟踪链的示意图；
图5是动态跟踪链上节点的通信模块的睡眠活动时间安排的示意图；
图6是网络中链结构或者树结构的建立所需要消耗的能量；
图7是网络初始化和链结构或树结构的建立所消耗的时间；
图8是不同方法中数据收集的平均延迟随着网络节点数量的变化图；
图9是不同方法中网络的生命周期。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1示出了根据本申请的基于动态链的无线传感器网络节点协作方法的一个实施例的流程100。所述的基于动态链的无线传感器网络节点协作方法，包括以下步骤：
步骤101，当目标进入网络区域时，建立传输能量消耗最小的跟踪链。
在本实施例中，我们考虑一个静态的无线传感器网络WSN，该网络由一个汇聚节点和若干个随机分布的传感器节点(Ni,i∈[1,p])组成，其中p表示传感器节点的个数，这些节点分布在一个M×N的二维区域内。另外，该网络还具有以下属性和假设：
●汇聚节点的位置固定并且具有充足的外界能量供应，不受能量限制。汇聚节点从网络区域内收集感应数据。
●传感器节点的分布相互独立，每个节点是相同性质并是能量有限的。
●每个传感器节点可以通过一些定位算法来表示该节点的位置。
●假设每个传感器节点的传输功率是可以调节的，节点可以根据传输距离来调整自己的发射功率。
●在网络初始化后，节点以网格的形式来组织，每个网格中包括一个头节点和若干个成员节点，头节点分别管理各自的成员节点，并根据从汇聚节点处得到的目标信息来选择成员节点以执行跟踪任务。由于网格头节点一直保持活动状态，能量消耗的快，因此它会周期性地被其它成员节点替换。
在本实施例中，虽然把整个网络划分成网格的形式来说明我们提出的基于动态链的节点协作方法DCBC，但是该方法也可以应用在其它分层结构的网络或者是平面拓扑结构的网络中。
在本实施例中，为了可靠的跟踪目标并及时收集目标信息，所有节点被分为以下四种角色：网格成员节点(GM，grid member)、网格头节点(GH，grid head)、动态跟踪链成员节点(TCM，tracking chain member)和动态跟踪链头节点(TCH，tracking chain head)。不同的节点角色对应的通信范围也不相同，节点的通信范围主要包括：网格内的通信、网格之间的通信和网格和汇聚节点之间的通信。节点可以按照相对应的角色来调整自己的通信范围和睡眠周期以便有效的利用能量。
在本实施例中，网格头节点GH总是处于活动状态，接收来自于汇聚节点发送的目标信息，当目标进入网络区域时，各个网格头节点GH根据所接收的目标信息唤醒相应的网格成员节点GM。所有被唤醒的网格成员节点都在上述目标的周围，相对距离比较近。第一个检测到目标的网格头节点向周围所有被唤醒的网格成员节点和各个网格头节点发送建立跟踪链的消息“building_chain”以启动动态链的建立程序，该第一个检测到目标的网格头节点首先加入跟踪链并创建链头令牌作为初始的动态跟踪链头节点TCH。目标周围的各个网格头节点GH和各个被唤醒的网格成员节点GM收到该消息后，向初始的动态跟踪链头节点TCH返回自己的节点信息，其中，节点信息是该节点的标识(ID，identification)和位置信息等，即在上述第一检测到目标的网格头节点的通信范围内，所有处于工作状态的其它节点都会收到该节点发送的建立跟踪链的消息，并返回自己的节点信息。TCH节点根据各个网格头节点和各个网格成员节点返回的节点信息建立一个传输能量消耗最小的跟踪链，即建立一个∑dα值最小的跟踪链，其中d表示跟踪链上相邻两个节点的距离，α表示路径损耗指数，一般情况下2≤α≤5，具体的取值取决于信道的特征。网格头节点和网格成员节点加入跟踪链后变成动态跟踪链成员节点。以图2为例，图2是根据本申请的网络节点协作方法的建立的一条跟踪链的示意图。在图2中，201表示目标，202表示汇聚节点，203表示动态跟踪链头节点TCH，圆形表示动态跟踪链成员节点TCM，六边形表示网格成员节点GM。
在其它条件不变时，如果要降低节点传输数据时所消耗的能量就必须缩短两个收发节点之间的距离或者减小数据包的大小，减小数据包的大小可以通过数据的合并和融合来实现，而在目标跟踪链中减小传输节点之间的距离则是需要减小∑dα的值。在跟踪链的建立过程中，初始TCH根据各个网格头节点和各个网格成员节点的位置选择一个节点加入该跟踪链使得∑dα值的增加量最小，然后将这个节点插入该跟踪链中，这样每次选择一个节点作为跟踪链的新成员插入该跟踪链，直到所有需要执行跟踪任务的节点都加入该跟踪链。为了使∑dα取得最小值，节点在加入跟踪链时可以插入跟踪链中的两个节点之间。
步骤102，随着目标的移动，有需要退出跟踪链的节点，该节点向相邻的两节点发送退出消息，两节点根据接收的退出消息，组建成新的相邻节点。
在本实施例中，在动态跟踪链建立以后，随着目标的移动，跟踪链上的节点的感知模块在一定的时间内感知不到上述目标时，或者检测不到上述目标时，说明上述目标已经远离，如果该节点是动态跟踪链成员节点，该动态跟踪链成员节点要退出跟踪链时，只要向上下游相邻的两个节点发送退出消息，而不影响其它节点的工作，该节点的退出消息包括自己上下游两个节点的ID信息、位置信息等，上下游的两个节点收到这个退出消息后则自动组成跟踪链的新的相邻节点。以图3为例，图3是动态跟踪链成员节点要退出跟踪链的示意图。在图3中，302表示汇聚节点，303表示动态跟踪链头节点TCH，圆形表示动态跟踪链成员节点TCM，六边形表示网格成员节点GM，当目标301向右行驶至304处，动态跟踪链成员节点306远离目标304，动态跟踪链成员节点306需要退出跟踪链，因此，动态跟踪链成员节点306向相邻的节点305和307发送退出消息，节点305和307收到这个消息后则自动组成跟踪链的新的相邻节点。
在本实施例中，如果是动态跟踪链头节点TCH要退出跟踪链，其过程和动态跟踪链成员节点一样，只是需要在发送退出消息的时候将链头令牌传递给自己的下游节点。
步骤103，随着目标的移动，有新节点需要加入跟踪链，计算得出新节点加入到跟踪链的不同位置时，跟踪链的传输能量消耗值的增加量最小的位置，作为新节点加入跟踪链的位置。
在本实施例中，随着目标的移动，目标位置发生改变，检测到目标的跟踪链外的其它节点要加入跟踪链，其中，上述其它节点至少包括网格成员节点、网格头节点；则该节点向周围广播加入消息“req_join”，该加入消息中包括了该节点的ID和位置信息，当跟踪链的动态跟踪链头节点TCH收到该节点的加入消息后，计算该节点加入到跟踪链中不同位置时跟踪链的传输能量消耗值∑dα，选择一个位置使该节点加入跟踪链后，跟踪链的传输能量消耗值∑dα的增加量最小的位置，作为新节点加入跟踪链的位置，最后动态跟踪链头节点TCH通知该节点并使其加入到跟踪链的相应位置，以图4为例，图4是节点加入动态跟踪链的示意图。在图4中，圆形表示动态跟踪链成员节点TCM，六边形表示网格成员节点GM，目标401向右行驶至402处，节点405向周围广播加入跟踪链的消息；然后，动态跟踪链头节点403接收到上述消息，通过计算得出节点405在动态跟踪链成员节点404后面时，跟踪链的传输能量消耗值∑dα的增加量最小，之后，动态跟踪链头节点403通知将该位置信息通知节点405并使其加入到跟踪链的相应位置。
在本实施例中，当目标移出网络时，跟踪链的动态跟踪链头节点TCH节点根据从汇聚节点得到目标移出网络的消息，向周围广播跟踪链的解散消息“chain_disbandment”，跟踪链中其它节点收到该消息后删除该跟踪链的相关信息并退出跟踪链。
步骤104，跟踪链的每个动态跟踪链成员节点接收来自上游节点发送的感应数据，并把所述感应数据和自己节点所观测到的数据进行合并融合处理后生成新的感应数据，再将该新的感应数据发送给该节点的下游节点，直至下游节点是动态跟踪链头节点,动态跟踪链头节点把接收到的感应数据和自己节点所观测到的数据进行合并融合后发送给汇聚节点。
在本实施例中，目标周围的跟踪链上的节点需要把自己的感应数据通过多跳的形式发送到汇聚节点。每轮数据的传输都由跟踪链的链尾节点开始，链尾节点由跟踪链上的节点自己判断，即当跟踪链上的节点只有一个相邻节点时被判定为链尾节点。通常每一条跟踪链有两个链尾，为了避免两个链尾同时发送感应数据而产生碰撞，每个链尾可以随机等待一段时间再发送感应数据，或者侦听到信道空闲时发送感应数据。链尾节点如果没有链头令牌就首先把自己的感应数据发送给相邻的下游节点，下游节点收到该感应数据后，把该感应数据同自己所观测到的数据进行合并融合等处理，并把处理后的新的感应数据发送给与自己相邻的下游节点，以此类推，直到数据到达动态跟踪链头节点TCH节点，最后由动态跟踪链头节点把接收到的所有感应数据和自己节点所观测到的数据进行合并融合后发送给汇聚节点。
这样节点的感应数据就沿着跟踪链的方向一步一步的被传输，并且在每个节点上都可以合并和融合感应数据，因此网络中没有冗余数据的传输，从而节省了节点的能量消耗。
在本实施例的一些可选的实现方式中，由于跟踪链上的节点中通信模块是消耗能量最多的模块，因此当跟踪链上的节点不需要发送数据时应该使通信模块处于关闭状态以节省能量。跟踪链上的节点是依次轮流发送自己的数据，为了节省能量，我们针对目标跟踪链上的数据传输提出了一种动态的能量有效的睡眠方式，这种方式使得跟踪链上节点的通信模块在有数据需要收发时处于活动状态，其它时间则处于关闭状态。动态跟踪链头节点TCH为跟踪链上的每个节点分配时槽用来收发数据，并通过控制消息传递给跟踪链上的每一个节点。动态跟踪链头节点TCH不用在每轮数据收集中都发送控制消息，只有当跟踪链中有新节点加入时或动态跟踪链头节点TCH节点更换时才发送新的控制消息。当跟踪链中有节点退出时，只需要该节点通知它的下游节点延长接收数据的时槽而不用改变其它节点的睡眠安排。
以图5为例，图5是动态跟踪链上节点的通信模块的睡眠活动时间安排的示意图。图5中，tr表示一轮数据收集的时间，它被分为两个部分，包括tc和n个数据收发时槽ts，其中，tc表示动态跟踪链头节点发送控制信息和链尾等待等的时间，ts表示数据接收或者发送的一个时槽，n表示时槽的个数。它可以计算如下：
每轮数据收集时，在tc时间段过后，跟踪链上的链尾节点开始向自己下游的邻居节点发送自己的感应数据。由于跟踪链上的链尾节点只有一个邻居，因此它只分配到一个时槽用来发送感应数据。而跟踪链上的其它节点都被分配给两个时槽，一个时槽用来接收上游邻居节点发来的数据，另一个时槽用来发送处理后的感应数据给自己的下游邻居节点，相邻两个节点之间有一个时槽是重合的以便数据的收发，除了收发时，跟踪链上的节点在其它时间可以关闭自己的通信模块，使自己处于睡眠状态以节省能量。
在本实施例的一些可选的实现方式中，跟踪链上的节点可以根据数据发送的距离来调整自己的发射功率以便能量的利用率达到最优，并且也减少了相互之间发送数据的干扰从而增加了信道的重复利用率。
步骤105，跟踪链上的每个节点轮流担任动态跟踪链头节点，且每个节点根据最短担任期限、该节点与所述汇聚节点间的距离、该节点的剩余能量计算该节点担任动态跟踪链头节点的期限。
在本实施例中，为了平衡网络中节点的能量消耗，跟踪链上的节点需轮流充当动态跟踪链头节点TCH，如果当前TCH的担任期限到期，它就会将链头令牌传递给它的上游节点，当该节点没有上游节点时则传递给它的下游节点，那么收到链头令牌的节点就会成为下一任动态跟踪链头节点TCH。TCH节点的担任期限可以按照如下的计算得到：
其中，CNi表示跟踪链上的第i的节点，ltTCH(CNi)表示跟踪链节点CNi担任TCH的期限，并且ltTCH(CNi)∈[0,1,2...]，即都是正整数，符号[]表示取其中数值的整数部分。δmin，δd_ref和δe_ref分别表示TCH的最短担任期限、距离相关的控制系数和能量相关的控制系数，并且δmin,δd_ref,δe_ref∈[0,1,2...]，这些参数都可以按照系统的要求设定，s表示汇聚节点，|CNi,s|表示节点CNi和汇聚节点s之间的距离，|CNi,s|α中，α表示路径损耗指数，一般情况下2≤α≤5，具体的选择取决于信道的特征，max|CNi,s|α表示|CNi,s|α的最大值，Eref表示能量的参考值，一般选为节点的初始能量值，Eres(CNi)表示节点CNi的剩余能量。由于节点发送数据所消耗的能量和发送的距离|CNi,s|的α次方成正比，所以距离汇聚节点最远的节点传输数据到汇聚节点时所消耗的平均能量最多，因此我们选择该节点作为参考节点。如果当前TCH的担任期限到期，它向上游节点，如果该节点没有上游节点则选下游节点，发送消息“TCH_token”，当邻居节点收到该消息后，首先按照上式计算自己担任TCH的期限，如果该期限值大于零，则向当前TCH回复消息接受“accept”，否则回复消息拒绝“refuse”。当前TCH如果收到“accept”则认为链头节点更换成功并把跟踪链的相关信息发送给新的TCH，自己变成TCM节点，当前TCH如果收到“refuse”则还需继续担任TCH并向其它节点发送“TCH_token”消息，直到找出新的TCH为止，其中，其它节点可以是该节点的上游节点或下游节点。
TCH节点每收集一轮感应数据后，它的ltTCH(CNi)值就减1，即ltTCH＝ltTCH-1，当ltTCH＝0时当前TCH的担任期限到期。这样跟踪链上的每个节点都可以根据自己离汇聚节点的距离和剩余能量来选择一个不同的担任TCH的期限，这不仅减少了网络中控制信息的传输而且可以使节点的能量消耗更加均衡。另外，在TCH节点的更换过程中，只需要和相邻的节点之间进行通信，并且整个跟踪链的结构不需要被重新建立，这使得该方法很适合面向目标跟踪的WSN。
在本申请的上述实施例提供的基于动态链的无线传感器网络节点协作方法通过在目标周围建立一个动态的跟踪链，随着目标的移动，动态跟踪链逐渐增加或者删除其中的节点使得该动态跟踪链能够适应目标位置的变化，这样既保证了系统的跟踪性能又节省了节点的能量消耗，并且在感应数据传输时，每个节点接收来自上游节点发送的感应数据，把该感应数据和自己所观测到的数据合并融合处理后再发送给该节点的下游节点，最后由TCH节点把融合好的数据发送给汇聚节点，因此感应数据沿着动态跟踪链传输的每一步都可以被合并和融合，在数据传输方面也节省了较多的能量。当有节点要加入或者退出跟踪任务时只需要通知自己相邻的两个节点就可以了，并且当TCH改变时，不需要重新建立动态跟踪链，减少了网络开销。
本发明的优点可通过仿真实验进一步说明。在实验中，我们采用了基于OMNeT++4.1(Objective Modular Network Testbed in C++，多协议网络仿真软件)的仿真平台Castalia来仿真比较本申请针对面向目标跟踪的基于动态链的节点协作方法DCBC和当前现有技术，该仿真从能量消耗、数据收集的平均延迟和网络生命周期等方面比较和分析通过各种传感器网络节点协作方法组建的网络的性能，目前常用的典型方法如下：1.基于固定链结构的网络(PEGASIS，Power-Efficient GAthering in Sensor InformationSystems)。、2.动态分簇结构的网络(COSEN，chain oriented sensor network)。3.动态传送树(DCTC，dynamic chain-based collaboration)。在仿真中，在不同的节点随机分布模式下，每次仿真至少运行五次，仿真结果取这五次结果的平均值。
我们建立一个包括250个传感器节点的网络，这些节点随机分布在一个200m×200m的区域内，整个网络被划分为16个网格，汇聚节点的位置是固定的，位于坐标(100,600)处。当GH消耗的能量大于其担任簇头时的1/3时，该GH就会被其它的节点替换。另外，节点对单个感应数据包的处理所消耗的能量被设置为5nJ/bit。每个节点的感应范围为Rsensing＝12m，节点的初始能量为10J。当节点的通信模块活动和睡眠时，该节点所消耗的能量分别为0.22mW和0.000006mW。在仿真中，感应区域内的跟踪节点每0.3s报告一次自己的观测数据，数据包和控制包的大小分别为256bytes和8bytes，无线信道的传输带宽为1Mbps，并且我们采用IEEE802.15.4的MAC(Media Access Control，介质访问控制)层模型。另外，我们设置一个时槽为ts＝5ms，节点对数据的处理时间为1ms和3ms之间的任意时间。关于计算TCH节点担任期限的参数设定为δmin＝1，δd_ref＝2，δe_ref＝5。最后，我们假设移动目标在网络区域内随机连续的移动，最大速度为8m/s。
继续参见图6，图6是网络中链结构或者树结构的建立所需要消耗的能量。在图6中，横坐标approaches表示不同方法，纵坐标Total energy consumption表示消耗的能量。从图6中我们可以看出在PEGASIS和COSEN方法中，建立链结构所需要消耗的能量几乎一样多，这是因为它们都采用了贪婪算法来建立链结构。PEGASIS和COSEN方法比DCTC和DCBC方法在链或者树的建立中消耗的能量多是因为它们中所有的节点都参与了链的建立，节点需要与其它节点进行远距离通信来获得其它节点的位置信息，而在DCTC和DCBC方法中，只有目标周围的一部分节点参与了链或树的建立，这些节点都位于目标周围的一个局部范围内，通信距离往往比较小，因此消耗的能量也比较少。
继续参见图7，图7是网络初始化和链结构或树结构的建立所消耗的时间。在图7中，横坐标approaches表示不同方法，纵坐标Time表示网络初始化和链结构或树结构的建立所消耗的时间。同样的道理，PEGASIS和COSEN方法比DCTC和DCBC方法在链结构或者树结构的建立中消耗的时间多也是因为在链结构或者树结构的建立过程中参与的节点数量多。另外COSEN方法比PEGASIS方法建立链结构所需要的时间短是因为COSEN方法中可以在不同的区域内同时建立子链，这就相当于所建立链结构的总长度变短。从图6和图7中我们可以看出，链结构和树结构在建立时，如果参与的节点数量相同，那么它们消耗的能量和所需要的时间也是基本相同的。
继续参见图8，图8是不同方法中数据收集的平均延迟随着网络节点数量的变化图。在图8中，横坐标Number of nodes表示网络中节点个数，纵坐标Average datacollection time表示数据收集的平均延迟。网络中节点个数的变化范围从128到512个。如果其他参数保持不变的情况下，数据收集的平均延迟都随着网络节点数量的增加而增加，这是因为节点增多时网络需要传输的数据包也增多。PEGASIS方法中数据传输延迟随着节点数量的增加也迅速增加并且在所有方法中的数据传输延迟最大，这是因为该方法中只建立一条链，链上的节点越多链的长度就越长，因此数据传输延迟越大。由于在COSEN方法中链的长度相对比较短，因此它的数据传输延迟比PEGASIS方法中的要小很多。DCTC和DCBC方法中的数据传输延迟也是由树结构或者链结构上的节点数量决定的，但是在网络节点数量较多的情况下DCTC方法中的树结构被重新建立的次数也增多，因此DCTC方法中的数据延迟比DCBC方法的要长。
继续参见图9，图9是不同方法中网络的生命周期。在图9中，横坐标Percentage ofdead nodes表示网络中死亡节点的百分比，纵坐标Number of rounds表示收集感应数据的轮数。其中，每一轮收集感应数据是指把感应数据从成员节点处一直传输到汇聚节点，也就相当于网络的寿命。从图中可以看出，采用本申请提出的DCBC方法可以有效的延长网络的寿命。这主要是因为在DCBC方法中，只有目标周围的节点参与跟踪并且动态跟踪链能够及时的根据目标的位置来调整跟踪链上的节点，另外，跟踪链的结构也不用频繁调整。采用DCTC方法所得的网络寿命比采用DCBC方法所得的短，主要是因为动态树需要随着目标的移动而被重新建立，并且位于接近树根处的节点由于承担的数据传输任务较重而消耗的能量过多从而导致网络节点能量消耗不均衡。另外，PEGASIS和COSEN方法中的网络寿命比相比DCTC和DCBC方法较短，是因为在这两种方法中许多不相关的节点也被牵扯到数据传输任务中，从而导致节点能量的消耗。
因此，本申请针对目标跟踪应用提出了一种基于动态链的节点协作方法，它通过在目标周围形成一个动态的跟踪链来完成目标跟踪任务，随着目标的移动，动态跟踪链逐渐增加或者删除其中的节点使得该动态链能够适应目标位置的变化。该方法能够使跟踪链上的节点所获得的感应数据在局部被收集并融合，从而能够提高网络的能量利用率以及数据传输效率。并且当目标的位置改变时，动态跟踪链的结构不需要被重新建立。实验结果表明：在面向目标跟踪的WSN中，采用本申请所提出的方法可以节省和均衡网络的平均能量消耗，在不影响网络性能的情况下延长网络的生命周期。

Claims (4)

1.一种基于动态链的无线传感器节点协作方法，其特征在于，所述方法包括：
当目标进入网络区域时，建立传输能量消耗最小的跟踪链，其中，所述跟踪链的节点包括动态跟踪链成员节点和动态跟踪链头节点；
随着所述目标的移动，有需要退出所述跟踪链的节点，该节点向相邻的两节点发送退出消息，所述两节点根据接收的所述退出消息组建成新的相邻节点；
随着所述目标的移动，有新节点需要加入所述跟踪链，计算得出所述新节点加入到所述跟踪链的不同位置时，所述跟踪链的传输能量消耗值的增加量最小的位置，作为所述新节点加入所述跟踪链的位置；
所述跟踪链的每个动态跟踪链成员节点接收来自上游节点发送的感应数据，并把所述感应数据和自己节点所观测到的数据进行合并融合处理后生成新的感应数据，再将所述新的感应数据发送给该节点的下游节点，直至下游节点是所述动态跟踪链头节点，所述动态跟踪链头节点把接收到的感应数据和自己节点所观测到的数据进行合并融合后发送给汇聚节点；
所述跟踪链上的每个节点轮流担任动态跟踪链头节点，且每个节点根据最短担任期限、该节点与所述汇聚节点间的距离、该节点的剩余能量计算该节点担任动态跟踪链头节点的期限。
2.根据权利要求1所述的基于动态链的无线传感器节点协作方法，其特征在于，所述当目标进入网络区域时，建立传输能量消耗最小的跟踪链，包括：
当目标进入网络区域时，各个网格头节点接收汇聚节点发送的目标信息，并根据所述目标信息唤醒相应网格成员节点；
第一个检测到目标的网格头节点向被唤醒的各个网格成员节点和各个网格头节点发送建立跟踪链消息，所述第一个检测到目标的网格头节点首先加入跟踪链并创建链头令牌成为初始的动态跟踪链头节点；
所述动态跟踪链头节点接收所述已唤醒的各个网格成员节点和各个网格头节点发送的节点信息，其中，节点信息是指该节点在接收到所述建立跟踪链消息后返回的该节点的标识ID和位置信息；
所述动态跟踪链头节点根据已接收的各个网格成员节点和各个网格头节点的节点信息建立传输能量消耗最小的跟踪链，网格成员节点和网格头节点加入所述跟踪链后变成动态跟踪链成员节点。
3.根据权利要求1所述的基于动态链的无线传感器节点协作方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述跟踪链上的节点的通信模块在有数据需要收发时处于活动状态，其它时间则处于关闭状态。
4.根据权利要求1所述的基于动态链的无线传感器节点协作方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述跟踪链上的节点可以根据数据发送的距离来调整自己的发射功率。
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