CN110278113A - 一种视频传感网最大时空覆盖的调度方法 - Google Patents

一种视频传感网最大时空覆盖的调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种视频传感网最大时空覆盖的调度方法，步骤依次为：时空覆盖效用建模；视频传感器的传感范围建模；目标对象覆盖质量建模；基于节点类型的节点能耗建模；基站收集节点的能量数据；基站根据目标位置、节点位置和收集的传感器节点的能量数据，计算出网络调度；基站将计算出的网络调度发送给各节点，各节点执行调度，实现对目标对象的监控。本发明充分考虑节点能量收集和目标对象覆盖质量需求，在保证网络连接性下，实现所有目标对象的总时空覆盖效用最大化。

Description

一种视频传感网最大时空覆盖的调度方法
技术领域
本发明属于物联网领域，特别涉及了一种视频传感网最大时空覆盖的调度方法。
背景技术
视频传感器属于定向传感器，具有感应方向性和有限的感应角度，并且传感方向可旋转，这对网络实现目标覆盖具有重要影响。在一些应用中，目标对象的重要性不同，即目标对象具有不同的优先权，因而具有不同的覆盖质量需求。
监控任务具有严格的执行时间要求，即要求网络的工作时间不低于一个指定的时长，而在给定的任务时间内网络无法持续不断地满足所有目标对象的覆盖要求。在网络生命期限定下，最大覆盖优化不仅要考虑目标对象被覆盖的时间而且要考虑目标对象被提供的覆盖质量。将目标对象被覆盖的时间看作是时间维度，将目标对象被提供的覆盖质量看作是空间维度，则网络生命期约束下最大覆盖问题即是最大时空覆盖问题。定向传感器的方向可旋转，同一传感器可以被多次调度进行工作，并且在不同工作时段内的工作方向可以不同。
现有技术研究了定向传感网中网络生命期约束下的最小化覆盖间隙问题，给出了该问题的整数规划和启发式算法，但覆盖间隙意味着目标对象不能连续被传感器监控。另有现有技术研究了全向传感网中网络生命期约束下如何调度各传感器的活动以使得所有目标点的总有效覆盖时间最大化，未考虑网络连接性，目标点的有效覆盖时间为目标点的重要因子与被覆盖时间的乘积，证明了该问题的NP困难性。另有现有技术将研究拓展到相机传感网中，相机传感器属于定向传感器，考虑了目标对象的面向性，讨论了网络初始部署时传感器的方向不可调、离散可调与连续可调这三种情况下的最大总有效覆盖时间传感器调度问题，设计了问题的求解算法。但该研究未考虑保证网络连接性，并且使用的是不可旋转的定向传感器，无法在监控任务的执行过程中动态地调整传感器的工作方向来提高网络覆盖性能。另有现有技术研究了能量收集全向传感网中网络生命期约束下连接的最大目标覆盖问题，不仅考虑目标对象被覆盖的时间而且考虑覆盖目标对象的传感器数，设计了相应的求解算法，然而，该研究成果不适用于定向传感网和视频传感网。另有现有技术研究了能量收集定向传感网中的最大生命期目标覆盖问题，考虑了目标对象具有不同的覆盖质量需求和网络连接性保证，但该研究成果不适用于网络生命期约束下的最大目标覆盖。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种视频传感网最大时空覆盖的调度方法，保证网络连接性，针对能量收集的时空变化性和不确定性恰当调度传感器节点的活动和朝向，实现所有目标对象的总时空覆盖效用最大化。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种视频传感网最大时空覆盖的调度方法，包括以下步骤：
(1)时空覆盖效用建模：
设任务时间被划分为等长的时隙，设定充电模式周期T，将任务时间划分为若干个周期T，定义目标对象的时空覆盖效用为目标对象被覆盖的时间与被提供的覆盖质量的乘积的和，则最大时空覆盖网络调度问题的优化目标为所有目标对象的时空覆盖效用总和；
(2)视频传感器的传感范围建模；
(3)目标对象覆盖质量建模：
一个视频传感器对一个目标对象的覆盖质量不仅取决于是否覆盖而且取决于它们之间的距离，距离越小，覆盖质量越好；覆盖一个目标对象的视频传感器集的选择取决于该目标对象的覆盖质量需求以及它与视频传感器之间的距离；
(4)基于节点类型的节点能耗建模，节点类型包括传感节点、中继节点以及同时作为传感节点和中继节点；
(5)基站收集节点的能量数据；
(6)基站根据目标位置、节点位置和收集的传感器节点的能量数据，计算出网络调度；
(7)基站将计算出的网络调度发送给各节点，各节点执行调度，实现对目标对象的监控。
进一步地，在步骤(2)中，每个视频传感器的传感范围被建模为一个扇形，由传感角度和传感半径来刻画；一个目标对象被一个视频传感器覆盖当且仅当该目标对象位于该视频传感器的扇形传感范围之内。
进一步地，在步骤(4)中，如果节点仅是传感节点，则其能耗只包括传感能耗；如果节点仅是中继节点，则其能耗包括接收数据能耗和发送数据能耗，由于节点的发送半径可调，因此发送数据能耗与发送半径正相关；如果节点既是传感节点又是中继节点，则节点能耗不仅包括传感能耗，还包括接收数据能耗和发送数据能耗。
进一步地，在步骤(5)中，在每个周期开始之前，每个节点向基站发送它的剩余能量、预计收集能量以及上一周期的实际收集能量。
进一步地，在步骤(6)中，计算网络调度的方法如下：
令D(i,t)表示节点i在时隙t内的工作方向；令F(i,t)表示节点i在时隙t内的路由父节点；令E(i,t)表示节点i在时隙t开始时的剩余能量；则计算网络调度的步骤如下：
(601)计算上一周期能量收集误差，如果误差小于设定值，则令|T|＝min{|T|+1,L}；否则令|T|＝|T|-1；其中|T|为T包含的时隙数；其中，L表示一个充电模式周期T所能包含的最大时隙数；
(602)预测在周期T内每个节点能够收集到的能量；节点可用能量为现有能量与预测的能够收集到的能量之和；
(603)令t＝0；
(604)令Q为所有目标对象的集合，S为E(i,t)>0的节点的集合；
(605)如果S中没有节点能够提供覆盖质量增量并能连接到基站，则转入步骤(609)；
(606)从S中选择一个在时隙t未传感的节点k，选择节点k的朝向m、选择一条从节点k到基站的路径R，使得总覆盖质量增量最大、总节点能耗增量最小且最小节点剩余可用能量最大；
(607)将D(k,t)设置为m，节点k在时隙t成为传感节点，将路径R上的每个节点的F(i,t)设置为其下游节点，从Q中排除所有满足覆盖质量要求的目标对象，将R上每个节点的可用能量减去其新增能耗，从S中排除无可用能量的节点；
(608)如果Q不为空，转入步骤(605)；
(609)令t＝t+1，如果t＜|T|，转入步骤(604)；
(610)输出周期T内的网络调度。
进一步地，在步骤(7)中，基站将下一周期大小以及每个节点在每个时隙的工作方向、父节点信息发送给每个节点。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明既考虑了目标对象被覆盖的时间又考虑了目标对象被提供的覆盖质量，充分针对了视频传感器定向传感和传感角度局限性的特点。
本发明综合考虑了视频传感器传感方向的选择和通信路由的选择，充分利用视频传感器传感方向可旋转性，在每个时隙动态地调整视频传感器的传感方向，以提高覆盖效率、能量效率与能量均衡。
本发明动态地计算收集能量预测误差，并能根据收集能量预测误差的大小动态地调整充电模式周期的大小，以提高能量预测的精度，从而避免收集能量的浪费以及目标对象覆盖效用的降低，能够充分利用视频传感器捕获到的能量提高所有目标对象的总时空覆盖效用。
附图说明
图1是本发明中计算网络调度的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明设计了一种视频传感网最大时空覆盖的调度方法，并充分考虑节点能量收集和目标对象覆盖质量需求，具体实施过程如下：
步骤1：时空覆盖效用建模
设任务时间H被划分为等长的时隙，设定一个充电模式周期T，任务时间被划分为若干个周期。定义目标对象的时空覆盖效用为目标对象被覆盖的时间与被提供的覆盖质量的乘积的和，即目标对象oi的时空覆盖效用其中μ(i,t)为oi在t时刻被提供的覆盖质量。最大时空覆盖网络调度问题的优化目标为所有目标对象的时空覆盖效用总和其中O为目标对象全集。
步骤2：视频传感器的传感范围建模
每个视频传感器的传感范围被建模为一个扇形，可由传感角度和传感半径来刻画。一个目标对象被一个视频传感器覆盖当且仅当该对象位于该视频传感器的扇形传感范围之内。
步骤3：目标对象覆盖质量建模
一个视频传感器对一个目标对象的覆盖质量不仅取决于是否覆盖而且取决于它们之间的距离，距离越小，覆盖质量越好；覆盖一个目标对象的视频传感器集的选择取决于该目标对象的覆盖质量需求以及它与视频传感器之间的距离。
步骤4：节点能耗建模
如果节点仅是传感节点，则其能耗只包括传感能耗。如果节点仅是中继节点，则其能耗包括接收数据能耗和发送数据能耗，由于节点的发送半径可调节，因此发送数据能耗与发送半径正相关。如果节点既是传感节点又是中继节点，则节点能耗不仅包括传感能耗，还包括接收数据能耗和发送数据能耗。
步骤5：基站收集传感器节点的能量数据
在每个周期开始之前，每个传感器节点向基站发送它的剩余能量、预计收集能量、以及上一周期的实际收集能量。由此，基站可以计算出能量收集预测误差。
步骤6：基站计算传感器调度
基站根据目标对象位置、传感器节点位置、以及收集到的能量数据，就可以以集中式的方式执行能量收集和覆盖质量感知的视频传感网最大时空覆盖网络调度算法，从而计算出网络调度。
在本实施例中，如图1所示，采用如下优选方案计算传感器调度：
令D(i,t)表示节点i在时隙t内的工作方向；令F(i,t)表示节点i在时隙t内的路由父节点；令q(j,t)表示目标对象j在时隙t内享有的覆盖质量，其为各节点在时隙t内为目标对象j提供的覆盖质量之和；令E(i,t)表示节点i在时隙t开始时的剩余能量。步骤如下：
601、计算上一周期能量收集误差，如果误差小于设定值，则令|T|＝min{|T|+1,L}；否则令|T|＝|T|-1；其中|T|为T包含的时隙数；其中，L表示一个充电模式周期T所能包含的最大时隙数；
602、预测在周期T内每个节点能够收集到的能量；节点可用能量为现有能量与预测的能够收集到的能量之和；
603、令t＝0；
604、令Q为所有目标对象的集合，S为E(i,t)>0的节点的集合；
605、如果S中没有节点能够提供覆盖质量增量并能连接到基站，则转入步骤609；
606、从S中选择一个在时隙t未传感的节点k，选择节点k的朝向m、选择一条从节点k到基站的路径R，使得总覆盖质量增量最大、总节点能耗增量最小且最小节点剩余可用能量最大；
607、将D(k,t)设置为m，节点k在时隙t成为传感节点，将路径R上的每个节点的F(i,t)设置为其下游节点，从Q中排除所有满足覆盖质量要求的目标对象，将R上每个节点的可用能量减去其新增能耗，从S中排除无可用能量的节点；
608、如果Q不为空，转入步骤605；
609、令t＝t+1，如果t＜|T|，转入步骤604；
610、输出周期T内的网络调度。
步骤7：基站发送调度至每个传感器
基站在计算出网络调度之后，将下一周期大小以及每个节点在每个时隙的工作方向、父节点信息发送给每个节点，从而节点能够执行该调度，实行目标对象监控。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种视频传感网最大时空覆盖的调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)时空覆盖效用建模：
设任务时间被划分为等长的时隙，设定充电模式周期T，将任务时间划分为若干个周期T，定义目标对象的时空覆盖效用为目标对象被覆盖的时间与被提供的覆盖质量的乘积的和，则最大时空覆盖网络调度问题的优化目标为所有目标对象的时空覆盖效用总和；
(2)视频传感器的传感范围建模；
(3)目标对象覆盖质量建模：
一个视频传感器对一个目标对象的覆盖质量不仅取决于是否覆盖而且取决于它们之间的距离，距离越小，覆盖质量越好；覆盖一个目标对象的视频传感器集的选择取决于该目标对象的覆盖质量需求以及它与视频传感器之间的距离；
(4)基于节点类型的节点能耗建模，节点类型包括传感节点、中继节点以及同时作为传感节点和中继节点；
(5)基站收集节点的能量数据；
(6)基站根据目标位置、节点位置和收集的传感器节点的能量数据，计算出网络调度；
(7)基站将计算出的网络调度发送给各节点，各节点执行调度，实现对目标对象的监控。
2.根据权利要求1所述视频传感网最大时空覆盖的调度方法，其特征在于：在步骤(2)中，每个视频传感器的传感范围被建模为一个扇形，由传感角度和传感半径来刻画；一个目标对象被一个视频传感器覆盖当且仅当该目标对象位于该视频传感器的扇形传感范围之内。
3.根据权利要求1所述视频传感网最大时空覆盖的调度方法，其特征在于：在步骤(4)中，如果节点仅是传感节点，则其能耗只包括传感能耗；如果节点仅是中继节点，则其能耗包括接收数据能耗和发送数据能耗，由于节点的发送半径可调，因此发送数据能耗与发送半径正相关；如果节点既是传感节点又是中继节点，则节点能耗不仅包括传感能耗，还包括接收数据能耗和发送数据能耗。
4.根据权利要求1所述视频传感网最大时空覆盖的调度方法，其特征在于：在步骤(5)中，在每个周期开始之前，每个节点向基站发送它的剩余能量、预计收集能量以及上一周期的实际收集能量。
5.根据权利要求1所述视频传感网最大时空覆盖的调度方法，其特征在于：在步骤(6)中，计算网络调度的方法如下：
令D(i,t)表示节点i在时隙t内的工作方向；令F(i,t)表示节点i在时隙t内的路由父节点；令E(i,t)表示节点i在时隙t开始时的剩余能量；则计算网络调度的步骤如下：
(601)计算上一周期能量收集误差，如果误差小于设定值，则令|T|＝min{|T|+1,L}；否则令|T|＝|T|-1；其中|T|为T包含的时隙数；其中，L表示一个充电模式周期T所能包含的最大时隙数；
(602)预测在周期T内每个节点能够收集到的能量；节点可用能量为现有能量与预测的能够收集到的能量之和；
(603)令t＝0；
(604)令Q为所有目标对象的集合，S为E(i,t)>0的节点的集合；
(605)如果S中没有节点能够提供覆盖质量增量并能连接到基站，则转入步骤(609)；
(606)从S中选择一个在时隙t未传感的节点k，选择节点k的朝向m、选择一条从节点k到基站的路径R，使得总覆盖质量增量最大、总节点能耗增量最小且最小节点剩余可用能量最大；
(607)将D(k,t)设置为m，节点k在时隙t成为传感节点，将路径R上的每个节点的F(i,t)设置为其下游节点，从Q中排除所有满足覆盖质量要求的目标对象，将R上每个节点的可用能量减去其新增能耗，从S中排除无可用能量的节点；
(608)如果Q不为空，转入步骤(605)；
(609)令t＝t+1，如果t＜|T|，转入步骤(604)；
(610)输出周期T内的网络调度。
6.根据权利要求1所述视频传感网最大时空覆盖的调度方法，其特征在于：在步骤(7)中，基站将下一周期大小以及每个节点在每个时隙的工作方向、父节点信息发送给每个节点。
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