CN112911519B - 一种基于目标距离的wsn线性覆盖休眠调度的路由方法 - Google Patents

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CN112911519B CN202110038419.6A CN202110038419A CN112911519B CN 112911519 B CN112911519 B CN 112911519B CN 202110038419 A CN202110038419 A CN 202110038419A CN 112911519 B CN112911519 B CN 112911519B
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Abstract

本发明涉及一种基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度的路由方法，包括：每个节点收到sink节点泛洪的“你好”消息后进入休眠模式等待目标出现；目标出现后，感知到目标的节点将进入工作模式，并竞选出簇头；竞选出簇头后，其余处于工作模式的节点执行基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度方法，休眠调度过程结束后，再将仍处于工作模式的节点同所述簇头一起构成当前簇结构；通过所述当前簇结构的簇头来预测目标将要移动的位置，并激活预测出的目标移动位置周围的节点以形成下一个簇结构；所述下一个簇结构的簇头唤醒并接收每个簇节点的感知数据，再将其融合后通过预设传输路径转发给汇聚节点。本发明能够减少冗余节点，延长网络寿命。

Description

一种基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度的路由方法
技术领域
本发明涉及通信与信息技术领域，特别是涉及一种基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度的路由方法。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)作为一种新型信息感知和获取方式，其在环境检测、医疗护理、智能交通等领域得到了大量应用。其中，大规模WSN支持下的目标跟踪技术可以直接应用于很多场景，包括失踪人员的位置查找、智能交通系统的车辆导航等等。采用高效的方法来降低节点能耗，让网络的生存时间得到有效延长，是该领域的重要研究课题。
休眠调度是一种能够延长大规模WSN生命周期的关键技术。一般来说，大规模WSN会在监控区域随机部署大量的节点，如果所有节点同时工作，势必会产生大量的冗余数据以及无线信道上的传输冲突。节点休眠调度的工作原理是在一定的时间段和空间范围内调度一部分节点进入感知或传输的工作状态，而调度另一部分进入休眠状态。节点处于休眠状态时仅需要极小一部分能量便可维持伺服状态，故通过节点调度方法可以有效减少多余的能源开销，延长网络寿命。
近年来关于休眠调度方法的研究虽然已取得长足的进步，但是应用于目标跟踪的场景时，这些研究均未考虑到调度方法所涉及的节点规模，以及调度规则与目标之间的关系，导致网络中承担关键任务的节点错误地休眠，而空闲节点错误地被激活，这会造成网络中出现覆盖漏洞和冗余资源。因此，需要对目前的休眠调度方法进行针对性地完善和改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度的路由方法，通过在休眠调度方法中加入对目标距离的考虑，能够避免覆盖漏洞和冗余节点，延长网络寿命。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度的路由方法，包括：
步骤(1)：将节点随机部署到监测区域后，汇聚节点在网络中泛洪一个“你好”消息，每个节点收到“你好”消息后保存汇聚节点的跳数，并进入休眠模式等待目标出现；
步骤(2)：目标出现后，与目标的距离在感知半径内的节点将被触发进入工作模式，进入工作模式的节点竞选出簇头；
步骤(3)：竞选出簇头后，其余处于工作模式的节点执行基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度方法，休眠调度过程结束后，再将仍处于工作模式的节点同所述簇头一起构成当前簇结构；
步骤(4)：通过所述当前簇结构的簇头来预测目标将要移动的位置，并激活预测出的目标移动位置周围的节点以形成下一个簇结构；
步骤(5)：所述下一个簇结构的簇头唤醒每个簇节点之后，接收每个簇节点的感知数据，并将收到的感知数据进行融合后通过预设传输路径转发给所述汇聚节点。
所述步骤(1)还包括：当每个节点收到来自多个(n-1)级节点转发的“你好”消息时，将接收信号强度指示最小的(n-1)级节点作为首选中继节点。
所述步骤(2)中进入工作模式的节点采用广播时延的方式竞选出簇头，公式为：
Figure GDA0003297100360000021
其中，TCH(i)为广播时延值，Er(i)为节点i的剩余能量，
Figure GDA0003297100360000022
为节点i的邻居节点的剩余能量的平均值，I(i)为节点i对目标的感知强度，
Figure GDA0003297100360000023
为节点i的邻居节点对目标感知强度的平均值；a为
Figure GDA0003297100360000024
的权重，b为
Figure GDA0003297100360000025
的权重，a+b＝1且a和b均为正数。
所述步骤(2)中通过引入随机退避策略以避免出现多个簇头。
所述步骤(3)中基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度方法设置有与目标距离相关的随机休眠概率，包括：将与目标距离超过预设阈值的节点的状态转变为感知模式；并且与目标距离在预设阈值范围内的节点则会根据感知范围被邻居节点覆盖的情况，将一部分节点的状态转变为感知模式；
所述随机休眠概率的公式为：
Figure GDA0003297100360000026
其中，C为常数，Φi,j为节点i感知范围被邻居节点j覆盖的方向角，x为节点i到目标的距离，xs为节点进行随机休眠的距离阈值且
Figure GDA0003297100360000031
ηs为簇结构中节点进入休眠状态的概率，RS为节点的感知半径，α∈[0,1]，
Figure GDA0003297100360000032
用于保证距离目标xs范围内不会出现覆盖漏洞，f(x)为随机变量x的概率密度且
Figure GDA0003297100360000033
0≤x≤RS。
所述步骤(3)还包括：所述簇头和处于工作模式的节点在能量将耗尽时，均通过广播“能量不足”消息来寻找替换节点。
所述步骤(4)中通过所述当前簇结构的簇头来预测目标将要移动的位置，具体为：所述当前簇结构的簇头根据感知到的不同时刻目标的位置信息，采用线性预测跟踪算法来预测目标将要移动的位置，公式为：
Figure GDA0003297100360000034
其中，(xi+1,yi+1)表示目标在下一时刻的坐标，v表示目标将要移动的运动速度且
Figure GDA0003297100360000035
θ表示目标将要移动的运动方向且
Figure GDA0003297100360000036
(xi-1,yi-1)表示目标在前一时刻ti-1的坐标，(xi,yi)表示目标在当前时刻ti的坐标。
所述步骤(4)还包括对目标继续跟踪，具体为：根据预测出的目标移动位置，通过所述当前簇结构的簇头激活剩余能量高于阈值Eth且离预测出的目标移动位置最近的节点作为候选簇头，当目标进入所述候选簇头的感知范围时，重复所述步骤(3)至步骤(4)。
所述步骤(5)中的下一个簇结构的簇头采用时分多址技术来唤醒每个簇节点，具体为：所述下一个簇结构的簇头采用时分多址技术实现簇节点之间的时隙调度，每个簇节点在被分配的时隙内唤醒。
所述步骤(5)中的预设传输路径具体为：所述下一个簇结构的簇头发送“中继唤醒”消息给所述步骤(1)中的所有的首选中继节点，生成一条从所述下一个簇结构的簇头到汇聚节点的传输路径。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明与传统的无线传感器网络休眠调度方法相比，更加适用于大规模WSN移动目标跟踪感；本发明中的休眠调度方法能够根据目标的位置合理调度网络中的冗余节点，最大程度地减少网络中的冗余资源，平衡网络能量，延长网络寿命；本发明摒弃了传统的节点休眠调度模式，保证了调度机制和对移动目标的跟踪感知紧密联系在一起；在保证对目标的感知工作正常运行的条件下，减少冗余节点的工作量，大幅节省了网络能量；通过对比传统的休眠调度方法，本发明在大规模WSN支持的目标跟踪应用场景下，更具备实用价值。
附图说明
图1是本发明实施方式的方法流程图；
图2是本发明实施方式的目标出现后传感器节点的状态示意图；
图3是本发明实施方式的节点i和节点j感知范围相交示意图；
图4是本发明实施方式的经过休眠调度过程后的传感器节点状态示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度的路由方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：将传感器节点随机部署到监测区域后，汇聚节点(sink节点)会在网络中泛洪一个“你好”消息，其余每个节点收到消息后会保存sink节点的跳数；之后所有的节点都会进入休眠模式，等待目标的出现。
S2：目标出现后，感知到目标的节点将会被触发进入工作模式，这些进入工作模式的节点采用广播时延的方式竞选出簇头，并利用随机退避策略避免出现多个簇头；广播时延的长度考虑剩余能量和对目标感知强度两个因素，剩余能量较大且对目标感知强度较大的节点有更大的机会成为簇头。
S3：簇头宣布当选之后，其余处于工作模式的节点将会执行基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度方法；所述基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度方法设置有与目标距离相关的随机休眠概率，用于保证距离目标较远的节点状态改变为感知模式；同时距离目标较近的节点则会根据感知范围被邻居节点覆盖的情况，以一定的概率转变为感知模式；当休眠调度过程结束后，将仍处于工作模式的节点同S2中选出的簇头一起构成当前簇结构。
S4：针对移动的目标，簇结构的簇头采用线性预测跟踪算法，根据感知到的不同时刻目标的位置信息计算预测出目标将要移动的位置，然后根据预测的位置，激活特定位置附近的节点形成下一个簇结构，并对目标继续跟踪。
S5：下一个簇结构形成后，簇头采用时分多址(TDMA)技术实现簇成员之间的时隙调度；每个节点在被分配的时隙内唤醒，将感知数据发送给下一个簇结构的簇头；当所有节点发送感知数据完毕后，下一个簇结构的簇头将收到的感知数据进行融合，并将融合数据通过一跳或中继多跳的形式转发给所述sink节点。
进一步地，在步骤S1中，节点被随机部署到监测区域，sink节点会在网络中泛洪一个“你好”消息，所述“你好”消息会经历单跳或多跳传输到达所有节点。每个节点会保存下消息传送的跳数，并以此判断出自己是第n级节点；与此同时，当节点收到来自多个(n-1)级节点转发的“你好”消息时，会将接收信号强度指示(Received Signal StrengthIndication，RSSI)最小的(n-1)级节点作为自己的首选中继节点。之后所有的节点都会进入休眠模式，直到目标出现会激活附近相关节点。
进一步地，在步骤S2中，目标出现后，与目标的距离在感知半径RS内的节点将被触发进入工作模式，详见图2。进入工作模式的节点会向位于通信半径RC范围内的邻居节点广播一个“邻居发现”消息，“邻居发现”消息包括节点的ID、剩余能量e和对目标的感知强度I，其中，所述对目标的感知强度I与目标距离相关，距离目标越近，对目标的感知强度I的值越大。收到“邻居发现”消息的节点将根据邻居属性值以及接收信号强度指示RSSI生成一个邻居表。
进一步地，在步骤S2中，处于工作模式的节点会形成簇结构，从中选出一个簇头CH对簇内的感知数据进行融合。为了节省竞争开销并且避免冲突，本实施方式采用广播时延机制来竞选簇头，并引入一个与剩余能量e和对目标感知强度I相关的广播时延值；广播时延值的设置能够保证剩余能量e较大且对目标感知强度I较大的节点有更大的机会担任簇结构的簇头，则设置节点i的广播时延公式如下：
Figure GDA0003297100360000061
其中，TCH(i)为广播时延值，Er(i)为节点i的剩余能量，
Figure GDA0003297100360000062
为节点i的邻居节点的剩余能量的平均值，I(i)为节点i对目标的感知强度，
Figure GDA0003297100360000063
为节点i的邻居节点对目标感知强度的平均值；a为
Figure GDA0003297100360000064
的权重，b为
Figure GDA0003297100360000065
的权重，a+b＝1且a和b均为正数。
步骤S2在设置广播时延的基础上还引入随机退避策略以避免出现多个簇头，具体为：节点在等待TCH(i)后，会首先进入准备成为簇头阶段，并启动一个随机数定时器，再次等待随机时间TRD后，广播“当选簇头”消息；如果一个节点在等待时间TRD内收到“当选簇头”消息，它将放弃竞争簇头。
进一步地，在步骤S3中，当目标出现后，以目标的位置为中心，与目标的距离在感知半径RS内的节点将会被激活进入工作模式。如图3所示，两个节点i和j相交的部分是一个新月形，在这个新月形中包含了一个扇形，将其记为Si,j，因此可以得到如下公式：
Figure GDA0003297100360000066
其中，
Figure GDA0003297100360000067
为节点i与邻居节点j感知范围相交部分扇形的并集，S(i)为节点i的感知范围，如果上式成立，则节点i的感知范围可以认定被其他邻居节点j所覆盖，而节点之间相交得到的扇形区域以及邻居节点j相对于节点i的方向可以用方向角Φi,j来表示；如此一来，判断节点i能否被邻居节点j覆盖的问题就转化为邻居节点j相对于节点i的方位角Φi,j能否到达2π的问题。
进一步地，在步骤S3中，节点i进入休眠状态的概率与其到目标的距离x相关。节点i进入休眠状态的概率为：p(x)＝Cf(x)，其中，C为常数，f(x)为随机变量x的概率密度，假设传感器节点均匀分布在簇结构的圆形覆盖区域，则f(x)可以表示为：
Figure GDA0003297100360000068
其中，0≤x≤RS，RS表示节点的感知半径，结合节点i的感知范围被邻居节点j覆盖的情况一起考虑，故p(x)可表示为：
Figure GDA0003297100360000071
其中，Φi,j为节点i感知范围被邻居节点j覆盖的方向角，
Figure GDA0003297100360000072
保证了距离目标xs范围内不会出现覆盖漏洞。先假设
Figure GDA0003297100360000073
的情况，为保证簇结构中节点进入休眠状态的概率为ηs，概率p(x)应当满足如下公式：
Figure GDA0003297100360000074
将该公式整理后得到：
Figure GDA0003297100360000075
对于变量xs，可以通过计算确定其范围。首先常数C≥0，所以得到xs的下界，具体如下：
Figure GDA0003297100360000076
进一步整理可得：
Figure GDA0003297100360000077
又因为节点进入休眠状态的概率p(x)≤1，因此得到如下公式：
Figure GDA0003297100360000078
进一步整理可得：
Figure GDA0003297100360000079
联立两式整理得：
Figure GDA0003297100360000081
将上式变形可以得到：
Figure GDA0003297100360000082
其中，α∈[0,1]。
进一步地，在步骤S3中，经过冗余判定休眠调度之后，一部分节点会由工作模式转变为感知模式；由于这部分节点距离目标较远或工作可以被别的节点替代，因此可以暂时不参与数据传输，仅进行感知数据的工作；处于工作模式的节点会向簇头发送一个“加入簇消息”，每个簇成员会收到来自簇头的答复以及传输调度方案，成簇过程如图4所示。簇头在能量将耗尽时，会广播“能量不足”消息，并选择最合适的节点进行替换，选择的标准与步骤S2中竞选簇头的广播时延类似，通过一个加权值来选择簇内能量e较高且对目标感知强度I较大的节点来担任簇头，并向其发送“簇头替换”消息，自己则进入休眠状态。簇成员节点在能量将耗尽时，也会广播“能量不足”消息，随后进入休眠状态，附近处于感知模式的节点收到这一消息后，会由感知模式转换成工作模式，并加入当前簇结构，并向簇头发送自己所感知到的数据。
进一步地，在步骤S4中，簇头宣布当选之后，会采用线性预测跟踪算法，利用目标的当前位置和先前位置，来预测目标将要移动的位置；簇头根据收集到的数据，采用复杂度较低的压缩感知与多边测量技术相结合的定位方法，得到两个不同时刻目标的坐标信息(xi-1,yi-1)和(xi,yi)，并估计出目标的运动速度v和运动方向θ，公式为：
Figure GDA0003297100360000083
Figure GDA0003297100360000084
其中，(xi-1,yi-1)表示目标在前一时刻ti-1的坐标，(xi,yi)表示目标在当前时刻ti的坐标；根据得到的运动速度v和运动方向θ，能够给出给定时间t后目标的预测位置，公式为：
Figure GDA0003297100360000085
其中，(xi+1,yi+1)表示目标在下一时刻的坐标，则通过所述当前簇结构的簇头选择剩余能量高于阈值Eth的节点作为候选簇头的候选节点，并且激活距离预测的目标位置最近的节点作为候选簇头；候选簇头会在目标移动到自身感知半径范围内的时候，广播“当选簇头”消息，激活附近的节点。经过与步骤S3相同的休眠调度过程后，处于工作模式的节点与簇头形成新的簇结构，并继续对目标进行跟踪。随着目标的移动，将重复步骤S3和步骤S4。
进一步地，在步骤S5中，承担中继任务的传感器节点不开启感知模块，仅仅以中继模式进行工作。簇头当选之后，会发送“中继唤醒”消息给在步骤S1中保存的所有的首选中继节点，以生成一条从簇头到sink节点的传输路径；簇头将感知数据进行融合处理之后沿此传输路径发送到sink节点。
值得一提的是，本实施方式中的传感器节点的感知模块、处理模块和通信模块(发送模块、接收模块)的功能会随着不同的工作阶段发生变化，故传感器的节点一共有四种工作模式，分别是工作模式、感知模式、中继模式和休眠模式。节点各种工作模式的技术细节如下：
工作模式(On-Duty)：传感器节点中的所有模块均被打开。节点可以收集数据、处理数据、发送数据和接收数据。处于这种工作模式的节点也叫做活跃节点(active node)。在所有的工作模式中，全工作模式耗能最大。本实施方式中的簇头和簇成员节点在工作模式下工作。
感知模式(Sensing Unit On-Duty)：节点的发送模块和接收模块被关闭，感知模块和处理模块被打开。处于感知模式下的节点可以感知并处理数据，但不能发送、接收数据。步骤S3中有部分节点经过休眠调度后在感知模式下工作。
中继模式(Transmitting and Receiving Unit On-Duty)：节点的感知模块和处理模块被关闭，发送模块和接收模块被打开。处于中继模式下的节点可以发送和接收数据，但不能感知和处理数据。本实施方式中的中继节点在中继模式下工作。
休眠模式(Off-Duty)：节点的所有模块均被关闭。由定时器或事件触发机制被执行，以唤醒休眠的节点。处于休眠工作模式的节点也称为休眠节点(inactive node)。网络中未被激活的节点均处于休眠模式。
由此可见，本发明通过在休眠调度方法中加入对目标距离的考虑，能够避免覆盖漏洞和冗余节点，延长网络寿命。

Claims (10)

1.一种基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度的路由方法，其特征在于，包括：
步骤(1)：将节点随机部署到监测区域后，汇聚节点在网络中泛洪一个“你好”消息，每个节点收到“你好”消息后保存汇聚节点的跳数，并进入休眠模式等待目标出现；
步骤(2)：目标出现后，与目标的距离在感知半径内的节点将被触发进入工作模式，进入工作模式的节点竞选出簇头；
步骤(3)：竞选出簇头后，其余处于工作模式的节点执行基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度方法，休眠调度过程结束后，再将仍处于工作模式的节点同所述簇头一起构成当前簇结构；
所述步骤(3)中基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度方法设置有与目标距离相关的随机休眠概率，包括：将与目标距离超过预设阈值的节点的状态转变为感知模式；并且与目标距离在预设阈值范围内的节点则会根据感知范围被邻居节点覆盖的情况，将一部分节点的状态转变为感知模式；
所述感知模式具体为：节点的发送模块和接收模块被关闭、感知模块和处理模块被打开；处于感知模式下的节点用于感知并处理数据，但不能发送、接收数据；
步骤(4)：通过所述当前簇结构的簇头来预测目标将要移动的位置，并激活预测出的目标移动位置周围的节点以形成下一个簇结构；
步骤(5)：所述下一个簇结构的簇头唤醒每个簇节点之后，接收每个簇节点的感知数据，并将收到的感知数据进行融合后通过预设传输路径转发给所述汇聚节点。
2.根据权利要求1所述的基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度的路由方法，其特征在于，所述步骤(1)还包括：当每个节点收到来自多个(n-1)级节点转发的“你好”消息时，将接收信号强度指示最小的(n-1)级节点作为首选中继节点。
3.根据权利要求1所述的基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度的路由方法，其特征在于，所述步骤(2)中进入工作模式的节点采用广播时延的方式竞选出簇头，公式为：
Figure FDA0003297100350000011
其中，TCH(i)为广播时延值，Er(i)为节点i的剩余能量，
Figure FDA0003297100350000012
为节点i的邻居节点的剩余能量的平均值，I(i)为节点i对目标的感知强度，
Figure FDA0003297100350000013
为节点i的邻居节点对目标感知强度的平均值；a为
Figure FDA0003297100350000014
的权重，b为
Figure FDA0003297100350000015
的权重，a+b＝1且a和b均为正数。
4.根据权利要求1所述的基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度的路由方法，其特征在于，所述步骤(2)中通过引入随机退避策略以避免出现多个簇头。
5.根据权利要求1所述的基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度的路由方法，其特征在于，所述步骤(3)中随机休眠概率的公式为；
Figure FDA0003297100350000021
其中，C为常数，Φi,j为节点i感知范围被邻居节点j覆盖的方向角，x为节点i到目标的距离，xs为节点进行随机休眠的距离阈值且
Figure FDA0003297100350000022
ηs为簇结构中节点进入休眠状态的概率，RS为节点的感知半径，α∈[0,1]，
Figure FDA0003297100350000023
用于保证距离目标xs范围内不会出现覆盖漏洞，f(x)为随机变量x的概率密度且
Figure FDA0003297100350000024
6.根据权利要求1所述的基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度的路由方法，其特征在于，所述步骤(3)还包括：所述簇头和处于工作模式的节点在能量将耗尽时，均通过广播“能量不足”消息来寻找替换节点。
7.根据权利要求1所述的基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度的路由方法，其特征在于，所述步骤(4)中通过所述当前簇结构的簇头来预测目标将要移动的位置，具体为：所述当前簇结构的簇头根据感知到的不同时刻目标的位置信息，采用线性预测跟踪算法来预测目标将要移动的位置，公式为：
Figure FDA0003297100350000025
其中，(xi+1,yi+1)表示目标在下一时刻的坐标，v表示目标将要移动的运动速度且
Figure FDA0003297100350000026
θ表示目标将要移动的运动方向且
Figure FDA0003297100350000031
(xi-1,yi-1)表示目标在前一时刻ti-1的坐标，(xi,yi)表示目标在当前时刻ti的坐标。
8.根据权利要求1所述的基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度的路由方法，其特征在于，所述步骤(4)还包括对目标继续跟踪，具体为：根据预测出的目标移动位置，通过所述当前簇结构的簇头激活剩余能量高于阈值Eth且离预测出的目标移动位置最近的节点作为候选簇头，当目标进入所述候选簇头的感知范围时，重复所述步骤(3)至步骤(4)。
9.根据权利要求1所述的基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度的路由方法，其特征在于，所述步骤(5)中的下一个簇结构的簇头采用时分多址技术来唤醒每个簇节点，具体为：所述下一个簇结构的簇头采用时分多址技术实现簇节点之间的时隙调度，每个簇节点在被分配的时隙内唤醒。
10.根据权利要求2所述的基于目标距离的WSN线性覆盖休眠调度的路由方法，其特征在于，所述步骤(5)中的预设传输路径具体为：所述下一个簇结构的簇头发送“中继唤醒”消息给所述步骤(1)中的所有的首选中继节点，生成一条从所述下一个簇结构的簇头到汇聚节点的传输路径。
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