一種基于Steiner中心的無線傳感網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)選取與預(yù)測的模型的制作方法
【專利說明】-種基于Steiner中心的無線傳感網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)選取與預(yù) 測的模型 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別涉及移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)是實(shí)時(shí)選取 和跟蹤的模型。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)位置的選取是無線應(yīng)用研宄的重要內(nèi)容，多年來得 到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并對匯聚節(jié)點(diǎn)的選址策略從理論和實(shí)際的應(yīng)用中展開了 深入的研宄。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用獲研宄是場合不同，許多的研宄工作都是針對網(wǎng)絡(luò)的鏈路狀態(tài)、 數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?、網(wǎng)絡(luò)的傳輸消耗和壽命等單方面展開，絕大多數(shù)都是針對具體的靜態(tài)網(wǎng) 絡(luò)。
[0003] 該發(fā)明提出的模型能在水下傳感器、野生動(dòng)物檢測、太空探索、移動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域 都具有廣泛的應(yīng)用。通過群體凸殼的局部邊結(jié)構(gòu)位置信息來反映全局特征，能很好的反應(yīng) 群體整體的移動(dòng)信息。但是，目前來看，這些現(xiàn)存的匯聚節(jié)點(diǎn)選址策略都有以下不足之處： 1)目前研宄的的網(wǎng)絡(luò)都基于靜態(tài)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，缺乏實(shí)際應(yīng)用的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性和動(dòng)態(tài)自意 識(shí)。2)在每次更新的周期內(nèi)，普通算法是基于全局網(wǎng)絡(luò)性能的算法，計(jì)算的節(jié)點(diǎn)復(fù)雜度為 0(n)。3)其他的基于幾何結(jié)構(gòu)模型的算法尋找的中心缺乏高穩(wěn)定和低偏心性。
[0004] Steiner點(diǎn)是一個(gè)物體的幾何中心。由Shephard在1960年定義的，從此以后， Steiner點(diǎn)開始被關(guān)注并且用它來解決各種各樣的問題。它只與物體的凸包有關(guān)，并且可 以通過支持函數(shù)來計(jì)算。而支撐函數(shù)的計(jì)算復(fù)雜性是〇(n)。Steiner點(diǎn)具有很好的幾何性 質(zhì)，例如連續(xù)性、旋轉(zhuǎn)不變性、可加性等。其在移動(dòng)應(yīng)用中具有高穩(wěn)定和低偏心性是移動(dòng)傳 感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的最大優(yōu)勢。
[0005] 在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人利用Steiner點(diǎn)來預(yù)測和跟蹤移動(dòng)目標(biāo)，主要解 決上面提到的三個(gè)問題，即：1)針對移動(dòng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化，很難達(dá)到獲 取的匯聚節(jié)點(diǎn)最佳位置保持實(shí)時(shí)性2)減少計(jì)算的復(fù)雜度，利用先驗(yàn)知識(shí)來預(yù)測物體的位 置，提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。3)匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的特征缺乏高穩(wěn)定和低偏心性 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于凸殼Steiner點(diǎn)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)選取和預(yù) 測的模型，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)應(yīng)用中實(shí)時(shí)的尋找最佳匯聚中心位置，所述基于Steiner點(diǎn)對移動(dòng) 匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行取和預(yù)測的模型，能快速并且準(zhǔn)確的計(jì)算實(shí)時(shí)的匯聚中心，并預(yù)測到匯聚中 心的下一時(shí)刻移動(dòng)位置。每次計(jì)算匯聚中心（Steiner點(diǎn)）的計(jì)算復(fù)雜度只需同 時(shí)Steiner點(diǎn)具有高穩(wěn)定和低偏心性。
[0007] 為了達(dá)到本發(fā)明的目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種基于Steiner 點(diǎn)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和預(yù)測的模型，所述模型包括：獲取全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)位置信息， 通過支撐函數(shù)計(jì)算群體網(wǎng)絡(luò)凸殼及它的Steiner點(diǎn)；基于得到的Steiner點(diǎn)加上時(shí)間軸，推 廣到時(shí)空域上；建立運(yùn)動(dòng)預(yù)測模型，使用卡爾曼公式，通過連續(xù)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)信 息預(yù)測下一時(shí)刻Steiner點(diǎn)的位置；
[0008] 對于某一時(shí)刻的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，P是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)移動(dòng)物體的凸包；凸包P有M個(gè)頂 點(diǎn)，即P = (P1, P2, ... PM};則通過支持函數(shù)可得物體P的Steiner點(diǎn)為：
[0009]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于凸殼中屯、（Steiner點(diǎn)）的選取和預(yù)測移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)的模型，其特征在 于，所述方法包括： 在移動(dòng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，匯聚節(jié)點(diǎn)通過周期的獲取網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，根據(jù) 當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的幾何特征，構(gòu)造出網(wǎng)絡(luò)的凸多邊形。 中屯、匯聚節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)的凸多邊形處理，通過支撐函數(shù)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)凸殼目標(biāo)的Steiner 占. '?、、? 在周期更新的Steiner點(diǎn)加上，加上時(shí)間軸，推廣到時(shí)空域上； 建立運(yùn)動(dòng)預(yù)測模型，能通過當(dāng)Steiner中屯、的位置，通過卡爾曼預(yù)測算法，預(yù)測下時(shí)刻 匯聚節(jié)點(diǎn)的Steiner點(diǎn)的大概位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的該模型是一個(gè)解決移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)最佳位 置選取的方案，而Steiner中屯、是一個(gè)幾何凸殼的一個(gè)中屯、，在計(jì)算Steiner之前必須得到 網(wǎng)絡(luò)的凸殼結(jié)構(gòu)： 在某一個(gè)時(shí)刻，通過中屯、匯聚節(jié)點(diǎn)向全網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一個(gè)請求所有位置節(jié)點(diǎn)的信息的廣播 包，接收到請求包的節(jié)點(diǎn)通過自身的定位模塊（GP巧計(jì)算出當(dāng)前自身的位置信息，并上傳 給匯聚節(jié)點(diǎn)。收到所有節(jié)點(diǎn)位置信息的匯聚節(jié)點(diǎn)就可W構(gòu)造當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的凸結(jié)構(gòu)。接下來計(jì) 算Steiner中屯、，并移動(dòng)到Steiner處，保持網(wǎng)絡(luò)的最佳匯聚節(jié)點(diǎn)位置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的該模型是一種基于Steiner點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)模型，其特征在于，所述 對移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)進(jìn)行處理，通過支撐函數(shù)計(jì)算移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)凸殼的Steiner點(diǎn)： 對于某一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，P是一圖像里的一個(gè)移動(dòng)物體的凸包；凸包P有M個(gè)頂點(diǎn) 即P= {Pi，P2, . . .Pm}娜通過支持函數(shù)可的物體P的Steiner點(diǎn)為（離散型）；
其中Pj是節(jié)點(diǎn)Pj.的坐標(biāo)位置，口(戶J);是Pj.的外角值，并且滿足
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Steiner點(diǎn)的預(yù)測和跟蹤移動(dòng)目標(biāo)的方法，其特征 在于，基于得到的Steiner點(diǎn)加上時(shí)間軸，推廣到時(shí)空域上，則時(shí)空域上的移動(dòng)Steiner點(diǎn) 為
其中Pj,是節(jié)點(diǎn)Pj斯t時(shí)刻坐標(biāo)位置，口是Pj.的t時(shí)刻外角值，由于移動(dòng)傳感器網(wǎng) 絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置移動(dòng)是連續(xù)的，即Pj.t連續(xù)，同時(shí)也可W得出口(巧f)也是連續(xù)的。 則通過映射函數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系，可W把上面預(yù)測得到的二維Steiner點(diǎn)的坐標(biāo) 映射到S維空間中：
其中（Xy)是二維空間中的坐標(biāo)，（Xtytt)是S維空間中的坐標(biāo)點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Steiner點(diǎn)的預(yù)測和跟蹤移動(dòng)目標(biāo)的方法，其特征 在于，建立運(yùn)動(dòng)預(yù)測模型，能通過當(dāng)前帖預(yù)測下一帖移動(dòng)目標(biāo)的Steiner點(diǎn)的具體位置： 卡爾曼預(yù)測；X化）=AX(k-1)+BU(k-l)+WG〇 再加上系統(tǒng)的測量值；Z化）=HX(k)+V化） 上式子中，X(k)是k時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)，U(k)是k時(shí)刻對系統(tǒng)的控制量。A和B是系統(tǒng) 參數(shù)，Z(k)是k時(shí)刻的測量值，H是測量系統(tǒng)的參數(shù)。W(k)和V(k)分別表示過程和測量的 噪聲。 下一時(shí)刻預(yù)測值；X化|k-l)=AX(k-l|k-l)+BU(k-1)+W化-1) X化|k-l)是利用上一狀態(tài)預(yù)測的結(jié)果，X化-l|k-l)是上一狀態(tài)最優(yōu)的結(jié)果，U(k)為現(xiàn) 在狀態(tài)的控制量。
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種應(yīng)用移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的凸殼Steiner中心作為最佳實(shí)時(shí)匯聚中心位置的模型。該模型通過周期的更新凸殼的邊結(jié)構(gòu)和Steiner中心位置來獲取移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)最佳位置。通過Steiner支撐函數(shù)計(jì)算每個(gè)周期中移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)群體的Steiner中心；Steiner中心在連續(xù)時(shí)間上具有連續(xù)特征，把得到的Steiner中心加上時(shí)間軸，推廣到時(shí)空域上；結(jié)合卡爾曼濾波算法預(yù)計(jì)下一時(shí)刻的匯聚中心位置。本發(fā)明通過基于Steiner中心的凸殼結(jié)構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)了對移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)位置的實(shí)時(shí)計(jì)算，并能快速并且準(zhǔn)確的預(yù)測到匯聚節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)軌跡，同時(shí)還是得匯聚節(jié)點(diǎn)擁有Steiner點(diǎn)的高穩(wěn)定和低偏心性。
【IPC分類】H04W16-22
【公開號(hào)】CN104796917
【申請?zhí)枴緾N201510134146
【發(fā)明人】梁久禎, 李軍飛
【申請人】江南大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年3月24日