復雜三維場景環(huán)境下有向傳感器網絡覆蓋方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明是一種適用于有向傳感器網絡（Directorial Sensor Networks)的曲面覆 蓋方案，該方案基于有向傳感器節(jié)點的三維感知模型，運用網格劃分、模擬退火、局部協(xié)同 最優(yōu)思想，通過優(yōu)化調整節(jié)點的坐標位置和偏向角以提高區(qū)域覆蓋率，從而實現復雜三維 場景區(qū)域覆蓋的增強。為無線傳感器網絡數據的高效傳輸奠定基礎，本技術屬于無線傳感 器網絡領域。
【背景技術】
[0002] 隨著無線通信技術、微型機電技術、以及計算機網絡技術的快速發(fā)展和日漸成熟， 低成本、低能耗的小型傳感設備通過近距離無線通信自組織而形成的無線傳感器網絡得到 了廣泛關注，目前已成為一個熱門的研究領域。隨著監(jiān)測環(huán)境日趨復雜多變，只采集簡單數 據信息的無線傳感器網絡已經不能滿足人們對監(jiān)測環(huán)境信息的需求。為了實現對環(huán)境更細 微、更精準的監(jiān)測，無線有向傳感器網絡應運而生。
[0003] 近年來，無線傳感器網絡的覆蓋問題作為傳感器網絡諸多典型研究方向之一尤為 受到關注。無線傳感網的覆蓋問題根據節(jié)點感知模型的不同可以分為全向覆蓋和有向覆 蓋。當前的研究工作正從傳統(tǒng)傳感器節(jié)點的全向覆蓋模型研究向新興的傳感器網絡節(jié)點有 向模型方向轉移。傳統(tǒng)的全向傳感器節(jié)點通常布撒在二維環(huán)境中，對其的覆蓋研究也多數 局限于二維環(huán)境，無論是覆蓋控制或是能量優(yōu)化角度大多基于傳統(tǒng)的全向感知模型，并面 向理想的二維空間而進行。事實上，與人類生活息息相關的信息絕大部分來自于三維場景 中，相比當前研究中普遍采用的二維場景，現實三維環(huán)境監(jiān)測更為復雜，實際的監(jiān)測場景很 難采用傳統(tǒng)的二維模型進行描述。實際應用中，有向傳感器節(jié)點通常布設于具體的三維場 景中并對三維場景進行覆蓋感知，例如海洋環(huán)境的監(jiān)測是面向三維場景的，軍事上的空中 監(jiān)測也是典型的三維覆蓋問題。而當前對于面向復雜三維場景的有向傳感器網絡覆蓋問題 的相關研究工作較少，因此有必要對三維有向感知模型下不規(guī)則地形的曲面覆蓋機制展開 深入研究，以指導實際場景中傳感器節(jié)點的部署。本發(fā)明的意義在于：設計了一種面向復雜 三維地形的有向傳感器網絡曲面覆蓋方法，為無線傳感器網絡的復雜三維場景區(qū)域覆蓋增 強和數據采集奠定基礎。

【發(fā)明內容】

[0004] 技術問題：本發(fā)明的目的是提供一種復雜三維場景環(huán)境下有向傳感器網絡覆蓋方 法，以實現復雜三維場景區(qū)域覆蓋的增強。本方案采用協(xié)同處理方式，通過研究有向傳感器 節(jié)點在三維地形中的感知模型以設計有向傳感器網絡曲面覆蓋方法，解決無線有向傳感器 網絡中節(jié)點對不規(guī)則曲面覆蓋的重疊區(qū)域和盲區(qū)問題。通過使用本發(fā)明提出的方法可提高 有向傳感器網絡中節(jié)點感知的三維地形信息的利用率，真正從三維角度實現對監(jiān)測地形區(qū) 域的覆蓋。
[0005] 技術方案：本發(fā)明是一種復雜三維場景環(huán)境下有向傳感器網絡覆蓋方法。針對有 向傳感器節(jié)點對三維地形的監(jiān)測與二維平面的區(qū)別，改進有向傳感器節(jié)點在三維地形中的 感知模型；基于網格劃分思想，計算出監(jiān)測的三維地形區(qū)域所需部署的節(jié)點個數并對區(qū)域 進行有向傳感器節(jié)點的初始部署；更進一步基于模擬退火思想，設計策略對傳感器節(jié)點的 部署坐標位置進行優(yōu)化，在一定程度上增大各節(jié)點自身的覆蓋區(qū)域以減少整個監(jiān)測區(qū)域的 盲區(qū)；基于局部最優(yōu)思想，對傳感器節(jié)點的偏向角進行優(yōu)化，增大節(jié)點與其相鄰節(jié)點的整體 覆蓋區(qū)域以增大整個監(jiān)測區(qū)域的覆蓋率。從而實現復雜三維場景區(qū)域覆蓋的增強。
[0006] 該面向復雜三維地形的有向傳感器網絡曲面覆蓋方法，包含在以下具體步驟中：
[0007] 初始場景設置：
[0008] 步驟1)設置監(jiān)測區(qū)域場景及有向傳感器節(jié)點：設置需要采用有向傳感器網絡監(jiān) 測的區(qū)域場景大小；初始化監(jiān)測場景中部署的有向傳感器節(jié)點的主感知方向及感知區(qū)域邊 長；
[0009] 步驟2)設置模型地形：模型地形定義為，表面凹凸不規(guī)則的復雜三維地形；
[0010] 步驟3)將復雜三維地形場景離散化處理；構建計算有向節(jié)點對場景的覆蓋率的 方法；
[0011] 初始部署：
[0012] 步驟4)由有向傳感器節(jié)點的感知區(qū)域邊長和網絡監(jiān)測的區(qū)域場景大小計算監(jiān)測 區(qū)域部署的有向傳感器節(jié)點個數；
[0013] 步驟5)基于步驟4)中得到的監(jiān)測區(qū)域部署的有向傳感器節(jié)點個數，運用網格劃 分策略對監(jiān)測場景進行初始部署；
[0014] 節(jié)點坐標優(yōu)化：
[0015] 步驟6)設置節(jié)點移動步長，考慮場景中部署的每個傳感器節(jié)點，在步驟5)的結果 基礎上運用模擬退火思想對傳感器節(jié)點的部署坐標進行優(yōu)化；
[0016] 節(jié)點偏向角優(yōu)化：
[0017] 步驟7)設置偏向角遞增變量，考慮場景中部署的每個傳感器節(jié)點與其相鄰節(jié)點 的關系，在步驟6)的結果基礎上運用局部最優(yōu)思想對傳感器節(jié)點的偏向角度進行優(yōu)化；
[0018] 至此，實現了復雜三維地形區(qū)域的曲面覆蓋增強。
[0019] 以上步驟中所涉及的一些關鍵操作定義如下：
[0020] 有向傳感器節(jié)點感知模型：
[0021] 有向節(jié)點在平面上的覆蓋區(qū)域為一個正方形。節(jié)點感知模型可以由一個三元組 (P, C, d)表示，其P = (X，y, Z)為節(jié)點在三維空間中的坐標；C = ( γ，Θ )為節(jié)點的感知方 向，γ為仰俯角，γ統(tǒng)一為〇 ; 9為偏向角，Θ的取值范圍為[0, 2 JT) ;d為有向節(jié)點投影 在平面上的正方形區(qū)域邊長。
[0022] 不規(guī)則表面上某點Q(X(j，％ Ztj)是否被傳感器節(jié)點S覆蓋續(xù)滿足以下公式：
[0023] 當（Xq-X) X COS (_ Θ ) - (y(j-y) X sin (- Θ )彡 〇 時；
[0024] Zq^ z X (d- (x Q-x) X cos (- θ ) + (yQ-y) X sin (- θ )) /d (I)
[0025] 當（Xq-X) X COS (- Θ ) - (yQ-y) X sin (- Θ ) < 〇 時；
[0026] Zq^ z X (d+ (x Q-x) X cos (- θ ) - (yQ-y) X sin (- Θ )) /d (2)
[0027] 當（xQ-x) X sin (- Θ ) + (y(j-y) X cos (- Θ )彡 〇 時；
[0028] Zq^ z X (d- (x Q-x) X sin (- Θ ) - (yQ-y) X cos (- Θ )) /d (3)
[0029] 當（Xq-X) X sin (- Θ ) + (yQ-y) X COS (- Θ ) < 〇 時；
[0030] Zq^ z X (d+ (x Q-x) X sin (- θ ) + (yQ-y) X cos (- Θ )) /d (4)
[0031] 圖I中點Q被有向節(jié)點覆蓋，點S未被有向節(jié)點覆蓋。
[0032] 復雜三維地形離散化處理：
[0033] 有向傳感器網絡表面覆蓋增強對應的是對連續(xù)監(jiān)測區(qū)域上的離散點進行覆蓋。故 將復雜三維地形表面區(qū)域的覆蓋簡化為三維空間中的點覆蓋。因此首先需要對監(jiān)測區(qū)域進 行離散化。我們在水平的兩個方向分別隔A X、Ay選取一個離散點，每個選取點對應一個 ζ坐標，將目標區(qū)域離散化，復雜三維地形表面場景的覆蓋率轉化為對表面上離散點被覆蓋 程度的計算。
[0034] 網格劃分策略：
[0035] 復雜三維地形場景在XOY平面上為邊長為size的正方形，有向節(jié)點投影在平面上 的正方形區(qū)域邊長為d。我們可以將監(jiān)測場景劃分為（SizeM)X (size/d)個網格，在監(jiān)測 區(qū)域內部署（size/d)X(size/d)個傳感器節(jié)點。節(jié)點放在每個網格的中心上方的統(tǒng)一高 度。該部署方式情況下，每個節(jié)點在XOY平面的感知區(qū)域投影正好與XOY平面的劃分出的 網格重合。
[0036] 模擬退火策略：
[0037] 模擬退火算法源于固體退火原理。對節(jié)點持續(xù)進行"新坐標產生一覆蓋點數差計 算