一种面向目标检测的无线传感器网络强栅栏覆盖构建方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种面向目标检测的无线传感器网络强栅栏覆盖构建方法，属于无线传感器网络领域。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络由部署在监测区域内大量的传感器节点组成，节点间通过无线通信方式形成一个多跳自组织网络，能够协作的感知、采集和处理网络覆盖区域内的感知对象信息，并发送给感兴趣用户群组。目标检测是无线传感器网络的重要研宄内容之一，具有广泛的军事应用和民事应用前景，尤其在安全防卫领域发挥着重大作用，如战场监测、边境防卫、机场安全防卫、核泄露监控等。面向目标检测的无线传感器网络强栅栏覆盖问题面临着多个挑战:首先，静态传感器节点随机部署到兴趣区域中，由于静态传感器节点不能移动，无法保证确保提供强栅栏覆盖；其次，为了构建栅栏覆盖，本发明提出进一步部署可移动传感器节点弥补静态传感器节点间构建强栅栏覆盖，然而可移动传感器节点成本高，如何构建强栅栏覆盖的同时最小化可移动传感器节点数目是面临的主要挑战。因此，需要设计一种最优的强栅栏覆盖构建方法，以最少的可移动传感器节点数目(成本)与已部署的静态传感器节点构建强栅栏覆盖。
[0003]已有的栅栏覆盖研宄并没有考虑如何以最小数目(成本)的可移动传感器节点与已部署的静态传感器节点构建强栅栏覆盖。本方法的提出将为部署可移动传感器节点构建栅栏覆盖提供最优的解决方案，促进无线传感器网络在安全防卫领域的进一步应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的针对无线传感器网络中静态传感器节点随机部署后无法确保提供强栅栏覆盖的问题，提供一种基于可移动传感器节点的强栅栏覆盖构建方法，以最少的可移动传感器节点数目(成本)确保构建强栅栏覆盖。
[0005]面向目标检测的无线传感器网络强栅栏覆盖构建方法包含如下步骤:
[0006]I)传感器节点随机部署到兴趣区域后，各节点汇报自身的ID、地理位置及朝向角信息给基站；
[0007]2)基于节点所汇报信息，基站计算每个节点在二维空间的感知范围；
[0008]3)基站利用强连接簇形成算法将网络中节点组成强连接簇，并计算簇与簇之间的距离；
[0009]4)基于强连接簇以及兴趣区域信息，建立有向强栅栏图，找到所述有向强栅栏图中的最短路径。若最短路径长度为0，网络初始部署提供强栅栏覆盖；若最短路径长度不为0，最短路径的长度即为构建强栅栏覆盖所需的最少可移动传感器节点数目；
[0010]5)部署所需的可移动传感器节点，并将可移动传感器节点移动到有向强栅栏图中最短路径所对应的漏洞，弥补相应漏洞，构建强栅栏覆盖。
[0011]所述的兴趣区域为一矩形区域，上下边界的长度为L，左右边界的长度为H，目标从下边界进入，从上边界穿出。
[0012]所述的网络提供强栅栏覆盖是指，目标沿着垂直于下边界的任意路径穿越兴趣区域，至少会被一个传感器节点所检测到。
[0013]所述的强连接簇由节点组成，其在二维空间的感知范围是其簇内每个节点在二维空间的感知范围的并集，且感知范围是连续的。
[0014]所述的强连接簇形成算法步骤为:第一步:每个节点广播自身位置和接收邻居位置信息，知道自己的邻居节点位置以及邻居数目；第二步:建立一个节点集合，按照邻居数目的多少，对于节点进行排序，邻居数目最多的排在最前面；第三步:初始化一个新簇，并将节点集合中最前面的节点作为第一个成员，并将该节点从节点集合中剔除；第四步:对于任意一个加入当前簇的新节点，找到它所有的邻居节点，将他们从节点集合中剔除，并放入当前簇；第五步:重复第四步直到没有新节点加入当前簇；第六步:如果节点集合为空集，算法结束，否则回到第三步。
[0015]所述的簇与簇之间的距离是指分别属于两个簇的两个节点的感知范围的最小距离。
[0016]所述的有向强栅栏图是一个全向图，用顶点s和t分别代表兴趣区域的左边界和右边界，每个强连接簇对应于图中一个顶点，任意两个顶点之间均存在一条边界，边界的权重即为在二维空间上连接两个顶点所需的最少可移动传感器节点数目。
[0017]所述的图中最短路径是指有向强栅栏图中从s到t的最短路径，可利用经典的Dijkstra算法求解。
[0018]所述的最短路径上的漏洞是指最短路径上长度大于O的边所对应的强连接簇与强连接簇之间的漏洞，区域左边界与强连接簇之间的漏洞、以及强连接簇与区域右边界之间的漏洞。
[0019]本发明和现有技术相比，具有的有益效果是:
[0020]I)利用可移动传感器节点弥补静态传感器节点漏洞，能够确保构建强栅栏覆盖；
[0021]2)提出了强连接簇形成算法，其计算复杂度低，适用于大规模无线传感器网络；
[0022]3)提出了有向强栅栏图的概念，将最小数目的可移动传感器节点问题转化为图的最短路径问题，找到了弥补栅栏覆盖所需可移动传感器节点的最优解决方案；
[0023]4)与以往技术相比，本发明的面向目标检测的无线传感器网络强栅栏覆盖算法，能够有效的判断网络初始部署是否提供强栅栏覆盖，并利用最小数目(成本)的可移动传感器节点与已部署的静态传感器节点构建栅栏覆盖，最小化构建强栅栏覆盖所需的可移动传感器节点成本。
【附图说明】
[0024]图1为无线传感器网络强栅栏覆盖示意图。
[0025]图2为初始部署网络节点示意图。
[0026]图3为基于节点部署形成的强连接簇示意图。
[0027]图4为基于强连接簇构建的有向强栅栏图示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和实施例对本发明做进一步地描述。
[0029]实施例
[0030]现结合附图1、2、3和4说明本发明的具体实施例。
[0031]I)无线传感器网络强栅栏覆盖示意
[0032]图1所示为无线传感器网络强栅栏覆盖示意图。矩形区域代表节点所部署在的兴趣区域。曲线代表目标的任意一条穿越路径，从下边界进入，上边界穿出。扇形代表节点的感知区域。实线扇形代表静态节点，虚线扇形代表移动节点。灰色节点组成一条弱栅栏，保证对兴趣区域的弱栅栏覆盖。在图1中，移动节点I和移动节点2，与静态节点组成一条强栅栏，保证对兴趣区域提供强栅栏覆盖，能够检测到任意一个穿越兴趣区域的目标。
[0033]2)基站利用强连接簇形成算法将网络中节点组成强连接簇
[0034]图2所示为初始部署网络节点情况。基站基于强连接簇形成算法将节点组成强连接簇。首先，对节点进行排序，邻居数目最多的节点排在最前面，顺序为S= (f，g，a，b，c，d，e，h，i，j，k，I)，然后检查每个节点。初始化簇Sc1，并将节点f作为第一个成员，将f从S中删除。在S中寻找f的邻居，节点g和节点e被归入簇Sc1,并将节点g和节点e从S中删除。由于节点g和节点e都是新加入的节点，分别在S中寻找节点g的邻居和节点e的邻居。由于节点h为节点g的邻居，节点h被归入簇Sc1，并将节点h从S中删除。由于节点e在S中不存在邻居，对节点e检查结束。此时节点h为新加入的节点，对节点h进行检查，发现在S中找不到节点h的邻居，对节点h检查结束。由于此时