专利名称：一种基于pool机制的wsn目标跟踪簇调整算法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于POOL机制的WSN目标跟踪簇调整算法，属于无线传感器网络技术领域。
背景技术：
无线传感器网络(WSN)是由大量体积小、成本低，具有感知、通信和数据处理能力的传感器节点构成，具有自组织成网和隐蔽性好等特点，非常适合被应用于移动目标的定位和跟踪。WSN使用电池供电，一旦部署更换电池很难实现，因此能量受限是WSN的重要特征之一，如何降低网络能耗是设计目标跟踪系统时必需考虑和解决的关键问题，事实上，网络能耗均衡和跟踪目标精度是无线传感器网络目标跟踪算法主要的两个研究问题。由于无线传感器网络节点数量大，密度高，一般采用簇形网络结构。在簇形网络中，簇首负责与所有成员节点通信，汇总各成员节点数据，能量消耗明显高于成员节点。长期以来，研究人员针对无线传感器网络目标跟踪研究做出了大量努力。提出的典型算法主要有双元检测算法，信息驱动协作跟踪算法，传送树跟踪算法。研究人员针对经典算法也给出了很多优化或补充算法，如时间异步条件下的动态簇算法、基于粒子滤波的跟踪算法、分布式自适应算法等。但这些算法中，簇首调整基于目标节点位置的变化，如目标移动速度缓慢或时而静止， 簇首会一直担任，导致能量消耗过快，形成能量空洞。
发明内容
针对传统目标跟踪算法中，目标慢速移动或是接近静止时，簇首节点因长时间担任簇首，能量消耗过快，形成能量空洞的问题，本发明提出基于簇首池(POOL)机制的簇调整算法。变速目标跟踪过程中，节点担任簇首的时间设有阀值，时间到时簇首从POOL中根据剩余能量及距离目标节点RSSI信号强度等因素选择一个节点作为新任簇首。目标变速移动过程中，POOL结构及数据不断更新。此机制保证簇首的平滑转移，在保证跟踪精度的同时，减少能耗，延长网络寿命。本发明在满足以下系统模型的基础上提出定义跟踪区域为F，N个无线传感器节点随机分布，分为普通节点和汇聚(Sink)节点，目标周期性的发送射频信号，普通节点大部分时间处于休眠状态，并周期性醒来检测目标信号。简化系统模型如下1)节点空间部署等密度且随机，节点坐标(X，y)可知；2)每个节点有唯一的ID，具有数据融合功能；3)节点同构对等，无线传播范围相同；4)节点具有组簇能力；5)若传感器的通信半径为I n，目标信号的有效传输半径为民，两者满足民^ Rn/2， 保证所有能探测到目标的节点，都在彼此的通信范围内，并且只会形成一个簇。本发明是由以下方式实现的
1、跟踪簇的建立为节省能量，无线传感器网络所有节点在没有目标跟踪时处于休眠状态。目标靠近时，目标附近的多个传感器节点同时检测到目标信号，当节点检测到目标的信号能量强
度(RSSI)值大于RSSItl时，判断为目标进入跟踪范围，这些节点构成集合6 =它
们共同组成跟踪簇，并参与到跟踪簇的组建及簇首选择的过程中；节点接收到的RSSI值小于RSSItl,或是没有侦测到目标信号，该节点将继续保持休眠状态。检测到目标信号RSSI值大于RSSItl的节点首先广播询问簇首ID，并启动定时器 T0，现任簇首收到询问后，回应新加进节点，使其加入到簇中成为簇成员；若TO计时时间达到设定值时，簇首无回应，则认为无簇首，检测到目标信号RSSI值大于RSSItl的节点竞争选举簇首；竞争选举簇首的方法如下根据接收到的目标信号RSSI值，启动一个选举定时器 Tl，RSSI值越大，定时时间越短，并进入候选状态，同时设置自身状态为簇首；如节点在定时器超时前未收到任何其他节点选举通告，则广播一个选举通告，确立簇首地位；否则，如果节点在定时器超时前收到其他节点的选举通告信息，它将终止自己的选举定时器，承认发送选举通告信息节点的簇首地位，并设置自身为成员状态，成为子节点。
图1为对半径为 50m，节点数100左右的簇，基于自由空间模型做出的簇首与中心距离对应其能量消耗关系的仿真统计图。由图可以看出，簇首选择与其能量消耗有如下关系距离簇中心越远的节点担任簇首，有能量消耗越多的趋势。基于此关系，本文在簇首选择的过程中，将节点与簇中心距离作为一个重要考量因素。簇首确定之后，簇成员将自身ID、位置信息传递给簇首；簇首生成簇成员位置信息表PIT ；半径仏(Rp < Rn)范围内的点，即RSSI > RSSI1 > RSSI。，划入POOL ；簇首建立POOL 表，存储RSSI排序簇成员节点数目的前30% ；POOL表中存储节点ID、节点剩余能量、与接收目标节点信号强度RSSI等数据，根据上述参数计算的POOL中排序；POOL中节点作为簇首轮转的备选簇首，是一个动态变化的选择池，在目标跟踪过程中，被独立地改变、维护。2、跟踪簇的调整1)簇成员节点的调整跟踪目标移动过程中，有些簇成员节点接受到的信号越来越弱，当RSSI值低于阀值RSSItl，节点状态转为休眠，从跟踪簇中退出；同时，逐渐有原休眠节点接收到的跟踪节点信号越来越强，RSSI值高于阀值RSSItl时，节点加入簇；簇首在此过程中根据节点是否在一段时间内发送数据，维护PIT表；在目标节点的跟踪过程中，簇成员一直处于动态变化的过程中。2) POOL 的调整簇首节点每次接收到成员节点的RSSI信息，根据大小进行排序；用前30%、并且前30%的成员节点的数量不少于MaxN，则用前30%的成员节点替代原有POOL;随着目标节点移动，POOL表不断更新，有些节点因为距离目标节点变远，在POOL表中排名下移，最终从 POOL中除名；另有些新的节点因为距离目标节点变近，开始进入POOL中；POOL成员在目标跟踪过程中一直处在动态调整的状态中；MaxN为使用过程中根据具体情况设定的POOL成员个数的最小值。3)簇首的转移
簇首的轮转选择需要考虑节点的剰余能量，但计算及传递此參数需要消耗额外的 能量，节点剩余能量估算方法如下已担任过簇首的节点，记录參数e为每次担任簇首时与 目标节点RSSI的平均值相加，作为节点担任簇首时能量消耗的估计，即
权利要求
1. 一种基于POOL机制的WSN目标跟踪簇调整算法，其特征在于，簇调整算法通过以下方式实现1.跟踪簇的建立为节省能量，无线传感器网络所有节点在没有目标跟踪时处于休眠状态；目标靠近时，目标附近的多个传感器节点同时检测到目标信号，当节点检测到目标的信号能量强度(RSSI)值大于RSSItl时，判断为目标进入跟踪范围，这些节点构成集合6 =它们共同组成跟踪簇，并参与到跟踪簇的组建及簇首选择的过程中；节点接收到的RSSI值小于 RSSI0,或是没有侦测到目标信号，该节点将继续保持休眠状态；检测到目标信号RSSI值大于RSSItl的节点首先广播询问簇首ID，并启动定时器T0，现任簇首收到询问后，回应新加进节点，使其加入到簇中成为簇成员；若TO计时时间达到设定值时，簇首无回应，则认为无簇首，检测到目标信号RSSI值大于RSSItl的节点竞争选举簇首；竞争选举簇首的方法如下根据接收到的目标信号RSSI值，启动一个选举定时器Tl， RSSI值越大，定时时间越短，并进入候选状态，同时设置自身状态为簇首；如节点在定时器超时前未收到任何其他节点选举通告，则广播一个选举通告，确立簇首地位；否则，如果节点在定时器超时前收到其他节点的选举通告信息，它将终止自己的选举定时器，承认发送选举通告信息节点的簇首地位，并设置自身为成员状态，成为子节点；簇首确定之后，簇成员将自身ID、位置信息传递给簇首；簇首生成簇成员位置信息表PIT ；半径范围内的点，即RSSI > RSSI1 > RSSI。，划入POOL ；簇首建立POOL表，存储RSSI排序簇成员节点数目的前30% ；POOL表中存储节点ID、节点剩余能量、与接收目标节点信号强度RSSI等数据，根据上述参数计算的POOL中排序；POOL中节点作为簇首轮转的备选簇首，是一个动态变化的选择池，在目标跟踪过程中，被独立地改变、维护；·2.跟踪簇的调整1)簇成员节点的调整跟踪目标移动过程中，有些簇成员节点接受到的信号越来越弱，当RSSI值低于阀值 RSSItl，节点状态转为休眠，从跟踪簇中退出；同时，逐渐有原休眠节点接收到的跟踪节点信号越来越强，RSSI值高于阀值RSSItl时，节点加入簇；簇首在此过程中根据节点是否在一段时间内发送数据，维护PIT表；在目标节点的跟踪过程中，簇成员一直处于动态变化的过程中；2)POOL的调整簇首节点每次接收到成员节点的RSSI信息，根据大小进行排序；用前30%、并且前 30%的成员节点的数量不少于MaxN，则用前30%的成员节点替代原有POOL;随着目标节点移动，POOL表不断更新，有些节点因为距离目标节点变远，在POOL表中排名下移，最终从 POOL中除名；另有些新的节点因为距离目标节点变近，开始进入POOL中；POOL成员在目标跟踪过程中一直处在动态调整的状态中；MaxN为使用过程中根据具体情况设定的POOL成员个数的最小值；3)簇首的转移簇首的轮转选择需要考虑节点的剩余能量，但计算及传递此参数需要消耗额外的能量，节点剩余能量估算方法如下已担任过簇首的节点，记录参数e为每次担任簇首时与目标节点RSSI的平均值相加，作为节点担任簇首时能量消耗的估计，即
全文摘要
一种基于POOL机制的WSN目标跟踪簇调整算法，属于无线传感器网络技术领域，用于无线传感器网络目标跟踪。在传统目标跟踪算法中，在目标慢速移动或是接近静止过程中，簇首节点因长时间担任簇首，能量消耗过快，容易形成能量空洞。本算法提出基于POOL机制的簇首轮转机制。无线传感器网络变速运动目标跟踪过程中，跟踪节点担任簇首的时间设有阀值，达到设定时间时簇首从POOL(簇首池)中根据剩余能量及距离目标节点RSSI信号强度等因素选择一个节点作为新任簇首。目标变速移动过程中，POOL结构及数据不断更新。此机制保证簇首的平滑转移，在保证跟踪精度的同时，减少能耗，延长网络寿命。
文档编号H04W84/18GK102404828SQ20111042629
公开日2012年4月4日 申请日期2011年12月16日 优先权日2011年12月16日
发明者杜联柱, 陈曙 申请人:山东大学