[发明专利]无线传感器网络中节点自适应按需覆盖布设方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络领域，具体涉及一种无线传感器网络中节点自适应按需覆盖布设方法和装置。

背景技术

随着无线通信技术、超大规模集成电路技术以及嵌入式硬件设备技术的飞速发展和大规模应用，越来越多的具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器在人们生活中变得随处可见。例如在日益普及的智能手机中就有各种各样的传感器来随时感知和监测其工作环境的信息，例如位置传感器、压力传感器、温度传感器、重力传感器等。所有传感器均可以感受到某种特定的信息，并按照一定规律将信息转换为电信号或者其他形式的信息输出，以满足智能设备对各种数据记录、处理、控制、存储、传输的需求。现如今随着电子技术的飞速发展以及应用越来越广泛，各种各样的高科技传感器产品已经进入到人们的生活中，智能传感器产品对人类的影响越来越大。同时，由许多微型传感器构成的移动无线传感器网络(Mobile Wireless Sensor Networks，以下简称MWSN)也引起了人们的极大关注，无线传感网络是一种由传感器节点组成的特殊Ad-hoc网络，由于MWSN不需要固定设施支持，具有部署便捷、抗毁性强，环境适应性强等特点。可应用于任何布设和电源供给困难的区域，例如人类不能到达的无人区或敌对区域、受污染严重区域和一些临时紧急场景，例如灾难环境等。无线传感器网络(以下简称WSN)可以使人们在任何时间地点、任何自然环境、任何场景条件下取得大量且准确可靠的数据信息，此外，WSN综合了传感器技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术和机会通信技术等，能够协作处理实时监测、感知、采集各种各样环境中监测对象的信息，并对信息进行协同处理，为用户提供准确且实时的信息。WSN已经被广泛应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、卫生医疗、抗震救灾、反恐安保以及智能家居智慧城市等领域。

在所有MWSN的应用场景中，网络中节点的覆盖质量和网络的生存周期是评价MWSN体系性能的两个重要的指标。网络中节点覆盖质量的优劣和网络中采用的对监测区域覆盖节点部署的方式息息相关。同时，网络生存周期的长短直接影响整个网络的可靠程度和监测质量。一般情况下，MWSN在进行区域监测时，受到地形地貌和周围环境等诸多因素的影响往往采用随机部署的方式。在这种部署方式中，由于事先没有经过精确的定位和计划，难免会使得某些区域成为无节点覆盖到的盲区，为了满足覆盖要求和完成监测任务，只能增加更多的传感器节点来达到覆盖的目的和要求，这又会产生另一种相对的情况，即，使得一些区域处于多重的覆盖范围之内，即K重覆盖。通过增加更多的传感器节点的方案虽然在一定程度上可以完成网络覆盖任务，但是存在着明显的缺陷和不足，第一、由于K重覆盖的存在，传感器网络在数据采集、汇总、分析以及在网络传输的过程中必定会引入大量的数据冗余，这些冗余必定会造成网络中计算资源和通信资源的拥塞。第二、随机部署的方式并不能准确的达到网络覆盖的满意，无线传感器监测网络中往往存在一些比较重点特殊的区域，例如有些区域甚至需要多个传感器节点协同完成覆盖任务。而随机覆盖则是以一种类似均匀覆盖的方式来进行节点的布设，达不到网络的实际个性需求，并且或造成节点的浪费。第三、在节点的布设过程中由于采用随机的方式，必定会存在某一些区域产生覆盖空洞，导致监测数据不完整和不全面，严重影响覆盖和监测的质量。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种在移动无线传感器网络MWSN中基于网络覆盖需求的移动节点自适应按需覆盖布设方法(Requirement-needed Coverage Self-deployment，以下简称RCS)。该方法可以使传感器节点在随机布设方式的基础上分布式自适应智能决策移动方向、动态调整部署位置，以达到最佳的网络覆盖方案。本发明提出的RCS方法，采用移动元胞自动机对场景进行建模，以刻画节点的局部位置信息和时空相关的移动行动过程。具体地，首先将网络覆盖场景建立为虚拟的元胞空间和元胞单元，元胞空间为网络场景覆盖的所有区域，而元胞单元为自动划分的各个子区域。节点在元胞单元之间可以移动，并且相邻元胞单元之内的节点可以通信，这样通过节点所在元胞单元的信息以及元胞节点在元胞单元之间移动的信息，我们就可以建立基于元胞自动机的传感器节点移动的时空演化过程模型。有了元胞空间的概念，通过空间内节点的感知即可得知传感器监测点的存在或者监测任务是否达到满意的程度。