[发明专利]一种基于真实三维地形的WSN节点部署优化方法

说明书

本发明公开了一种基于真实三维地形的WSN节点部署优化方法，首先，为了解决待部署区域地表模型的真实性问题，利用网络地理数据库中下载的真实地形高程数据对地表进行重构建模，避免了由于曲面模型不精确所引入的覆盖误差；其次，针对三维曲面覆盖问题中特有的覆盖盲区问题，综合考虑了信号衰减和地形遮挡因素对于覆盖面积的影响，解决了原有覆盖模型在三维环境下存在覆盖缺陷的问题，因此更接近真实场景；最后，考虑到传统算法在三维环境下寻优速度慢，覆盖性能较差，以及贪心算法在解决最优解问题方面的高效性。本发明方法在解决真实三维环境下WSN节点部署问题上，无论在部署成本和效率方面均具有显著的优势。

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种WSN节点部署优化方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)技术综合了分布式信息处理、嵌入式计算、无线网络与通信和传感器等多项技术，广泛应用于各种领域，是二十一世纪最具影响力的技术之一。无线传感器网络的性能很大程度上取决于WSN节点的地理位置，在满足覆盖区域监测需求的前提下，最大程度地降低网络的部署成本，因此网络拓扑结构的合理性对网络连接和覆盖的性能至关重要。

针对真实三维环境下的WSN节点部署问题，传统方案存在如下四方面问题：

(1)待部署区域采用的是函数生成的曲面，过于规律和平滑，不能模拟实际地形环境的地表特点。

(2)传统方案需要根据曲面函数来估计部署所需的节点数，而实际地形变化不规则，无法得到待部署区域的曲面函数进而无法计算节点数。

(3)传统的球形覆盖模型没有考虑到实际地形对于覆盖范围的影响，在复杂地表环境中，节点的覆盖范围大多为不规则的形状，所以亟需提出一种更符合山区环境的节点覆盖模型。

(4)由于待部署区域地表信息数据量大，新的覆盖模型更为复杂，以往的部署算法会由于计算量大、地形复杂而导致收敛速度过慢、易陷入局部最优等问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于真实三维地形的WSN节点部署优化方法，提出了基于网格扫描的贪心算法(Greedy algorithm based on gridscanning，GAGS)。首先，为了解决待部署区域地表模型的真实性问题，利用网络地理数据库中下载的真实地形高程数据对地表进行重构建模，避免了由于曲面模型不精确所引入的覆盖误差；其次，针对三维曲面覆盖问题中特有的覆盖盲区问题，提出了一种基于数字高程模型(DEM)数据的概率覆盖模型，该模型综合考虑了信号衰减和地形遮挡因素对于覆盖面积的影响，解决了原有覆盖模型在三维环境下存在覆盖缺陷的问题，因此更接近真实场景；最后，考虑到传统算法在三维环境下寻优速度慢，覆盖性能较差，以及贪心算法在解决最优解问题方面的高效性，本发明采用改进的贪心算法进行求解，用尽可能少的传感器节点实现了对地形的全覆盖。本发明方法在解决真实三维环境下WSN节点部署问题上，无论在部署成本和效率方面均具有显著的优势。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤1：建立真实三维地表模型；首先通过网络数据库下载数字高程模型DEM，然后根据DEM点在横纵坐标方向各自的采样数量，对平面区域进行相同数量的网格划分，并对网格点赋予相应的高程值；

步骤2：构建基于DEM数据的WSN概率覆盖模型；

步骤2-1：地形遮蔽对于WSN概率覆盖模型的影响；

将三维地表模型上所有的网格点坐标(x_i,y_j,z(x_i,y_j)),i＝1,2...m；j＝1,2...,n存储到矩阵X,Y,Z中，如下式：

X＝[x₁,x₂,...,x_m]