大规模3D无线传感器网络基于凸划分的节点定位方法技术

本发明专利技术公开了一种大规模3D无线传感器网络基于凸划分的节点定位方法，所涉及的划分方法包括：确定3D无线传感器网络区域的边界节点，得到边界节点集；确定边界节点中的凹节点集合以及簇头凹节点；从簇头凹节点出发将3D无线传感器网络区域划分为多个凹凸率和区域数目合适的子区域集合。所涉及的定位方法包括：对划分后的子区域使用改进的定位方法和DV-hop测距方法确定节点的相对距离信息和锚节点的位置信息将子区域的相对位置信息进行统一，得到整个大规模区域内节点的绝对位置信息。本发明专利技术的方法适合大规模3D无线传感器网络区域的节点定位，且定位精度高和速度快。

【技术实现步骤摘要】
大规模3D无线传感器网络基于凸划分的节点定位方法
本专利技术涉及3D部署的无线传感器网络的应用技术，特别是一种针对大规模3D无线传感器网络区域的基于凸划分的节点定位方法，该方法主要用于大型野外生物习性跟踪及保护，海底结构勘测等。
技术介绍
无线传感器网络一般部署在2D平面内，如农业环境监测，平原地区的野生动物跟踪等；也可以部署在3D物体的表面，如海面或岩体表面进行地震监测；还可以部署在任意形状的3D空间内构成实体网络，如海底监测和空间勘察。目前，与3D空间实体部署网络的应用相比，科研人员对2D部署传感器网络应用方面有更加深入的研究。随着无线传感网的逐步扩大，人们对3D传感网络的的需求和兴趣也迅速增加，比如海底结构探测，大规模野外生物跟踪，军事战场的实时监控等。由于3D空间的监测环境范围比较广，从前全局来看，无线传感器节点的定位和节点间最佳路由寻找是一个很复杂的问题。由于应用的规模较大，节点的部署方案一般采用随机撒播，这必然会导致网络部署的形状非常不规则，有空洞，凹陷等。加之网络维数的升高，原来在2D环境下定位精度较高的定位方法在不规则和大规模的3D环境下不能正常高效的工作，且这些高效的定位方法要求所在的网络区域为简单凸区域。实验结果表明经典高效的定位方法三边测量法和DV-hop算法的结合能够在简单的大规模3D凸区域网络内取得很好的定位效果，但是在不规则的(网络凹陷或有空洞)3D大规模WSN进行节点定位，存在精度太低且适应性很差的难题。在3D-8模型的网络部署条件下进行实验，得到直接使用该方法对网络中的节点进行定位的定位误差达到7m之大，不能满足实际的需求。于是依托于其他机制的定位方法逐渐出现。其中，简单凸区域是指单连通的凸区域，也就是区域中任意两节点的最短路径是一条直线或近似直线。由于要先解决大规模环境下的通信开销和能耗问题，目前一般先对网络区域凸划分得到小规模的凸子区域，再对子区域内的节点进行节点定位。现有的这种类型定位方法有：基于bottleneck区域凸划分的节点定位方法中，HongyuZhou提出根据bottleneck识别凹陷和空洞，然后进行3D网络划分。基于网络连通性和自定义的injectivityradius识别出网络中的“瓶颈”产生一个划分面。通过迭代过程，识别出一系列的“瓶颈”，共同把网络分成多个子凸区域，最后在各个网络中使用经典的定位方法完成节点的自我定位。基于bottleneck区域凸划分的节点定位方法不能完成一种比较常见的有空洞3D网络部署的节点定位。对于图1所示的网络，是内部具有空洞的3D网络(忽略岩体上方空间部署的节点)，用这种方法无法完成这种情形下的准确划分和节点定位。实际情形中，这种有空洞的3D部署网络是很常见的，如果不能对这种网络进行凸划分，高效的定位方法就不能在这样复杂的网络中正常运行，得不到准确的定位结果。通过实验证明单纯的改进定位方法是不可行的，于是解决上述凸划分过程中遇到的问题，提高网络凸划分方法的鲁棒性是最好的途径。基于CONSOLE区域凸划分的节点定位方法总是从单个节点出发通过一步步的合并得到较合理的子区域，在网络规模增大时，计算开销会大大增加，对于能源有限的节点来说，这种方法存在局限性。基于CONSOLE区域划分的节点定位方法中，HongboJiang等人提出网络凸划分的方法CONSOLE(CONnectivity-basedSEgmentationinLarge-scale2d/3dsensornetworks)，这是第一个从理论上能同时解决2D和3D网络区域凸划分的方法，它从Morse函数和Reeb图的角度出发，把凸区域和Reeb图结合起来。在得到Reeb图后，其他普通节点计算出mutexpair并得到一个粗粒度的划分。然后把不是“mutexpair”的相邻区域合并，最终得到子区域凹性很小的一个凸划分，最后在各个子区域网络中进行节点的自我定位。基于CONSOLE区域凸划分的节点定位方法在网络规模增加时，可能无法利用有限的节点资源完成节点定位，方法的可扩展性差。该方法总是从单个节点出发通过逐步迭代合并得到较合理的凸子区域。随着在网络规模增大时，计算开销会大大增加，对于能源有限的节点来说，这种方法存在局限性。
技术实现思路
针对以上现有定位方法存在的问题，本法明提出了基于大规模3D网络凸划分ACDC(ApproximateConvexDecompositionbasedonConnectivityinLarge-scale3DWSN)的节点定位方法。该专利技术除有以上凸划分效果外，还可以实现有空洞网络的凸划分并完成定位。本专利技术中的3D凸划分方法是从全局的网络拓扑结构出发进行凸划分，节点的计算开销只与网络的不规则程度有关。为了实现上述任务，本专利技术采用以下技术方案：一种大规模3D无线传感器网络基于凸划分的节点定位方法，包括以下步骤：步骤一，无线传感器网络的区域凸划分对无线传感器网络边界进行提取，得到网络边界节点集合|Vk(o)|；边界节点集合中，任意一个边界节点o的凹凸率为：式1中，跳步数k满足5≤k≤8，取整数；ρ为空间体密度，若边界节点o满足Ck(o)≥1+ε，则此边界节点o为单纯凹节点；0.05＜ε＜0.1；记与边界节点o相距为k的节点集合为记一个节点从集合中取节点m开始的个节点，这个节点的集合称为执行：①依次令p1为中的每一个节点；②从p1开始，每隔个节点，依次找到节点p2,p3,p4，其中p1与p3间最短跳步数为k1，p2与p4间的最短跳步数为k2：③每一次执行步骤②时，均得到一组k跳步数近邻节点：p1,p2,p3,p4，记录每一组的k1和k2，直到p1为中最后一个节点；在得到的多组k1和k2，中，找出k1值最小的一组，若在该组中，满足关系式：和|Ck(o)-1|≤δ，则边界节点o称为鞍节点；其中0.01＜δ＜ε≤0.1对凹节点进行聚类，得到单纯凹节点类别和鞍节点类别的簇头节点集合；对于簇头节集合中任意一个簇头节点，找到簇头节点的k跳步数近邻节点p1,p2,p3,p4，若存在节点q满足：|dist(p1,q)-dist(p3,q)|+|dist(p2,q)-dist(p4,q)|≤1(式5)式5中，dist()表示括号中两个节点间最短的跳步数；则对于簇头节点所有满足式5的节点q构成集合Q(q∈Q)，称Q为由簇头节点生成的中轴线；在所有中轴线中，如一条中轴线与其邻近的中轴线相互平行，则由两条中轴线构成的平面为分割面；所有分割面将网络分割为多个子区域，然后对每个子区域进行标号；步骤二，无线传感器网络的节点定位计算每个子区域的平均单跳距离，对于一个子区域的待定位节点u，找到使式8中D最大的n个信标节点作为定位u所需的信标节点：式8中，和为信标节点的位置坐标；然后利用三边定位法计算出未知节点的坐标位置。进一步地，步骤一中，中轴线构成分割面的具体步骤如下：中轴线Q1搜索无线传感器节点通信范围内最近的w(3＜w＜7)个平行中轴线，分别与每个平行的中轴线Qw构成配对的划分二元组：Seg(Q1,Qw)，在这些二元组中，选择二元组中两条中轴线之间距离最小的一组中轴线，利用这一组中轴线生成分割平面；如一个中轴线在节点通信范围之内无与之平行的中轴线，则该中轴线与其k跳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大规模3D无线传感器网络基于凸划分的节点定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，无线传感器网络的区域凸划分对无线传感器网络边界进行提取，得到网络边界节点集合|Vk(o)|；边界节点集合中，任意一个节点o的凹凸率为：Ck(o)=3×|Vk(o)|2πρ×k3]]>   (式1)式1中，跳步数k满足5≤k≤8，取整数；ρ为空间体密度，若边界节点o满足Ck(o)≥1+ε，则此边界节点o为单纯凹节点；0.05<ε<0.1；记与边界节点o相距为k的节点集合为记一个节点从集合中取节点m开始的个节点，这个节点的集合称为执行：①依次令p1为中的每一个节点；②从p1开始，每隔个节点，依次找到节点p2,p3,p4，其中p1与p3间最短跳步数为k1，p2与p4间的最短跳步数为k2：③每一次执行步骤②时，均得到一组k跳步数近邻节点：p1,p2,p3,p4，记录每一组的k1和k2，直到p1为中最后一个节点；在得到的多组k1和k2，中，找出k1值最小的一组，若在该组中，满足关系式：和|Ck(o)‑1|≤δ，则边界节点o称为鞍节点；其中0.01<δ&lt;ε≤0.1；对凹节点进行聚类，得到单纯凹节点类别和鞍节点类别的簇头节点集合；对于簇头节点集合中任意一个簇头节点o，找到簇头节点o的k跳步数近邻节点p1,p2,p3,p4，若存在节点q满足：dist(p1,q)‑dist(p3,q)|+|dist(p2,q)‑dist(p4,q)|≤1   (式5)则对于簇头节点o所有满足式5的节点q构成集合Q(q∈Q)，称Q为由簇头节点o生成的中轴线；式5中，dist()表示括号中两个节点间最短的跳步数；在所有中轴线中，如一条中轴线与其临近的中轴线相互平行，则由两条中轴线构成的平面为分割面；所有分割面将网络分割为多个子区域，然后对每个子区域进行标号；步骤二，无线传感器网络的节点定位计算每个子区域的平均单跳距离，对于一个子区域的待定位节点u，找到使式8中D最大的n个信标节点作为定位u所需的信标节点：D=Σi,j=1n(l→i-l→j)2-(l→i-u→)2]]>   (式8)式8中，和为信标节点的位置坐标；然后利用三边定位法计算出未知节点的坐标位置。...

【技术特征摘要】
1.一种大规模3D无线传感器网络基于凸划分的节点定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，无线传感器网络的区域凸划分对无线传感器网络边界进行提取，得到网络边界节点集合|Vk(o)|；边界节点集合中，任意一个边界节点o的凹凸率为：式1中，跳步数k满足5≤k≤8，取整数；ρ为空间体密度，若边界节点o满足Ck(o)≥1+ε，则此边界节点o为单纯凹节点；0.05＜ε＜0.1；记与边界节点o相距为k的节点集合为记一个节点从集合中取节点m开始的个节点，这个节点的集合称为执行：①依次令p1为中的每一个节点；②从p1开始，每隔个节点，依次找到节点p2,p3,p4，其中p1与p3间最短跳步数为k1，p2与p4间的最短跳步数为k2：③每一次执行步骤②时，均得到一组k跳步数近邻节点：p1,p2,p3,p4，记录每一组的k1和k2，直到p1为中最后一个节点；在得到的多组k1和k2，中，找出k1值最小的一组，若在该组中，满足关系式：和|Ck(o)-1|≤δ，则边界节点o称为鞍节点；其中0.01＜δ＜ε≤0.1；对凹节点进行聚类，得到单纯凹节点类别和鞍节点类别的簇头节点集合；对于簇头节点集合中任意一个簇头节点，找到簇头节点的k跳步数近邻节点p1,p2,p3,p4，若存在节点q满足：|dist(p1,q)-dist(p3,q)|+|dist(p2,q)-dist(p4,q)|≤1(式5)则对于簇头节点所有满足式5的节点q构成集合Q(q∈Q)，称Q为由簇头节点生成的中轴线；式5中，dist()表示括号中两个节点间最短的跳步数；在所有中轴线中，如一条中轴线与其临近的中轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：王兆强，汤战勇，陈晓江，房鼎益，任宇辉，刘晨，徐丹，聂卫科，邢天璋，王薇，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61