一种面向节能的无线传感器网络目标跟踪方法技术

本发明专利技术公布了一种面向节能的无线传感器网络目标跟踪的具体方案，用于在能耗约束及拓扑切换等条件下对目标进行准确的状态跟踪。网络中各节点根据自身能耗及外界条件的变化动态规划各节点的工作模式，从而动态切换网络拓扑以降低网络能耗。跟踪网络中的各节点通过采集目标数据并与邻居节点进行信息交互，实时跟踪目标的状态信息。本发明专利技术可定量分析网络拓扑结构的动态变化对跟踪网络整体性能造成的影响，并确定了保证跟踪网络正常工作的最高切换频率，在保证网络整体生存时间的前提下，提升了跟踪网络的鲁棒性和跟踪的准确性，并给出了网络系统的具体部署方案。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公布了一种面向节能的无线传感器网络目标跟踪的具体方案，用于在能耗约束及拓扑切换等条件下对目标进行准确的状态跟踪。网络中各节点根据自身能耗及外界条件的变化动态规划各节点的工作模式，从而动态切换网络拓扑以降低网络能耗。跟踪网络中的各节点通过采集目标数据并与邻居节点进行信息交互，实时跟踪目标的状态信息。本专利技术可定量分析网络拓扑结构的动态变化对跟踪网络整体性能造成的影响，并确定了保证跟踪网络正常工作的最高切换频率，在保证网络整体生存时间的前提下，提升了跟踪网络的鲁棒性和跟踪的准确性，并给出了网络系统的具体部署方案。【专利说明】
本专利技术涉及无线通信
，具体涉及。
技术介绍
无线传感器网络是由大量部署的静止或移动的无线传感器节点构成，以自组织的方式采集、处理并传输网络覆盖范围内监测信息的大规模分布式网络。移动目标跟踪是无线传感器网络的一项重要应用领域，其中，网络的节能高效及鲁棒性是保证跟踪效果的关键指标。受网络自身结构及工作环境的制约，传感器节点普遍采用自备一次性电源供电，能耗将直接影响节点使用寿命及网络的整体生存时间，故在实际应用中，需考虑传感器的检测周期及部署策略等以减少传感器节点的能量消耗。同时，网络中的无线链路易受外界干扰，因此，需考虑跟踪的鲁棒性，即跟踪网络在拓扑结构动态变化或量测信息丢失等情况下，依然能继续跟踪目标并保证一定精度。无线传感器网络中的目标跟踪技术受能耗，环境及目标或节点移动等因素的制约，使得许多传统的跟踪算法不再适用，近年来，国内外研究者对此进行了大量探索，部分研究通过拓扑探测，网络分簇或引入首领节点等方式建立高效的通信网络，从而实现拓扑控制，提升网络的整体生存时间，有的研究则设计各类休眠决策，控制空闲节点进入休眠模式以降低节点能耗。但上述方法主要侧重于实现网络的节能及能耗在全网内的均衡分配，而没有考虑拓扑切换对网络的跟踪效果的影响。在目标跟踪系统中，目标、障碍物或传感器节点的移动可能使部分传感器节点脱离邻居节点的感测范围或使链路通信质量受外界环境影响而下降，导致链路失效。此外，对于部分距离目标较远的节点，也需要主动调整其工作模式以实现节能。可见，网络拓扑结构的动态切换具有随机性，因此，在保证网络跟踪精度的条件下，定量分析拓扑结构的动态变化对网络整体性能的影响并确定保证跟踪网络正常工作的最高切换频率对于跟踪网络的设计部署及实际应用都具有重要的意义，但现有方法尚无法解决以上问题。
技术实现思路
为弥补现有方法存在的不足，本专利技术针对图1所示的无线传感器跟踪网络，给出了面向节能的无线传感器网络中移动目标跟踪问题的具体解决方案。网络中各节点根据自身能耗及外界条件的变化实时调整工作模式，从而动态切换网络拓扑以降低网络能耗并保证跟踪的精度。本专利技术可定量分析拓扑结构的动态变化对跟踪网络整体性能造成的影响，并给出了保证跟踪网络正常工作的最高切换频率以及具体的网络部署方案。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括如下具体步骤:I根据既定需求确定无线传感器网络中的节点数量，在各传感器节点建立目标数据库并完成节点的部署。各节点获取自身的位置信息并建立其邻居节点列表，构建目标跟踪网络。2在建立的无线传感器网络中，以无线节点为单位进行信息的采集和交互:在网络覆盖范围内，各节点根据目标数据库实时监测目标信息，为降低节点能耗，如果与跟踪目标的距离小于预定的阈值，则节点进入跟踪状态，以一定的采样周期对目标进行数据采集，并根据邻居节点列表同邻居节点进行信息交互。3在无线传感器网络的工作过程中，目标位置的移动，外界环境的干扰以及移动式传感器节点的引入都可能导致各传感器节点链路连接状态的变化。而考虑到网络系统的整体生存时间及能量在全网内的均衡问题，各节点也需主动切换工作模式，根据自身耗能情况决定是否广播息。为此，本专利技术设计的节点具有两种工作模式:常规模式下，节点按照既定设置采集并发送数据；节能模式下，节点不发送数据。节点根据自身能耗、目标位置、外界干扰等信息调整工作模式，实时调整节点间的物理连接关系，从而构建具有动态拓扑的目标跟踪网络，以降低网络能耗。4由步骤3所述因素导致的网络拓扑的动态切换将不可避免的影响系统性能。此夕卜，传感器网络对目标的跟踪监测过程易受外界噪声的干扰，为更准确的跟踪目标的状态信息，在各节点建立分布式跟踪器，跟踪器配置参数由如下步骤给出:4.1为定量分析拓扑动态切换对跟踪网络性能的影响并寻求各节点跟踪器的最优配置参数，基于跟踪目标及动态跟踪网络建立跟踪网络的跟踪误差系统模型。4.2分析拓扑切换对跟踪误差系统性能的影响，确定使得跟踪误差系统均方指数稳定且具有给定的性能指标Y的条件并确定保证网络正常工作的最高的拓扑切换频率，上述Y为跟踪系统的噪声抑制率，Y越小则对应的跟踪网络鲁棒性越强，跟踪精度越高。4.3若所部署的传感器网络满足步骤4.2所述条件，则通过线性矩阵不等式技术求解各节点的最优跟踪器参数。5根据步骤4)求得的跟踪器参数，构建具有动态拓扑的分布式跟踪网络，通过数据融合实现对移动目标状态的跟踪，以保证移动目标跟踪的精度并提升跟踪网络的生命周期。【专利附图】【附图说明】图1是本专利技术的无线传感器网络目标跟踪系统示意图。图2是本专利技术的目标跟踪方法的流程图。图3无线传感器网络的工作模式示意图。图4无线传感器网络的三种动态拓扑示意图。图5不考虑外部扰动时各节点跟踪误差的状态轨迹。图6目标信息z(k)及各传感器节点跟踪值-?#)的状态轨迹。图7各节点跟踪误差的状态轨迹。【具体实施方式】为更直观的说明本专利技术的方案和优势，下面结合附图及实施例对本专利技术的技术方案作进一步描述。I根据既定需求确定无线传感器网络中的节点数量，在各传感器节点建立目标数据库并完成节点的部署。各节点获取自身的位置信息并建立其邻居节点列表，构建目标跟踪网络。以下，考虑包含η个传感器节点的跟踪网络，以η阶有向图蚵幻=成j,Α—)表示其网络拓扑，S={1，2，…，η}为所有传感器节点的集合，边割集zeiJxS，加权邻接矩阵赢―⑷为非负邻接元素，有向图π的边以(i，j}表示。若邻接元素r则表示节点i可接收到节点j发送的信息，即=10(0>5，反之,若<1” =0，则表示节点i无法接收节点j发送的信息。定义对于任意i e δ =U则节点i的所有邻居节点及其自身可通过集合Ni=IJ e δ: (i, j) e x}表示。2在建立的无线传感器网络中，以无线节点为单位进行信息的采集和交互:在网络覆盖范围内，各节点根据目标数据库实时监测目标信息，为降低节点能耗，如果与跟踪目标的距离小于预定的阈值，则节点进入跟踪状态，以一定的采样周期对目标进行数据采集，并根据邻居节点列表同邻居节点进行信息交互。不失一般性，考虑可由如下非线性随机模型表示的跟踪目标:【权利要求】1.，该方法包括以下步骤: I根据既定需求确定无线传感器网络中的节点数量，在各传感器节点建立目标数据库并完成节点的部署；各节点获取自身的位置信息并建立其邻居节点列表，构建目标跟踪网络； 2在建立的无线传感器网络中，以无线节点为单位进行信息的采集和交互:在网络覆盖范围内，各节点根据目标数据库实时监测目标信息；为降低节点能耗，如果与跟踪目标的距离小本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向节能的无线传感器网络目标跟踪方法，该方法包括以下步骤：1根据既定需求确定无线传感器网络中的节点数量，在各传感器节点建立目标数据库并完成节点的部署；各节点获取自身的位置信息并建立其邻居节点列表，构建目标跟踪网络；2在建立的无线传感器网络中，以无线节点为单位进行信息的采集和交互：在网络覆盖范围内，各节点根据目标数据库实时监测目标信息；为降低节点能耗，如果与跟踪目标的距离小于预定的阈值，则节点进入跟踪状态，以一定的采样周期对目标进行数据采集，并根据邻居节点列表同邻居节点进行信息交互；3在无线传感器网络的工作过程中，目标位置的移动，外界环境的干扰以及移动式传感器节点的引入都可能导致各传感器节点链路连接状态的变化；而考虑到网络系统的整体生存时间及能量在全网内的均衡问题，各节点也需主动切换工作模式，根据自身耗能情况决定是否广播信息；为此，本专利技术设计的节点具有两种工作模式：常规模式下，节点按照既定设置采集并发送数据；节能模式下，节点不发送数据；节点根据自身能耗、目标位置、外界干扰等信息调整工作模式，实时调整节点间的物理连接关系，从而构建具有动态拓扑的目标跟踪网络，以降低网络能耗；4由步骤3所述因素导致的网络拓扑的动态切换将不可避免的影响系统性能。此外，传感器网络对目标的跟踪监测过程易受外界噪声的干扰，为更准确的跟踪目标的状态信息，在各节点建立分布式跟踪器，跟踪器配置参数由如下步骤给出：4.1为定量分析拓扑动态切换对跟踪网络性能的影响并寻求各节点跟踪器的最优配置参数，基于跟踪目标及动态跟踪网络建立跟踪网络的跟踪误差系统模型；4.2分析拓扑切换对跟踪误差系统性能的影响，确定使得跟踪误差系统均方指数稳定且具有给定的性能指标γ的条件并确定保证网络正常工作的最高的拓扑切换频率，上述γ为跟踪系统的噪声抑制率，γ越小则对应的跟踪网络鲁棒性越强，跟踪精度越高；4.3若所部署的传感器网络满足步骤4.2所述条件，则通过线性矩阵不等式技术求解各节点的最优跟踪器参数；5根据步骤4)求得的跟踪器参数，构建具有动态拓扑的分布式跟踪网络，通过数据融合实现对移动目标状态的跟踪，以保证移动目标跟踪的精度并提升跟踪网络的生命周期。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张丹，凌荣耀，张文安，俞立，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：