基于方向決策的移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃方法*

高美鳳,劉 洋

(江南大學(xué)輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,集監(jiān)測(cè)、控制和無線通信技術(shù)為一體的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),具有大規(guī)模、自組織、動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)[1]。節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一[2]。對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說,事件發(fā)生的位置是傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)信息中的重要組成部分,沒有位置信息的采集信息是沒有任何意義的[3]。

在現(xiàn)有的定位算法中,相對(duì)于固定錨節(jié)點(diǎn)的定位方法而言,基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位方法可以通過錨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)路徑的合理規(guī)劃,利用虛擬錨節(jié)點(diǎn)代替固定錨節(jié)點(diǎn),降低了組網(wǎng)成本,克服了靜態(tài)錨節(jié)點(diǎn)定位的不足,但移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的路徑規(guī)劃對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的覆蓋率和定位精度影響較大。

文獻(xiàn)[4]中提出了Scan、Hilbert、Double Scan等移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃方法,Hilbert、Double Scan方法有效地解決了Scan路徑規(guī)劃方法的共線和定位區(qū)域內(nèi)邊緣節(jié)點(diǎn)定位效率低等問題。文獻(xiàn)[5]提出的Z型路徑規(guī)劃方法,移動(dòng)軌跡較短,能耗低,但是邊緣節(jié)點(diǎn)由于無法接收到足夠的錨節(jié)點(diǎn)信息而導(dǎo)致定位精度不高。以上這些方法屬于靜態(tài)路徑規(guī)劃方法,適用于未知節(jié)點(diǎn)均勻分布的規(guī)則區(qū)域內(nèi),但在未知節(jié)點(diǎn)分布不均且不連通的C型或Z型的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi),靜態(tài)路徑規(guī)劃方法顯然不夠靈活,錨節(jié)點(diǎn)不會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)中未知節(jié)點(diǎn)的分布情況而改變其運(yùn)行軌跡,比如在空洞和節(jié)點(diǎn)密度極小的區(qū)域內(nèi)移動(dòng)廣播,增大了節(jié)點(diǎn)定位成本,并降低了定位效率。文獻(xiàn)[6]利用單個(gè)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)最大覆蓋未定位節(jié)點(diǎn)區(qū)域移動(dòng),更好地適應(yīng)了未知節(jié)點(diǎn)大規(guī)模隨機(jī)分布的網(wǎng)絡(luò)定位情況。文獻(xiàn)[7]提出了基于禁忌搜索的動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃方法,移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過程中與周邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互動(dòng)態(tài)選取移動(dòng)方向。但是以上兩種規(guī)劃方法對(duì)于網(wǎng)絡(luò)不連通的不規(guī)則區(qū)域來說,移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)只根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)密度或禁忌集是無法獲取更優(yōu)的移動(dòng)方向,從而造成重復(fù)搜索,移動(dòng)路徑冗長問題。文獻(xiàn)[8]提出了一種在未知節(jié)點(diǎn)分布不規(guī)則區(qū)域內(nèi)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃方法,利用改進(jìn)虛擬力的方法決策錨節(jié)點(diǎn)的下一步移動(dòng)方向,克服了未知節(jié)點(diǎn)分布不均造成的路徑冗長問題,但是對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的覆蓋率較低。為了進(jìn)一步提高不規(guī)則區(qū)域內(nèi)未知節(jié)點(diǎn)覆蓋率較低的問題,文獻(xiàn)[9]提出了一種MAHA(Max Average Hops based Algorithm)路徑規(guī)劃算法,采用一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)攜帶4個(gè)輔助錨節(jié)點(diǎn)根據(jù)最大平均跳數(shù)進(jìn)行方向決策,相比于上述路徑規(guī)劃方法,不僅提高了未知節(jié)點(diǎn)定位覆蓋率,還有效地降低了未知節(jié)點(diǎn)的定位誤差,但是該方法使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)包的數(shù)量增加,增大了網(wǎng)絡(luò)的通信能耗。

針對(duì)以上問題,本文采用單個(gè)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)分布不均且不連通的不規(guī)則區(qū)域內(nèi)移動(dòng),設(shè)計(jì)了一種基于方向決策的移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃方法CWDP(Dynamic Path Planning Based on Orientation Decision-Classed Weighted)。在該算法中,首先未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)連通度閾值對(duì)自身進(jìn)行分級(jí)處理;接著移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)區(qū)域后,根據(jù)通信范圍內(nèi)未知節(jié)點(diǎn)的反饋信息,再利用分級(jí)權(quán)重系數(shù)實(shí)時(shí)決策下一目標(biāo)的移動(dòng)方向。最后仿真結(jié)果表明該方法能有效地提高未知節(jié)點(diǎn)的定位覆蓋率和降低定位誤差。

1 基于方向決策的移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃方法

1.1 錨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型

為了能夠獲取不同方向的未知節(jié)點(diǎn)信息,移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)采用3個(gè)定向接收天線[10]和一個(gè)全向發(fā)射天線,從而接收來自3個(gè)方向的節(jié)點(diǎn)信息。每個(gè)定向天線所能輻射的角度為120°。利用功率控制技術(shù),使移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)可以在更大范圍內(nèi)廣播信息包。移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)定向天線分配圖如圖1所示,其中移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的通信圓被3個(gè)定向天線平分成面積相等的扇形區(qū)域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。

圖1 移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)定向天線分配圖

1.2 節(jié)點(diǎn)分級(jí)機(jī)制

為了確定網(wǎng)絡(luò)內(nèi)未知節(jié)點(diǎn)的分布情況,本文引入了分級(jí)機(jī)制,該機(jī)制的基本思想是:首先在移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)未進(jìn)入未知區(qū)域定位之前,區(qū)域內(nèi)的未知節(jié)點(diǎn)需要相互通信以確定自身級(jí)別。設(shè)節(jié)點(diǎn)通信半徑為R,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)記錄周圍通信范圍內(nèi)的未知節(jié)點(diǎn)的id并計(jì)算各未知節(jié)點(diǎn)的連通度值。未知節(jié)點(diǎn)k的設(shè)定級(jí)別閾值公式為:

(1)

式中:p為節(jié)點(diǎn)k通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),Cq為節(jié)點(diǎn)k鄰居節(jié)點(diǎn)q的連通度值。

其中,當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)i接收到移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)廣播的 3個(gè)數(shù)據(jù)包后,則該節(jié)點(diǎn)的定位響應(yīng)系數(shù)Ki=1,否則Ki=0。

1.3 節(jié)點(diǎn)分級(jí)權(quán)重系數(shù)

移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)利用定向天線獲取各區(qū)域內(nèi)未知節(jié)點(diǎn)的信息來為下一步移動(dòng)方向做出決策,路徑方向選取主要依靠周邊未知節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。為了確保移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)向節(jié)點(diǎn)密度大的區(qū)域移動(dòng),不能僅僅依靠鄰居未知節(jié)點(diǎn)數(shù)量,需進(jìn)一步考慮后續(xù)移動(dòng)中未知節(jié)點(diǎn)的遍歷問題,使移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)選取最優(yōu)方向移動(dòng)。在確定移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置的節(jié)點(diǎn)密度同時(shí),考慮到每一次移動(dòng)后使其盡可能靠向連通度大的可繼續(xù)“發(fā)展”區(qū)域,更大限度的提高未知節(jié)點(diǎn)的定位覆蓋率,進(jìn)而減小定位誤差。

移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)對(duì)通信范圍內(nèi)的未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域辨別并記錄未知節(jié)點(diǎn)反饋的定位響應(yīng)系數(shù),計(jì)算各區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)分級(jí)權(quán)重系數(shù),節(jié)點(diǎn)分級(jí)權(quán)重系數(shù)計(jì)算公式為:

(2)

未知節(jié)點(diǎn)需要3個(gè)虛擬錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自我定位,由于在一個(gè)圓的所有外切多邊形中,正多邊形的面積最小,所以虛擬錨節(jié)點(diǎn)構(gòu)成正三角形時(shí),未知節(jié)點(diǎn)的定位誤差最小。因此,移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)刻以60度倍角進(jìn)行方向選擇。當(dāng)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)處于當(dāng)前位置時(shí),3個(gè)定向天線通過接收到的未知節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)個(gè)數(shù),根據(jù)式(2)計(jì)算得到3個(gè)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)分級(jí)權(quán)重系數(shù)wi(i=1,2,3),移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)依據(jù)以下移動(dòng)方向規(guī)則進(jìn)行移動(dòng)。

w1>w2且w2>w3,移動(dòng)方向?yàn)?0°;

w1=w2且w2>w3,移動(dòng)方向?yàn)?20°;

w2>w3且w2>w1,移動(dòng)方向?yàn)?80°;

w2=w3且w2>w1,移動(dòng)方向?yàn)?40°;

w3>w1且w3>w2,移動(dòng)方向?yàn)?00°;

w1=w3且w1>w2,移動(dòng)方向?yàn)?60°;

w1=w2=w3≠0,移動(dòng)方向?yàn)殡S機(jī)選擇方向。

1.4 移動(dòng)路徑規(guī)劃方法步驟

Step 1 在分布不均且不連通的C型或Z型區(qū)域內(nèi),節(jié)點(diǎn)根據(jù)通信范圍內(nèi)總鄰居節(jié)點(diǎn)的連通度平均值為閾值,利用式(1)進(jìn)行自身分級(jí)處理;

Step 2 移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入定位模式,并廣播自身位置數(shù)據(jù)包。ID表示錨節(jié)點(diǎn)的依次移動(dòng)位置序列號(hào)。S_CON代表功率控制器所處情況,通信半徑為R時(shí),S_CON=1,即定位模式,移動(dòng)步長為R;當(dāng)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)處于空洞區(qū),調(diào)節(jié)發(fā)射功率,通信半徑為2R時(shí),S_CON=0,即搜索模式,移動(dòng)步長為2R。POS_x和POS_y分別表示移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置的經(jīng)緯度值;

IDS_CONPOS_xPOS_y

Step 3 未知節(jié)點(diǎn)接收移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)廣播的數(shù)據(jù)包,并將其進(jìn)行存儲(chǔ);

Step 4 未知節(jié)點(diǎn)接收到3個(gè)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包后,進(jìn)行自我定位,并向錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送定位響應(yīng)信息數(shù)據(jù)包K=1,且不再接收錨節(jié)點(diǎn)信息包;

Step 5 移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)利用3個(gè)定向天線對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域辨別并記錄未知節(jié)點(diǎn)反饋的定位響應(yīng)系數(shù),利用式(2)計(jì)算各區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)分級(jí)權(quán)重系數(shù),利用節(jié)點(diǎn)分級(jí)權(quán)重系數(shù)對(duì)下一步移動(dòng)方向進(jìn)行決策,按照 Step 8 執(zhí)行。若分級(jí)權(quán)重系數(shù)均為0時(shí),則按照Step 6或Step 7重新決策下一步移動(dòng)方向,再執(zhí)行Step 8;

Step 6 移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行過程中,為避免下一目標(biāo)位置處于空洞或陷入已遍歷區(qū)域,設(shè)置一個(gè)后退鏈表,存儲(chǔ)方向決策階段具有次大分級(jí)權(quán)重系數(shù)的目標(biāo)位置。當(dāng)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)到達(dá)當(dāng)前計(jì)算的位置后,發(fā)現(xiàn)該處為空洞或已遍歷區(qū)域,則查找后退鏈表,選擇最近的未遍歷位置作為新的移動(dòng)目標(biāo),并刪除該位置[11]?？梢圆粩嘀貜?fù)后退,直到跳出已經(jīng)充分遍歷的區(qū)域;

Step 7 移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)入節(jié)點(diǎn)不連通區(qū)域,即通信范圍內(nèi)接收不到未知節(jié)點(diǎn)信息,移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入搜索模式,調(diào)節(jié)功率控制器增大為兩倍的發(fā)射功率,若仍接收不到未知節(jié)點(diǎn)信息,則移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)采取自救隨機(jī)移動(dòng);

Step 8 移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)遍歷整個(gè)區(qū)域后,未完成定位的未知節(jié)點(diǎn)利用已定位未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行二次定位。

2 仿真分析

為了驗(yàn)證CWDP動(dòng)態(tài)移動(dòng)路徑規(guī)劃方法的性能,本文利用MATLAB仿真工具對(duì)其進(jìn)行仿真,并與MAHA方法進(jìn)行路徑性能的比較分析。

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)中,設(shè)定傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域模型為100 m×100 m的C型和Z型不規(guī)則拓?fù)湫螤?未知節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布,未知節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為200個(gè)。考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的復(fù)雜性,采用以下信號(hào)傳輸損耗模型[12]:

(3)

式中:PT表示發(fā)送信號(hào)的強(qiáng)度;PL(do)表示在單位距離do上的路徑損耗;η表示路徑衰減因子,其易受環(huán)境影響,一般取值范圍在2～4之間;d為未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)間的距離,一般情況下do取為1 m;Xσ表示正態(tài)隨機(jī)變量,標(biāo)準(zhǔn)差為σ。根據(jù)一般情況,仿真中選擇的參數(shù)設(shè)置為:PL(do)=55 dBm,PT=-5 dBm,η=4(室外開闊地),Xσ的均值為0且方差為5。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在50次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)得出的平均值。

圖3 Z型網(wǎng)絡(luò)下移動(dòng)路徑

2.2 路徑仿真分析

對(duì)于CWDP動(dòng)態(tài)移動(dòng)路徑規(guī)劃方法,首先要判斷該方法是否適配C型和Z型網(wǎng)絡(luò),這里設(shè)置節(jié)點(diǎn)的通信半徑R為10 m,仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 C型網(wǎng)絡(luò)下移動(dòng)路徑

圖中三角形表示錨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過程中廣播信息包的位置,實(shí)心圓代表錨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)后成功定位的未知節(jié)點(diǎn),空心圓表示移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)一次遍歷后,未能成功定位的未知節(jié)點(diǎn)。

通過仿真結(jié)果圖可以看出,本文所提出的動(dòng)態(tài)移動(dòng)路徑規(guī)劃方法CWDP可以對(duì)C型和Z型網(wǎng)絡(luò)內(nèi)未知節(jié)點(diǎn)取得了良好的覆蓋效果。移動(dòng)過程整體遵循等邊三角形的最優(yōu)原理,確保未知節(jié)點(diǎn)盡可能地接收到3個(gè)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)廣播的定位信息包。有效地避免了無節(jié)點(diǎn)或極少未知節(jié)點(diǎn)分布區(qū)域的遍歷,節(jié)約了廣播通信及冗余移動(dòng)帶來的多余能量損耗。

2.3 仿真對(duì)比分析

2.3.1 未知節(jié)點(diǎn)覆蓋率與通信半徑R的關(guān)系

如圖4所示,在C型或Z型區(qū)域內(nèi),隨著通信半徑的增加,CWDP和MAHA兩種方法的節(jié)點(diǎn)覆蓋率都逐漸遞增。在通信半徑為10 m時(shí),C型區(qū)域內(nèi)CWDP和MAHA的節(jié)點(diǎn)覆蓋率分別達(dá)到了98.40%和95.70%,Z型區(qū)域內(nèi)CWDP和MAHA的節(jié)點(diǎn)覆蓋率分別為98.00%和89.90%?？梢?CWDP的未知節(jié)點(diǎn)覆蓋率要明顯好于對(duì)比方法MAHA。這是由于CWDP方法中移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行方向決策時(shí),可以進(jìn)一步選取節(jié)點(diǎn)密度較大且一次移動(dòng)后盡可能靠向連通度大的可繼續(xù)“發(fā)展”區(qū)域,對(duì)未知節(jié)點(diǎn)達(dá)到更好的覆蓋效果。另外路徑移動(dòng)遵循三角形最優(yōu)原理,極大地消除了虛擬錨節(jié)點(diǎn)的共線問題。所以,節(jié)點(diǎn)覆蓋率便隨之增加。

圖4 通信半徑對(duì)未知節(jié)點(diǎn)定位覆蓋率的影響

2.3.2 虛擬錨節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與通信半徑R的關(guān)系

表1中是C型和Z型區(qū)域內(nèi)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的廣播位置數(shù),MAHA采用一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)攜帶4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模型,CWDP則采用一個(gè)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn),節(jié)約了硬件成本。在CWDP的移動(dòng)步長和MAHA的移動(dòng)步長相當(dāng)時(shí),CWDP減少了大約一半以上的虛擬錨節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),大幅度地降低了錨節(jié)點(diǎn)通信廣播所帶來的能耗,延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

表1 C型Z型區(qū)域內(nèi)不同通信半徑下的錨節(jié)點(diǎn)廣播位置數(shù)

2.3.3 未知節(jié)點(diǎn)定位誤差與通信半徑R的關(guān)系

兩種移動(dòng)路徑規(guī)劃方法均采用加權(quán)質(zhì)心定位算法,在不同通信半徑的情況下,比較其平均定位誤差。

從圖5中可以發(fā)現(xiàn),無論在C型和Z型網(wǎng)絡(luò),隨著通信半徑的增大,兩種移動(dòng)路徑規(guī)劃方法的平均定位誤差都在逐漸增大。因?yàn)閮煞N方法的移動(dòng)步長均和通信半徑有關(guān),通信半徑越大,定位區(qū)域內(nèi)虛擬錨節(jié)點(diǎn)越少,導(dǎo)致平均定位誤差增大。以C型為例,CWDP的定位誤差在1.606 1 m到2.661 4 m間變化,MAHA的定位誤差在5.206 1 m到7.990 2 m間變化,CWDP的平均定位誤差要明顯低于MAHA的平均定位誤差。另外,CWDP的規(guī)劃方法的平均定位誤差曲線在兩種網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)相近,并未受到不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分布的網(wǎng)絡(luò)影響。所以在CWDP移動(dòng)路徑規(guī)劃下,移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)未知節(jié)點(diǎn)的定位效果更好。

圖5 通信半徑對(duì)未知節(jié)點(diǎn)平均定位誤差的影響

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于方向決策的移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃方法,利用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分級(jí)處理,移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)根據(jù)通信范圍內(nèi)未知節(jié)點(diǎn)的反饋信息,再利用分級(jí)權(quán)重系數(shù)實(shí)時(shí)決策下一目標(biāo)的移動(dòng)方向。仿真結(jié)果表明,所提出的方法有效地提高了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)未知節(jié)點(diǎn)的定位覆蓋率、降低了平均定位誤差,并節(jié)約了定位成本。但是本文只是對(duì)路徑規(guī)劃進(jìn)行研究,沒有更深入的研究提高定位精度的算法,所以下一階段是對(duì)定位算法進(jìn)一步研究。

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