有向無線傳感器網(wǎng)絡入侵軌跡追蹤算法設計

郭新明 何旭東

摘 要：針對無線傳感器網(wǎng)絡中的目標追蹤問題，提出了一種基于有向無線傳感器網(wǎng)絡的入侵軌跡追蹤算法。該算法周期性地計算發(fā)現(xiàn)入侵者的若干傳感器節(jié)點的質(zhì)心，以質(zhì)心的變化軌跡擬合入侵者的移動軌跡。仿真結果顯示，該算法能夠有效追蹤入侵者穿越監(jiān)測區(qū)域的軌跡，但對高密度入侵行為的軌跡追蹤效果不佳，這將是下一步研究的內(nèi)容。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡;軌跡追蹤;質(zhì)心定位;節(jié)點;擬合;入侵者

0 引 言

隨著微系統(tǒng)（MEMS）、無線通信技術（WCT）、片上系統(tǒng)（SoC）以及信息處理手段的不斷進步，無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，WSN）在技術研究及應用領域均獲得了可喜的成績。入侵軌跡追蹤是WSN的一項重要應用技術，它能夠記錄入侵者進入監(jiān)測區(qū)域的路線，實現(xiàn)對入侵行為的詳細描述，比如在軍事活動中監(jiān)測和跟蹤敵軍運動的軌跡和布防情況，在森林火災營救過程中獲知消防人員的位置和動向等[1]。

利用WSN節(jié)點自身定位與移動目標定位跟蹤移動目標的軌跡。節(jié)點定位方法主要分為基于測距的定位方法和基于非測距的定位方法[2];目標追蹤技術分為單目標追蹤和多目標追蹤[3]。

文獻[4]設計并實現(xiàn)了一個無線傳感器網(wǎng)絡軌跡追蹤系統(tǒng)，并分析了具有不同參考節(jié)點的定位區(qū)域?qū)Χㄎ还?jié)點的定位精確性和穩(wěn)定性的影響。文獻[5]從入侵者的角度出發(fā)，提出一種兼顧安全和時效性能的SS啟發(fā)式移動軌跡策略，該策略無需全網(wǎng)拓撲結構即可動態(tài)反映目標對安全和時效兩種性能的不同需求。文獻[6]設計了一個基于2階段聚合的目標定位算法，優(yōu)化了單個網(wǎng)格內(nèi)的定位效果，提出了一個基于順/逆時針機制的最短路徑選擇算法，保證最小化參與傳輸節(jié)點的數(shù)目。文獻[7]針對無線傳感器網(wǎng)絡目標跟蹤算法節(jié)點負載不均衡的問題，提出了一種基于負載均衡分簇的無線傳感器網(wǎng)絡目標跟蹤算法，該算法均衡了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的負載，并提高了目標跟蹤的精度和可靠性。文獻[8]基于水下環(huán)境，提出了兩種分別解決能量有限和通信問題的目標跟蹤算法，有效提高了量測精度和跟蹤性能。上述文獻中的WSN目標跟蹤研究均是基于全向無線傳感器節(jié)點進行的，而基于有向無線傳感器節(jié)點的目標跟蹤技術研究卻較少見。

針對有向無線傳感器網(wǎng)絡的入侵軌跡問題，提出了一種基于質(zhì)心定位的軌跡追蹤算法。在不考慮節(jié)點能耗、損壞的前提下，該算法能夠有效估算入侵者的位置，實現(xiàn)對穿越監(jiān)測區(qū)域目標移動軌跡的實時追蹤。

1 網(wǎng)絡模型及問題描述

1.1 有向無線傳感器網(wǎng)絡模型

有向無線傳感器網(wǎng)絡的仿真環(huán)境為一個長L寬W的矩形區(qū)域，該矩形區(qū)域內(nèi)隨機部署若干同構的有向無線傳感器節(jié)點，節(jié)點一旦部署完成與該矩形區(qū)域的幾何關系便不再發(fā)生變化。

有向無線傳感器節(jié)點的感知模型通常用一個五元組表示，如圖1所示。其中Pi=（xi， yi）用來表示有向節(jié)點在矩形網(wǎng)絡中的坐標;r表示有向節(jié)點的感知半徑;表示有向節(jié)點的感知方向;α表示有向節(jié)點的右邊界同X軸的夾角;θ表示有向節(jié)點的傳感角度，節(jié)點的通信半徑R≥2r且是全向范圍。

1.2 移動目標追蹤問題描述

關于移動目標的軌跡追蹤問題，WSN將周期性地捕獲入侵者的位置信息，然后將捕獲的位置信息按照時間次序擬合成入侵軌跡。本文中入侵者的位置信息采用改進的質(zhì)心定位算法獲得，所有傳感器節(jié)點采用有向無線傳感器。

2 有向無線傳感器網(wǎng)絡入侵軌跡追蹤算法

2.1 有向無線傳感器質(zhì)心計算

有向無線傳感器節(jié)點的傳感模型是一個扇形區(qū)域，所以求有向無線傳感器節(jié)點的質(zhì)心其實就是求扇形的質(zhì)心。如圖2所示，將扇形的圓心置于直角坐標系的原點處，將X軸作為扇形的角平分線，扇形的質(zhì)心應位于（， 0）處，其中由于有向無線傳感器節(jié)點為隨機部署，為了不失一般性，有向無線傳感器節(jié)點Pk的質(zhì)心坐標為（， ）。

2.2 入侵者定位算法

有向無線傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)測區(qū)域被部署在其中的若干有向傳感節(jié)點覆蓋，由于是隨機部署，因此傳感器節(jié)點的分布并不均勻。若一個入侵者進入監(jiān)測區(qū)域，但能夠感應到入侵者的傳感節(jié)點個數(shù)無法確定。為了方便定位入侵者，現(xiàn)將有向無線傳感器網(wǎng)絡的定位分為以下4種情況：

（1）若入侵者未被任何傳感器節(jié)點感知，則WSN不認為存在入侵行為，不會進行定位，如圖3（a）所示。

（2）若入侵者被某個傳感器節(jié)點感知，則WSN判斷存在入侵行為，入侵者的位置被估算為該傳感器節(jié)點感知區(qū)域的質(zhì)心，如圖3（b）所示。

（3）若入侵者被2個傳感器節(jié)點感知，則WSN判斷為存在入侵行為，入侵者的位置被估算為2個傳感器節(jié)點感知范圍相交區(qū)域的質(zhì)心，如圖3（c）所示。

（4）若入侵者被3個及以上傳感器節(jié)點感知，則WSN判斷為存在入侵行為，入侵者的位置被估算為3個傳感器節(jié)點（序號最小的3個傳感器）感知范圍相交區(qū)域的質(zhì)心，如圖3（d）所示。

2.3 軌跡追蹤算法設計

在實際應用中，軌跡追蹤過程會受到天氣狀況、障礙物遮擋、節(jié)點能量等多種因素的影響[10]，不確定性因素較多。為方便研究工作，本文作如下假設條件：

條件1：每個傳感器均知曉自己的所有信息;

條件2：WSN監(jiān)測區(qū)域的覆蓋率達到90%以上。

軌跡追蹤算法具體步驟如下：

（1）若監(jiān)測區(qū)域的覆蓋率超過90%，則啟動計時器，clock=3 000 ms，執(zhí)行步驟（2），否則執(zhí)行步驟（5）;

（2）若clock的值為0，則掃描全網(wǎng)的傳感器節(jié)點，判斷是否存在入侵者進入網(wǎng)絡，若發(fā)現(xiàn)入侵者，clock=3 000 ms，執(zhí)行步驟（3），否則，clock=3 000 ms，執(zhí)行步驟（2）;

（3）依據(jù)感應到入侵者節(jié)點的幾何關系計算入侵者個數(shù)，根據(jù)質(zhì)心計算方法，計算每個入侵者的位置并存儲到軌跡隊列中，同時依據(jù)軌跡隊列繪制各入侵者的軌跡，執(zhí)行步驟（4）;

（4）若監(jiān)測區(qū)域的覆蓋率小于90%，執(zhí)行步驟（5），否則執(zhí)行步驟（2）;

（5）喚醒部分休眠節(jié)點，執(zhí)行步驟（1）。

3 仿真實驗與數(shù)據(jù)分析

3.1 仿真實驗平臺的構建

本文采用MyEclipse進行仿真平臺的搭建，有向無線傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)測區(qū)域為一個1 000 m×500 m的矩形區(qū)域，在其內(nèi)隨機部署若干有向傳感器節(jié)點[10]。傳感器節(jié)點的感知范圍用扇形表示，仿真平臺效果如圖4所示。

3.2 有向無線傳感器網(wǎng)絡入侵軌跡追蹤算法實現(xiàn)

在上述仿真實驗平臺中進行單目標和多目標軌跡追蹤的效果如圖5和圖6所示，其中細線為入侵軌跡，粗線為追蹤軌跡。

3.3 實驗結果及分析

為了分析軌跡追蹤算法的效果，對軌跡追蹤的精度P作如下定義：

式中：A表示測量值，即計算得到入侵者的位置信息;E表示入侵者的真實位置信息。本實驗中入侵者的位置信息包括X軸和Y軸信息，在計算X軸精度后計算Y軸精度，最后P取X軸和Y軸精度的均值。顯然，P的值越小說明軌跡追蹤的效果越好。

圖7所示為在同等條件下，網(wǎng)絡分別部署全向無線傳感器節(jié)點和有向無線傳感器節(jié)點時入侵軌跡追蹤精度的對比情況，很明顯，有向無線傳感器網(wǎng)絡的軌跡追蹤效果優(yōu)于全向無線傳感器網(wǎng)絡。

4 結 語

本文針對無線傳感器網(wǎng)絡中的入侵行為追蹤問題，提出了一種基于有向無線傳感器網(wǎng)絡的入侵軌跡追蹤算法。該算法根據(jù)感應到入侵者的若干有向無線傳感器的質(zhì)心遷移路徑來模擬入侵者的移動軌跡。仿真實驗結果顯示，該算法能夠有效追蹤入侵者穿越監(jiān)測區(qū)域的軌跡，實現(xiàn)了對入侵行為的甄別，且隨著部署節(jié)點數(shù)量的增多，軌跡追蹤的精確度也隨之增高。對比實驗發(fā)現(xiàn)，有向無線傳感器網(wǎng)絡的軌跡追蹤效果明顯優(yōu)于全向無線傳感器網(wǎng)絡。本文的重點工作是在有向無線傳感器網(wǎng)絡中追蹤入侵者的移動軌跡，并未涉及傳感器能耗、節(jié)點損壞、密集型入侵行為等方面的研究，這將是后續(xù)的研究內(nèi)容。

參考文獻

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