一种基于POOL机制的WSN目标跟踪簇调整算法

摘要

一种基于POOL机制的WSN目标跟踪簇调整算法，属于无线传感器网络技术领域，用于无线传感器网络目标跟踪。在传统目标跟踪算法中，在目标慢速移动或是接近静止过程中，簇首节点因长时间担任簇首，能量消耗过快，容易形成能量空洞。本算法提出基于POOL机制的簇首轮转机制。无线传感器网络变速运动目标跟踪过程中，跟踪节点担任簇首的时间设有阀值，达到设定时间时簇首从POOL(簇首池)中根据剩余能量及距离目标节点RSSI信号强度等因素选择一个节点作为新任簇首。目标变速移动过程中，POOL结构及数据不断更新。此机制保证簇首的平滑转移，在保证跟踪精度的同时，减少能耗，延长网络寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于POOL机制的WSN目标跟踪簇调整算法，属于无线传感器网 络技术领域。

背景技术

无线传感器网络(WSN)是由大量体积小、成本低，具有感知、通信和数据处理能力 的传感器节点构成，具有自组织成网和隐蔽性好等特点，非常适合被应用于移动目标的 定位和跟踪。WSN使用电池供电，一旦部署更换电池很难实现，因此能量受限是WSN 的重要特征之一，如何降低网络能耗是设计目标跟踪系统时必需考虑和解决的关键问 题，事实上，网络能耗均衡和跟踪目标精度是无线传感器网络目标跟踪算法主要的两个 研究问题。由于无线传感器网络节点数量大，密度高，一般采用簇形网络结构。在簇形 网络中，簇首负责与所有成员节点通信，汇总各成员节点数据，能量消耗明显高于成员 节点。长期以来，研究人员针对无线传感器网络目标跟踪研究做出了大量努力。提出的 典型算法主要有双元检测算法，信息驱动协作跟踪算法，传送树跟踪算法。研究人员针 对经典算法也给出了很多优化或补充算法，如时间异步条件下的动态簇算法、基于粒子 滤波的跟踪算法、分布式自适应算法等。但这些算法中，簇首调整基于目标节点位置的 变化，如目标移动速度缓慢或时而静止，簇首会一直担任，导致能量消耗过快，形成能 量空洞。

发明内容

针对传统目标跟踪算法中，目标慢速移动或是接近静止时，簇首节点因长时间担任 簇首，能量消耗过快，形成能量空洞的问题，本发明提出基于簇首池(POOL)机制的 簇调整算法。变速目标跟踪过程中，节点担任簇首的时间设有阀值，时间到时簇首从 POOL中根据剩余能量及距离目标节点RSSI信号强度等因素选择一个节点作为新任簇 首。目标变速移动过程中，POOL结构及数据不断更新。此机制保证簇首的平滑转移， 在保证跟踪精度的同时，减少能耗，延长网络寿命。

本发明在满足以下系统模型的基础上提出：

定义跟踪区域为F，N个无线传感器节点随机分布，分为普通节点和汇聚(Sink) 节点，目标周期性的发送射频信号，普通节点大部分时间处于休眠状态，并周期性醒来 检测目标信号。简化系统模型如下：

1)节点空间部署等密度且随机，节点坐标(x，y)可知；

2)每个节点有唯一的ID，具有数据融合功能；

3)节点同构对等，无线传播范围相同；

4)节点具有组簇能力；

5)若传感器的通信半径为R_n，目标信号的有效传输半径为R_s，两者满足 R_s≤R_n/2，保证所有能探测到目标的节点，都在彼此的通信范围内，并且只会形成一 个簇。

本发明是由以下方式实现的：

1、跟踪簇的建立

为节省能量，无线传感器网络所有节点在没有目标跟踪时处于休眠状态。目标靠近 时，目标附近的多个传感器节点同时检测到目标信号，当节点检测到目标的信号能量强 度(RSSI)值大于RSSI₀时，判断为目标进入跟踪范围，这些节点构成集合它们共同组成跟踪簇，并参与到跟踪簇的组建及簇首选择的过程中；节点接收到的RSSI 值小于RSSI₀，或是没有侦测到目标信号，该节点将继续保持休眠状态。

检测到目标信号RSSI值大于RSSI₀的节点首先广播询问簇首ID，并启动定时器T0， 现任簇首收到询问后，回应新加进节点，使其加入到簇中成为簇成员；若T0计时时间 达到设定值时，簇首无回应，则认为无簇首，检测到目标信号RSSI值大于RSSI₀的节点 竞争选举簇首；竞争选举簇首的方法如下：根据接收到的目标信号RSSI值，启动一个 选举定时器T1，RSSI值越大，定时时间越短，并进入候选状态，同时设置自身状态为 簇首；如节点在定时器超时前未收到任何其他节点选举通告，则广播一个选举通告，确 立簇首地位；否则，如果节点在定时器超时前收到其他节点的选举通告信息，它将终止 自己的选举定时器，承认发送选举通告信息节点的簇首地位，并设置自身为成员状态， 成为子节点。图1为对半径为50m，节点数100左右的簇，基于自由空间模型做出的簇首 与中心距离对应其能量消耗关系的仿真统计图。由图可以看出，簇首选择与其能量消耗 有如下关系：距离簇中心越远的节点担任簇首，有能量消耗越多的趋势。基于此关系， 本文在簇首选择的过程中，将节点与簇中心距离作为一个重要考量因素。

簇首确定之后，簇成员将自身ID、位置信息传递给簇首；簇首生成簇成员位置信息 表PIT；半径R_P(R_P＜R_N)范围内的点，即RSSI＞RSSI₁＞RSSI₀，划入POOL；簇首建立 POOL表，存储RSSI排序簇成员节点数目的前30％；POOL表中存储节点ID、节点剩余 能量、与接收目标节点信号强度RSSI等数据，根据上述参数计算的POOL中排序；POOL 中节点作为簇首轮转的备选簇首，是一个动态变化的选择池，在目标跟踪过程中，被独 立地改变、维护。

2、跟踪簇的调整

1)簇成员节点的调整

跟踪目标移动过程中，有些簇成员节点接受到的信号越来越弱，当RSSI值低于阀值 RSSI₀，节点状态转为休眠，从跟踪簇中退出；同时，逐渐有原休眠节点接收到的跟踪 节点信号越来越强，RSSI值高于阀值RSSI₀时，节点加入簇；簇首在此过程中根据节点 是否在一段时间内发送数据，维护PIT表；在目标节点的跟踪过程中，簇成员一直处于 动态变化的过程中。

2)POOL的调整

簇首节点每次接收到成员节点的RSSI信息，根据大小进行排序；用前30％、并且前 30％的成员节点的数量不少于MaxN，则用前30％的成员节点替代原有POOL；随着目标 节点移动，POOL表不断更新，有些节点因为距离目标节点变远，在POOL表中排名下 移，最终从POOL中除名；另有些新的节点因为距离目标节点变近，开始进入POOL中； POOL成员在目标跟踪过程中一直处在动态调整的状态中；MaxN为使用过程中根据具 体情况设定的POOL成员个数的最小值。

3)簇首的转移

簇首的轮转选择需要考虑节点的剩余能量，但计算及传递此参数需要消耗额外的能 量，节点剩余能量估算方法如下：已担任过簇首的节点，记录参数e为每次担任簇首时 与目标节点RSSI的平均值相加，作为节点担任簇首时能量消耗的估计，即

$e_i=\underset{i=m}{\overset{n}{\Sigma }}{\overline{\mathrm{RSSI}}}_{i-j}$

${\rho }_i=\left(\begin{array}{c}{\mathrm{RSSI}}_i/e_i,\mathrm{ei}\ne 0;\\ {\mathrm{RSSI}}_i,\mathrm{ei}=0;\end{array}\right)$

式中i为簇首节点，j为跟踪目标节点，ρ_i为POOL中排名考量参数；

POOL表中记录节点ρ_i值，并实时更新。簇首节点担任簇首开始计时，达到设定时 间时，根据ρ_i值，在POOL表中选择排名靠前的节点担任新簇首，并将更新后的POOL 表、节点位置信息表PIT传递给新簇首；簇首对簇成员广播，确认放弃簇首地位，并将 新簇首ID发送给簇成员，新簇首对簇成员广播，确认接受簇首地位，之后簇成员将数据 传递给新簇首。

3、目标定位与跟踪。

目标定位与跟踪，采用经典算法：簇首接收到簇成员发送的数据，经过汇总计算得 到目标的位置信息，并转发给汇聚节点，从而实现对目标的跟踪。簇成员提供给簇首的 定位信息为接收到的目标节点RSSI，需要根据相关无线模型转换为距离信息。常用的 无线模型有：自由空间传输信道模型；对数距离路径损耗模型；哈它模型；对数-常态 分布模型等。自由空间传输信道模型适合用于信号发送端计算能耗；对数-常态分布模 型适合用于接收端估算无线传输距离。

1)自由空间传输信道模型：假设发送者及接收者之间的距离为d，则随着距离的 变化传输k比特的信息，发送节点的能量消耗为：

$E_{\mathrm{Tx}}(k,d)=E_{\mathrm{Tx}-\mathrm{elec}}\left(k\right)+E_{\mathrm{Tx}-\mathrm{amp}}(k,d)$

$=\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{kE}}_{\mathrm{elec}}+k{ϵ}_{\mathrm{fs}}{d}^2,& d<d_0\\ {\mathrm{kE}}_{\mathrm{elec}}+k{ϵ}_{\mathrm{mp}}{d}^4,& d\ge d_0\end{array}\right)---\left(1\right)$

接收节点的能量消耗为：E^Rx(k，d)＝E^Rx-elec(k)＝kE^elec

其中E^elec为节点电路的能量消耗系数，我们在这里取E^elec＝50nJ/bit，ε_fs、ε_mp为发 送节点的功放的系数，取

ε_fs＝10pj/bit/m²，ε_mp＝0.0013pJ/bit/m⁴，

2)改进型对数-常态分布模型，可用下列等式表示：

$P\left(d\right)\left[\mathrm{dBm}\right]=P\left(d_0\right)\left[\mathrm{dBm}\right]-10n\log \left(\frac{d}{d_0}\right),---\left(2\right)$

其中，P(d₀)为参考距离d₀处的信号强度(dBm)，一般取值d₀＝1m；P(d)表示接收端 的信号强度(dBm)，d表示信号发送端和信号接收端之间的距离；n为射频信道衰减指 数，一般取2～4之间。

目标定位：

接收端，由式(2)可以推出信号强度表示的距离为：

$d_j=d_0·{10}^{\frac{P\left(d_0\right)-P\left(d_j\right)}{10n}}$

跟踪节点根据收到目标节点RSSI值，推算出到目标节点的距离，将此数值发送给 簇首。簇首节点查表PIT，根据各个节点位置信息、和目标节点距离，利用最大似然估计 法给出对目标节点的定位。目标移动过程中，网络不断对目标节点进行定位，完成整个 跟踪过程。

附图说明

图1是本发明系统描述图。

图2簇首与中心距离对应其能量消耗关系图。

图3初始簇创建流程图。

图4簇成员调整流程图。

图5POOL调整及簇首转换框图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1：一种基于POOL机制的WSN目标跟踪簇调整算法，如图1至图5所示， 是由以下方式实现的：

1、跟踪簇的建立

为节省能量，无线传感器网络所有节点在没有目标跟踪时处于休眠状态。目标靠近 时，目标附近的多个传感器节点同时检测到目标信号，当节点检测到目标的信号能量强 度(RSSI)值大于RSSI₀时，判断为目标进入跟踪范围，这些节点构成集合它们共同组成跟踪簇，并参与到跟踪簇的组建及簇首选择的过程中；节点接收到的RSSI 值小于RSSI₀，或是没有侦测到目标信号，该节点将继续保持休眠状态。

检测到目标信号RSSI值大于RSSI₀的节点首先广播询问簇首ID，并启动定时器T0， 现任簇首收到询问后，回应新加进节点，使其加入到簇中成为簇成员；若T0计时时间 达到设定值时，簇首无回应，则认为无簇首，检测到目标信号RSSI值大于RSSI₀的节点 竞争选举簇首；竞争选举簇首的方法如下：根据接收到的目标信号RSSI值，启动一个 选举定时器T1，RSSI值越大，定时时间越短，并进入候选状态，同时设置自身状态为 簇首；如节点在定时器超时前未收到任何其他节点选举通告，则广播一个选举通告，确 立簇首地位；否则，如果节点在定时器超时前收到其他节点的选举通告信息，它将终止 自己的选举定时器，承认发送选举通告信息节点的簇首地位，并设置自身为成员状态， 成为子节点。图1为对半径为50m，节点数100左右的簇，基于自由空间模型做出的簇首 与中心距离对应其能量消耗关系的仿真统计图。由图可以看出，簇首选择与其能量消耗 有如下关系：距离簇中心越远的节点担任簇首，有能量消耗越多的趋势。基于此关系， 本文在簇首选择的过程中，将节点与簇中心距离作为一个重要考量因素。

簇首确定之后，簇成员将自身ID、位置信息传递给簇首；簇首生成簇成员位置信息 表PIT；半径R_P(R_P＜R_N)范围内的点，即RSSI＞RSSI₁＞RSSI₀，划入POOL；簇首建立 POOL表，存储RSSI排序簇成员节点数目的前30％；POOL表中存储节点ID、节点剩余 能量、与接收目标节点信号强度RSSI等数据，根据上述参数计算的POOL中排序；POOL 中节点作为簇首轮转的备选簇首，是一个动态变化的选择池，在目标跟踪过程中，被独 立地改变、维护。

2、跟踪簇的调整

1)簇成员节点的调整

跟踪目标移动过程中，有些簇成员节点接受到的信号越来越弱，当RSSI值低于阀值 RSSI₀，节点状态转为休眠，从跟踪簇中退出；同时，逐渐有原休眠节点接收到的跟踪 节点信号越来越强，RSSI值高于阀值RSSI₀时，节点加入簇；簇首在此过程中根据节点 是否在一段时间内发送数据，维护PIT表；在目标节点的跟踪过程中，簇成员一直处于 动态变化的过程中。

2)POOL的调整

簇首节点每次接收到成员节点的RSSI信息，根据大小进行排序；用前30％、并且前 30％的成员节点的数量不少于MaxN，则用前30％的成员节点替代原有POOL；随着目标 节点移动，POOL表不断更新，有些节点因为距离目标节点变远，在POOL表中排名下 移，最终从POOL中除名；另有些新的节点因为距离目标节点变近，开始进入POOL中； POOL成员在目标跟踪过程中一直处在动态调整的状态中；MaxN为使用过程中根据具 体情况设定的POOL成员个数的最小值。

3)簇首的转移

簇首的轮转选择需要考虑节点的剩余能量，但计算及传递此参数需要消耗额外的能 量，节点剩余能量估算方法如下：已担任过簇首的节点，记录参数e为每次担任簇首时 与目标节点RSSI的平均值相加，作为节点担任簇首时能量消耗的估计，即

$e_i=\underset{i=m}{\overset{n}{\Sigma }}{\overline{\mathrm{RSSI}}}_{i-j}$

${\rho }_i=\left(\begin{array}{c}{\mathrm{RSSI}}_i/e_i,\mathrm{ei}\ne 0;\\ {\mathrm{RSSI}}_i,\mathrm{ei}=0;\end{array}\right)$

式中i为簇首节点，j为跟踪目标节点，ρ_i为POOL中排名考量参数；

POOL表中记录节点ρ_i值，并实时更新。簇首节点担任簇首开始计时，达到设定时 间时，根据ρ_i值，在POOL表中选择排名靠前的节点担任新簇首，并将更新后的POOL 表、节点位置信息表PIT传递给新簇首；簇首对簇成员广播，确认放弃簇首地位，并将 新簇首ID发送给簇成员，新簇首对簇成员广播，确认接受簇首地位，之后簇成员将数据 传递给新簇首。

3、目标定位与跟踪。