一種基於動態鏈的無線傳感器網絡節點協作方法與流程

2023-10-10 12:28:59

本申請涉及通信技術領域，尤其涉及無線傳感器網絡(wsn,wirelesssensornetwork)領域，具體涉及一種基於動態鏈的無線傳感器網絡節點協作方法，該方法可用於無線傳感器網絡的動態目標跟蹤與定位等。

背景技術：

近年來，隨著傳感技術、嵌入式技術和無線通信技術的飛速發展和日益成熟，具有感知能力、計算能力和通信能力的wsn迅速成為通信領域研究的熱點。wsn是由部署在特定區域內的大量廉價微型傳感器節點所組成，對監測對象的信息實時的感知、採集和處理，並將處理後的信息傳送到感興趣的網絡用戶終端。與傳統無線網絡相比，wsn具有分布式處理帶來的高精度監測、大範圍部署和多領域應用等眾多優點，具有巨大的應用前景和價值，已經引起了世界軍事部門、工業領域、科研機構和學術界的廣泛關注。在wsn的諸多應用中，移動目標跟蹤是一項基本功能，它在軍事和民用領域都有著重要的價值，例如用於南海島礁監測、敵方目標探測、災難救援、室內外協同跟蹤定位、野生動物跟蹤監測、智能交通管理等。

然而，在面向目標跟蹤的wsn中隨著目標位置的移動，如果靠近目標的傳感器節點沒有及時加入跟蹤就會影響整個系統的跟蹤性能，如果遠離目標的傳感器節點沒有及時退出跟蹤則就會消耗過多不必要的能量，這就需要傳感器節點間有一個有效的自組織方法來實現。現有的面向目標跟蹤wsn的節點自組織和協作方式主要分為：基於分簇的節點協作和基於動態樹的節點協作方法。其中基於分簇的節點協作又可以被分為基於靜態簇和基於動態簇兩種結構，在基於靜態簇的方法中網絡被劃分成不同的區域，每個區域中選擇一個簇頭來負責管理其成員節點並收集本區域內的感應數據，並對這些數據進行融合處理後發送給匯聚節點。對於大規模wsn，基於分簇的節點協作方法是一種有效的節點組織方法，它使得大部分節點只需要在局部範圍內傳送自己的感應數據，提高了信道的重複利用率，降低了數據傳輸之間的碰撞和幹擾，同時極大地提高了整個系統的可擴展性和延長了網絡壽命。但是對於目標跟蹤應用來說，由於移動目標的位置隨機改變，同一個目標常常被不同分簇中的節點檢測到，這些節點把觀測到的數據分別發送給各自的族頭，並通過不同的路由轉發到匯聚節點，這使得相關性很強的同一個目標的感知數據難以被融合，最終導致網絡中較多冗餘數據的傳輸。基於動態簇方法的主要思想是沿著目標移動的軌跡動態的建立一系列的簇，選擇離目標最近的節點為簇頭節點，當目標移出該簇的區域時，該簇被解散，並且根據目標的位置重新建立一個簇來跟蹤目標。雖然在動態簇中同一目標的感知數據可以在簇頭處得到融合，然而隨著目標的移動，需要重新選擇簇頭節點並建立新的簇，這樣整個網絡在簇結構的重建和維護上開銷過大。在基於動態樹的方法中，常常以目標周圍的某個節點為根來建立一個動態樹來跟蹤目標，該樹包括了移動目標周圍的傳感器節點，並且隨著目標的移動，動態樹能夠自適應的添加和刪除相應的節點。然而，當目標位置改變時，樹的根節點需要被更換並且動態樹本身的結構也需要被重新建立，這使得此類方法的能量利用率大大降低。

因此目前針對目標跟蹤的節點自組織方法和網絡架構並不能得到滿意的系統性能，急需研究一種面向移動目標跟蹤的wsn節點之間的自組織和協作方式來提高跟蹤效率並節省網絡能耗。

技術實現要素：

本申請的目的在於提出了一種改進的基於動態鏈的無線傳感器網絡節點協作方法(dcbc，adynamicchain-basedcollaboration)，來解決以上背景技術部分提到的技術問題。本申請受國家自然科學基金青年項目號為61601352的項目和西安電子科技大學自由探索項目的資助。

本申請提供的基於動態鏈的無線傳感器網絡節點協作方法，所述方法包括：當目標進入網絡區域時，建立傳輸能量消耗最小的跟蹤鏈，其中，所述跟蹤鏈的節點包括動態跟蹤鏈成員節點和動態跟蹤鏈頭節點；隨著所述目標的移動，有需要退出所述跟蹤鏈的節點，該節點向相鄰的兩節點發送退出消息，所述兩節點根據接收的所述退出消息組建成新的相鄰節點；隨著所述目標的移動，有新節點需要加入所述跟蹤鏈，計算得出所述新節點加入到所述跟蹤鏈的不同位置時，所述跟蹤鏈的傳輸能量消耗值的增加量最小的位置，作為所述新節點加入所述跟蹤鏈的位置；所述跟蹤鏈的每個動態跟蹤鏈成員節點接收來自上遊節點發送的感應數據，並把所述感應數據和自己節點所觀測到的數據進行合併融合處理後生成新的感應數據，再將所述新的感應數據發送給該節點的下遊節點，直至下遊節點是所述動態跟蹤鏈頭節點，所述動態跟蹤鏈頭節點把接收到的感應數據和自己節點所觀測到的數據進行合併融合後發送給匯聚節點；所述跟蹤鏈上的每個節點輪流擔任動態跟蹤鏈頭節點，且每個節點根據最短擔任期限、該節點與所述匯聚節點間的距離、該節點的剩餘能量計算該節點擔任動態跟蹤鏈頭節點的期限。

在一些實施例中，所述當目標進入網絡區域時，建立傳輸能量消耗最小的跟蹤鏈，包括：當目標進入網絡區域時，各個網格頭節點接收匯聚節點發送的目標信息，並根據所述目標信息喚醒相應網格成員節點；第一個檢測到目標的網格頭節點向被喚醒的各個網格成員節點和各個網格頭節點發送建立跟蹤鏈消息，所述第一個檢測到目標的網格頭節點首先加入跟蹤鏈並創建鏈頭令牌成為初始的動態跟蹤鏈頭節點；所述動態跟蹤鏈頭節點接收所述已喚醒的各個網格成員節點和各個網格頭節點發送的節點信息，其中，節點信息是指該節點在接收到所述建立跟蹤鏈消息後返回的該節點的標識id和位置信息；所述動態跟蹤鏈頭節點根據已接收的各個網格成員節點和各個網格頭節點的節點信息建立傳輸能量消耗最小的跟蹤鏈，網格成員節點和網格頭節點加入所述跟蹤鏈後變成動態跟蹤鏈成員節點。

在一些實施例中，所述基於動態鏈的無線傳感器節點協作方法方法還包括：所述跟蹤鏈上的節點的通信模塊在有數據需要收發時處於活動狀態，其它時間則處於關閉狀態。

在一些實施例中，所述基於動態鏈的無線傳感器節點協作方法方法還包括：所述跟蹤鏈上的節點可以根據數據發送的距離來調整自己的發射功率。

本申請提供的基於動態鏈的無線傳感器網絡節點協作方法，通過在目標周圍建立一個動態的跟蹤鏈，隨著目標的移動，跟蹤鏈中的遠離目標的節點可以退出跟蹤鏈，新的節點可以加入跟蹤鏈，這樣既保證了系統的跟蹤性能又節省了節點的能量消耗，並且在感應數據傳輸時，每個動態跟蹤鏈成員節點接收來自上遊節點發送的數據，把該數據和自己所觀測到的數據合併融合處理後再發送給該節點的下遊節點，最後由動態跟蹤鏈頭節點把融合好的數據發送給匯聚節點，因此感應數據沿著動態跟蹤鏈傳輸的每一步都可以被合併和融合，在數據傳輸方面也節省了較多的能量。當有節點要加入或者退出跟蹤鏈時只需要通知自己相鄰的兩個節點，並且當動態跟蹤鏈頭節點改變時，不需要重新建立動態跟蹤鏈。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本申請的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯。

圖1是根據本申請的網絡節點協作方法的一個實施例的流程圖；

圖2是根據本申請的網絡節點協作方法的建立的一條跟蹤鏈的示意圖；

圖3是動態跟蹤鏈成員節點退出跟蹤鏈的示意圖；

圖4是節點加入動態跟蹤鏈的示意圖；

圖5是動態跟蹤鏈上節點的通信模塊的睡眠活動時間安排的示意圖；

圖6是網絡中鏈結構或者樹結構的建立所需要消耗的能量；

圖7是網絡初始化和鏈結構或樹結構的建立所消耗的時間；

圖8是不同方法中數據收集的平均延遲隨著網絡節點數量的變化圖；

圖9是不同方法中網絡的生命周期。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本申請作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅僅用於解釋相關發明，而非對該發明的限定。另外還需要說明的是，為了便於描述，附圖中僅示出了與有關發明相關的部分。

需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本申請。

圖1示出了根據本申請的基於動態鏈的無線傳感器網絡節點協作方法的一個實施例的流程100。所述的基於動態鏈的無線傳感器網絡節點協作方法，包括以下步驟：

步驟101，當目標進入網絡區域時，建立傳輸能量消耗最小的跟蹤鏈。

在本實施例中，我們考慮一個靜態的無線傳感器網絡wsn，該網絡由一個匯聚節點和若干個隨機分布的傳感器節點(ni,i∈[1,p])組成，其中p表示傳感器節點的個數，這些節點分布在一個m×n的二維區域內。另外，該網絡還具有以下屬性和假設：

●匯聚節點的位置固定並且具有充足的外界能量供應，不受能量限制。匯聚節點從網絡區域內收集感應數據。

●傳感器節點的分布相互獨立，每個節點是相同性質並是能量有限的。

●每個傳感器節點可以通過一些定位算法來表示該節點的位置。

●假設每個傳感器節點的傳輸功率是可以調節的，節點可以根據傳輸距離來調整自己的發射功率。

●在網絡初始化後，節點以網格的形式來組織，每個網格中包括一個頭節點和若干個成員節點，頭節點分別管理各自的成員節點，並根據從匯聚節點處得到的目標信息來選擇成員節點以執行跟蹤任務。由於網格頭節點一直保持活動狀態，能量消耗的快，因此它會周期性地被其它成員節點替換。

在本實施例中，雖然把整個網絡劃分成網格的形式來說明我們提出的基於動態鏈的節點協作方法dcbc，但是該方法也可以應用在其它分層結構的網絡或者是平面拓撲結構的網絡中。

在本實施例中，為了可靠的跟蹤目標並及時收集目標信息，所有節點被分為以下四種角色：網格成員節點(gm，gridmember)、網格頭節點(gh，gridhead)、動態跟蹤鏈成員節點(tcm，trackingchainmember)和動態跟蹤鏈頭節點(tch，trackingchainhead)。不同的節點角色對應的通信範圍也不相同，節點的通信範圍主要包括：網格內的通信、網格之間的通信和網格和匯聚節點之間的通信。節點可以按照相對應的角色來調整自己的通信範圍和睡眠周期以便有效的利用能量。

在本實施例中，網格頭節點gh總是處於活動狀態，接收來自於匯聚節點發送的目標信息，當目標進入網絡區域時，各個網格頭節點gh根據所接收的目標信息喚醒相應的網格成員節點gm。所有被喚醒的網格成員節點都在上述目標的周圍，相對距離比較近。第一個檢測到目標的網格頭節點向周圍所有被喚醒的網格成員節點和各個網格頭節點發送建立跟蹤鏈的消息「building_chain」以啟動動態鏈的建立程序，該第一個檢測到目標的網格頭節點首先加入跟蹤鏈並創建鏈頭令牌作為初始的動態跟蹤鏈頭節點tch。目標周圍的各個網格頭節點gh和各個被喚醒的網格成員節點gm收到該消息後，向初始的動態跟蹤鏈頭節點tch返回自己的節點信息，其中，節點信息是該節點的標識(id，identification)和位置信息等，即在上述第一檢測到目標的網格頭節點的通信範圍內，所有處於工作狀態的其它節點都會收到該節點發送的建立跟蹤鏈的消息，並返回自己的節點信息。tch節點根據各個網格頭節點和各個網格成員節點返回的節點信息建立一個傳輸能量消耗最小的跟蹤鏈，即建立一個∑dα值最小的跟蹤鏈，其中d表示跟蹤鏈上相鄰兩個節點的距離，α表示路徑損耗指數，一般情況下2≤α≤5，具體的取值取決於信道的特徵。網格頭節點和網格成員節點加入跟蹤鏈後變成動態跟蹤鏈成員節點。以圖2為例，圖2是根據本申請的網絡節點協作方法的建立的一條跟蹤鏈的示意圖。在圖2中，201表示目標，202表示匯聚節點，203表示動態跟蹤鏈頭節點tch，圓形表示動態跟蹤鏈成員節點tcm，六邊形表示網格成員節點gm。

在其它條件不變時，如果要降低節點傳輸數據時所消耗的能量就必須縮短兩個收發節點之間的距離或者減小數據包的大小，減小數據包的大小可以通過數據的合併和融合來實現，而在目標跟蹤鏈中減小傳輸節點之間的距離則是需要減小∑dα的值。在跟蹤鏈的建立過程中，初始tch根據各個網格頭節點和各個網格成員節點的位置選擇一個節點加入該跟蹤鏈使得∑dα值的增加量最小，然後將這個節點插入該跟蹤鏈中，這樣每次選擇一個節點作為跟蹤鏈的新成員插入該跟蹤鏈，直到所有需要執行跟蹤任務的節點都加入該跟蹤鏈。為了使∑dα取得最小值，節點在加入跟蹤鏈時可以插入跟蹤鏈中的兩個節點之間。

步驟102，隨著目標的移動，有需要退出跟蹤鏈的節點，該節點向相鄰的兩節點發送退出消息，兩節點根據接收的退出消息，組建成新的相鄰節點。

在本實施例中，在動態跟蹤鏈建立以後，隨著目標的移動，跟蹤鏈上的節點的感知模塊在一定的時間內感知不到上述目標時，或者檢測不到上述目標時，說明上述目標已經遠離，如果該節點是動態跟蹤鏈成員節點，該動態跟蹤鏈成員節點要退出跟蹤鏈時，只要向上下遊相鄰的兩個節點發送退出消息，而不影響其它節點的工作，該節點的退出消息包括自己上下遊兩個節點的id信息、位置信息等，上下遊的兩個節點收到這個退出消息後則自動組成跟蹤鏈的新的相鄰節點。以圖3為例，圖3是動態跟蹤鏈成員節點要退出跟蹤鏈的示意圖。在圖3中，302表示匯聚節點，303表示動態跟蹤鏈頭節點tch，圓形表示動態跟蹤鏈成員節點tcm，六邊形表示網格成員節點gm，當目標301向右行駛至304處，動態跟蹤鏈成員節點306遠離目標304，動態跟蹤鏈成員節點306需要退出跟蹤鏈，因此，動態跟蹤鏈成員節點306向相鄰的節點305和307發送退出消息，節點305和307收到這個消息後則自動組成跟蹤鏈的新的相鄰節點。

在本實施例中，如果是動態跟蹤鏈頭節點tch要退出跟蹤鏈，其過程和動態跟蹤鏈成員節點一樣，只是需要在發送退出消息的時候將鏈頭令牌傳遞給自己的下遊節點。

步驟103，隨著目標的移動，有新節點需要加入跟蹤鏈，計算得出新節點加入到跟蹤鏈的不同位置時，跟蹤鏈的傳輸能量消耗值的增加量最小的位置，作為新節點加入跟蹤鏈的位置。

在本實施例中，隨著目標的移動，目標位置發生改變，檢測到目標的跟蹤鏈外的其它節點要加入跟蹤鏈，其中，上述其它節點至少包括網格成員節點、網格頭節點；則該節點向周圍廣播加入消息「req_join」，該加入消息中包括了該節點的id和位置信息，當跟蹤鏈的動態跟蹤鏈頭節點tch收到該節點的加入消息後，計算該節點加入到跟蹤鏈中不同位置時跟蹤鏈的傳輸能量消耗值∑dα，選擇一個位置使該節點加入跟蹤鏈後，跟蹤鏈的傳輸能量消耗值∑dα的增加量最小的位置，作為新節點加入跟蹤鏈的位置，最後動態跟蹤鏈頭節點tch通知該節點並使其加入到跟蹤鏈的相應位置，以圖4為例，圖4是節點加入動態跟蹤鏈的示意圖。在圖4中，圓形表示動態跟蹤鏈成員節點tcm，六邊形表示網格成員節點gm，目標401向右行駛至402處，節點405向周圍廣播加入跟蹤鏈的消息；然後，動態跟蹤鏈頭節點403接收到上述消息，通過計算得出節點405在動態跟蹤鏈成員節點404後面時，跟蹤鏈的傳輸能量消耗值∑dα的增加量最小，之後，動態跟蹤鏈頭節點403通知將該位置信息通知節點405並使其加入到跟蹤鏈的相應位置。

在本實施例中，當目標移出網絡時，跟蹤鏈的動態跟蹤鏈頭節點tch節點根據從匯聚節點得到目標移出網絡的消息，向周圍廣播跟蹤鏈的解散消息「chain_disbandment」，跟蹤鏈中其它節點收到該消息後刪除該跟蹤鏈的相關信息並退出跟蹤鏈。

步驟104，跟蹤鏈的每個動態跟蹤鏈成員節點接收來自上遊節點發送的感應數據，並把所述感應數據和自己節點所觀測到的數據進行合併融合處理後生成新的感應數據，再將該新的感應數據發送給該節點的下遊節點，直至下遊節點是動態跟蹤鏈頭節點,動態跟蹤鏈頭節點把接收到的感應數據和自己節點所觀測到的數據進行合併融合後發送給匯聚節點。

在本實施例中，目標周圍的跟蹤鏈上的節點需要把自己的感應數據通過多跳的形式發送到匯聚節點。每輪數據的傳輸都由跟蹤鏈的鏈尾節點開始，鏈尾節點由跟蹤鏈上的節點自己判斷，即當跟蹤鏈上的節點只有一個相鄰節點時被判定為鏈尾節點。通常每一條跟蹤鏈有兩個鏈尾，為了避免兩個鏈尾同時發送感應數據而產生碰撞，每個鏈尾可以隨機等待一段時間再發送感應數據，或者偵聽到信道空閒時發送感應數據。鏈尾節點如果沒有鏈頭令牌就首先把自己的感應數據發送給相鄰的下遊節點，下遊節點收到該感應數據後，把該感應數據同自己所觀測到的數據進行合併融合等處理，並把處理後的新的感應數據發送給與自己相鄰的下遊節點，以此類推，直到數據到達動態跟蹤鏈頭節點tch節點，最後由動態跟蹤鏈頭節點把接收到的所有感應數據和自己節點所觀測到的數據進行合併融合後發送給匯聚節點。

這樣節點的感應數據就沿著跟蹤鏈的方向一步一步的被傳輸，並且在每個節點上都可以合併和融合感應數據，因此網絡中沒有冗餘數據的傳輸，從而節省了節點的能量消耗。

在本實施例的一些可選的實現方式中，由於跟蹤鏈上的節點中通信模塊是消耗能量最多的模塊，因此當跟蹤鏈上的節點不需要發送數據時應該使通信模塊處於關閉狀態以節省能量。跟蹤鏈上的節點是依次輪流發送自己的數據，為了節省能量，我們針對目標跟蹤鏈上的數據傳輸提出了一種動態的能量有效的睡眠方式，這種方式使得跟蹤鏈上節點的通信模塊在有數據需要收發時處於活動狀態，其它時間則處於關閉狀態。動態跟蹤鏈頭節點tch為跟蹤鏈上的每個節點分配時槽用來收發數據，並通過控制消息傳遞給跟蹤鏈上的每一個節點。動態跟蹤鏈頭節點tch不用在每輪數據收集中都發送控制消息，只有當跟蹤鏈中有新節點加入時或動態跟蹤鏈頭節點tch節點更換時才發送新的控制消息。當跟蹤鏈中有節點退出時，只需要該節點通知它的下遊節點延長接收數據的時槽而不用改變其它節點的睡眠安排。

以圖5為例，圖5是動態跟蹤鏈上節點的通信模塊的睡眠活動時間安排的示意圖。圖5中，tr表示一輪數據收集的時間，它被分為兩個部分，包括tc和n個數據收發時槽ts，其中，tc表示動態跟蹤鏈頭節點發送控制信息和鏈尾等待等的時間，ts表示數據接收或者發送的一個時槽，n表示時槽的個數。它可以計算如下：

每輪數據收集時，在tc時間段過後，跟蹤鏈上的鏈尾節點開始向自己下遊的鄰居節點發送自己的感應數據。由於跟蹤鏈上的鏈尾節點只有一個鄰居，因此它只分配到一個時槽用來發送感應數據。而跟蹤鏈上的其它節點都被分配給兩個時槽，一個時槽用來接收上遊鄰居節點發來的數據，另一個時槽用來發送處理後的感應數據給自己的下遊鄰居節點，相鄰兩個節點之間有一個時槽是重合的以便數據的收發，除了收發時，跟蹤鏈上的節點在其它時間可以關閉自己的通信模塊，使自己處於睡眠狀態以節省能量。

在本實施例的一些可選的實現方式中，跟蹤鏈上的節點可以根據數據發送的距離來調整自己的發射功率以便能量的利用率達到最優，並且也減少了相互之間發送數據的幹擾從而增加了信道的重複利用率。

步驟105，跟蹤鏈上的每個節點輪流擔任動態跟蹤鏈頭節點，且每個節點根據最短擔任期限、該節點與所述匯聚節點間的距離、該節點的剩餘能量計算該節點擔任動態跟蹤鏈頭節點的期限。

在本實施例中，為了平衡網絡中節點的能量消耗，跟蹤鏈上的節點需輪流充當動態跟蹤鏈頭節點tch，如果當前tch的擔任期限到期，它就會將鏈頭令牌傳遞給它的上遊節點，當該節點沒有上遊節點時則傳遞給它的下遊節點，那麼收到鏈頭令牌的節點就會成為下一任動態跟蹤鏈頭節點tch。tch節點的擔任期限可以按照如下的計算得到：

其中，cni表示跟蹤鏈上的第i的節點，lttch(cni)表示跟蹤鏈節點cni擔任tch的期限，並且lttch(cni)∈[0,1,2...]，即都是正整數，符號[]表示取其中數值的整數部分。δmin，δd_ref和δe_ref分別表示tch的最短擔任期限、距離相關的控制係數和能量相關的控制係數，並且δmin,δd_ref,δe_ref∈[0,1,2...]，這些參數都可以按照系統的要求設定，s表示匯聚節點，|cni,s|表示節點cni和匯聚節點s之間的距離，|cni,s|α中，α表示路徑損耗指數，一般情況下2≤α≤5，具體的選擇取決於信道的特徵，max|cni,s|α表示|cni,s|α的最大值，eref表示能量的參考值，一般選為節點的初始能量值，eres(cni)表示節點cni的剩餘能量。由於節點發送數據所消耗的能量和發送的距離|cni,s|的α次方成正比，所以距離匯聚節點最遠的節點傳輸數據到匯聚節點時所消耗的平均能量最多，因此我們選擇該節點作為參考節點。如果當前tch的擔任期限到期，它向上遊節點，如果該節點沒有上遊節點則選下遊節點，發送消息「tch_token」，當鄰居節點收到該消息後，首先按照上式計算自己擔任tch的期限，如果該期限值大於零，則向當前tch回復消息接受「accept」，否則回復消息拒絕「refuse」。當前tch如果收到「accept」則認為鏈頭節點更換成功並把跟蹤鏈的相關信息發送給新的tch，自己變成tcm節點，當前tch如果收到「refuse」則還需繼續擔任tch並向其它節點發送「tch_token」消息，直到找出新的tch為止，其中，其它節點可以是該節點的上遊節點或下遊節點。

tch節點每收集一輪感應數據後，它的lttch(cni)值就減1，即lttch＝lttch-1，當lttch＝0時當前tch的擔任期限到期。這樣跟蹤鏈上的每個節點都可以根據自己離匯聚節點的距離和剩餘能量來選擇一個不同的擔任tch的期限，這不僅減少了網絡中控制信息的傳輸而且可以使節點的能量消耗更加均衡。另外，在tch節點的更換過程中，只需要和相鄰的節點之間進行通信，並且整個跟蹤鏈的結構不需要被重新建立，這使得該方法很適合面向目標跟蹤的wsn。

在本申請的上述實施例提供的基於動態鏈的無線傳感器網絡節點協作方法通過在目標周圍建立一個動態的跟蹤鏈，隨著目標的移動，動態跟蹤鏈逐漸增加或者刪除其中的節點使得該動態跟蹤鏈能夠適應目標位置的變化，這樣既保證了系統的跟蹤性能又節省了節點的能量消耗，並且在感應數據傳輸時，每個節點接收來自上遊節點發送的感應數據，把該感應數據和自己所觀測到的數據合併融合處理後再發送給該節點的下遊節點，最後由tch節點把融合好的數據發送給匯聚節點，因此感應數據沿著動態跟蹤鏈傳輸的每一步都可以被合併和融合，在數據傳輸方面也節省了較多的能量。當有節點要加入或者退出跟蹤任務時只需要通知自己相鄰的兩個節點就可以了，並且當tch改變時，不需要重新建立動態跟蹤鏈，減少了網絡開銷。

本發明的優點可通過仿真實驗進一步說明。在實驗中，我們採用了基於omnet++4.1(objectivemodularnetworktestbedinc++，多協議網絡仿真軟體)的仿真平臺castalia來仿真比較本申請針對面向目標跟蹤的基於動態鏈的節點協作方法dcbc和當前現有技術，該仿真從能量消耗、數據收集的平均延遲和網絡生命周期等方面比較和分析通過各種傳感器網絡節點協作方法組建的網絡的性能，目前常用的典型方法如下：1.基於固定鏈結構的網絡(pegasis，power-efficientgatheringinsensorinformationsystems)。、2.動態分簇結構的網絡(cosen，chainorientedsensornetwork)。3.動態傳送樹(dctc，dynamicchain-basedcollaboration)。在仿真中，在不同的節點隨機分布模式下，每次仿真至少運行五次，仿真結果取這五次結果的平均值。

我們建立一個包括250個傳感器節點的網絡，這些節點隨機分布在一個200m×200m的區域內，整個網絡被劃分為16個網格，匯聚節點的位置是固定的，位於坐標(100,600)處。當gh消耗的能量大於其擔任簇頭時的1/3時，該gh就會被其它的節點替換。另外，節點對單個感應數據包的處理所消耗的能量被設置為5nj/bit。每個節點的感應範圍為rsensing＝12m，節點的初始能量為10j。當節點的通信模塊活動和睡眠時，該節點所消耗的能量分別為0.22mw和0.000006mw。在仿真中，感應區域內的跟蹤節點每0.3s報告一次自己的觀測數據，數據包和控制包的大小分別為256bytes和8bytes，無線信道的傳輸帶寬為1mbps，並且我們採用ieee802.15.4的mac(mediaaccesscontrol，介質訪問控制)層模型。另外，我們設置一個時槽為ts＝5ms，節點對數據的處理時間為1ms和3ms之間的任意時間。關於計算tch節點擔任期限的參數設定為δmin＝1，δd_ref＝2，δe_ref＝5。最後，我們假設移動目標在網絡區域內隨機連續的移動，最大速度為8m/s。

繼續參見圖6，圖6是網絡中鏈結構或者樹結構的建立所需要消耗的能量。在圖6中，橫坐標approaches表示不同方法，縱坐標totalenergyconsumption表示消耗的能量。從圖6中我們可以看出在pegasis和cosen方法中，建立鏈結構所需要消耗的能量幾乎一樣多，這是因為它們都採用了貪婪算法來建立鏈結構。pegasis和cosen方法比dctc和dcbc方法在鏈或者樹的建立中消耗的能量多是因為它們中所有的節點都參與了鏈的建立，節點需要與其它節點進行遠距離通信來獲得其它節點的位置信息，而在dctc和dcbc方法中，只有目標周圍的一部分節點參與了鏈或樹的建立，這些節點都位於目標周圍的一個局部範圍內，通信距離往往比較小，因此消耗的能量也比較少。

繼續參見圖7，圖7是網絡初始化和鏈結構或樹結構的建立所消耗的時間。在圖7中，橫坐標approaches表示不同方法，縱坐標time表示網絡初始化和鏈結構或樹結構的建立所消耗的時間。同樣的道理，pegasis和cosen方法比dctc和dcbc方法在鏈結構或者樹結構的建立中消耗的時間多也是因為在鏈結構或者樹結構的建立過程中參與的節點數量多。另外cosen方法比pegasis方法建立鏈結構所需要的時間短是因為cosen方法中可以在不同的區域內同時建立子鏈，這就相當於所建立鏈結構的總長度變短。從圖6和圖7中我們可以看出，鏈結構和樹結構在建立時，如果參與的節點數量相同，那麼它們消耗的能量和所需要的時間也是基本相同的。

繼續參見圖8，圖8是不同方法中數據收集的平均延遲隨著網絡節點數量的變化圖。在圖8中，橫坐標numberofnodes表示網絡中節點個數，縱坐標averagedatacollectiontime表示數據收集的平均延遲。網絡中節點個數的變化範圍從128到512個。如果其他參數保持不變的情況下，數據收集的平均延遲都隨著網絡節點數量的增加而增加，這是因為節點增多時網絡需要傳輸的數據包也增多。pegasis方法中數據傳輸延遲隨著節點數量的增加也迅速增加並且在所有方法中的數據傳輸延遲最大，這是因為該方法中只建立一條鏈，鏈上的節點越多鏈的長度就越長，因此數據傳輸延遲越大。由於在cosen方法中鏈的長度相對比較短，因此它的數據傳輸延遲比pegasis方法中的要小很多。dctc和dcbc方法中的數據傳輸延遲也是由樹結構或者鏈結構上的節點數量決定的，但是在網絡節點數量較多的情況下dctc方法中的樹結構被重新建立的次數也增多，因此dctc方法中的數據延遲比dcbc方法的要長。

繼續參見圖9，圖9是不同方法中網絡的生命周期。在圖9中，橫坐標percentageofdeadnodes表示網絡中死亡節點的百分比，縱坐標numberofrounds表示收集感應數據的輪數。其中，每一輪收集感應數據是指把感應數據從成員節點處一直傳輸到匯聚節點，也就相當於網絡的壽命。從圖中可以看出，採用本申請提出的dcbc方法可以有效的延長網絡的壽命。這主要是因為在dcbc方法中，只有目標周圍的節點參與跟蹤並且動態跟蹤鏈能夠及時的根據目標的位置來調整跟蹤鏈上的節點，另外，跟蹤鏈的結構也不用頻繁調整。採用dctc方法所得的網絡壽命比採用dcbc方法所得的短，主要是因為動態樹需要隨著目標的移動而被重新建立，並且位於接近樹根處的節點由於承擔的數據傳輸任務較重而消耗的能量過多從而導致網絡節點能量消耗不均衡。另外，pegasis和cosen方法中的網絡壽命比相比dctc和dcbc方法較短，是因為在這兩種方法中許多不相關的節點也被牽扯到數據傳輸任務中，從而導致節點能量的消耗。

因此，本申請針對目標跟蹤應用提出了一種基於動態鏈的節點協作方法，它通過在目標周圍形成一個動態的跟蹤鏈來完成目標跟蹤任務，隨著目標的移動，動態跟蹤鏈逐漸增加或者刪除其中的節點使得該動態鏈能夠適應目標位置的變化。該方法能夠使跟蹤鏈上的節點所獲得的感應數據在局部被收集並融合，從而能夠提高網絡的能量利用率以及數據傳輸效率。並且當目標的位置改變時，動態跟蹤鏈的結構不需要被重新建立。實驗結果表明：在面向目標跟蹤的wsn中，採用本申請所提出的方法可以節省和均衡網絡的平均能量消耗，在不影響網絡性能的情況下延長網絡的生命周期。