（计算机应用技术专业论文）rare：能量高效的目标跟踪协议.pdf

摘要 无线传感器由于具有良好的监测能力，提供了巨大的潜力来监测和了解我 们的环境。因此，无线传感器网络被广泛应用于不同的领域，例如军事和商业 应用领域。目标跟踪是无线传感器网络的一项基本应用，设计一个无线传感器 网络中的目标跟踪协议需要考虑到许多问题，包括单目标或者多目标跟踪问 题：网络中使用的节点类型问题，即网络是同构还是异构的；使用预测还是非 预测的目标跟踪方案；能量高效问题等。 作为目标跟踪方案设计的目标，希望目标跟踪协议在能够准确的跟踪目标 的同时，也具有能量的高效性。我们的研究是基于无线传感器网络目标跟踪的 数据两个方面来考虑的：低质量数据和重复或者冗余的数据。考虑到低质量的 数据，噪声会影响从目标那里接收到的信号，并且目标到传感器间的距离增 加，信号中的噪声也会增加。如果能够限制低质量的数据的产生，只获取目标 跟踪中的高质量的数据，例如，只得到距离目标近的噪声小的数据，就能够根 据数据质量限制参与目标跟踪的传感器数目，节省能量消耗；二是在随机分布 的无线传感器网络中，传感器的感应区域存在重叠的概率很高。因此减少大量 的重复或者冗余的数据被发送到了簇头从而节省了能量。 本论文提出的能量高效的目标跟踪协议使用了两个能量高效算法：r a r e a r e a ( r e d u c e da r e ar e p o r t i n g ) 算法是针对低质量的数据产生问题，和r a r e n o d e 算法( r e d u c t i o no fa c t i v en o d er e d u n d a n c y ) ，则是针对冗余或者重复数据 的问题。 r a r e a r e a 限制了参与跟踪的传感器数目，只允许能产生一定质量的数据 的传感器节点才能参与目标的跟踪。具体做法是，当一个传感器节点监测到移 动目标，立即运行r a r e a r e a 算法并为数据计算一个权值，如果计算的权值 暇，其中既是门限值，传感器节点才加入参与跟踪移动目标。在计算传 感器数据的权值时，需要考虑两个因素：目标的距离因子a a , ，目标的运动因子 o 目标的距离子蚴使用目标的距离来判断监测目标所接收的信号质量，将黝 和目标的距离之间的关系映射为零平均高斯分布。传感器节点与目标之问的距 离越远，数据的质量越低，从而距离因素值砌越小。 v 目标的运动因素值口。似，s ) 则是依据移动目标的移动状态来控制数据发送 的频率和权值设置的的效率。运动状态因素使得我们能够根据目标的运动状态 改变向簇头发送数据的频率当静止在传感器节点的感应范围内。根据目标状态 特征论文中修改向簇头发送数据的频率，例如，当目标处于静态的时候减少频 率，当目标处于运动的时候增加频率。 r a r e - n o d e 算法减少了向上发送给簇头的冗余数据量：该算法通过考虑相 邻的参与目标跟踪节点间的空间关系。如果目标在两个或者多个传感器节点的 交叉区域，就只将一个高质量的数据向上发送给簇头节点，从而避免了将冗余 的数据发送给簇头。 本论文的协议通过减少参与目标跟踪的节点数目，发送给簇头节点的数据 传输频率，网络中冗余数据的数量，来达到节能的目的。通过模拟结果表明， 同时使用两个算法，并且采用一个比较低的权值门限厶即阿0 0a n db 0 ，a n d 声t h ev a l u eo ft h ed e c a y i n g e x p o n e n tt y p i c a l l yr a n g i n gf r o m2 0 5 0 3 8o v e r v i e wo f o p e r a t i o no fa l g o r i t h m s o u ra l g o r i t h m sa r en o tl i m i t e dt ot r a c k i n go n ep a r t i c u l a ro b j e c tt y p ef o re x a m p l e o n l yt r a c k i n gc a r s t h eo n l yr e q u i r e m e n tf o rt r a c k i n gt h et a r g e tt h a to u ra l g o r i t h m s h a v ei st h a tt h e yr e q u i r er a n g em e a s u r e m e n t sf o rt h er a r e - a r e aa l g o r i t h m t h i s m e a n st h a to u ra l g o r i t h m sc a nb eu s e dt ot r a c kav a r i e t yo ft a r g e t sf o re x a m p l e a n i m a l s ，p e o p l e ，c a r se t cu s i n g s e n s o r sh a v i n gav a r i e t yo fs e n s i n gm o d a l i t i e sf o r e x a m p l ei n f r a - r e d ，a c o u s t i ce t ca sl o n ga st h e yc a np r o v i d et h er a n g em e a s u r e m e n t t h et w op r o p o s e da l g o r i t h m sr a r e - a r e aa n dr a r e - n o d ec a ne i t h e rb e i m p l e m e n t e dt o g e t h e ro rr a r e a r e ai m p l e m e n t e da l o n e i nt h i ss e c t i o nw ed e s c r i b e 3 0 t h eo p e r a t i o no fo u ra l g o r i t h m sa n dt h ep s e u d oc o d eo ft h e i ro p e r a t i o ni ss h o w ni n f i g u r e3 - 2 i f ( ( c a ns e n s et a r g e t ) a n d ( r e a d i n g st a k e n ( n ) ) t a k er e a d i n gf r o mt a r g e t ； s e n db e a c o n ； i f ( h a v er e c e i v e da ti e a s t2b e a c o n s ) c a l c u l a t ee s t i m a t e dt a r g e tp o s i t i o nu s i n gt r i l a t e r a t i o n ； s e n dd a t at oc l u s t e rh e a d ； ) ) e l s ei f ( ( c a ns e n s et a r g e t ) a n d ( r e a d i n g st a k e n = 川) i m p l e m e n tr a r e - a r e aa n dg e tm i f ( w = - w u ) s e n db e a c o n ； i f ( h a v er e c e i v e da tl e a s t2b e a c o n s ) c a l c u l a t ee s t i m a t e dt a r g e tp o s i t i o nu s i n gt r i l a t e r a t i o n ； i f ( u s i n gr a r e n o d e ) i m p l e m e n tr a r e - n o d et od e t e r m i n er e d u n d a n c y ；, i f ( d a t ai sn o tr e d u n d a n t ) ( s e n dd a t at od u s t e rh e a d ； ) e l s e d on o ls e n dd a t at od u s t e rh e a d ： ) ) e l s ei f ( n o tu s i n gr a r e n o d e ) s e n dd a t at oc l u s t e rh e a d ； ) ) e l s e i f ( w w u ) d on o ts e n dd a t at od u s t e rh e a d ； ) ) f i g u r e3 2 ：p s e u d oc o d ef o rr a r ea l g o r i t h m s 3 8 1i m p l e m e n t a t i o no ft h er a r e a r e aa l g o r i t h mo n l y w h e nat a r g e ti sf i r s td e t e c t e db yt h es e n s o r ，i tc o n t i n u e so p e r a t i n gi nt h en o r m a l m o d e ( t r a c k i n gw i t h o u ta p p l i c a t i o n o ft h er a r ea l g o r i t h m s ) a si tt a k e s 刀 m e a s u r e m e n t s t h ev a l u eo fni ss e to nc o n f i g u r i n gt h en e t w o r ka n dw eu s e dn = 9f o r o u re x p e r i m e n t s i n i t i a le x p e r i m e n t sw i t h o u t 刀s h o w e das i g n i f i c a n td e l a yi ng e t t i n g t r a c k i n gr e s u l t so ni m p l e m e n t a t i o no ft h er a r e - a r e aa l g o r i t h mi m m e d i a t e l ya n d h e n c eg a v ep o o rt r a c k i n ga c c u r a c ya tt h es t a r to fo p e r a t i o n a l l o w i n gt h es e n s o rt o c o n t i n u eo p e r a t i n gw i t h o u tt h er a r e a r e aa l g o r i t h mi n i t i a l l y ，r e d u c e st h ei n i t i a l t r a c k i n ge r r o r sa n dd e l a y w h e nt h es e n s o rh a st a k e nt h e ，lm e a s u r e m e n t s i ts t a r t st oi m p l e m e n tr a r e a r e aa n du s e st h el a s tt h r e em e a s u r e m e n t st od e t e r m i n et h er a n g ea n dt h et a r g e t m o t i o ns t a t u s t h er a r e - a r e aa l g o r i t h ma l l o c a t e saw e i g h t t ot h ed a t aa n da d e t a i l e dl o o ka tt h er a r e a r e aa l g o r i t h mi sg i v e ni ns e c t i o n3 9 i ft h ec a l c u l a t e d 3 1 w e i g h tw ，t h et h r e s h o l dw e i g h t , t h e nt h ed a t af r o mt h a ts e n s o rc a nb eu s e df o r t r a c k i n g i fw ，t h i ss e n s o rs e n d sb e a c o n st oi t sn e i g h b o u r sa n d w a i t st or e c e i v e a tl e a s tt w oo t h e rb e a c o n sf r o mi t sn e i g h b o u r sw h o a l ea l s op a r t i c i p a t i n gi nt r a c k i n g o n c eas e n s o rh a sr e c e i v e da tl e a s tt w ob e a c o n s ，t h et r i l a t e r a t i o na l g o r i t h mi sr u nt o e s t i m a t et h et a r g e tp o s i t i o nu s i n gt h eb e a c o nd a t a a st h et a r g e tt r a v e l st h r o u g ht h es e n s i n gf i e l d ，t h en o d e sp e r i o d i c a l l yr e 。c a l c u l a t e t h ew e i g h tws ot h a to n l yn o d e sw i t ht h er e q u i r e dq u a l i t yo fd a t ap a r t i c i p a t ei n t r a c k i n g o n c et h et a r g e tp o s i t i o nh a sb e e ne s t i m a t e dt h ed a t ai ss e n tt ot h ec l u s t e r h e a d i fw 彬，t h es e n s o rd o e sn o ts e n da n yb e a c o n sa n dd o e sn o tf o r w a r da n y d a t a t ot h ec l u s t e rh e a d 3 8 2i m p l e m e n t a t i o no fb o t hr a r e a r e aa n dr a r e n o d ea l g o r i t h m s i fw 形，w et h e nr u nt h er a r e n o d ea l g o r i t h m t h ea l g o r i t h mf i r s tc h e c k si f t h es e n s o rh a sa n yn e i g h b o r i n gs e n s o r si ni t ss e n s i n ga r e aa n dw h e t h e rt h e yh a v e e n o u g hp o w e rt ot r a n s m i td a t at ot h ec l u s t e rh e a d i fb o t ha l et r u et h e nt h ea l g o r i t h m d e t e r m i n e st h en e a l e s tn e i g h b o r i n gs l e r l s o rt ot h et a r g e ta n di ta l s od e t e r m i n e sw h i c h o ft h e mi e i t s e l fo ri t sn e i g h b o u r , i sr e s p o n s i b l ef o rf o r w a r d i n gt h ed a t at ot h ec l u s t e r h e a d 3 9r a r e - 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3 i nf i g u r e3 - 3 ( a ) i t s h o w st h en u m b e ro fs e n s o r st h a tc a ni n i t i a l l yd e t e c tt h et a r g e t f i g u r e3 - 3 ( b ) s h o w s t h ea c t u a ln u m b e ro fs e n s o r st h a ta r ea l l o w