本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中的錨節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法。

背景技術(shù)：

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)因?yàn)槠渚哂袕V闊的應(yīng)用前景而受到越來越多的研究關(guān)注，這些應(yīng)用一般都是基于傳感器節(jié)點(diǎn)的具體位置，比如環(huán)境監(jiān)測、目標(biāo)追蹤、室內(nèi)導(dǎo)航等。雖然目前主要依靠GPS(Global Positioning System)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位，但是在某些特定場景下，可能無法接收到該信號(hào)或者信號(hào)很弱不能滿足定位要求，因而研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位技術(shù)具有很重要的意義。

考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量受限的特點(diǎn)，在實(shí)際定位過程中需要降低參與定位的錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目以減少能量消耗。目前已有很多算法研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中的節(jié)點(diǎn)調(diào)度問題，但大多數(shù)是分布式的。在分布式算法中，網(wǎng)絡(luò)中的盲節(jié)點(diǎn)或錨節(jié)點(diǎn)只與它們的臨近節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)信息，沒有一個(gè)中心的控制器管理節(jié)點(diǎn)，也沒有中心的數(shù)據(jù)處理單元計(jì)算節(jié)點(diǎn)的位置，因而相比于集中式算法在性能上有一定的劣勢。本發(fā)明在軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Networking，SDN)技術(shù)的基礎(chǔ)上，借助其中心控制器，在不破壞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織特性的前提下，提出一種集中式的錨節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法，選取滿足用戶要求數(shù)目的錨節(jié)點(diǎn)，節(jié)省能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命，具有可觀的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是在不破壞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織特性的前提下，選取滿足用戶要求數(shù)目的錨節(jié)點(diǎn)，以節(jié)省整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中的錨節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，其特征在于，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括：SDN控制器、錨節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)；該方法包括步驟：

(1)網(wǎng)絡(luò)初始化：所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在啟用前，初始化網(wǎng)絡(luò)中的所有錨節(jié)點(diǎn)為休眠狀態(tài)；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)開始啟用時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的各移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)廣播喚醒信息，喚醒自身通信范圍內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)；被喚醒的錨節(jié)點(diǎn)向SDN控制器發(fā)送自身的狀態(tài)信息，狀態(tài)信息包括對應(yīng)錨節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)隙在網(wǎng)絡(luò)中的地址、初始能量、剩余能量以及與移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)i之間的距離；SDN控制器接收到錨節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息后，為已被喚醒的錨節(jié)點(diǎn)建立信息表，并將接收到的錨節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息分別存儲(chǔ)在對應(yīng)信息表中；SDN控制器根據(jù)已經(jīng)建立的信息表生成相應(yīng)的定時(shí)器并下發(fā)給對應(yīng)的錨節(jié)點(diǎn)

(2)對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的任意一個(gè)待定位的移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)i，在對移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)i進(jìn)行定位的過程中，錨節(jié)點(diǎn)的調(diào)度方法包括步驟：

(2-1)在每個(gè)新時(shí)隙開始時(shí)，移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)i根據(jù)自身新位置重新廣播喚醒信息給通信范圍內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)，收到喚醒信息的錨節(jié)點(diǎn)向SDN控制器發(fā)送自身的狀態(tài)信息；當(dāng)SDN控制器接收到錨節(jié)點(diǎn)j的狀態(tài)信息時(shí)，執(zhí)行以下步驟：

從接收到的狀態(tài)信息中提取錨節(jié)點(diǎn)j的地址，檢索已經(jīng)建立的信息表，若信息表中已存儲(chǔ)錨節(jié)點(diǎn)j的地址，則控制器將錨節(jié)點(diǎn)j的信息表中的剩余能量以及與移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)i之間的距離信息更新為錨節(jié)點(diǎn)j最新狀態(tài)信息中的對應(yīng)信息；

若錨節(jié)點(diǎn)j的地址未被存儲(chǔ)在已經(jīng)建立的信息表中，則控制器為錨節(jié)點(diǎn)j建立一個(gè)信息表并下發(fā)定時(shí)器給錨節(jié)點(diǎn)j；

(2-2)當(dāng)一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的定時(shí)器定時(shí)完畢，該錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求信息至控制器，請求信息中應(yīng)該攜帶錨節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)信息；控制器計(jì)算該錨節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)刻與移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)i的連接度，并將計(jì)算出的連接度與預(yù)先設(shè)立的閾值進(jìn)行比較，如果小于閾值，則該錨節(jié)點(diǎn)繼續(xù)保持工作狀態(tài)；否則該錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，同時(shí)，控制器將該錨節(jié)點(diǎn)信息表中的剩余能量以及與移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)i之間的距離信息更新為該錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的請求信息中的相應(yīng)信息；

(3)對所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)分別執(zhí)行步驟(2)，直至定位結(jié)束或者網(wǎng)絡(luò)中的能量完全消耗。

進(jìn)一步的，所述錨節(jié)點(diǎn)的地址計(jì)算方式為：

根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置信息，采用傳感器OpenFlow協(xié)議中的級聯(lián)屬性值編址方法進(jìn)行編碼得到。

進(jìn)一步的，所述定時(shí)器的計(jì)算方法包括步驟：

(3-1)定義一個(gè)CRLB值作為衡量一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)對一個(gè)移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)定位結(jié)果貢獻(xiàn)情況的參量；CRLB值的計(jì)算表達(dá)式為：

式中，是測量值在x狀態(tài)下的聯(lián)合概率密度函數(shù)，為x的估計(jì)值；對于一個(gè)固定的錨節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)

(3-2)構(gòu)建參數(shù)為w_ij，用于衡量錨節(jié)點(diǎn)j對盲節(jié)點(diǎn)i定位精度的貢獻(xiàn)值；w_ij的計(jì)算表達(dá)式為：

其中，S_i表示包含所有錨節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)i的布局情況集合，S_i\j表示將錨節(jié)點(diǎn)j從網(wǎng)絡(luò)中去除后的布局情況集合，tr{}表示方陣的跡；

(3-3)根據(jù)CRLB值和w_ij計(jì)算錨節(jié)點(diǎn)j的計(jì)時(shí)器計(jì)算表達(dá)式為：

式中，α和β為兩個(gè)相關(guān)系數(shù)，α+β＝1；e_j為錨節(jié)點(diǎn)j的剩余能量，e_m為錨節(jié)點(diǎn)j在初始時(shí)刻的最大能量，τ是在范圍[0.9，1]內(nèi)的一個(gè)隨機(jī)變量，用與在各錨節(jié)點(diǎn)具有相同剩余能量的情況下區(qū)分各錨節(jié)點(diǎn)，t₀為限制調(diào)度時(shí)間。

進(jìn)一步的，所述計(jì)算一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)刻與一個(gè)移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)之間的連接度的方法為：

(4-1)設(shè)盲節(jié)點(diǎn)i在時(shí)刻n可能的移動(dòng)范圍為以它在時(shí)刻(n-1)的位置為圓心、R_m為半徑的圓內(nèi)，將移動(dòng)范圍區(qū)域記為定義S表示區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)與盲節(jié)點(diǎn)i的距離，則S中的參量s的取值范圍為0≤s≤R_m，計(jì)算概率密度函數(shù)為

(4-2)定義表示時(shí)刻n區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)j相連的概率，的計(jì)算公式為：

(4-3)定義用戶設(shè)定選取錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為表示在時(shí)刻n移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)i與個(gè)錨節(jié)點(diǎn)相連的事件，計(jì)算在時(shí)刻n移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)i與個(gè)錨節(jié)點(diǎn)相連的事件發(fā)生的概率為：

為用戶選取的與移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)i連接的錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)

(4-4)計(jì)算移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)i在時(shí)刻n的連接度為：

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，利用SDN中心控制器，通過對每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)設(shè)立定時(shí)器，對其進(jìn)行集中式調(diào)度。在盲節(jié)點(diǎn)的定位過程中，選取滿足用戶要求數(shù)目的錨節(jié)點(diǎn)，從而降低參與定位的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，減少能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

附圖說明

圖1是基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位場景圖；

圖2是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中錨節(jié)點(diǎn)調(diào)度的流程圖；

圖3是SDN控制器為錨節(jié)點(diǎn)建立的信息表的示意；。

圖4是計(jì)算盲節(jié)點(diǎn)在某一時(shí)刻連接度的示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中的錨節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，該方法是一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Networking，SDN)技術(shù)的集中式調(diào)度方法，SDN控制器計(jì)算盲節(jié)點(diǎn)的連接度并與設(shè)立的閾值進(jìn)行比較，從而決定錨節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)隙的狀態(tài)。該方法包括如下過程：

(1)在初始時(shí)刻，網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)廣播喚醒信息，所有在其通信范圍內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)被喚醒后向SDN控制器發(fā)送位置、初始能量、剩余能量以及與該盲節(jié)點(diǎn)之間的距離等信息?？刂破鹘邮盏竭@些信息后，為該錨節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)信息表，將其相關(guān)信息存儲(chǔ)在該表中，同時(shí)計(jì)算它的定時(shí)器并下發(fā)給它；

(2)在每個(gè)新的時(shí)隙開始時(shí)，盲節(jié)點(diǎn)廣播信息至其新位置通信范圍內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)，接收到信息的錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身信息至控制器，控制器將其地址與已有表中的信息進(jìn)行比對，如果該地址已被存儲(chǔ)，則控制器更新該表中的剩余能量以及與盲節(jié)點(diǎn)之間的距離信息，如果該地址未被存儲(chǔ)，則控制器為該錨節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)新的信息表并下發(fā)它的定時(shí)器；

(3)當(dāng)某個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的定時(shí)器定時(shí)完畢時(shí)，它發(fā)送請求信息至控制器，控制器計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻盲節(jié)點(diǎn)的連接度并與設(shè)立的閾值進(jìn)行比較，如果小于閾值，則該錨節(jié)點(diǎn)繼續(xù)保持“工作”狀態(tài)，否則進(jìn)入“休眠”狀態(tài)，控制器同時(shí)更新該錨節(jié)點(diǎn)信息表中的剩余能量以及與盲節(jié)點(diǎn)之間的距離等信息；

(4)重復(fù)過程(2)、(3)，直至定位結(jié)束或者網(wǎng)絡(luò)中的能量完全消耗。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明的實(shí)施方法作進(jìn)一步的描述。

在基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，如附圖1所示，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有N_b個(gè)

錨節(jié)點(diǎn)和N_a個(gè)盲節(jié)點(diǎn)。錨節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)的集合分別記為：

N_b＝{1，2，…，N_b}和N_a＝{N_b+1，N_b+2，…，N_b+N_a}

節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置記為：

其中x_i和y_i是X_i在二維場景下的坐標(biāo)，節(jié)點(diǎn)i和j之間的距離用d_ij表示。我們假設(shè)節(jié)點(diǎn)k的通信范圍是一個(gè)以其位置X_k為原點(diǎn)、c_k為半徑的圓，它所能連接的區(qū)域用一個(gè)圓盤A(X_k，c_k)表示，則其通信區(qū)域?yàn)?/p>

在本發(fā)明中，我們設(shè)計(jì)一個(gè)基于SDN架構(gòu)的錨節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，在SDN架構(gòu)中，控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，控制平面中的控制器掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的全局信息，負(fù)責(zé)所有節(jié)點(diǎn)的管理，包括盲節(jié)點(diǎn)的位置計(jì)算、錨節(jié)點(diǎn)的調(diào)度等；數(shù)據(jù)平面則由傳感器節(jié)點(diǎn)組成，只需根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的流表執(zhí)行包的轉(zhuǎn)發(fā)工作。我們采用傳感器OpenFlow協(xié)議作為兩個(gè)平面之間的南向接口，傳感器OpenFlow協(xié)議是一種能與傳統(tǒng)OpenFlow協(xié)議兼容的、適應(yīng)于傳感器網(wǎng)絡(luò)特性的流表協(xié)議。

如附圖2所示錨節(jié)點(diǎn)的調(diào)度過程，在初始時(shí)刻，網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)廣播喚醒信息，所有在其通信范圍內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)被喚醒后向SDN控制器發(fā)送位置、初始能量、剩余能量以及與該盲節(jié)點(diǎn)之間的距離等信息?？刂破鹘邮盏竭@些信息后，為該錨節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)如附圖3所示的信息表，將其相關(guān)信息存儲(chǔ)在該表中。在該示例中，假設(shè)錨節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的坐標(biāo)為(13.8，15.6)^T，并且假設(shè)其x坐標(biāo)和y坐標(biāo)均用32位浮點(diǎn)數(shù)表示，分別存儲(chǔ)在包中偏移地址為40和44的位置。控制器根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)信息表中的信息為它設(shè)計(jì)一個(gè)定時(shí)器，當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)的定時(shí)器定時(shí)完畢時(shí)，該錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求信息給控制器詢問它在下一時(shí)隙的狀態(tài)(“工作”或者“休眠”)。對于某一特定的盲節(jié)點(diǎn)，在地理位置上越有利于盲節(jié)點(diǎn)的定位結(jié)果、并且剩余能量越多的錨節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間越短，也更容易被設(shè)立成“工作”狀態(tài)來參與該盲節(jié)點(diǎn)的定位。

我們利用克拉美羅下界(Cramer-Rao Lower Bound，CRLB)作為衡量某一錨節(jié)點(diǎn)對定位結(jié)果貢獻(xiàn)情況的參量。CRLB值可以通過對FIM(Fisher Information Matrix)求逆得到，F(xiàn)IM的定義如下

其中，是測量值在x狀態(tài)下的聯(lián)合概率密度函數(shù)(Probability Density Function，PDF)。CRLB的計(jì)算表達(dá)式為

其中，為x的估計(jì)值。

對于給定的節(jié)點(diǎn)布局，CRLB的值是唯一的。為了衡量錨節(jié)點(diǎn)j對盲節(jié)點(diǎn)i定位精度的貢獻(xiàn)值，我們計(jì)算將錨節(jié)點(diǎn)j從網(wǎng)絡(luò)中去除后CRLB值的增加量，并將該增加量的倒數(shù)作為度量其貢獻(xiàn)值的參數(shù)，該參數(shù)的計(jì)算公式如下

其中，S_i表示包含所有錨節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)i的布局情況集合，S_i\j表示將錨節(jié)點(diǎn)j從網(wǎng)絡(luò)中去除后的布局情況集合，tr{}表示方陣的跡。

定時(shí)器的設(shè)計(jì)同時(shí)需要考慮錨節(jié)點(diǎn)的剩余能量，為了均衡網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的能量消耗，剩余能量越多的錨節(jié)點(diǎn)越容易被喚醒來參與定位。

綜合以上，錨節(jié)點(diǎn)j的計(jì)時(shí)器通過如下公式計(jì)算得到

其中，，α和β為兩個(gè)相關(guān)系數(shù)，α+β＝1。e_j為錨節(jié)點(diǎn)j的剩余能量，e_m為錨節(jié)點(diǎn)j在初始時(shí)刻的最大能量，τ是在范圍[0.9，1]內(nèi)的一個(gè)隨機(jī)變量，用來區(qū)分錨節(jié)點(diǎn)具有相同剩余能量的情況，t₀限制調(diào)度時(shí)間。

控制器計(jì)算完被喚醒的錨節(jié)點(diǎn)的定時(shí)器后下發(fā)給它。在每個(gè)新的時(shí)隙開始時(shí)，盲節(jié)點(diǎn)廣播信息至其新位置通信范圍內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)，接收到信息的錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身信息至控制器，控制器將其地址與已有表中的信息進(jìn)行比對，如果該地址已被存儲(chǔ)，則控制器更新該表中的剩余能量以及與盲節(jié)點(diǎn)的距離信息，如果該地址未被存儲(chǔ)，則控制器為該錨節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)新的信息表并下發(fā)它的定時(shí)器。

當(dāng)某個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的定時(shí)器定時(shí)完畢時(shí)，它發(fā)送請求信息至控制器，控制器計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻盲節(jié)點(diǎn)的連接度，該連接度由其在下一時(shí)刻可能的移動(dòng)范圍內(nèi)中的任一點(diǎn)與m個(gè)錨節(jié)點(diǎn)相連的概率在整個(gè)移動(dòng)范圍內(nèi)的積分計(jì)算得到(m為用戶設(shè)定的選取錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)目)。我們假設(shè)盲節(jié)點(diǎn)i在時(shí)刻n可能的移動(dòng)范圍為以它在時(shí)刻(n-1)的位置為圓心、R_m為半徑的圓內(nèi)，將移動(dòng)范圍區(qū)域記為定義S表示區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)與盲節(jié)點(diǎn)i的距離，則S中的參量s的取值范圍為0≤s≤R_m，計(jì)算概率密度函數(shù)為

用表示區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)j相連的概率，如附圖4所示，則為圖中陰影面積與區(qū)域面積的比值。該概率值平均期望的計(jì)算公式如下

假設(shè)用戶設(shè)定選取錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為表示在時(shí)刻n盲節(jié)點(diǎn)i與個(gè)錨節(jié)點(diǎn)相連的事件，該事件的概率計(jì)算公式如下

盲節(jié)點(diǎn)i在時(shí)刻n的連接度定義為

控制器計(jì)算得到盲節(jié)點(diǎn)的連接度后，將該值與設(shè)立的閾值ξ_th進(jìn)行比較，如果小于閾值，則發(fā)送請求信息的錨節(jié)點(diǎn)繼續(xù)保持“工作”狀態(tài)，否則進(jìn)入“休眠”狀態(tài)。假設(shè)用戶設(shè)立選取錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)目連接度閾值ξ_th＝0.85，則在錨節(jié)點(diǎn)的調(diào)度過程時(shí)，本發(fā)明方法保證對應(yīng)的盲節(jié)點(diǎn)至少有85％的可能性與4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)相連。

在整個(gè)定位過程中，重復(fù)以上步驟，直至定位結(jié)束或者網(wǎng)絡(luò)中的能量完全消耗。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述實(shí)施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。