无线传感网络中的目标跟踪技术
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
中 图 分 类 号 ： ＴＰ９２ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： １００９－ ６８６８ （２００８ ） ０１－ ００４８－ ０３
摘 要 ： 无 线 传 感 器 网 络 由 于 其 自 组 织 性 、鲁 棒 性 及 节 点 数 量 巨 大 的 特 点 ， 非 常 适 合 于 目 标 跟 踪 。无 线 传 感 器 网 络 目 标 跟 踪 大 体 分 为 单 目 标 跟 踪 与 面 目 标 跟 踪 。单 目 标 跟 踪 主 要 采 用 双 元 检 测 协 作 跟 踪 、信 息 驱 动 协 作 跟 踪 、传 送 树 跟 踪 算 法 等 方 法 。 面 目 标 跟 踪 采 用 对 偶 空 间 转 换 算 法 等 方 法 。 在 无 线 传 感 器 网 络 目 标 跟 踪 中 ， 跟 踪 精 度 、跟 踪 能 量消耗和跟踪可靠性是需要考虑的主要问题。 关键词： 无线传感器网络； 目标跟踪； 自组织 Ａｂ ｓ ｔｒａ ｃｔ ： Ｔｈｅ Ｗｉｒｅ ｌｅ ｓ ｓ Ｓｅ ｎｓ ｏｒ Ｎｅ ｔｗ ｏｒｋ （ＷＳＮ）， ｂｅ ｃａｕｓ ｅ ｏｆ ｉｔｓ ｓ ｅ ｌｆ－ ｏｒｇａｎｉｚｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅ ｒｉｓ ｔｉｃ ， ｒｏｂｕｓ ｔｎｅ ｓ ｓ ａｎｄ ｈｕｇｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ ｎｏｄｅ ｓ ， ｉｓ ｐｅ ｒｆｅ ｃｔｌｙ ｓ ｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔａｒｇｅ ｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ． Ｎｏｗ ， ｔｈｅ ｒｅ ａｒｅ ｔｗ ｏ ｍ ａｉｎ ａｓ ｐｅ ｃｔｓ ｏｆ ｔａｒｇｅ ｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ＷＳＮ — ｓ ｉｎｇｌｅ － ｔａｒｇｅ ｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ－ ｔａｒｇｅ ｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ． Ｃｏｏｐｅ ｒａｔｉｖｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｗ ｉｔｈ ｂｉｎａｒｙ－ ｄｅ ｔｅ ｃｔｉｏｎ ， ｉｎｆｏｒｍ ａｔｉｏｎ－ ｄｒｉｖｅ ｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ ， ａｎｄ ｄｙｎａｍ ｉｃ ｃｏｎｖｅ ｙ ｔｒｅ ｅ － ｂａｓ ｅ ｄ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ ａｒｅ ｄｅ ｓ ｉｇｎｅ ｄ ｆｏｒ ｓ ｉｎｇｌｅ － ｔａｒｇｅ ｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ． Ｄｕａｌ－ ｓ ｐａｃｅ ａｐｐｒｏａｃｈ ｉｓ ｆｏｒ ｍ ｕｌｔｉ－ ｔａｒｇｅ ｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ． Ｔｒａｃｋｉｎｇ ｐｒｅ ｃｉｓ ｉｏｎ ， ｒｅ ｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅ ｎｅ ｒｇｙ ｃｏｎｓ ｕｍ ｐｔｉｏｎ ａｒｅ ｔｈｅ ｍ ｏｓ ｔ ｉｍ ｐｏｒｔａｎｔ ｉｓ ｓ ｕｅ ｓ ｉｎ ｔｈｅ ＷＳＮ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｒｅ ｑｕｉｒｉｎｇ ｔｈｏｒｏｕｇｈ ｃｏｎｓ ｉｄｅ ｒａｔｉｏｎ ． Ｋｅ ｙ ｗ ｏ ｒｄ ｓ ： ｗ ｉｒｅ ｌｅ ｓ ｓ ｓ ｅ ｎｓ ｏｒ ｎｅ ｔｗ ｏｒｋｓ ； ｔａｒｇｅ ｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ； ｓ ｅ ｌｆ－ ｏｒｇａｎｉｚｉｎｇ
双元检测传感器不能检测到目 标的距离， 只能判断目标是否在侦测 范 围 内 。因 此 检 测 到 目 标 的 节 点 只 能 确定包含目标的圆形区域， 需要多个 节点协作才能确定目标的位置信息。 当目标进入侦测区域后， 在节点足够 密集的情况下， 任何时刻都有多个节 点 同 时 侦 测 到 目 标 的 位 置 区 域 。这 些 节点侦测范围的重叠区域是一个相 对较小的区域， 目标就处于这个重叠 区域内， 这样， 就能相对精确的确定 目标位置。
按照跟踪对象的数量不同， 无线 传感器网络的目标跟踪可以分为单
４８ 中兴通讯技术
２００８年２月 第１４卷 第１期 Ｆｅｂ． ２００８ Ｖｏｌ．１４ Ｎｏ．１
目 标 跟 踪 和 多 目 标 跟 踪 。单 目 标 跟 踪 是指无线传感器网络的多个或全部
节 点 协 作 跟 踪 同 一 个 目 标 。传 感 器 节 点交换侦测数据， 确定目标的位置和 运动轨迹， 预测目标的运动方向， 并 通过一定的唤醒机制使得目标运动 方 向 上 的 节 点 及 时 加 入 跟 踪 过 程 。单 目标跟踪是多目标跟踪的基础， 目前 无线传感器网络的目标跟踪研究主 要集中于单目标跟踪。
１ 单目标跟踪
１．１ 双元检测协作跟踪 双 元 检 测 目 标 跟 踪 ［２］中 传 感 器 只
有两种侦测状态： 目标处在传感器侦 测距离之内或目标处在传感器侦测 距离之外。图１给出了这种双元传感 器的模型， 其中实心点表示传感器节 点。对于节点的侦测距离Ｒ， 当目标 传 感 器 节 点 的 距 离 在 （Ｒ－ ｅ） 之 内 时 总会被检测到， 当目标距节点距离在 （Ｒ＋ ｅ）之 外 时 不 会 被 检 测 到 ， 当 目 标 距 节 点 距 离 在 （Ｒ－ ｅ）和 （Ｒ＋ ｅ）之 间 时 以 一 定 的 概 率 被 检 测 到 。通 常 情 况 下 ｅ＝ ０．１Ｒ 。
个节点处于活动状态， 负责存放当前 目标跟踪状态信息， 这个节点称为跟 踪节点。随着目标移动， 当前跟踪节 点负责唤醒并将现有的跟踪信息传 递 给 下 一 个 跟 踪 节 点 。目 标 进 入 传 感 器区域时， 离目标最近的节点ａ获得 目标位置的初始估计值， 并计算出下 一时刻节点ｂ进行跟踪能够保证侦测 数据的精度， 使自己到节点ｂ的通信 代价在规定的范围内， 则将获得的目 标 位 置 估 算 值 传 给 节 点 ｂ 。ｂ 使 用 相 同 的标准选择下一个跟踪节点ｃ， 这个 过程不断重复直到目标离开传感器 网 络 侦 测 区 域 。每 隔 一 段 时 间 节 点 就
将目标位置信息返回给汇聚节点。
１．３ 传送树跟踪算法 目前大多数传感器网络跟踪算
法都是集中式的， 跟踪信息需传送到 数 据 中 心 去 进 行 综 合 处 理 。基 于 传 送 树的跟踪算法是一种分布式算法， 节 点只在本地收集数据并通过局部节 点交换信息以完成目标跟踪。
传送树是一种由移动目标附近 的 节 点 组 成 的 动 态 树 型 结 构 ［４］， 并 且 会随着目标的移动动态地添加或者 删 除 一 些 节 点 。移 动 目 标 附 近 的 节 点 通过传送树结构进行协作跟踪， 在保 证对目标进行高效跟踪的同时减少 节点间的通信开销。
４ ９ 中兴通讯技术
Ｆｅｂ． ２００８ Ｖｏｌ．１４ Ｎｏ．１ ２００８年２月 第１４卷 第１期
研究论文 刘 博 ： 无 线 传 感 网 络 中 的 目 标 跟 踪 技 术 ＺＴＥ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ
为了节省传感器节点的能量， 传 感器网络采用网格状的分簇结构， 如 图４所 示 。 簇 内 节 点 周 期 性 地 担 任 簇 头 节 点 。当 该 网 络 没 有 侦 测 事 件 发 生 时， 只有簇头节点处于工作状态， 普 通 节 点 则 处 于 休 眠 状 态 。当 移 动 目 标 进入网格时， 簇头节点负责唤醒单元 格中的其他节点。
研究论文 刘 博 ： 无 线 传 感 网 络 中 的 目 标 跟 踪 技 术
ＺＴＥ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ
▲图２ 信息驱动的协作跟踪示意图
点跟踪数据的融合能够有效的提高 跟 踪 精 度 。通 过 选 择 合 适 的 节 点 进 行 协作能降低节点间的数据通信量， 从 而节省节点能量和通信带宽。
基于双元检测的协作跟踪适用 于简单低廉的传感器节点， 并通过大 量 密 集 部 署 节 点 保 证 跟 踪 精 度 。基 于 双元检测的协作跟踪需要节点间的 时钟同步， 并要求节点知道自身的位 置信息。
１．２ 信息驱动协作跟踪 对 移 动 目 标 的 侦 测 、分 类 、跟 踪
通 常 需 要 传 感 器 节 点 进 行 协 作 。对 节
在无 线 传 感 器 网 络 的 许 多 实 际 应 用中， 跟踪运动目标是一项基 本 功 能 。 由 于 传 感 器 节 点 体 积 小 、价 格 低 廉 、采 用 无 线 通 信 方 式 ， 以 及 传 感器网络部署随机， 具有自组织性、 鲁棒性和隐藏性等特点， 无线传感器 网络非常适合于移动目标的定位和 跟 踪 ［１］。 例 如 在 战 场 上 及 时 跟 踪 敌 方 的车辆的行进路线和兵力的调动情 况， 将获取的战场信息及时发送回我 方指挥中心。
２ 面 目 标 跟 踪 算 法— —— 对偶空间转换跟踪算法
传感器网络跟踪中， 很多情况下 需要跟踪面积较大的目标， 例如森林
５０ 中兴通讯技术
２００８年２月 第１４卷 第１期 Ｆｅｂ． ２００８ Ｖｏｌ．１４ Ｎｏ．１
火灾中火灾边缘的推进轨迹， 台风的 行 进 路 线 等 。仅 通 过 局 部 节 点 的 协 作 无法侦测到完整的目标移动轨迹， 为 此有些学者提出使用对偶空间转换 方法决定由哪些节点参与跟踪， 以保 证对目标移动轨迹的完整侦测。
图３表示通过传送树进行目标跟 踪 的 过 程 。如 图 ３（ａ）所 示 ， 目 标 进 入 侦 测区域时， 在探测到目标的传感器节 点中选举一个根节点， 并构造出初始 传 送 树 ， 如 图 ３ （ａ）中 蓝 色 实 线 圈 中 的 节 点 。传 送 树 上 每 个 节 点 周 期 性 发 出 侦测信息， 并传送到根节点。根节点 收集传送树上所有节点的侦测报告， 进行数据融合处理， 并将处理结果发 送到汇聚节点。随着目标的移动， 传 送树删除那些距离目标越来越远的 节 点 ， 如 图 ３ （ｂ）中 红 色 实 线 圈 外 虚 线 圈内的节点， 并且唤醒目标移动方向 上 的 节 点 将 其 加 入 传 送 树 。当 目 标 与 根节点的距离超过一定阈值时， 需要 重新选举根节点并重新构造传送树， 如 图 ３（ｂ）中 红 色 实 线 圈 中 节 点 。
个一一映射关系， 如图５所示。 假设将面积较大的目标看成一
个半平面， 则它的边界就是一条直线 Ｌ： ｙ＝ αｘ＋ β 。对 偶 空 间 变 换 就 是 将 每 个 传 感 器 节 点 Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４ 映 射 为 对 偶 空 间 中 的 一 条 直 线 ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４， 将目标的边界映射为对偶空间中的 一 个 点 ｌ（－ α， β）。 这 样 ， 在 初 始 空 间 中无规律分布的传感器节点在对偶 空间中便成为许多相交的直线， 并将 对偶空间划分为众多子区域， 而跟踪 目标的边界映射到对偶空间中是一 个点， 并处于某个子区域中， 如图６所 示 。这 个 子 区 域 对 应 的 几 条 相 交 直 线 就是离目标最近的传感器节点， 再通 过到初始空间的逆变换确定此时需 要的跟踪节点。
初 始 二 维 空 间 的 直 线 ｙ＝αｘ＋β ， 它由α和β两个参数唯一确定， 其中 α表示斜率， β表示截距。定义这条 直线的两个参数在初始空间的对偶 空 间 中 用 点 （－ α ， β）表 示 。 同 样 地 ， 初 始 空 间 中 的 点 （ａ ， ｂ）定 义 了 对 偶 空 间 中 的 一 条 直 线 Φ＝ ａ θ＋ ｂ 。这 是 一
信 息 驱 动 协 作 跟 踪 ［３］的 核 心 思 想 就是传感器节点利用自己侦测到的 信息和接收到的其他节点的侦测信 息判断目标可能的运动轨迹， 唤醒合 适的传感器节点在下一时刻参与跟 踪活动。由于使用了合适的预测机 制， 信息驱动的协作跟踪能够有效地 减少节点间的通信量， 从而节省节点 有限的能量资源和通信资源。
图２表 示 了 一 个 信 息 驱 动 的 协 作 跟踪实例。网络中包含 两类传感器节点， 分别 装有角度传感器和距离 传 感 器Baidu Nhomakorabea。图 ２ 中 的 粗 箭 头 表示目标穿过传感器网 络的轨迹， 圆形区域为 传感器节点的侦测范 围， 用户通过汇聚节点 （如 图 ２ 中 节 点 Ｑ）查 询 目 标跟踪信息， 要求传感 器网络每隔一段时间报 告一次位置。传感器网 络中任何时刻至少有一
研究论文 刘 博 ： 无 线 传 感 网 络 中 的 目 标 跟 踪 技 术 ＺＴＥ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ
无线传感网络中的目标跟踪技术
Ｔａｒｇｅｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ
刘 博／ＬＩＵ Ｂｏ
（ 南 京 邮 电 大 学 通 信 与 信 息 工 程 学 院 ， 江 苏 南 京 ２１０００３ ） （ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓ ｉｔｙ ｏｆ Ｐ ｏｓ ｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００３ ， Ｃｈｉｎａ ）
摘 要 ： 无 线 传 感 器 网 络 由 于 其 自 组 织 性 、鲁 棒 性 及 节 点 数 量 巨 大 的 特 点 ， 非 常 适 合 于 目 标 跟 踪 。无 线 传 感 器 网 络 目 标 跟 踪 大 体 分 为 单 目 标 跟 踪 与 面 目 标 跟 踪 。单 目 标 跟 踪 主 要 采 用 双 元 检 测 协 作 跟 踪 、信 息 驱 动 协 作 跟 踪 、传 送 树 跟 踪 算 法 等 方 法 。 面 目 标 跟 踪 采 用 对 偶 空 间 转 换 算 法 等 方 法 。 在 无 线 传 感 器 网 络 目 标 跟 踪 中 ， 跟 踪 精 度 、跟 踪 能 量消耗和跟踪可靠性是需要考虑的主要问题。 关键词： 无线传感器网络； 目标跟踪； 自组织 Ａｂ ｓ ｔｒａ ｃｔ ： Ｔｈｅ Ｗｉｒｅ ｌｅ ｓ ｓ Ｓｅ ｎｓ ｏｒ Ｎｅ ｔｗ ｏｒｋ （ＷＳＮ）， ｂｅ ｃａｕｓ ｅ ｏｆ ｉｔｓ ｓ ｅ ｌｆ－ ｏｒｇａｎｉｚｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅ ｒｉｓ ｔｉｃ ， ｒｏｂｕｓ ｔｎｅ ｓ ｓ ａｎｄ ｈｕｇｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ ｎｏｄｅ ｓ ， ｉｓ ｐｅ ｒｆｅ ｃｔｌｙ ｓ ｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔａｒｇｅ ｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ． Ｎｏｗ ， ｔｈｅ ｒｅ ａｒｅ ｔｗ ｏ ｍ ａｉｎ ａｓ ｐｅ ｃｔｓ ｏｆ ｔａｒｇｅ ｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ＷＳＮ — ｓ ｉｎｇｌｅ － ｔａｒｇｅ ｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ－ ｔａｒｇｅ ｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ． Ｃｏｏｐｅ ｒａｔｉｖｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｗ ｉｔｈ ｂｉｎａｒｙ－ ｄｅ ｔｅ ｃｔｉｏｎ ， ｉｎｆｏｒｍ ａｔｉｏｎ－ ｄｒｉｖｅ ｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ ， ａｎｄ ｄｙｎａｍ ｉｃ ｃｏｎｖｅ ｙ ｔｒｅ ｅ － ｂａｓ ｅ ｄ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ ａｒｅ ｄｅ ｓ ｉｇｎｅ ｄ ｆｏｒ ｓ ｉｎｇｌｅ － ｔａｒｇｅ ｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ． Ｄｕａｌ－ ｓ ｐａｃｅ ａｐｐｒｏａｃｈ ｉｓ ｆｏｒ ｍ ｕｌｔｉ－ ｔａｒｇｅ ｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ． Ｔｒａｃｋｉｎｇ ｐｒｅ ｃｉｓ ｉｏｎ ， ｒｅ ｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅ ｎｅ ｒｇｙ ｃｏｎｓ ｕｍ ｐｔｉｏｎ ａｒｅ ｔｈｅ ｍ ｏｓ ｔ ｉｍ ｐｏｒｔａｎｔ ｉｓ ｓ ｕｅ ｓ ｉｎ ｔｈｅ ＷＳＮ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｒｅ ｑｕｉｒｉｎｇ ｔｈｏｒｏｕｇｈ ｃｏｎｓ ｉｄｅ ｒａｔｉｏｎ ． Ｋｅ ｙ ｗ ｏ ｒｄ ｓ ： ｗ ｉｒｅ ｌｅ ｓ ｓ ｓ ｅ ｎｓ ｏｒ ｎｅ ｔｗ ｏｒｋｓ ； ｔａｒｇｅ ｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ； ｓ ｅ ｌｆ－ ｏｒｇａｎｉｚｉｎｇ
双元检测传感器不能检测到目 标的距离， 只能判断目标是否在侦测 范 围 内 。因 此 检 测 到 目 标 的 节 点 只 能 确定包含目标的圆形区域， 需要多个 节点协作才能确定目标的位置信息。 当目标进入侦测区域后， 在节点足够 密集的情况下， 任何时刻都有多个节 点 同 时 侦 测 到 目 标 的 位 置 区 域 。这 些 节点侦测范围的重叠区域是一个相 对较小的区域， 目标就处于这个重叠 区域内， 这样， 就能相对精确的确定 目标位置。
按照跟踪对象的数量不同， 无线 传感器网络的目标跟踪可以分为单
４８ 中兴通讯技术
２００８年２月 第１４卷 第１期 Ｆｅｂ． ２００８ Ｖｏｌ．１４ Ｎｏ．１
目 标 跟 踪 和 多 目 标 跟 踪 。单 目 标 跟 踪 是指无线传感器网络的多个或全部
节 点 协 作 跟 踪 同 一 个 目 标 。传 感 器 节 点交换侦测数据， 确定目标的位置和 运动轨迹， 预测目标的运动方向， 并 通过一定的唤醒机制使得目标运动 方 向 上 的 节 点 及 时 加 入 跟 踪 过 程 。单 目标跟踪是多目标跟踪的基础， 目前 无线传感器网络的目标跟踪研究主 要集中于单目标跟踪。
１ 单目标跟踪
１．１ 双元检测协作跟踪 双 元 检 测 目 标 跟 踪 ［２］中 传 感 器 只
有两种侦测状态： 目标处在传感器侦 测距离之内或目标处在传感器侦测 距离之外。图１给出了这种双元传感 器的模型， 其中实心点表示传感器节 点。对于节点的侦测距离Ｒ， 当目标 传 感 器 节 点 的 距 离 在 （Ｒ－ ｅ） 之 内 时 总会被检测到， 当目标距节点距离在 （Ｒ＋ ｅ）之 外 时 不 会 被 检 测 到 ， 当 目 标 距 节 点 距 离 在 （Ｒ－ ｅ）和 （Ｒ＋ ｅ）之 间 时 以 一 定 的 概 率 被 检 测 到 。通 常 情 况 下 ｅ＝ ０．１Ｒ 。
个节点处于活动状态， 负责存放当前 目标跟踪状态信息， 这个节点称为跟 踪节点。随着目标移动， 当前跟踪节 点负责唤醒并将现有的跟踪信息传 递 给 下 一 个 跟 踪 节 点 。目 标 进 入 传 感 器区域时， 离目标最近的节点ａ获得 目标位置的初始估计值， 并计算出下 一时刻节点ｂ进行跟踪能够保证侦测 数据的精度， 使自己到节点ｂ的通信 代价在规定的范围内， 则将获得的目 标 位 置 估 算 值 传 给 节 点 ｂ 。ｂ 使 用 相 同 的标准选择下一个跟踪节点ｃ， 这个 过程不断重复直到目标离开传感器 网 络 侦 测 区 域 。每 隔 一 段 时 间 节 点 就
将目标位置信息返回给汇聚节点。
１．３ 传送树跟踪算法 目前大多数传感器网络跟踪算
法都是集中式的， 跟踪信息需传送到 数 据 中 心 去 进 行 综 合 处 理 。基 于 传 送 树的跟踪算法是一种分布式算法， 节 点只在本地收集数据并通过局部节 点交换信息以完成目标跟踪。
传送树是一种由移动目标附近 的 节 点 组 成 的 动 态 树 型 结 构 ［４］， 并 且 会随着目标的移动动态地添加或者 删 除 一 些 节 点 。移 动 目 标 附 近 的 节 点 通过传送树结构进行协作跟踪， 在保 证对目标进行高效跟踪的同时减少 节点间的通信开销。
４ ９ 中兴通讯技术
Ｆｅｂ． ２００８ Ｖｏｌ．１４ Ｎｏ．１ ２００８年２月 第１４卷 第１期
研究论文 刘 博 ： 无 线 传 感 网 络 中 的 目 标 跟 踪 技 术 ＺＴＥ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ
为了节省传感器节点的能量， 传 感器网络采用网格状的分簇结构， 如 图４所 示 。 簇 内 节 点 周 期 性 地 担 任 簇 头 节 点 。当 该 网 络 没 有 侦 测 事 件 发 生 时， 只有簇头节点处于工作状态， 普 通 节 点 则 处 于 休 眠 状 态 。当 移 动 目 标 进入网格时， 簇头节点负责唤醒单元 格中的其他节点。
研究论文 刘 博 ： 无 线 传 感 网 络 中 的 目 标 跟 踪 技 术
ＺＴＥ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ
▲图２ 信息驱动的协作跟踪示意图
点跟踪数据的融合能够有效的提高 跟 踪 精 度 。通 过 选 择 合 适 的 节 点 进 行 协作能降低节点间的数据通信量， 从 而节省节点能量和通信带宽。
基于双元检测的协作跟踪适用 于简单低廉的传感器节点， 并通过大 量 密 集 部 署 节 点 保 证 跟 踪 精 度 。基 于 双元检测的协作跟踪需要节点间的 时钟同步， 并要求节点知道自身的位 置信息。
１．２ 信息驱动协作跟踪 对 移 动 目 标 的 侦 测 、分 类 、跟 踪
通 常 需 要 传 感 器 节 点 进 行 协 作 。对 节
在无 线 传 感 器 网 络 的 许 多 实 际 应 用中， 跟踪运动目标是一项基 本 功 能 。 由 于 传 感 器 节 点 体 积 小 、价 格 低 廉 、采 用 无 线 通 信 方 式 ， 以 及 传 感器网络部署随机， 具有自组织性、 鲁棒性和隐藏性等特点， 无线传感器 网络非常适合于移动目标的定位和 跟 踪 ［１］。 例 如 在 战 场 上 及 时 跟 踪 敌 方 的车辆的行进路线和兵力的调动情 况， 将获取的战场信息及时发送回我 方指挥中心。
２ 面 目 标 跟 踪 算 法— —— 对偶空间转换跟踪算法
传感器网络跟踪中， 很多情况下 需要跟踪面积较大的目标， 例如森林
５０ 中兴通讯技术
２００８年２月 第１４卷 第１期 Ｆｅｂ． ２００８ Ｖｏｌ．１４ Ｎｏ．１
火灾中火灾边缘的推进轨迹， 台风的 行 进 路 线 等 。仅 通 过 局 部 节 点 的 协 作 无法侦测到完整的目标移动轨迹， 为 此有些学者提出使用对偶空间转换 方法决定由哪些节点参与跟踪， 以保 证对目标移动轨迹的完整侦测。
图３表示通过传送树进行目标跟 踪 的 过 程 。如 图 ３（ａ）所 示 ， 目 标 进 入 侦 测区域时， 在探测到目标的传感器节 点中选举一个根节点， 并构造出初始 传 送 树 ， 如 图 ３ （ａ）中 蓝 色 实 线 圈 中 的 节 点 。传 送 树 上 每 个 节 点 周 期 性 发 出 侦测信息， 并传送到根节点。根节点 收集传送树上所有节点的侦测报告， 进行数据融合处理， 并将处理结果发 送到汇聚节点。随着目标的移动， 传 送树删除那些距离目标越来越远的 节 点 ， 如 图 ３ （ｂ）中 红 色 实 线 圈 外 虚 线 圈内的节点， 并且唤醒目标移动方向 上 的 节 点 将 其 加 入 传 送 树 。当 目 标 与 根节点的距离超过一定阈值时， 需要 重新选举根节点并重新构造传送树， 如 图 ３（ｂ）中 红 色 实 线 圈 中 节 点 。
个一一映射关系， 如图５所示。 假设将面积较大的目标看成一
个半平面， 则它的边界就是一条直线 Ｌ： ｙ＝ αｘ＋ β 。对 偶 空 间 变 换 就 是 将 每 个 传 感 器 节 点 Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４ 映 射 为 对 偶 空 间 中 的 一 条 直 线 ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４， 将目标的边界映射为对偶空间中的 一 个 点 ｌ（－ α， β）。 这 样 ， 在 初 始 空 间 中无规律分布的传感器节点在对偶 空间中便成为许多相交的直线， 并将 对偶空间划分为众多子区域， 而跟踪 目标的边界映射到对偶空间中是一 个点， 并处于某个子区域中， 如图６所 示 。这 个 子 区 域 对 应 的 几 条 相 交 直 线 就是离目标最近的传感器节点， 再通 过到初始空间的逆变换确定此时需 要的跟踪节点。
初 始 二 维 空 间 的 直 线 ｙ＝αｘ＋β ， 它由α和β两个参数唯一确定， 其中 α表示斜率， β表示截距。定义这条 直线的两个参数在初始空间的对偶 空 间 中 用 点 （－ α ， β）表 示 。 同 样 地 ， 初 始 空 间 中 的 点 （ａ ， ｂ）定 义 了 对 偶 空 间 中 的 一 条 直 线 Φ＝ ａ θ＋ ｂ 。这 是 一
信 息 驱 动 协 作 跟 踪 ［３］的 核 心 思 想 就是传感器节点利用自己侦测到的 信息和接收到的其他节点的侦测信 息判断目标可能的运动轨迹， 唤醒合 适的传感器节点在下一时刻参与跟 踪活动。由于使用了合适的预测机 制， 信息驱动的协作跟踪能够有效地 减少节点间的通信量， 从而节省节点 有限的能量资源和通信资源。
图２表 示 了 一 个 信 息 驱 动 的 协 作 跟踪实例。网络中包含 两类传感器节点， 分别 装有角度传感器和距离 传 感 器Baidu Nhomakorabea。图 ２ 中 的 粗 箭 头 表示目标穿过传感器网 络的轨迹， 圆形区域为 传感器节点的侦测范 围， 用户通过汇聚节点 （如 图 ２ 中 节 点 Ｑ）查 询 目 标跟踪信息， 要求传感 器网络每隔一段时间报 告一次位置。传感器网 络中任何时刻至少有一
研究论文 刘 博 ： 无 线 传 感 网 络 中 的 目 标 跟 踪 技 术 ＺＴＥ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ
无线传感网络中的目标跟踪技术
Ｔａｒｇｅｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ
刘 博／ＬＩＵ Ｂｏ
（ 南 京 邮 电 大 学 通 信 与 信 息 工 程 学 院 ， 江 苏 南 京 ２１０００３ ） （ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓ ｉｔｙ ｏｆ Ｐ ｏｓ ｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００３ ， Ｃｈｉｎａ ）