無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋連通性研究

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1、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋連通性研究上海無(wú)線(xiàn)龍通訊科技有限公司???作者：黃曉程宏兵楊庚???摘要：針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域由于通信障礙和其他一些因素產(chǎn)生的某些節(jié)點(diǎn)無(wú)法與網(wǎng)絡(luò)通信的情況，給出了一種使用節(jié)點(diǎn)代理解決監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信不可達(dá)的方案，并基于一般意義的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型提出了一種探測(cè)覆蓋區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)連通性的算法，即基于深度探測(cè)的節(jié)點(diǎn)覆蓋連通性判定算法DBDAFNCJ。節(jié)點(diǎn)連通性分析和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)代理方案可以很好改善節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信不可達(dá)的情況，同時(shí)表明DBDAFNCJ算法可以高效、準(zhǔn)確地獲悉部署區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)連通

2、性的情況。???1引言???集成傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN,wirelesssensornetworks）是當(dāng)前信息技術(shù)的前沿之一，也是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)，受到了廣泛的關(guān)注。目前，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸成為一種廉價(jià)、方便的信息采集方法，尤其是在敵對(duì)和惡劣的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境下，傳統(tǒng)的方法代價(jià)高昂而幾乎無(wú)法使用。如文獻(xiàn)[1~3]中的戰(zhàn)場(chǎng)生存性應(yīng)用、一些安全相關(guān)的應(yīng)用以及災(zāi)難管理等應(yīng)用，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)都顯示了巨大的應(yīng)用價(jià)值。在上述應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)往往是隨機(jī)地部署在監(jiān)

3、測(cè)區(qū)域，一直工作到能量耗盡為止。???無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)部署之后，傳感器節(jié)點(diǎn)采集現(xiàn)實(shí)生活中諸如熱、光或者某個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)象的相關(guān)物理信息，對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)，都通過(guò)自身的傳感電路感知監(jiān)測(cè)對(duì)象的相關(guān)信息，獲取原始數(shù)據(jù)，然后通過(guò)一類(lèi)稱(chēng)為基站的特殊節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)相應(yīng)處理并傳送到外界的控制中心。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，基站的能量和處理能力都較普通節(jié)點(diǎn)強(qiáng)，基站在網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)基本部署在其他傳感器節(jié)點(diǎn)的附近，其功能是在傳感數(shù)據(jù)傳送到外界控制中心之前對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，如通過(guò)數(shù)據(jù)匯聚和融合，基站過(guò)濾掉原始傳感數(shù)據(jù)中一些錯(cuò)誤和無(wú)效的數(shù)據(jù)，并消除冗余數(shù)據(jù)，同

4、時(shí)，基站也會(huì)定期對(duì)傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理。在文獻(xiàn)[4]的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，經(jīng)過(guò)基站融合后的傳感數(shù)據(jù)可以有效地用來(lái)追蹤和識(shí)別監(jiān)測(cè)目標(biāo)；在一些災(zāi)難急救的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，融合后的傳感數(shù)據(jù)可以有效地預(yù)測(cè)幸存者的健康狀況以及遇難者的準(zhǔn)確位置信息等。???傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署之后，如何保證網(wǎng)絡(luò)的連通性一直是研究界非常關(guān)注的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究界提出了一些相關(guān)的算法和協(xié)議，比較有代表性的有：文獻(xiàn)[5]集中討論了傳感器感知模型非圓時(shí)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和連通性之間的關(guān)系；文獻(xiàn)[6,7]針對(duì)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命問(wèn)題，研究了如何在部署的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中選擇足夠的節(jié)點(diǎn)以

5、構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的覆蓋連通集；文獻(xiàn)[8]討論了在對(duì)部署節(jié)點(diǎn)位置信息未知的情況下，如何能有效地保證網(wǎng)絡(luò)連通性覆蓋的問(wèn)題；在文獻(xiàn)[9]中，詳細(xì)研究了不同情況下的傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋連通性的分析方法；文獻(xiàn)[10]給出了一種改進(jìn)的傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋優(yōu)化方法。???針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋連通性問(wèn)題，本文將在第2節(jié)討論無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋連通性理論及網(wǎng)絡(luò)模型。第3節(jié)采用了一種節(jié)點(diǎn)代理基站來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)中不可達(dá)節(jié)點(diǎn)的連通性方案。第4節(jié)將給出在第2節(jié)中所給模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋連通性判定的算法。第5節(jié)對(duì)提出的基站代理方案和節(jié)點(diǎn)連通性判定算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。第6節(jié)是

6、結(jié)束語(yǔ)。???2網(wǎng)絡(luò)覆蓋連通性理論及網(wǎng)絡(luò)模型???傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連通性的要求與adhoc網(wǎng)絡(luò)大致一致：1)信息必須有一條或足夠多的路徑從信息源轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)(基站)；2)信息在轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中延遲盡量小。信息的轉(zhuǎn)發(fā)路徑越多，系統(tǒng)越可靠，但由于需要多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)同時(shí)處于工作狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)能耗增加，系統(tǒng)壽命降低。無(wú)線(xiàn)發(fā)射器件的能耗隨著收發(fā)距離長(zhǎng)度的變大呈指數(shù)增長(zhǎng)，采用多跳方式信息轉(zhuǎn)發(fā)代替點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，可以節(jié)約大量的能量。但過(guò)多的跳數(shù)會(huì)增加信息接收轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，同樣會(huì)帶來(lái)額外的能耗。因此，將上述2個(gè)矛盾的因素折衷，適當(dāng)控制轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)是降

7、低能耗的關(guān)鍵。???通常，理想狀態(tài)下具有節(jié)點(diǎn)連通性?xún)?yōu)化作用的密度控制所要解決的核心問(wèn)題同覆蓋優(yōu)化類(lèi)似，但節(jié)點(diǎn)的約束條件更多。將所有傳感節(jié)點(diǎn)組成的集合分為｛h1,h2,…,hm｝等m個(gè)子集，即，設(shè)hi為組成主干連接網(wǎng)絡(luò)的傳感節(jié)點(diǎn)的一個(gè)集合，si是傳感器節(jié)點(diǎn)。每個(gè)處于傳感狀態(tài)的非主干節(jié)點(diǎn)能夠與至少一個(gè)主干節(jié)點(diǎn)通信，主干節(jié)點(diǎn)之間必須有一條且至少一條直接或間接的路徑實(shí)現(xiàn)二者相連。???基于上述理論，給出一個(gè)一般意義上的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，描述如下。???設(shè)N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地部署在某一區(qū)域，節(jié)點(diǎn)擁有有限的電池能量和數(shù)據(jù)處理能力

8、，在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是按照外界控制中心的需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)的工作，基站部署在其他傳感器節(jié)點(diǎn)附近。假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)和基站都處于靜止?fàn)顟B(tài)，且基站可以獲悉其他節(jié)點(diǎn)的位置信息?；静捎梦墨I(xiàn)[11,12]中的beacons信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)階段發(fā)現(xiàn)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)，基站負(fù)責(zé)組織協(xié)調(diào)傳感器節(jié)點(diǎn)采集相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，匯聚融合原始傳感數(shù)據(jù)并與外界控制中心進(jìn)行聯(lián)系，最