對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知能力動(dòng)態(tài)調(diào)整算法研究論文
摘 要：為了增強(qiáng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)質(zhì)量和提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，通常將傳感器節(jié)點(diǎn)大規(guī)模、高密度地部署在感興趣的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，這就導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中大量節(jié)點(diǎn)的覆蓋區(qū)域相互交迭。這種覆蓋冗余會(huì)直接導(dǎo)致采集、傳輸數(shù)據(jù)的冗余以及信道的干擾，從而導(dǎo)致不必要的能量消耗，提出了一種傳感半徑的動(dòng)態(tài)調(diào)整算法，在保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋性的前提下，通過對(duì)節(jié)點(diǎn)傳感半徑的調(diào)整，來降低網(wǎng)絡(luò)的覆蓋冗余，從而大大減少冗余數(shù)據(jù)采集和傳輸所造成的能量浪費(fèi)和網(wǎng)絡(luò)沖突。仿真結(jié)果證明算法取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞：傳感半徑；覆蓋冗余；動(dòng)態(tài)調(diào)整
1 引言
1.1 網(wǎng)絡(luò)模型
假設(shè)個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在一個(gè)的二維正方形區(qū)域內(nèi)，并假設(shè)該傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下性質(zhì)：
* 節(jié)點(diǎn)同構(gòu)，各節(jié)點(diǎn)具有相同的計(jì)算、通信能力和初始能量水平，且節(jié)點(diǎn)能量不能再補(bǔ)充。其中Sink節(jié)點(diǎn)例外，它的計(jì)算、通信能力和能量不受限制；
* 節(jié)點(diǎn)間的通信是相互的。節(jié)點(diǎn)A能夠與B通信，則B也可以與A通信；
* 節(jié)點(diǎn)具有相同的最大感知范圍，且感知范圍能夠自調(diào)整；
* 節(jié)點(diǎn)能獲知其位置信息。感知節(jié)點(diǎn)可以利用定位算法或 GPS方式獲知自己所在的位置；
1.2 感知模型
采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中常用的二元感知模型(Binary sensing model)即在二維平面上，傳感器節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍是一個(gè)以節(jié)點(diǎn)為圓心，半徑為的圓形區(qū)域稱為傳感器節(jié)點(diǎn)的“感知圓盤(Sensing Disk)”。稱為傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感半徑，假設(shè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為。在二元感知模型中，對(duì)于平面上任意一點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到點(diǎn)處發(fā)生的事件的概率為
2 傳感器感知能力動(dòng)態(tài)調(diào)整算法
2.1 算法相關(guān)定理
節(jié)點(diǎn)集，若區(qū)域內(nèi)的任一點(diǎn)都不能被內(nèi)的節(jié)點(diǎn)所感知到，則這樣的區(qū)域稱為的覆蓋盲區(qū)。可以注意到，覆蓋盲區(qū)有兩種類型閉合型與開放型，若組成開放型盲區(qū)區(qū)域的圓弧之間有交點(diǎn)，則交點(diǎn)也稱為盲區(qū)頂點(diǎn)。
若一個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知圓的某段圓弧被其任何一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的感知圓包含，則稱這段圓弧為約束圓弧，否則稱為自由圓弧。
【定理1】有一圓心為半徑為的圓和頂點(diǎn)為的凹曲邊形，設(shè)為到的最大距離，即，若滿足，則圓必覆蓋該凹曲邊形區(qū)域。
證明：欲證圓覆蓋凹曲邊形，只需證明圓覆蓋順次連接的相鄰頂點(diǎn)所形成的n多邊形。設(shè)點(diǎn)為n多邊形內(nèi)的任意一點(diǎn)，連接并延長(zhǎng)則必交的一邊于點(diǎn),記該條邊為，如下圖所示。在內(nèi)易知，又因所以，因此，從而凹曲邊形內(nèi)任意一點(diǎn)到圓心的距離均不大于圓半徑，即該圓覆蓋凹曲邊形，定理得證。
【定理2】若有盲區(qū)區(qū)域均是傳感器節(jié)點(diǎn)的鄰居集的閉合型覆蓋盲區(qū)，其頂點(diǎn)分別為，，，， 且是的感知圓內(nèi)的所有閉合型盲區(qū)，節(jié)點(diǎn)的傳感半徑等于其最大傳感半徑，為節(jié)點(diǎn)到，，，的最大距離。如果的感知圓不存在自由圓弧，則的傳感半徑在由調(diào)整為的過程中不會(huì)產(chǎn)生集合的覆蓋盲區(qū)。
證明：因的感知圓不存在自由圓弧，易知在的感知圓內(nèi)必不存在的鄰居集的開放型覆蓋盲區(qū)區(qū)域部分，則的感知圓內(nèi)僅存在閉合型盲區(qū)區(qū)域，由定義4可知均為凹曲邊形。又由定理1可知，當(dāng)時(shí)的感知圓覆蓋，又因故當(dāng)時(shí)必覆蓋，即在的傳感半徑在由改變?yōu)榈倪^程中不會(huì)產(chǎn)生的覆蓋盲區(qū)。定理得證。
2.2 傳感器感知能力動(dòng)態(tài)調(diào)整算法描述
(一)算法思想概述
節(jié)點(diǎn)首先根據(jù)鄰居信息判斷其感知圓是否具有自由圓弧，若具有自由圓弧，則傳感半徑保持不變，仍為最大傳感半徑，以盡可能多的覆蓋其鄰居集的覆蓋盲區(qū)區(qū)域。若不存在自由圓弧，則計(jì)算節(jié)點(diǎn)所有鄰居節(jié)點(diǎn)感知圓在該節(jié)點(diǎn)感知圓內(nèi)彼此兩兩相交所構(gòu)成的交點(diǎn)的集合，將集合中交點(diǎn)的被覆蓋次數(shù)判斷盲區(qū)頂點(diǎn)和普通交點(diǎn)，若不存在盲區(qū)頂點(diǎn)，則鄰居節(jié)點(diǎn)能夠完全覆蓋感知區(qū)域，此時(shí)，傳感半徑可以調(diào)整為零，否則說明感知圓內(nèi)包含有鄰居集的閉合型盲區(qū),可根據(jù)定理2對(duì)傳感半徑進(jìn)行調(diào)整。
(二)算法步驟
具體算法步驟如下：
1) 首先查詢鄰居節(jié)點(diǎn)集NBS的信息，獲得所有鄰居節(jié)點(diǎn)的圓心坐標(biāo)、當(dāng)前傳感半徑等。
2) 檢查鄰居節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)NBS.count 是否小于1，若是則轉(zhuǎn)步驟7，否則轉(zhuǎn)3。
3) 依照判斷是否存在自由圓弧的算法判斷該節(jié)點(diǎn)的感知圓是否存在自由圓弧，若存在則轉(zhuǎn)到步驟7，否則轉(zhuǎn)到4。
4) 計(jì)算所有鄰居節(jié)點(diǎn)的感知圓在本圓內(nèi)的交點(diǎn)，若不存在交點(diǎn)，即轉(zhuǎn)到步驟6；否則，轉(zhuǎn)到5。
5) 從第4步中獲取的交點(diǎn)集合中按查找本圓內(nèi)盲區(qū)頂點(diǎn)集合HolePointsList，若不存在，則轉(zhuǎn)步驟6；若存在，則找出離該節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)的點(diǎn)到該點(diǎn)的距離d，傳感半徑調(diào)整為，轉(zhuǎn)步驟7；其中為誤差控制參數(shù)，以免去因誤差導(dǎo)致的覆蓋盲區(qū)。
6) 將節(jié)點(diǎn)傳感半徑調(diào)整為零。因此時(shí)節(jié)點(diǎn)的感知范圍區(qū)域已被鄰居所覆蓋。
7) 算法結(jié)束。
2.3 鄰居集的選取
在傳感器感知能力動(dòng)態(tài)調(diào)整算法中定義傳感器節(jié)點(diǎn)A的鄰居節(jié)點(diǎn)集為，其中為B到A的距離，為A的最大傳感半徑，為鄰居范圍控制因子。在進(jìn)行傳感半徑調(diào)整時(shí)，要保證算法中節(jié)點(diǎn)的鄰居的感知圓和本節(jié)點(diǎn)的感知圓是非相離關(guān)系，因?yàn)橄嚯x關(guān)系的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)不會(huì)相互影響到對(duì)方的覆蓋范圍，則只需保證其鄰居到該節(jié)點(diǎn)的距離不大于該節(jié)點(diǎn)2倍最大傳感半徑，即的取值應(yīng)滿足下式：
當(dāng)時(shí)，這時(shí)節(jié)點(diǎn)在傳感器感知能力動(dòng)態(tài)調(diào)整算法中考慮到了所有能對(duì)自己的最大覆蓋范圍能造成影響的節(jié)點(diǎn)，傳感器感知能力動(dòng)態(tài)調(diào)整算法可以充分利用鄰居的信息，調(diào)整能得到最佳的效果。
當(dāng)時(shí)，此時(shí)，部分節(jié)點(diǎn)的感知區(qū)域可以覆蓋該節(jié)點(diǎn)感知區(qū)域的一部分，因?yàn)檫@部分節(jié)點(diǎn)不包含在該節(jié)點(diǎn)的鄰居集內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)感知區(qū)域內(nèi)實(shí)際上不存在盲區(qū)，但是節(jié)點(diǎn)會(huì)誤認(rèn)為其感知圓內(nèi)存在盲區(qū)，傳感半徑調(diào)整后出現(xiàn)部分監(jiān)測(cè)區(qū)域的重復(fù)覆蓋現(xiàn)象，這時(shí)的調(diào)整效果不及。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)時(shí)的調(diào)整效果最好，時(shí)的效果最差，產(chǎn)生大量不必要的冗余覆蓋。
3 仿真與分析
為了檢驗(yàn)傳感器感知能力動(dòng)態(tài)調(diào)整算法的有效性，論文主要從調(diào)整效果、能量消耗和覆蓋冗余度三個(gè)方面對(duì)算法進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)和分析。首先對(duì)本文所用仿真程序做簡(jiǎn)單的介紹。
3.1 覆蓋冗余度
覆蓋冗余度是用來衡量監(jiān)測(cè)區(qū)域中被傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域的覆蓋次數(shù)。定義為區(qū)域中所有節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍之和與區(qū)域中所有節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍的并集之比值。覆蓋冗余度的計(jì)算公式為
其中，表示節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍，覆蓋冗余度反映了節(jié)點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域覆蓋的冗余程度，覆蓋冗余度越低，節(jié)點(diǎn)利用率越高，反之節(jié)點(diǎn)利用率越低。
隨機(jī)布置節(jié)點(diǎn)數(shù)N分別取{800，1000，1200，1300，1400}五個(gè)值時(shí)，節(jié)點(diǎn)最大傳感半徑從10變化到30時(shí)，調(diào)整前和調(diào)整后覆蓋冗余度的對(duì)比情況。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器感知能力動(dòng)態(tài)調(diào)整算法前，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋冗余度會(huì)隨著最大傳感半徑的'增大而急劇增大，加入傳感器感知能力動(dòng)態(tài)調(diào)整算法之后，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋冗余度隨著節(jié)點(diǎn)最大傳感半徑的增大而增大甚少，傳感器感知能力動(dòng)態(tài)調(diào)整算法應(yīng)用在具有不同最大傳感半徑的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)覆蓋冗余度的控制也能保持較好的成效。
3.2 能量消耗
本節(jié)只分析傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感模塊的能量消耗，暫時(shí)不考慮通信和計(jì)算的能耗。假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感半徑調(diào)整為零時(shí)認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)消耗能量也為零。傳感器節(jié)點(diǎn)的感知模塊的耗能與傳感半徑成正比，，為常量，可看作能量消耗系數(shù)。
所有節(jié)點(diǎn)的有效覆蓋面積即所有節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍的并集為
則調(diào)整傳感半徑前，覆蓋區(qū)域的平均能量消耗為
而調(diào)整傳感半徑后，覆蓋區(qū)域的平均能量消耗為
前文已經(jīng)證明，節(jié)點(diǎn)在傳感半徑調(diào)整的過程中不會(huì)產(chǎn)生盲區(qū)，所以傳感半徑調(diào)整前后，所有節(jié)點(diǎn)的有效覆蓋面積在理論上是保持不變的。
表1列出了在的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)布置800個(gè)節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大傳感半徑為15m時(shí)，節(jié)點(diǎn)傳感半徑調(diào)整前后網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的平均能量消耗。
傳感半徑調(diào)整前后區(qū)域平均能量消耗統(tǒng)計(jì)
實(shí)驗(yàn)次數(shù)
調(diào)整前平均耗能
調(diào)整后平均耗能
1
3.6463
0.6875
2
3.6092
0.7189
3
3.6487
0.7054
4
3.6389
0.7311
從表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，傳感半徑調(diào)整后，平均能量消耗比原來減少了大約80%，說明傳感器感知能力動(dòng)態(tài)調(diào)整算法能夠大大減少傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗。
4.小結(jié)
針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)高密度隨機(jī)部署時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋冗余度過大，大量冗余信息的被感知及其在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，會(huì)極大浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)能量的特點(diǎn)，本文提出了一種能夠保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋的分布式傳感器感知能力動(dòng)態(tài)調(diào)整算法。各節(jié)點(diǎn)只根據(jù)其鄰居節(jié)點(diǎn)的信息來調(diào)整自身的傳感半徑。算法側(cè)重于保證網(wǎng)絡(luò)的原始覆蓋和連通，在此前提下，盡量減少網(wǎng)絡(luò)的冗余覆蓋，所以傳感半徑調(diào)整后對(duì)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議的設(shè)計(jì)不會(huì)產(chǎn)生任何影響。
參考文獻(xiàn)：
IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 1994, 10(4): 102-113.
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