對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )感知能力動(dòng)態(tài)調整算法研究論文
摘 要：為了增強無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的監測質(zhì)量和提高網(wǎng)絡(luò )可靠性，通常將傳感器節點(diǎn)大規模、高密度地部署在感興趣的目標區域內，這就導致網(wǎng)絡(luò )中大量節點(diǎn)的覆蓋區域相互交迭。這種覆蓋冗余會(huì )直接導致采集、傳輸數據的冗余以及信道的干擾，從而導致不必要的能量消耗，提出了一種傳感半徑的動(dòng)態(tài)調整算法，在保證網(wǎng)絡(luò )覆蓋性的前提下，通過(guò)對節點(diǎn)傳感半徑的調整，來(lái)降低網(wǎng)絡(luò )的覆蓋冗余，從而大大減少冗余數據采集和傳輸所造成的能量浪費和網(wǎng)絡(luò )沖突。仿真結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)調整
1 引言
1.1 網(wǎng)絡(luò )模型
假設個(gè)傳感器節點(diǎn)和一個(gè)Sink節點(diǎn)隨機分布在一個(gè)的二維正方形區域內，并假設該傳感器網(wǎng)絡(luò )具有如下性質(zhì)：
* 節點(diǎn)同構，各節點(diǎn)具有相同的計算、通信能力和初始能量水平，且節點(diǎn)能量不能再補充。其中Sink節點(diǎn)例外，它的計算、通信能力和能量不受限制；
* 節點(diǎn)間的通信是相互的。節點(diǎn)A能夠與B通信，則B也可以與A通信；
* 節點(diǎn)具有相同的最大感知范圍，且感知范圍能夠自調整；
* 節點(diǎn)能獲知其位置信息。感知節點(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(wú)線(xiàn)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，傳感器節點(diǎn)的覆蓋范圍是一個(gè)以節點(diǎn)為圓心，半徑為的圓形區域稱(chēng)為傳感器節點(diǎn)的“感知圓盤(pán)(Sensing Disk)”。稱(chēng)為傳感器節點(diǎn)的傳感半徑，假設節點(diǎn)的坐標為。在二元感知模型中，對于平面上任意一點(diǎn)，節點(diǎn)檢測到點(diǎn)處發(fā)生的事件的概率為
2 傳感器感知能力動(dòng)態(tài)調整算法
2.1 算法相關(guān)定理
節點(diǎn)集，若區域內的任一點(diǎn)都不能被內的節點(diǎn)所感知到，則這樣的區域稱(chēng)為的覆蓋盲區�？梢宰⒁獾�，覆蓋盲區有兩種類(lèi)型閉合型與開(kāi)放型，若組成開(kāi)放型盲區區域的圓弧之間有交點(diǎn)，則交點(diǎn)也稱(chēng)為盲區頂點(diǎn)。
若一個(gè)節點(diǎn)的感知圓的某段圓弧被其任何一個(gè)鄰居節點(diǎn)的感知圓包含，則稱(chēng)這段圓弧為約束圓弧，否則稱(chēng)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，設為到的最大距離，即，若滿(mǎn)足，則圓必覆蓋該凹曲邊形區域。
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。設點(diǎn)為n多邊形內的任意一點(diǎn)，連接并延長(cháng)則必交的一邊于點(diǎn),記該條邊為，如下圖所示。在內易知，又因所以，因此，從而凹曲邊形內任意一點(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】若有盲區區域均是傳感器節點(diǎn)的鄰居集的閉合型覆蓋盲區，其頂點(diǎn)分別為，，，， 且是的感知圓內的所有閉合型盲區，節點(diǎn)的傳感半徑等于其最大傳感半徑，為節點(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整為的過(guò)程中不會(huì )產(chǎn)生集合的覆蓋盲區。
證明：因的感知圓不存在自由圓弧，易知在的感知圓內必不存在的鄰居集的開(kāi)放型覆蓋盲區區域部分，則的感知圓內僅存在閉合型盲區區域，由定義4可知均為凹曲邊形。又由定理1可知，當時(shí)的感知圓覆蓋，又因故當時(shí)必覆蓋，即在的傳感半徑在由改變?yōu)榈倪^(guò)程中不會(huì )產(chǎn)生的覆蓋盲區。定理得證。
2.2 傳感器感知能力動(dòng)態(tài)調整算法描述
(一)算法思想概述
節點(diǎn)首先根據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區域。若不存在自由圓弧，則計算節點(diǎn)所有鄰居節點(diǎn)感知圓在該節點(diǎn)感知圓內彼此兩兩相交所構成的交點(diǎn)的集合，將集合中交點(diǎn)的被覆蓋次數判斷盲區頂點(diǎn)和普通交點(diǎn)，若不存在盲區頂點(diǎn)，則鄰居節點(diǎn)能夠完全覆蓋感知區域，此時(shí)，傳感半徑可以調整為零，否則說(shuō)明感知圓內包含有鄰居集的閉合型盲區,可根據定理2對傳感半徑進(jìn)行調整。
(二)算法步驟
具體算法步驟如下：
1) 首先查詢(xún)鄰居節點(diǎn)集NBS的信息，獲得所有鄰居節點(diǎn)的圓心坐標、當前傳感半徑等。
2) 檢查鄰居節點(diǎn)的個(gè)數NBS.count 是否小于1，若是則轉步驟7，否則轉3。
3) 依照判斷是否存在自由圓弧的算法判斷該節點(diǎn)的感知圓是否存在自由圓弧，若存在則轉到步驟7，否則轉到4。
4) 計算所有鄰居節點(diǎn)的感知圓在本圓內的交點(diǎn)，若不存在交點(diǎn)，即轉到步驟6；否則，轉到5。
5) 從第4步中獲取的交點(diǎn)集合中按查找本圓內盲區頂點(diǎn)集合HolePointsList，若不存在，則轉步驟6；若存在，則找出離該節點(diǎn)最遠的點(diǎn)到該點(diǎn)的距離d，傳感半徑調整為，轉步驟7；其中為誤差控制參數，以免去因誤差導致的覆蓋盲區。
6) 將節點(diǎn)傳感半徑調整為零。因此時(shí)節點(diǎn)的感知范圍區域已被鄰居所覆蓋。
7) 算法結束。
2.3 鄰居集的選取
在傳感器感知能力動(dòng)態(tài)調整算法中定義傳感器節點(diǎn)A的鄰居節點(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)行傳感半徑調整時(shí)，要保證算法中節點(diǎn)的鄰居的感知圓和本節點(diǎn)的感知圓是非相離關(guān)系，因為相離關(guān)系的兩個(gè)節點(diǎn)不會(huì )相互影響到對方的覆蓋范圍，則只需保證其鄰居到該節點(diǎn)的距離不大于該節點(diǎn)2倍最大傳感半徑，即的取值應滿(mǎn)足下式：
當時(shí)，這時(shí)節點(diǎn)在傳感器感知能力動(dòng)態(tài)調整算法中考慮到了所有能對自己的最大覆蓋范圍能造成影響的節點(diǎn)，傳感器感知能力動(dòng)態(tài)調整算法可以充分利用鄰居的信息，調整能得到最佳的效果。
當時(shí)，此時(shí)，部分節點(diǎn)的感知區域可以覆蓋該節點(diǎn)感知區域的一部分，因為這部分節點(diǎn)不包含在該節點(diǎn)的鄰居集內，會(huì )出現節點(diǎn)感知區域內實(shí)際上不存在盲區，但是節點(diǎn)會(huì )誤認為其感知圓內存在盲區，傳感半徑調整后出現部分監測區域的重復覆蓋現象，這時(shí)的調整效果不及。
實(shí)驗結果顯示，當時(shí)的調整效果最好，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
為了檢驗傳感器感知能力動(dòng)態(tài)調整算法的有效性，論文主要從調整效果、能量消耗和覆蓋冗余度三個(gè)方面對算法進(jìn)行了模擬實(shí)驗和分析。首先對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(lái)衡量監測區域中被傳感器節點(diǎn)覆蓋區域的覆蓋次數。定義為區域中所有節點(diǎn)覆蓋范圍之和與區域中所有節點(diǎn)的覆蓋范圍的并集之比值。覆蓋冗余度的計算公式為
其中，表示節點(diǎn)的覆蓋范圍，覆蓋冗余度反映了節點(diǎn)對監測區域覆蓋的冗余程度，覆蓋冗余度越低，節點(diǎn)利用率越高，反之節點(diǎn)利用率越低。
隨機布置節點(diǎn)數N分別取{800，1000，1200，1300，1400}五個(gè)值時(shí)，節點(diǎn)最大傳感半徑從10變化到30時(shí)，調整前和調整后覆蓋冗余度的對比情況。
實(shí)驗結果表明傳感器感知能力動(dòng)態(tài)調整算法前，網(wǎng)絡(luò )的覆蓋冗余度會(huì )隨著(zhù)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)調整算法之后，網(wǎng)絡(luò )的覆蓋冗余度隨著(zhù)節點(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)調整算法應用在具有不同最大傳感半徑的傳感器網(wǎng)絡(luò )中，對覆蓋冗余度的控制也能保持較好的成效。
3.2 能量消耗
本節只分析傳感器節點(diǎn)的傳感模塊的能量消耗，暫時(shí)不考慮通信和計算的能耗。假設傳感器節點(diǎn)的傳感半徑調整為零時(shí)認為該節點(diǎn)消耗能量也為零。傳感器節點(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。
所有節點(diǎn)的有效覆蓋面積即所有節點(diǎn)的覆蓋范圍的并集為
則調整傳感半徑前，覆蓋區域的平均能量消耗為
而調整傳感半徑后，覆蓋區域的平均能量消耗為
前文已經(jīng)證明，節點(diǎn)在傳感半徑調整的過(guò)程中不會(huì )產(chǎn)生盲區，所以傳感半徑調整前后，所有節點(diǎn)的有效覆蓋面積在理論上是保持不變的。
表1列出了在的區域內隨機布置800個(gè)節點(diǎn)，各個(gè)節點(diǎn)的最大傳感半徑為15m時(shí)，節點(diǎn)傳感半徑調整前后網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域的平均能量消耗。
傳感半徑調整前后區域平均能量消耗統計
實(shí)驗次數
調整前平均耗能
調整后平均耗能
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)驗數據可以看出，傳感半徑調整后，平均能量消耗比原來(lái)減少了大約80%，說(shuō)明傳感器感知能力動(dòng)態(tài)調整算法能夠大大減少傳感器節點(diǎn)的能量消耗。
4.小結
針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)高密度隨機部署時(shí)，網(wǎng)絡(luò )的覆蓋冗余度過(guò)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)調整算法。各節點(diǎn)只根據其鄰居節點(diǎn)的信息來(lái)調整自身的傳感半徑。算法側重于保證網(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，所以傳感半徑調整后對網(wǎng)絡(luò )的路由協(xié)議的設計不會(huì )產(chǎn)生任何影響。
參考文獻：
IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 1994, 10(4): 102-113.
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