自適應(yīng)半徑調(diào)整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋算法

王曙光， 楊 蕾， 劉滿倉

(1.西安郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，陜西 西安 710121；2.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710121；3.陜西昱琛航空設(shè)備有限公司，陜西 西安 710089)

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自適應(yīng)半徑調(diào)整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋算法

王曙光1， 楊 蕾2， 劉滿倉3

(1.西安郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，陜西 西安 710121；2.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710121；3.陜西昱琛航空設(shè)備有限公司，陜西 西安 710089)

針對隨機(jī)分布的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)分布不均勻造成的覆蓋冗余，以及同時存在的覆蓋空洞，提出了一種自適應(yīng)半徑調(diào)整無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋算法，通過閾值判斷監(jiān)測區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)密度，根據(jù)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)疏密程度，利用節(jié)點(diǎn)半徑步長系數(shù)對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)半徑進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，建立無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率與節(jié)點(diǎn)發(fā)射半徑的模型，計(jì)算無線傳感器發(fā)射功率，通過實(shí)驗(yàn)和仿真，表明上述方法能夠保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的基礎(chǔ)上減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)總功耗，提高網(wǎng)絡(luò)壽命。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 覆蓋率； 網(wǎng)絡(luò)功耗

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)在應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)部署和覆蓋控制是一個基本問題。在很多應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)采用隨機(jī)部署方式[1]。傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)部署，為了實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域有效覆蓋，采用大量拋灑傳感器節(jié)點(diǎn)的方式，這樣雖然在傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋率上得到了保證，但傳感器節(jié)點(diǎn)自身攜帶的能量有限，以固定發(fā)射功率發(fā)送信號，容易造成節(jié)點(diǎn)密度密集的地方覆蓋重疊，節(jié)點(diǎn)密度稀少的地方產(chǎn)生覆蓋空洞，浪費(fèi)節(jié)點(diǎn)資源。將傳感器節(jié)點(diǎn)區(qū)分為活動和休眠節(jié)點(diǎn)[2,3]，合理調(diào)度部分傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋監(jiān)測區(qū)域[4,5],優(yōu)化隨機(jī)分布的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋，消除冗余覆蓋，減少網(wǎng)絡(luò)的功耗，提高網(wǎng)絡(luò)的生存時間，是目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要研究方向之一。

本文提出一種自適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋方法，計(jì)算單個節(jié)點(diǎn)通信覆蓋范圍內(nèi)連接節(jié)點(diǎn)的個數(shù)與距離，求出連接距離平均值，根據(jù)各個節(jié)點(diǎn)周圍連接距離平均值，設(shè)定判定閾值Dmax,Dmin，給出閾值與節(jié)點(diǎn)半徑步長調(diào)整系數(shù)η的關(guān)系模型，通過調(diào)整閾值與步長系數(shù)，改變傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑，實(shí)現(xiàn)在保證監(jiān)測區(qū)域內(nèi)覆蓋率不變或者減少很小的情況下，降低網(wǎng)絡(luò)功耗的目的。

1 傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)模型

1.1 假設(shè)條件

本文傳感器節(jié)點(diǎn)假設(shè)條件:1)相對與單個節(jié)點(diǎn)的最大覆蓋范圍，監(jiān)測區(qū)域的覆蓋范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單個節(jié)點(diǎn)的最大覆蓋范圍。2)傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑為6 m，節(jié)點(diǎn)部署后位置不變化,可以調(diào)整發(fā)射功率，進(jìn)而可以改變發(fā)射半徑，傳感器節(jié)點(diǎn)最大半徑等于8 m。3)節(jié)點(diǎn)傳感器采用的是布爾覆蓋模型為基礎(chǔ)[6,7],每個節(jié)點(diǎn)傳感器的通信范圍是以節(jié)點(diǎn)為圓心，R為半徑的圓。4)發(fā)射天線增益Gt等于接收天線增益Gr，Gt=Gr=10 dBm，無線電頻率f=420 MHz。5)節(jié)點(diǎn)接受靈敏度為Prmin等于-10 dBm。

1.2 節(jié)點(diǎn)數(shù)量

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)部署節(jié)點(diǎn)的情況符合概率論中的泊松分布，文獻(xiàn)[8,9]已經(jīng)證明了節(jié)點(diǎn)服從泊松分布的可能性。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，覆蓋率、節(jié)點(diǎn)密度、節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑三者[8]關(guān)系其如下所示

(1)

式中 fa為監(jiān)測區(qū)域內(nèi)無線傳感器的覆蓋率，r為監(jiān)測區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的覆蓋半徑。

監(jiān)測區(qū)域的面積為S，滿足一定覆蓋率等條件下，節(jié)點(diǎn)部署數(shù)量為N，關(guān)系如下所示

N=λS

(2)

1.3 節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率與發(fā)射半徑

常見的傳播路徑損耗模型有三種[10]:自由空間傳播模型，對數(shù)路徑損耗模型和哈特模型。本文討論自由空間模型,能量損耗模型公式[11,12]如下所示

Los(dB)=32.45+20lgd+20lgf

(3)

式中 d為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的距離, f為發(fā)射機(jī)發(fā)送電磁波的頻率。

自由空間模型中接收機(jī)的接收功率計(jì)算公式[12]，如下所示

Pr=Pt+Gt+Gr-Los

(4)

式中 Pt為自由空間中發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，Pr為自由空間中接收機(jī)的接收功率，Gt為發(fā)射機(jī)的天線增益，Gr為接收機(jī)的天線增益，Los為傳輸損耗。

根據(jù)條件四的假設(shè)，Gt=Gr=10dBm，Prmin=-10dBm，Prmin表示接收機(jī)可以接收到并能正常工作的最低接收功率[13]。由式(3)可知，當(dāng)發(fā)射機(jī)以Pt為發(fā)射功率向接收機(jī)發(fā)送信號時，電磁波經(jīng)過距離為d的路損衰減，如果接收機(jī)能夠接收到的功率等于接收靈敏度，即接收機(jī)的最小接收功率，則此時的傳輸路損Los應(yīng)為最大，由式(3)，式(4)兩式可以得出發(fā)射功率與傳輸距離的關(guān)系

Pt=32.45+20lgd(km)+20lg420(MHz)-30

(5)

2 自適應(yīng)半徑調(diào)整無線傳感器算法

傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用統(tǒng)一半徑覆蓋監(jiān)測區(qū)域，隨機(jī)部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性可知[14]，在節(jié)點(diǎn)密度大的區(qū)域傳感器節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生重復(fù)覆蓋，而在節(jié)點(diǎn)密度小的區(qū)域內(nèi)會產(chǎn)生覆蓋空洞。本文通過設(shè)定節(jié)點(diǎn)通信半徑閾值Dmax與Dmin的方法，判定傳感器節(jié)點(diǎn)處于密集區(qū)域或稀少區(qū)域，調(diào)整節(jié)點(diǎn)半徑步長系數(shù)，改變節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑。

具體算法步驟如下:

1)連接傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑周圍內(nèi)的各個節(jié)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)連線距離。

2)計(jì)算各點(diǎn)周圍連接距離的平均值。

3)根據(jù)各個節(jié)點(diǎn)周圍連線距離的平均值，設(shè)定閾值參量Dmax,Dmin以及節(jié)點(diǎn)半徑步長系數(shù)η:

a.當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)之間距離大于Dmax時，表示無線傳感器節(jié)點(diǎn)在該監(jiān)測測區(qū)域內(nèi)屬于稀少轉(zhuǎn)態(tài)，提高節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑，公式如下所示

Rx=(1+η)R

(6)

b.當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)之間距離小于Dmin時，表示無線傳感器節(jié)點(diǎn)在該監(jiān)測區(qū)域內(nèi)屬于密集狀態(tài)，減少節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑，公式如下所示

Ry=(1-η)R

(7)

c.當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離小于Dmax,并且大于Dmin時，表示無線傳感器節(jié)點(diǎn)在該監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的疏密程度合適。該區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑不變。

以上兩個式子中的Rx與Ry表示調(diào)整后節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑，η為調(diào)整步長。

4)調(diào)整后，用蒙特卡羅統(tǒng)計(jì)法[15]計(jì)算覆蓋率fa。

5)計(jì)算調(diào)整后各個節(jié)點(diǎn)的分功率，得出總功率Ptotal。

3 仿真分析

監(jiān)測區(qū)域S為100m×100m的二維平面，通過公式(1)計(jì)算隨機(jī)部署條件為fa=98 %和R=6m時的節(jié)點(diǎn)密度λ，并且通過公式(2)計(jì)算監(jiān)測區(qū)域S內(nèi)至少部署節(jié)點(diǎn)數(shù)目N=345，實(shí)驗(yàn)取N=365。在監(jiān)測區(qū)域S內(nèi)生成隨機(jī)節(jié)點(diǎn), 通過蒙特卡羅統(tǒng)計(jì)法計(jì)算覆蓋率, 由公式(5)計(jì)算單個節(jié)點(diǎn)功率，求和得出總功耗Pt總。圖1為傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況，覆蓋率fa=98 %,總功率Pt=7641.3dBm。

經(jīng)過自適應(yīng)半徑調(diào)整無線傳感器算法的覆蓋后，網(wǎng)絡(luò)覆蓋如圖2所示?？梢钥闯觯?jié)點(diǎn)密集的區(qū)域，節(jié)點(diǎn)連線明顯減少，節(jié)點(diǎn)稀少的區(qū)域，節(jié)點(diǎn)之間選擇性增加了連線長度。

設(shè)定閾值Dmax=5m,Dmin=4m,覆蓋半徑步長系數(shù)η=0.01m,10次仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1中可以得出:在節(jié)點(diǎn)數(shù)目和部署分布不變的情況下，設(shè)置閾值與步長系數(shù)，調(diào)整覆蓋半徑，覆蓋率基本不變，自適應(yīng)半徑調(diào)整網(wǎng)絡(luò)覆蓋算法的總功率明顯低于傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋算法的總功率。

圖1 傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋Fig 1 Traditional WSNs coverage

圖2 自適應(yīng)半徑調(diào)整傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋Fig 2 Adaptive radius adjustment WSNs coverage

測試指標(biāo)12345678910傳統(tǒng)方法總功率/dBm7641.37641.37641.37641.37641.37641.37641.37641.37641.37641.3傳統(tǒng)方法覆蓋率/%98.797.797.497.598.098.298.198.598.698.0自適應(yīng)方法總功率/dBm7325.175527545.87524.97477.67550.07385.67326.17420.07433.0自適應(yīng)方法覆蓋率/%98.197.797.197.397.598.297.598.198.397.8總功率變化率/%4.11.11.21.52.11.13.34.12.82.7覆蓋率變化率/%0.600.30.20.500.60.60.30.2

4 結(jié)束語

本文提出自適應(yīng)半徑調(diào)整的無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋算法，根據(jù)自由空間模型和自由空間損耗鏈路公式，給出節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率與節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑的模型，調(diào)整閾值和節(jié)點(diǎn)半徑步長系數(shù)，自適應(yīng)改變節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑。為了驗(yàn)證自適應(yīng)半徑調(diào)整傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的性能，從網(wǎng)絡(luò)總能耗和監(jiān)測區(qū)域覆蓋率方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合理設(shè)置閾值可以達(dá)到在保障覆蓋率的前提下，降低網(wǎng)絡(luò)能耗。

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王曙光(1972-)，河北保定人，碩士，副教授，從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)器人技術(shù)方向研究工作。

Adaptive radius adjustment algorithm of wireless sensor networks coverage

WANG Shu-guang1, YANG Lei2， LIU Man-cang3

(1.School of Automation, Xi’an University of Posts & Telecommunications, Xi’an 710121,China；2.School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an 710121, China;3.Yu Chen Aviation Equipment of Shaanxi, Xi’an 710089,China)

In order to solve the problem of coverage redundancy caused by uneven distribution of nodes in wireless sensor networks(WSNs) distributed randomly , as well as existence of covering hole at the same time, an adaptive adjustment algorithm for WSNs coverage radius is proposed, which judging and analysis the sensor node density by setting the threshold.According to the degree of sensor nodes density monitoring area,node radius with coverage is adjusted in an adaptive way using the coefficient of node radius step.Set up wireless sensor node transmission power and emission radius model, and calculate the transmission power.Simulation show that the proposed algorithm can reduce overall power consumption of network increase network lifetime.

wireless sensor networks(WSNs); coverage rate; power consumption of network

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0137—03

2016—01—06

TP 391

A

1000—9787(2016)12—0137—03