混合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制分析

史晶

摘 要：若要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制，需要優(yōu)化傳感器節(jié)點布置方式，實現(xiàn)經(jīng)濟成本最小化。文章分析了混合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制的重要性，針對網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制提出了混合網(wǎng)絡(luò)雙重漏洞修復(fù)算法，通過實驗驗證了算法的可行性和適用性。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)覆蓋;節(jié)點;雙重漏洞修復(fù)算法

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋概述

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就好比身體的皮膚，在皮膚上分布了大量的傳感器，通過神經(jīng)系統(tǒng)將這些傳感器連接在一起組成了一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過傳感器反饋來感知身體表面的溫度變化和其他情況的變化。因為需求的關(guān)系，某些節(jié)點還有定位模塊、運動或執(zhí)行機構(gòu)、電源再生模塊等其他更強大的功能。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)

在實際工作中，為了保證信息的完整性和有效性，單個傳感器節(jié)點往往滿足不了龐大的工作，只有大規(guī)模的傳感器節(jié)點互相協(xié)作才能實現(xiàn)對物理世界信息的獲取。無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋是通過對傳感器節(jié)點分布和設(shè)置進行有效的調(diào)度和部署來實現(xiàn)，對工作區(qū)域的覆蓋度是能否完成任務(wù)的重要因素。

在設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，為了達到對物理世界信息的獲取，需要保證傳感器網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，所以在設(shè)置之初就要考慮在復(fù)雜情況下的不同應(yīng)對措施。首先，要有對工作區(qū)域布置傳感器節(jié)點的規(guī)劃，但在實際操作時可能受到外界環(huán)境或者操作的影響造成與規(guī)劃不符的情況，導(dǎo)致傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點覆蓋不合理。其次，對于之前覆蓋的節(jié)點進行合理調(diào)整。個別傳感器節(jié)點可能存在損壞或者不在網(wǎng)絡(luò)中，要對其進行修復(fù)和調(diào)整。再次，在網(wǎng)絡(luò)運行之后，后臺會對節(jié)點的部署進行運行反饋，如果傳感器節(jié)點存在能量不足或者數(shù)量不夠而陷入無法工作的狀態(tài)，這時無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)就會發(fā)揮作用，對接點進行覆蓋控制。因此對于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的覆蓋控制性能和如何提高覆蓋性能變得尤為重要。

1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題

工作區(qū)域?qū)嵤└采w控制的目的是通過對傳感器節(jié)點的分布設(shè)置減少區(qū)域內(nèi)的盲區(qū)和網(wǎng)絡(luò)中冗余的節(jié)點布置，從而實現(xiàn)對檢測區(qū)域或者對檢測對象物理信息的獲取和精確感知[1]。

1.3.1 節(jié)點類型分類

（1）靜態(tài)覆蓋。

通常情況下，傳感器節(jié)點一旦被部署就不會改變其位置信息，這叫做靜態(tài)部署。工作原理是通過喚醒其他位置上的節(jié)點，如果其他節(jié)點處于休眠，隨即喚醒對應(yīng)的工作節(jié)點集合，使休眠的節(jié)點對應(yīng)非工作狀態(tài)集合，實現(xiàn)兩個集合動態(tài)變化，這樣在網(wǎng)絡(luò)覆蓋連通性和節(jié)能之間取得平衡，其關(guān)鍵點就是找到兩個集合不相交的集合點。

（2）動態(tài)覆蓋。

動態(tài)覆蓋存在的意義是，如果密集部署節(jié)點，各節(jié)點之間可以實現(xiàn)很好的連通性，但是當(dāng)節(jié)點癱瘓時，由于靜態(tài)節(jié)點只能修復(fù)相對較小的覆蓋區(qū)域，此時問題的關(guān)鍵就是如何調(diào)節(jié)節(jié)點位置保證覆蓋的連通性和避免漏洞。使用動態(tài)部署增加節(jié)點的數(shù)量實現(xiàn)增量式節(jié)點部署就是逐個的部署節(jié)點[2]。

1.4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能評價指標(biāo)

準(zhǔn)確評價和衡量覆蓋控制策略性能、可用性和有效性，從而使傳感器節(jié)點的感知和服務(wù)質(zhì)量提高，可以使節(jié)點能量有效發(fā)揮，去掉冗余的節(jié)點，使無線網(wǎng)絡(luò)生存周期延長?？蓮囊韵聨讉€方面判斷：①覆蓋能力;②網(wǎng)絡(luò)連通性;③能量保障;④控制計算精確;⑤算法復(fù)雜程度;⑥算法策略實施;⑦網(wǎng)絡(luò)擴展性;⑧網(wǎng)絡(luò)動態(tài)和兼容性。

2 ? 基于混合網(wǎng)絡(luò)的覆蓋漏洞雙重修復(fù)算法

靜態(tài)節(jié)點只能修復(fù)較小的區(qū)域，動態(tài)節(jié)點即如果蘇醒節(jié)點探測到處于簇頭狀態(tài)的鄰居節(jié)點大于3個，所組成的三角形集合的邊大于R則進入簇頭狀態(tài)。

2.1 建立網(wǎng)絡(luò)模型

假設(shè)將節(jié)點部署在二維平面上進行隨機分布，設(shè)置S為多個階段的集合，將任意節(jié)點設(shè)為Sk采用布爾感知模型。Sk的簇內(nèi)節(jié)點，Sk的鄰居節(jié)點、Sk的二跳鄰居節(jié)點分別滿足公式1，2，3。

2.2 混合網(wǎng)絡(luò)的雙重漏洞修復(fù)算法

2.2.1 靜態(tài)節(jié)點修復(fù)

DRA算法針對漏洞修復(fù)的步驟是：①假設(shè)任意節(jié)點蘇醒后發(fā)現(xiàn)簇頭狀態(tài)的鄰居節(jié)點數(shù)少于3個，那么該節(jié)點將進入簇頭狀態(tài);②如果蘇醒節(jié)點探測到處于簇頭狀態(tài)的鄰居節(jié)點大于3個，而且組成的三角形集合的邊大于R則進入簇頭狀態(tài);③如果蘇醒節(jié)點探測到處于簇頭狀態(tài)的鄰居節(jié)點大于3個，而且組成的三角形集合的邊小于R則進入休眠狀態(tài);④如果以上3個條件據(jù)均不滿足，選擇任意3個簇頭狀態(tài)的鄰居節(jié)點，根據(jù)公式判定節(jié)點是休眠還是簇頭狀態(tài)。三角形漏洞修復(fù)流程如圖1所示。

2.2.2 動態(tài)節(jié)點修復(fù)

當(dāng)某個節(jié)點失效或者覆蓋面積較小時，可以利用靜態(tài)節(jié)點三角理論進行漏洞修復(fù)，但是如果覆蓋漏洞面積較大時就很難對其修復(fù)。這時就要借助Improved DRMC算法來判斷是否是漏洞節(jié)點[3]。具體流程如圖2所示。

2.2.3 利用IDRMC算法進行雙重修復(fù)

如上文所述，因為節(jié)點狀態(tài)不同，在漏洞修復(fù)算法上也要有區(qū)別。在靜態(tài)節(jié)點狀態(tài)時運用三角修復(fù)策略，動態(tài)節(jié)點采用IDRMC算法計算節(jié)點位置進行修復(fù)。

根據(jù)節(jié)點的特殊性，利用IDRMC算法得出的節(jié)點位置，節(jié)點如果超出了覆蓋區(qū)域，此時不予修復(fù)漏洞;當(dāng)孤立節(jié)點如果有二跳鄰居點，選擇兩個節(jié)點中間位置部署移動節(jié)點，如果無二跳鄰居節(jié)點，則需要添加一個移動節(jié)點與之相切。

如果靜態(tài)節(jié)點較多，可以選擇休眠機制進行三角修復(fù)。如果數(shù)量較少或節(jié)點癱瘓較多，先用EEHR對部分節(jié)點進行休眠，再利用IDRMC算法進行漏洞修復(fù)。

2.3 仿真實驗與分析

本實驗從系數(shù)部署的性能和密集部署的性能進行分析，利用布爾感知模型將節(jié)點布置在二維平面上，通過MATLAB 2012來實現(xiàn)。實驗參數(shù)設(shè)置區(qū)域是150 m×150 m，感知半徑RS=10 m，通信半徑是Rt=2RS=20 m。

2.3.1 對稀疏部署性能的分析

從覆蓋性能進行對比。通過實驗數(shù)據(jù)分析和效果圖呈現(xiàn)，當(dāng)移動節(jié)點在稀疏部署節(jié)點時，其覆蓋性能優(yōu)于靜態(tài)節(jié)點。但是當(dāng)移動節(jié)點部署達到一定數(shù)量時，會出現(xiàn)節(jié)點重合現(xiàn)象，就失去了經(jīng)濟適用性。

從連通性進行對比。通過數(shù)據(jù)分析和連通圖的對比，在稀疏部署時，移動節(jié)點的連通性和通信能力優(yōu)于靜態(tài)節(jié)點。

2.3.2 對密集部署的性能分析

實驗中設(shè)置節(jié)點數(shù)量上選擇相同的節(jié)點個數(shù)，通過實驗數(shù)據(jù)和效果圖對比，驗證了在密集部署時靜態(tài)節(jié)點通過三角形修復(fù)漏洞效果良好，就無需使用動態(tài)節(jié)點修復(fù)，大大節(jié)約了經(jīng)濟成本。

3 結(jié)語

通過分析了解到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋存在的問題，提出解決算法既雙重漏洞修復(fù)算法，利用仿真實驗對覆蓋性能進行有效分析并得出相應(yīng)的結(jié)果，驗證了雙重漏洞修復(fù)算法的可行性。

[參考文獻]

[1]鄭鑫，程宗毛.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋率優(yōu)化算法[J].新型工業(yè)化.2020（7）：6-8.

[2]高亞玲.混合型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋空洞修復(fù)算法研究分析[J].電子設(shè)計工程.2020（9）：121-125.

[3]坎香.無線傳感網(wǎng)絡(luò)及其覆蓋問題[J].電子技術(shù)與軟件工程.2018（22）：21-22.

（編輯 何 琳）