廖偉國,文明瑤
(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院,廣東 廣州 510900)
不同于互聯(lián)網(wǎng),無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的是物與物以及人與物的交互。作為一個(gè)信息技術(shù)新領(lǐng)域,無線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的功能,被認(rèn)為是一種使人類生活發(fā)生巨大變化的高科技產(chǎn)業(yè)[1]。以任務(wù)要求為依據(jù),其傳感器節(jié)點(diǎn)上往往同時(shí)集成了多種功能的傳感器,包括光強(qiáng)度傳感器、噪聲傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器等,因此其傳感節(jié)點(diǎn)往往是數(shù)量極其龐大[2]。在監(jiān)測區(qū)域部署這些節(jié)點(diǎn)后,即可通過無線通信方式構(gòu)成自組織網(wǎng)絡(luò),并執(zhí)行信息的傳輸、處理和采集等任務(wù),以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域的目的[3]。然而當(dāng)監(jiān)測區(qū)域的通信情況較為復(fù)雜時(shí),節(jié)點(diǎn)的分布往往很不均勻,為實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的良好部署,需要對無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署進(jìn)行研究。
最早開展相關(guān)研究的國家是美國,其研究是基于軍事目的進(jìn)行的,主要應(yīng)用于軍事防御部署,提出了一種基于自主分布系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法,并將其應(yīng)用于軍事方面。目前,在該領(lǐng)域美國的研究成果仍然位居世界前端。歐盟也成立了相關(guān)研究項(xiàng)目,提出了一種基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法,并分析其實(shí)踐應(yīng)用效果。相較于歐洲美國,我國對于無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署的研究起步很晚,但國家已經(jīng)將其列為重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目,因此也取得了不錯(cuò)的研究成果。
由于研究中的阻擋因素較多,因此從多種阻擋因素出發(fā),提出一種多阻擋因素下的無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法,其創(chuàng)新點(diǎn)在于結(jié)合監(jiān)測區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)受各種阻塞因子聯(lián)合探測的概率,初步確定空洞覆蓋區(qū)域,進(jìn)而確定覆蓋孔洞的位置,通過構(gòu)造加權(quán)二部圖對移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度,使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到覆蓋洞的位置,從而實(shí)現(xiàn)非均勻分布節(jié)點(diǎn)的部署。
以概率感知模型為基礎(chǔ),進(jìn)一步改善環(huán)境與節(jié)點(diǎn)感知能力的關(guān)系,構(gòu)建統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)感知模型[4]。在模型的構(gòu)建過程中,將傳感器節(jié)點(diǎn)作為圓心,在半徑為Rs-Rε的球體范圍中,認(rèn)為節(jié)點(diǎn)感知概率是1,其中Rs表示節(jié)點(diǎn)實(shí)際感知半徑;Rε表示不確定的節(jié)點(diǎn)感知因素。則對于半徑為Rs-Rε到Rs+Rε范圍的球體,節(jié)點(diǎn)感知概率表現(xiàn)為指數(shù)函數(shù);對于半徑為Rs+Rε以上的球體范圍,節(jié)點(diǎn)感知概率是0[5-6]。
構(gòu)建的統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)感知模型具體如圖1所示[7]。
圖1 構(gòu)建的統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)感知模型
構(gòu)建的統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)感知模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式具體如下
(1)
式(1)中,d(Sn,P)表示傳感器節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)事物的歐式距離;λ、α、β表示半徑為Rs-Rε到Rs+Rε范圍的球體內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)感知事物能力的衰減系數(shù);Pp(Sn)表示構(gòu)建的統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)感知模型[8]。
對需要部署的總節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行估計(jì)。將監(jiān)測區(qū)域的實(shí)際面積設(shè)為A,則對于整體部署區(qū)域而言,單個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測概率具體如下式
(2)
式(2)中,p表示對于整體部署區(qū)域而言的單個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測概率[9]。
將單個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際覆蓋率記為P(A)=p,對于監(jiān)測區(qū)域而言,各節(jié)點(diǎn)的覆蓋是獨(dú)立的,則對于部署區(qū)域來說,m個(gè)節(jié)點(diǎn)的覆蓋率為
(3)
式(2)中,P(A)′表示對于部署區(qū)域來說m個(gè)節(jié)點(diǎn)的覆蓋率[10]。
綜合多種阻擋因素對任意點(diǎn)k在監(jiān)測區(qū)域的聯(lián)合探測概率進(jìn)行計(jì)算,以初步確定覆蓋空洞Cmin(P)的區(qū)域,接著對覆蓋空洞位置進(jìn)行確定[11]。通過聯(lián)合探測概率初步確定覆蓋空洞區(qū)域的示意圖如圖2所示。
圖2 通過聯(lián)合探測概率初步確定覆蓋空洞區(qū)域的示意圖
為提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋率,構(gòu)建賦權(quán)二部圖對移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度,把移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向覆蓋空洞處移動(dòng),以實(shí)現(xiàn)非均勻分布節(jié)點(diǎn)的部署。
對賦權(quán)二部圖進(jìn)行構(gòu)建的具體步驟如下:
1)V1表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)集合,在V1中加入全部可移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。
2)V2表示虛擬節(jié)點(diǎn)集合,在V2中加入全部虛擬節(jié)點(diǎn)。
3)對于?u∈V1與?v∈V2,其中u表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)集合中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn),v表示虛擬節(jié)點(diǎn)集合中的虛擬節(jié)點(diǎn)。對虛擬節(jié)點(diǎn)v到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)u的距離進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)計(jì)算結(jié)果比移動(dòng)節(jié)點(diǎn)u可以移動(dòng)的最大距離du小,則在賦權(quán)二部圖G里添加(u,v)這條邊,這條邊的權(quán)值為虛擬節(jié)點(diǎn)v到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)u的移動(dòng)距離,用w(u,v)來表示;當(dāng)計(jì)算結(jié)果比移動(dòng)節(jié)點(diǎn)u可以移動(dòng)的最大距離du大,則在賦權(quán)二部圖G里添加(u,v)這條邊,這條邊的權(quán)值為∞,也就是w(u,v)=∞。由此實(shí)現(xiàn)賦權(quán)二部圖的構(gòu)建,構(gòu)建的二部圖集表示為
(4)
式(4)中,V表示節(jié)點(diǎn)集合;E表示權(quán)值集合。
完成賦權(quán)二部圖的構(gòu)建后,為將無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋率最大化,需要獲取一個(gè)最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方案,也就是需要對最小花費(fèi)的賦權(quán)二部圖最大匹配基進(jìn)行求取,利用Hopt表示該最大匹配基[12]。
基于最小花費(fèi)的賦權(quán)二部圖最大匹配基Hopt所對應(yīng)的最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方案對移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度,能夠?qū)o線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際覆蓋率最大化,并保持最小的總節(jié)點(diǎn)移動(dòng)距離。
對最小花費(fèi)的賦權(quán)二部圖最大匹配基進(jìn)行求取的示意圖如圖3所示。
圖3 求取示意圖
利用Matlab進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署的仿真。以KDNuggets (http:∥www.kdnuggets.com/datasets/index.html)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源,在隨機(jī)選取的某實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)區(qū)域中對其六十個(gè)非均勻分布節(jié)點(diǎn)進(jìn)行部署,其中包括動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)與靜態(tài)節(jié)點(diǎn)。仿真中的參數(shù)值設(shè)置如表1所示。
表1 仿真中的參數(shù)值設(shè)置
實(shí)驗(yàn)中非均勻分布節(jié)點(diǎn)的初始分布情況與移動(dòng)情況如圖4所示。
圖4 非均勻分布節(jié)點(diǎn)的初始分布情況與移動(dòng)情況
利用多阻擋因素下無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法分別對實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)與靜態(tài)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行部署,分別獲取動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)與靜態(tài)節(jié)點(diǎn)部署后的節(jié)點(diǎn)覆蓋程度作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
其中動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為18個(gè),其節(jié)點(diǎn)覆蓋程度數(shù)據(jù)具體如圖5所示。
圖5 動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)覆蓋程度數(shù)據(jù)
根據(jù)圖5動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)覆蓋程度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,利用多阻擋因素下無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的部署后,動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的覆蓋程度可達(dá)82.47%,實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)的良好覆蓋率。但由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)整體數(shù)量較少,因此難以達(dá)到完全覆蓋,對數(shù)量較多的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的覆蓋程度繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
實(shí)驗(yàn)中靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為42個(gè),利用多阻擋因素下無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法對靜態(tài)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行部署后,靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)覆蓋程度數(shù)據(jù)如圖6所示。
圖6 靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)覆蓋程度數(shù)據(jù)
根據(jù)圖6靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)覆蓋程度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,利用多阻擋因素下無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法進(jìn)行靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的部署后,靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)覆蓋程度可達(dá)98.96%,幾乎可以實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的完全覆蓋,實(shí)現(xiàn)良好的無線網(wǎng)絡(luò)性能。
為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比性,將兩種原有的無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法作為節(jié)點(diǎn)定位性能實(shí)驗(yàn)中的對比方法,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中非均勻分布節(jié)點(diǎn)的部署并獲取能量消耗與交換信息包數(shù)對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這兩種原有方法分別為引言中提到的基于自主分布系統(tǒng)、基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法。
多阻擋因素下無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法與基于自主分布系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法與基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法的能量消耗對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。
表2 能量消耗對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
根據(jù)表2三種實(shí)驗(yàn)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法的能量消耗對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,所提方法的能量消耗低于其它兩種方法。
多交換信息包數(shù)對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。
表3 交換信息包數(shù)對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
根據(jù)表3三種實(shí)驗(yàn)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法的交換信息包數(shù)對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,多阻擋因素下無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法在節(jié)點(diǎn)定位中的交換信息包數(shù)遠(yuǎn)高于基于自主分布系統(tǒng)、基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法的節(jié)點(diǎn)定位性能。
1)提出了一種多阻擋因素下無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法,在多阻擋因素下對無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法進(jìn)行研究,交換信息包最高可達(dá)12578個(gè),保證其節(jié)點(diǎn)部署的定位性能。
2)通過確定空洞覆蓋區(qū)域,進(jìn)而確定覆蓋孔洞的位置,為節(jié)點(diǎn)部署提供優(yōu)化基礎(chǔ),動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為18個(gè)時(shí),動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的覆蓋程度可達(dá)82.47%;靜態(tài)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為42個(gè)時(shí),靜態(tài)節(jié)點(diǎn)覆蓋程度可達(dá)98.96%。