窄長(zhǎng)空間無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署策略研究

滕文想，何繼鵬，劉鵬宇

(1 安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2 安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；3 礦山智能技術(shù)與裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 淮南 232001)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSNs(Wireless Sensor Networks)包含各種功能的傳感器，已在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用[1，2]。但WSNs節(jié)點(diǎn)部署仍存在很多問(wèn)題，如窄長(zhǎng)空間的地形一般為長(zhǎng)帶狀，基站節(jié)點(diǎn)部署在空間出口或入口處，距離較遠(yuǎn)的簇首節(jié)點(diǎn)受到傳感器通信距離以及能量的限制，不能直接向基站節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，若通過(guò)其他簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)傳輸，會(huì)使靠近基站的簇首節(jié)點(diǎn)承擔(dān)過(guò)多的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)因能量損耗不均勻而過(guò)早死亡，造成“能量空洞”的問(wèn)題。如何合理部署WSNs節(jié)點(diǎn)解決“能量空洞”問(wèn)題，對(duì)建設(shè)智慧礦山具有重要意義[3-5]。

目前WSNs節(jié)點(diǎn)部署大多采用平面線型部署方式，該方式一般為等距均勻的節(jié)點(diǎn)部署結(jié)構(gòu)，在WSNs節(jié)點(diǎn)構(gòu)建過(guò)程中常常由于各分區(qū)節(jié)點(diǎn)能耗不均衡產(chǎn)生“能量空洞”的問(wèn)題[6-8]，針對(duì)此問(wèn)題，已有很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入的研究。Sheikh-Hosseini M[9]等研究了一種WSNs節(jié)點(diǎn)高效利用的部署策略，由于節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)部署的，不適合確定性空間中WSNs節(jié)點(diǎn)的部署。賈秋亭[10]等提出了一種礦井巷道中WSNs節(jié)點(diǎn)部署的策略，但不適用于長(zhǎng)距離特殊地理環(huán)境的部署。呂安琪[11]等針對(duì)鐵路沿線線型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，提出一種非均勻節(jié)點(diǎn)優(yōu)化分簇策略，由于其中簇首節(jié)點(diǎn)位置難以確定，并且能耗波動(dòng)較大，當(dāng)分區(qū)數(shù)增大時(shí)算法性能會(huì)大打折扣。汪全濤[12]等提出了一種線性WSNs能耗均衡的非均勻網(wǎng)絡(luò)部署策略，但主要針對(duì)平面部署，不適合長(zhǎng)距離窄長(zhǎng)空間。朱真才[13]等提出了一種線型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)空間部署策略，由于分區(qū)間距不易確定，且當(dāng)分區(qū)數(shù)增大時(shí)網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)也隨之增加，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能大大降低。

本研究在上述研究基礎(chǔ)上，針對(duì)一類位于室內(nèi)或地下，橫截面為矩形或拱形，且縱深距離S遠(yuǎn)大于橫截面寬度D及高度H的半封閉式窄長(zhǎng)空間[14，15]，提出了一種能耗均衡的3D線型WSNs等距非均勻分層部署策略。

1 系統(tǒng)模型

1.1 能量消耗模型

依據(jù)無(wú)線電通信原理，WSNs節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，首先通過(guò)無(wú)線電路對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，然后采用無(wú)線電發(fā)射放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，最后通過(guò)無(wú)線電接收電路接收數(shù)據(jù)[16-18]。

在一個(gè)通信周期中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包到鄰節(jié)點(diǎn)，并且收到一個(gè)響應(yīng)，這其中包括啟動(dòng)收發(fā)機(jī)和數(shù)據(jù)包的傳輸、從發(fā)送狀態(tài)到接收狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)包的接收。設(shè)Eelec為發(fā)送電路及接收電路每處理1bit數(shù)據(jù)時(shí)的能耗，εfs、mp分別為自由傳播能耗和多徑衰減能耗，根據(jù)COST 231的研究報(bào)告，頻率在800 MHz和2.4 GHz之間的低功耗無(wú)線通信路徑損耗α=2～4[19]。則節(jié)點(diǎn)間傳輸距離為d，發(fā)送kbit數(shù)據(jù)時(shí)能耗為：

ETx(k)=k·Eelec+k·εamp·dα=

傳感器節(jié)點(diǎn)接收kbit，能耗為：

ERx(k，d)=k·Eelec(2)

1.2 路徑損耗模型

無(wú)線信號(hào)在窄長(zhǎng)空間中傳輸時(shí)不免會(huì)遇到障礙物，障礙物會(huì)使無(wú)線信號(hào)衰減，造成節(jié)點(diǎn)能耗的增加，因此分析障礙物對(duì)節(jié)點(diǎn)無(wú)線信號(hào)和節(jié)點(diǎn)能量消耗的影響，具有重要意義。

本研究基于ITU-R P.1238傳播模型，分析了障礙物對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸?shù)挠绊慬20]，對(duì)應(yīng)公式為：

PL=20lgf+10nlgd+Lf(x)-28+δ(3)

式中，PL為節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸?shù)穆窂綋p耗；f為信號(hào)頻率，MHz；d為節(jié)點(diǎn)間的通信距離，m；n為環(huán)境因子，取3～4；Lf(x)為障礙物穿透損耗值；x為障礙物的數(shù)量；δ為陰影衰落余量。

1.3 網(wǎng)絡(luò)模型

本研究的封閉窄長(zhǎng)空間屬于受限長(zhǎng)距離三維空間，傳感器節(jié)點(diǎn)的部署位置具有鮮明特點(diǎn)，不同位置傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍和通信要求均不一樣，如果采用隨機(jī)部署策略，很難保證節(jié)點(diǎn)的位置要求，因此需要采用可控的確定性部署策略，以滿足不同應(yīng)用對(duì)象的節(jié)點(diǎn)位置需求。

根據(jù)窄長(zhǎng)空間的實(shí)際情況，節(jié)點(diǎn)只能部署在頂部和兩個(gè)側(cè)壁(底面一般為工作區(qū)域)。本研究采用分層部署的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即：感知節(jié)點(diǎn)及通信節(jié)點(diǎn)分別部署在空間的兩側(cè)壁及頂部，Sink節(jié)點(diǎn)位于空間一側(cè)，網(wǎng)絡(luò)的空間部署模型如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署模型

2 分區(qū)部署策略

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，最遠(yuǎn)分區(qū)(距Sink節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)的分區(qū))內(nèi)節(jié)點(diǎn)能耗由三部分組成：節(jié)點(diǎn)將收集到的信息發(fā)送到簇首節(jié)點(diǎn)的能耗、簇首節(jié)點(diǎn)接收感知節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的能耗及簇首節(jié)點(diǎn)將收集到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后傳遞到下一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)的能耗，非最遠(yuǎn)分區(qū)在最遠(yuǎn)分區(qū)內(nèi)總能耗的基礎(chǔ)上還要加上將前一個(gè)分區(qū)傳遞的數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的能耗。設(shè)網(wǎng)絡(luò)中第i個(gè)分區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信距離為di，網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的數(shù)目為n，根據(jù)式(1)、式(2)得第i個(gè)分區(qū)內(nèi)能耗Ei：

i=1，2，…，n-1(4)

進(jìn)一步得網(wǎng)絡(luò)所有分區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)總能耗：

證明Ealls→CH取最小值時(shí)有d1=d2=d3=…=dn，設(shè)d1+d2=L，取d1=a、d2=b，式中節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)大小k bit，電路能耗Eelec及多徑衰減能耗εmp已知，參數(shù)變量只有di，令f(a)=a4+b4=a4+(L-a)4，求導(dǎo)可得f(a)′=4[a3-(L-a)3]，因a>0、L-a>0，故當(dāng)a=b=L/2即d1=d2時(shí)，f(a)取得最小值。同理可證明當(dāng)d1=d2=d3=…=dn時(shí)，分區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)總能耗Ealls→CH最小。

在WSNs中各分區(qū)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，主要是通過(guò)最外側(cè)(遠(yuǎn)離Sink節(jié)點(diǎn))的簇首節(jié)點(diǎn)將大小為kbit的數(shù)據(jù)經(jīng)前面簇首多跳轉(zhuǎn)發(fā)給Sink節(jié)點(diǎn)，取網(wǎng)絡(luò)第i個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)到第(i-1)個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)通信距離為di，根據(jù)式(1)得網(wǎng)絡(luò)中各分區(qū)間數(shù)據(jù)傳輸總能耗：

求Eallc→CH最小值，等價(jià)于求f(d)=d14+d24+d34+…+dn4在d1+d2+d3+…+dn=S條件下的最小值，其中S為窄長(zhǎng)空間總長(zhǎng)度。該極值求解問(wèn)題屬于條件極值的求解問(wèn)題，可利用拉格朗日乘數(shù)法求解。

令F=d14+d24+d34+…+dn4+λ(d1+d2+d3+…+dn-S)，依次對(duì)F中各變量di求導(dǎo)，得：

綜合分區(qū)內(nèi)以及分區(qū)間節(jié)點(diǎn)通信能耗，得等間距分區(qū)的總能耗最低，進(jìn)一步求佳分區(qū)長(zhǎng)度，對(duì)式(5)求導(dǎo)：

令式(7)等于0，得網(wǎng)絡(luò)最佳分區(qū)長(zhǎng)度：

相鄰分區(qū)節(jié)點(diǎn)通信關(guān)系如圖2所示，由圖2知，網(wǎng)絡(luò)通信半徑rc與窄長(zhǎng)空間分區(qū)長(zhǎng)度d有如下關(guān)系：

圖2 相鄰分區(qū)節(jié)點(diǎn)通信關(guān)系

由此可知，在窄長(zhǎng)空間大小及WSNs規(guī)模確定后，結(jié)合式(8)、式(9)可得節(jié)點(diǎn)通信半徑選取范圍。

3 分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1 頂部節(jié)點(diǎn)部署

依據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)能耗模型可知，越靠近Sink節(jié)點(diǎn)分區(qū)節(jié)點(diǎn)能量消耗越快，故可在靠近Sink節(jié)點(diǎn)的分區(qū)內(nèi)部署高密度的節(jié)點(diǎn)，達(dá)到整個(gè)WSNs節(jié)點(diǎn)能耗均衡的目的，求解各分區(qū)節(jié)點(diǎn)數(shù)量如下：

當(dāng)每個(gè)分區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的總能耗與其內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目比值相等時(shí)，可以均衡網(wǎng)絡(luò)的能耗即：

式中，E為網(wǎng)絡(luò)中各分區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)消耗的總能量；m為各分區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目。

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)為N：

聯(lián)立式(4)、式(5)、式(10)、式(11)得：

3.2 側(cè)壁節(jié)點(diǎn)部署

側(cè)壁上節(jié)點(diǎn)應(yīng)滿足二重覆蓋條件即：空間中任意位置至少被兩個(gè)節(jié)點(diǎn)覆蓋，部屬形式有兩種：

3.2.1 三角形分層部署

圖3 三角形部署

3.2.2 矩形分層部署

圖4 矩形部署

采用做差法比較三角形分層部署與矩形分層部署節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，令：

4 改進(jìn)的LEACH路由協(xié)議

各分區(qū)內(nèi)簇首節(jié)點(diǎn)擔(dān)任著信息傳遞的任務(wù)，影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。結(jié)合低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH)[21]，引入了一種概率函數(shù)，計(jì)算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)成為簇首的概率，利用改進(jìn)后的路由協(xié)議對(duì)各分區(qū)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇。該算法可使簇首分布均勻、數(shù)量穩(wěn)定。選擇各分區(qū)中高剩余能量的節(jié)點(diǎn)作為簇首節(jié)點(diǎn)。具體而言，初始概率Cprob是已知的，基于這個(gè)概率，每個(gè)節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)的概率為：

式中，Eresidual和Emax分別是一個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量和最大能量；Pmin為簇首節(jié)點(diǎn)選取最小概率。

選擇簇首節(jié)點(diǎn)，先由節(jié)點(diǎn)生成一個(gè)0到1之間的隨機(jī)數(shù)，如果小于閾值T(n)，則發(fā)布自己是簇首的公告消息。在每輪循環(huán)周期中，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)被選為簇首，那么T(n)設(shè)為0，這樣該節(jié)點(diǎn)將不再被選為簇首，對(duì)于未被選為簇首的節(jié)點(diǎn)，其被選為簇首的概率為T(n)，當(dāng)只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)未當(dāng)選時(shí)，表示該節(jié)點(diǎn)必須當(dāng)選。其中，閾值T(n)可以表示為：

式中，n為當(dāng)前輪的節(jié)點(diǎn)；CHprob為節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)的概率；r為重新挑選簇首節(jié)點(diǎn)的輪數(shù)；mod為取模運(yùn)算符；G為最近一輪中未當(dāng)選簇首節(jié)點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)集合。

簇首選取結(jié)束后，簇首節(jié)點(diǎn)主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)廣播自己是簇首的消息。接收到消息的節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度選擇想要加入的分簇，并發(fā)送消息通知相應(yīng)的簇首?；跁r(shí)分多址(Time Division Multiple Address，TDMA)，簇首節(jié)點(diǎn)為每個(gè)成員分配通信時(shí)隙，并以廣播的形式通知簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)，這樣簇中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以在指定的傳輸時(shí)隙內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，而在其他時(shí)間進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而降低能耗，在穩(wěn)定工作階段，節(jié)點(diǎn)持續(xù)采集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并在自己的傳輸時(shí)點(diǎn)到達(dá)時(shí)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給簇首節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)融合接收到的數(shù)據(jù)后，將其發(fā)送到Sink節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入下一個(gè)工作周期，再次選擇簇頭節(jié)點(diǎn)。LEACH改進(jìn)算法流程如圖5所示。

圖5 LEACH改進(jìn)算法流程

5 實(shí)驗(yàn)仿真分析

對(duì)于通信距離在1000 m以內(nèi)的通信被定義為短距離通信，超過(guò)1000 m的通信為長(zhǎng)距離通信，針對(duì)窄長(zhǎng)空間中的長(zhǎng)距離通信，在Matlab平臺(tái)下仿真一個(gè)長(zhǎng)×寬×高為2000 m×10 m×10 m的窄長(zhǎng)空間，將不同部署方式與網(wǎng)絡(luò)能量消耗的關(guān)系進(jìn)行對(duì)比分析。仿真基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 仿真參數(shù)

5.1 節(jié)點(diǎn)通信半徑選取

一般來(lái)說(shuō)WSNs節(jié)點(diǎn)通信半徑在幾十米到兩百米，短距離通信半徑在100 m以內(nèi)，長(zhǎng)距離通信半徑在200 m以內(nèi)。本文仿真分析了通信半徑在100～200 m的長(zhǎng)距離通信節(jié)點(diǎn)，每輪數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后節(jié)點(diǎn)剩余能量。考慮WSNs“能量空洞”問(wèn)題，取靠近Sink節(jié)點(diǎn)的分區(qū)進(jìn)行仿真，不同通信半徑對(duì)應(yīng)分區(qū)長(zhǎng)度、分區(qū)數(shù)目以及節(jié)點(diǎn)數(shù)目見(jiàn)表2。

表2 仿真參數(shù)

不同通信半徑下，節(jié)點(diǎn)每輪數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后節(jié)點(diǎn)剩余能量如圖6所示。

圖6 不同通信半徑每輪節(jié)點(diǎn)剩余能量

由圖6可見(jiàn)，節(jié)點(diǎn)通信半徑不同節(jié)點(diǎn)能耗也不相同，在前3000輪的仿真中，當(dāng)rc=160 m及rc=180 m時(shí)，節(jié)點(diǎn)初始階段每輪剩余能量較高，但隨著仿真輪數(shù)的增加每輪剩余能量下降幅度較大，當(dāng)rc=100 m及rc=120 m時(shí)，節(jié)點(diǎn)初始階段每輪剩余能量較低，但隨著仿真輪數(shù)的增加其每輪剩余能量下降較平緩。綜合5000輪的仿真結(jié)果，可得在長(zhǎng)×寬×高為2000 m×10 m×10 m的窄長(zhǎng)空間中，最優(yōu)通信半徑rc=140 m，由式(8)、式(9)知理論通信半徑值取值范圍為71.16～141.76 m，可得選取最優(yōu)通信半徑在該區(qū)間內(nèi)，驗(yàn)證了本次研究分區(qū)方式的合理性。

5.2 節(jié)點(diǎn)部署方式分析

為驗(yàn)證本文提出的部署方式總能耗更低、各分區(qū)節(jié)點(diǎn)能耗更均衡，本次研究對(duì)等距均勻部署、等距不均勻部署及不等距均勻部署三種部署方式每輪數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)剩余能量進(jìn)行了仿真分析。由圖6分析選取節(jié)點(diǎn)通信半徑rc=140 m，由式(8)及式(12)計(jì)算出本文部署策略的分區(qū)長(zhǎng)度及分區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，考慮到WSNs“能量空洞”問(wèn)題，越靠近Sink區(qū)間節(jié)點(diǎn)能耗越快，本文仿真分析了靠近Sink節(jié)點(diǎn)的分區(qū)內(nèi)，三種部署方式每輪數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后節(jié)點(diǎn)剩余能量。結(jié)果如圖7所示。

圖7 每輪節(jié)點(diǎn)剩余能量

由圖7可知，等距不均勻部署策略節(jié)點(diǎn)剩余能量最高，不等距均勻部署策略次之，等距均勻部署策略最低。由此可知本文的部署策略在每輪數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，節(jié)點(diǎn)剩余能量更高，此部署方式節(jié)點(diǎn)的能耗更低、能量利用率更高。

本文對(duì)三種部署方式下各分區(qū)節(jié)點(diǎn)生命周期進(jìn)行仿真，定義網(wǎng)絡(luò)的生命周期為T=(Ni×E0)/Ei，仿真結(jié)果如圖8所示。不等距均勻部署方式通過(guò)減少靠近Sink節(jié)點(diǎn)分區(qū)的長(zhǎng)度，降低靠近Sink分區(qū)節(jié)點(diǎn)的通信能耗，均衡各分區(qū)能量消耗；等距非均勻部署通過(guò)不等密度的部署節(jié)點(diǎn)，在靠近Sink節(jié)點(diǎn)分區(qū)部署高密度的節(jié)點(diǎn)，分擔(dān)數(shù)據(jù)傳遞的通信耗能，達(dá)到各分區(qū)節(jié)點(diǎn)能耗均衡的目的。仿真結(jié)果表明：等距均勻部署方式，各分區(qū)節(jié)點(diǎn)生命周期由靠近Sink節(jié)點(diǎn)的分區(qū)向外逐漸遞增，由此造成“能量空洞”的問(wèn)題，不等距均勻部署及等距均勻部署方式均可平衡各分區(qū)節(jié)點(diǎn)的能耗，但相比之下，本研究采用的等距均勻部署方式節(jié)點(diǎn)的生存周期更長(zhǎng)，具有更高的使用價(jià)值。

圖8 各分區(qū)節(jié)點(diǎn)生命周期

為驗(yàn)證本文提出的矩形分層部署策略在滿足覆蓋條件下節(jié)點(diǎn)利用率更高，在給定傳感器感知半徑rc=20 m，窄長(zhǎng)空間寬度D=10 m的情況下，統(tǒng)計(jì)出三角形分層部署方式與矩形分層部署方式在不同網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度下所需的節(jié)點(diǎn)數(shù)，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同部署方式所需節(jié)點(diǎn)數(shù)

由圖9可知在滿足二重覆蓋條件下兩種部署方式所需節(jié)點(diǎn)數(shù)與理論值大致相同，按照矩形分層部署方式比三角形分層部署方式節(jié)約了6%～7%的傳感器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)由于矩形分層部署方式的節(jié)點(diǎn)間距比三角形分層部署方式的間距大，從而減小了網(wǎng)絡(luò)的冗余，使得傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋更加的均勻。

5.3 障礙物影響分析

取空間中常見(jiàn)的5種障礙物，分別為合成材料厚20 mm、木頭厚40 mm、混凝土厚240 mm、金屬厚80 mm、磚墻厚120 mm，利用Matlab軟件仿真分析了不同障礙物對(duì)頻率為2.4 GHz網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀Y(jié)果如圖10所示。

圖10 不同障礙物對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

由圖10可知，隨著通信距離的增加，障礙物對(duì)于信號(hào)的路徑損耗值呈對(duì)數(shù)式增加，在本文的仿真條件下，通信距離為80m后路徑損耗值基本保持不變。為避免障礙物對(duì)部署方式的影響，可采用多路徑傳輸技術(shù)，利用信號(hào)在傳輸過(guò)程中經(jīng)過(guò)多條路徑的特點(diǎn)，提高信號(hào)的傳輸效率和穿透能力，減少信號(hào)衰減的影響。這種方法不需要增加節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，也不會(huì)增加節(jié)點(diǎn)的能耗，可在不增加節(jié)點(diǎn)能耗的情況下消除障礙物對(duì)本文部署策略的影響。

6 結(jié) 論

1)提出了適用于窄長(zhǎng)空間的3D線型等距不均勻分層部署策略，其網(wǎng)絡(luò)能耗更低、節(jié)點(diǎn)能量利用率更高，各分區(qū)節(jié)點(diǎn)的壽命基本一致，可解決各分區(qū)能耗不均衡引起的“能量空洞”問(wèn)題，提高網(wǎng)絡(luò)使用壽命。

2)分區(qū)部署時(shí)，等距分區(qū)方式網(wǎng)絡(luò)總能耗最低。在長(zhǎng)×寬×高為2000 m×10 m×10 m的窄長(zhǎng)空間中，傳感器節(jié)點(diǎn)通信半徑rc=140 m時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能耗最低。

3)在滿足二重覆蓋的條件下，矩形分層部署的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相較于三角形部署方式，可節(jié)省6%～7%的傳感器節(jié)點(diǎn)，減少部署成本，降低網(wǎng)絡(luò)能耗。

4)Matlab仿真結(jié)果表明，隨著節(jié)點(diǎn)通信距離的增加，障礙物對(duì)于信號(hào)的路徑損耗值對(duì)數(shù)式增大，可采用多路徑傳輸技術(shù)，在不增加節(jié)點(diǎn)能耗的情況下，消除障礙物對(duì)本文部署策略的影響。