陳振峰,陳紀(jì)鑫
(1.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院財經(jīng)學(xué)院,廣東 廣州 511483;2.華南理工大學(xué)建筑學(xué)院,廣東 廣州 510614)
近年來,無線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)[1]逐漸普及到人類生活的各行各業(yè),成為當(dāng)今社會的研究熱點。公共區(qū)域監(jiān)控、黑客入侵檢測、智能機械操作、智慧城市建設(shè)均離不開無線傳感網(wǎng)絡(luò)的參與,可見無線傳感網(wǎng)絡(luò)已成功依靠其優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和高效的節(jié)點傳輸能力,成為21 世紀(jì)最有價值的計算機科研項目之一。然而無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部分節(jié)點長期處于無覆蓋的活躍度低迷的休眠狀態(tài),對網(wǎng)絡(luò)的連通性造成不可估量的影響。因此,相關(guān)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)檢測與修復(fù)研究引起了學(xué)者的關(guān)注。
王寒露等[2]通過超聲檢測方法對擴散場扇掃重建,并利用10 MHz 超聲相控陣探頭搜查重建區(qū)域的時間寬窗,以獲取有效擴散時間內(nèi)較為全面的網(wǎng)絡(luò)近表面盲區(qū)缺陷。但是該方法存在檢測效率低的問題。Iqbal 等[3]提出了基于復(fù)回波狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測原理的正交幅度調(diào)制信號在線盲均衡算法。通過調(diào)整振幅和相位,實現(xiàn)由非線性信道引起的傳輸信號失真檢測。但是該方法存在檢測場景受限的問題。李志軍等[4]通過孤島檢測方法將無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點映射至Q×C坐標(biāo)系中,并利用真實校驗方法獲取坐標(biāo)系內(nèi)單位節(jié)點的負(fù)載品質(zhì)因數(shù),通過觀察橫、縱坐標(biāo)下各節(jié)點的負(fù)載品質(zhì)因網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)檢測數(shù)對應(yīng)的節(jié)點活躍度,實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)檢測。但是該方法存在檢測能耗高的問題。董鑫等[5]提出了裝有魚眼鏡頭的傳感器網(wǎng)絡(luò)連通保持覆蓋控制策略。在建立有向視覺傳感器節(jié)點覆蓋性能函數(shù)的基礎(chǔ)上,利用控制器約束節(jié)點的轉(zhuǎn)動角度、運動步長,從而確保整個網(wǎng)絡(luò)的連通性,以此提升覆蓋連通度,減少盲區(qū)的產(chǎn)生。但是該方法主要針對的是優(yōu)化傳感器連通度提升策略,對其應(yīng)用后是否依舊會產(chǎn)生覆蓋盲區(qū),盲區(qū)出現(xiàn)數(shù)量等問題未進(jìn)行分析。Kishk 等[6]利用可重構(gòu)智能表面技術(shù)在移動用戶和沒有直接視線信道的基站之間提供間接視線鏈路。通過提供額外的間接視線鏈路來提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋概率。但是該方法受節(jié)點冗余度影響,造成覆蓋檢測能耗較高。蔣世華等[7]提出了基于軸面對稱機制的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點覆蓋算法。該方法通過對稱分布簇頭節(jié)點分割物聯(lián)網(wǎng),以提高覆蓋效率。利用鏡像節(jié)點、簇頭輪詢方法增強網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。該方法降低了簇頭受限概率,但是受盲區(qū)的影響,造成檢測能耗較高。
為了提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信效率,準(zhǔn)確檢測盲區(qū),提出基于Voronoi 圖的無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)檢測方法。
從宏觀視角觀察無線傳感網(wǎng)絡(luò),其由傳感器節(jié)點[8]和網(wǎng)絡(luò)用戶共同組成。想要檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū),需要優(yōu)先了解無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分布關(guān)系和網(wǎng)絡(luò)大體覆蓋情況。
根據(jù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)幾何判定理論可知,無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點[9]不是無規(guī)則散亂分布,而是遵循極坐標(biāo)平面極軸關(guān)系以三角形及三角形外接圓半徑的形式首尾相連。這種有規(guī)律的分布形式能夠最大限度提升節(jié)點間的通信半徑T和感知半徑U:
式中:f2表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)選定平面的坐標(biāo)原點;s表示相鄰節(jié)點的歐氏距離;d表示三角形邊長;i表示外接圓半徑;lo表示目標(biāo)范圍內(nèi)的節(jié)點數(shù)量;l3表示節(jié)點虛擬距離;l5表示節(jié)點移動步長;τ表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信執(zhí)行次數(shù)。
無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布關(guān)系如圖1 所示。
圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布關(guān)系
在成功了解無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布關(guān)系的基礎(chǔ)上,推測無線傳感網(wǎng)絡(luò)大體覆蓋情況??紤]到單個節(jié)點不受通信半徑和感知半徑的約束,能在初始能量的支持下圍繞穩(wěn)態(tài)范圍移動,且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布關(guān)系在節(jié)點周期性運行途中不會發(fā)生離散現(xiàn)象。在推測無線傳感網(wǎng)絡(luò)大體覆蓋情況時,需要追蹤傳感器節(jié)點運行軌跡,并在不干擾傳感器節(jié)點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同時,沿追蹤路徑構(gòu)建柵欄[10],使傳感器節(jié)點在運行過程中覆蓋的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域得以保留。
傳感器節(jié)點作為暴露在網(wǎng)絡(luò)通信地帶,隨不同應(yīng)用場合改變二維空間曲線的信息傳輸載體,能夠通過解耦合的方式移動節(jié)點傳輸貢獻(xiàn)量[11]對應(yīng)的歐幾里德距離,實現(xiàn)傳感器節(jié)點的周期性運行。正常情況下,傳感器節(jié)點的鄰近節(jié)點受到節(jié)點分布關(guān)系的限制,必須保持固定部署位置完成網(wǎng)絡(luò)通訊任務(wù)。這種限定條件使得傳感器節(jié)點在一次運行周期內(nèi)的傳輸貢獻(xiàn)量固定不變,極大程度降低了節(jié)點運行軌跡的追蹤難度。極坐標(biāo)[12]不同于傳統(tǒng)二維坐標(biāo),其坐標(biāo)系極角升序排列關(guān)系與無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布關(guān)系一一對應(yīng),將無線傳感網(wǎng)絡(luò)與極坐標(biāo)結(jié)合,通過追蹤坐標(biāo)系內(nèi)傳感器節(jié)點的運行軌跡,即可實現(xiàn)實際應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點運行軌跡的追蹤。傳感器節(jié)點傳輸貢獻(xiàn)量,如式(2)所示:
式中:T表示節(jié)點通信半徑;U表示節(jié)點感知半徑;xi表示放置策略;n表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)頂端和底端的中心位置;表示節(jié)點冗余度;u表示節(jié)點在目標(biāo)區(qū)域中的最小收斂時速。
傳感器節(jié)點解耦合,如式(3)所示:
式中:ceil(·)表示取整函數(shù),?表示跟蹤過程中傳感器節(jié)點理想軌跡偏移率;c表示傳感器節(jié)點垂足坐標(biāo);x表示傳感器節(jié)點備選路段。
極坐標(biāo)中傳感器節(jié)點在橫、縱坐標(biāo)上移動的歐幾里德距離,如式(4)所示:
式中:σ表示節(jié)點傳輸貢獻(xiàn)量在橫坐標(biāo)上的對應(yīng)位移;qn表示節(jié)點傳輸貢獻(xiàn)量在縱坐標(biāo)上的對應(yīng)位移;qn+1表示全軌跡劃分交點數(shù);q2表示傳感器源點和目的地的垂直距離;η表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)的全局拓?fù)湫畔ⅲ籹n表示鄰近節(jié)點的聯(lián)通半徑;sm表示起點集合節(jié)點數(shù)量;f3表示終點集合節(jié)點數(shù)量;B表示同構(gòu)節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸速率。
在成功獲取傳感器節(jié)點運行軌跡的基礎(chǔ)上,沿追蹤路徑構(gòu)建柵欄。根據(jù)Gage 機器人在網(wǎng)絡(luò)通信背景下獲取的有效追蹤檢測區(qū)域內(nèi)節(jié)點移動軌跡,可知傳感器節(jié)點的運行軌跡多呈現(xiàn)多邊形結(jié)構(gòu),因此在沿途構(gòu)建柵欄過程中,應(yīng)優(yōu)先確定多邊形結(jié)構(gòu)的形心位置,以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的無窮方向取整估算。多邊形結(jié)構(gòu)形心位置,如式(5)所示:
式中:Δω表示多邊形面積;z表示節(jié)點多數(shù)性能指標(biāo);Δj表示虛線圓圓心所標(biāo)記的中心位置;r表示傳感器節(jié)點當(dāng)前位置。
柵欄公式如式(6)所示:
多邊形結(jié)構(gòu)的二維平面圖如圖2 所示。
圖2 多邊形結(jié)構(gòu)的二維平面圖
柵欄能夠保留傳感器節(jié)點運行途中覆蓋的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域,通過統(tǒng)計柵欄在平面中的全部位置,即可得到無線傳感網(wǎng)絡(luò)的大體覆蓋情況。
Voronoi 圖[13]又稱Dirichlet 圖,是由來自俄國的Voronoi Diagram 教授就幾何晶體、信息系統(tǒng)、建筑理論等一系列問題提出的全景分割算法[14],該算法因其優(yōu)越的網(wǎng)絡(luò)空間分割能力和節(jié)點調(diào)度能力被廣泛應(yīng)用于各種科研領(lǐng)域當(dāng)中。由于Voronoi 圖與無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點運行軌跡在行為邏輯表現(xiàn)出高度一致性,Voronoi 圖也常被應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的研究當(dāng)中。采用Voronoi 圖檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)的基本思路圍繞排除已覆蓋區(qū)域和具備檢測條件的未覆蓋無線傳感網(wǎng)絡(luò)空洞特征展開。
掌握了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的大體覆蓋情況,以此為基礎(chǔ),在Voronoi 圖的指導(dǎo)下通過排除已覆蓋區(qū)域,獲取具備檢測條件的未覆蓋無線傳感網(wǎng)絡(luò)空洞,其具體過程如下:首先將無線傳感網(wǎng)絡(luò)與Voronoi 圖結(jié)合,然后過濾已覆蓋區(qū)域??紤]到無線傳感網(wǎng)絡(luò)已覆蓋區(qū)域和未覆蓋區(qū)域存在數(shù)學(xué)理論和物理特性的差異,在獲取網(wǎng)絡(luò)空洞的過程中,應(yīng)忽略兩區(qū)域差異引發(fā)的節(jié)點感知強度和通信能力隨節(jié)點活性喪失而產(chǎn)生的能量損耗,如式(7)所示:
式中:k?表示已覆蓋區(qū)域和未覆蓋區(qū)域的垂直平分線;t3表示兩區(qū)域的數(shù)學(xué)理論差異;t6表示兩區(qū)域的物理特性差異;yn表示覆蓋區(qū)域的節(jié)點數(shù)量;ym表示空洞節(jié)點數(shù)量;α表示節(jié)點感知精度;ε2表示已覆蓋區(qū)域的節(jié)點稀疏性。
無線傳感網(wǎng)絡(luò)空洞的表達(dá)式:
式中:ψk表示空洞圓盤面積;δ表示取余數(shù);e表示空洞圓心距。
未覆蓋的無線傳感網(wǎng)絡(luò)空洞之所以具備盲區(qū)檢測價值,是因為其空洞暴露程度和節(jié)點能量均與已覆蓋的無線傳感網(wǎng)絡(luò)不同,即未覆蓋的無線傳感網(wǎng)絡(luò)空洞具有檢測效果顯著的盲區(qū)特征。以上述無線傳感網(wǎng)絡(luò)空洞為基礎(chǔ),分別計算空洞區(qū)域的暴露程度和節(jié)點能量,作為檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)的特征樣本??斩磪^(qū)域暴露程度,如式(9)所示:
式中:κ表示空洞區(qū)域內(nèi)節(jié)點的給定HBN 序列;γ2表示鄰近節(jié)點覆蓋矛盾;b表示空洞有向鏈路;hij表示空洞數(shù)量。
空洞區(qū)域節(jié)點能量,如式(10)所示:
式中:p2表示順時針節(jié)點序列;dij表示負(fù)無窮方向取整;cosμ表示目標(biāo)點到空洞區(qū)域的最近距離。
粒子群分類器[15]是由粒子群編碼和分類規(guī)則適應(yīng)度共同組成的擇優(yōu)信任匹配算法,常被應(yīng)用于多種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)集分類工作中。將空洞區(qū)域的暴露程度和節(jié)點能量作為特征樣本輸入粒子群分類器中,根據(jù)分類器的輸出結(jié)果,即可實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)的有效檢測。粒子群分類器如式(11)所示:
式中:pvj表示粒子的適應(yīng)度;dirs表示粒子的速度;I表示分類器迭代次數(shù)。
粒子群分類器檢測特征樣本的表達(dá)式,如式(12)所示:
式中:ζ表示特征樣本均勻性;sinθi表示矛盾數(shù)據(jù)剔除率;cosθj表示特征樣本分類敏感度。根據(jù)上述過程中,實現(xiàn)基于Voronoi 圖的無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)檢測,并將其總結(jié)為下述步驟:
步驟1:明確無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分布關(guān)系和當(dāng)前覆蓋情況;
步驟2:融合無線傳感網(wǎng)絡(luò)與Voronoi 圖:忽略已覆蓋區(qū)域和未覆蓋區(qū)域差異引發(fā)的節(jié)點感知強度和通信能力隨節(jié)點活性喪失而產(chǎn)生的能量損耗上,根據(jù)式(8)獲取無線傳感網(wǎng)絡(luò)空洞,并利用Voronoi圖生成無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)示意圖;
步驟3:計算空洞區(qū)域的暴露程度和節(jié)點能量,作為檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)的特征樣本;
步驟4:將獲取的特征樣本輸入粒子群分類器中,根據(jù)式(11)輸出無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)檢測結(jié)果。
為了驗證基于Voronoi 圖的無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)檢測方法的整體有效性,需要對其進(jìn)行測試。
利用MATLAB2020B 軟件,在200 m×200 m 的無線傳感網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中,以20 m 為節(jié)點通信半徑隨機部署10×105 個傳感器節(jié)點。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中采取隨機部署的方式,部署傳感器節(jié)點,由于所使用路由算法、環(huán)境等因素的影響,導(dǎo)致部分節(jié)點失效,造成無線傳感網(wǎng)絡(luò)存在覆蓋盲區(qū)。其他相關(guān)參數(shù)如表1所示,無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)如圖3 所示。
表1 仿真環(huán)境的相關(guān)參數(shù)
圖3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)示意圖
圖3 矩形區(qū)域是需要被無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳感器檢測的目標(biāo)區(qū)域,灰色的部分為覆蓋盲區(qū)。
根據(jù)上述參數(shù)設(shè)置,將文獻(xiàn)[2]擴散場扇掃重建格林函數(shù)實現(xiàn)近表盲區(qū)缺陷檢測方法、文獻(xiàn)[3]基于復(fù)回波狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的覆蓋盲區(qū)檢測方法作為對比方法進(jìn)行測試,結(jié)果如下。
3.2.1 檢測效率
分別采用所提方法、文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法檢測設(shè)定仿真環(huán)境的覆蓋盲區(qū)數(shù)量,分別為5、15、20、25、30 個,并記錄不同方法的檢測時長,每種情況下分別進(jìn)行多次運算,取其時間平均值,得到的結(jié)果如圖4 所示。
圖4 不同方法的檢測時長
如圖4 可見,采用所提方法檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū),其檢測時長僅有0.2 s,說明所提方法的效率較高。因為所提方法以無線傳感網(wǎng)絡(luò)大體覆蓋情況為基礎(chǔ),在Voronoi 圖的指導(dǎo)下通過排除已覆蓋區(qū)域,獲取具備檢測條件的未覆蓋無線傳感網(wǎng)絡(luò)空洞,并將網(wǎng)絡(luò)空洞的暴露程度和節(jié)點能量作為樣本特征輸入粒子群分離器中,進(jìn)一步提高了檢測結(jié)果的可信度和檢測效率。采用文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū),二者檢測時長均與所提方法存在較大差距,說明文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法的效率較低。經(jīng)上述對比,可知所提方法的檢測效率明顯優(yōu)于對比方法。
3.2.2 檢測能耗
在算法檢測過程中,參與檢測的無線傳感網(wǎng)絡(luò)面積越大、節(jié)點數(shù)量越多,檢測所消耗的能耗越高。檢測能耗的增高不僅會使算法冗余信息處理誤差升高,還會增加檢測負(fù)擔(dān),使檢測效率大幅度下降。分別采用所提方法、文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法檢測上述仿真環(huán)境的覆蓋盲區(qū),并記錄無線傳感網(wǎng)絡(luò)檢測面積增大的過程中,節(jié)點數(shù)量為10×102、10×103、10×104、10×105時的檢測能耗,上述數(shù)量分別標(biāo)記為A~D。以檢測能耗為指標(biāo),判斷不同方法應(yīng)用后的盲區(qū)檢測性能。不同方法的檢測能耗如圖5所示。
圖5 不同方法的檢測能耗
由圖5 可見,采用所提方法檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū),隨著網(wǎng)絡(luò)檢測面積的增大、節(jié)點數(shù)量的增多,其檢測能耗正比上升,且始終不超過20 J,說明所提方法的檢測能耗不僅穩(wěn)定,而且維持在較低水平,不會由于計算負(fù)擔(dān)增大而產(chǎn)生檢測效率低下等問題。采用文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū),隨著網(wǎng)絡(luò)檢測面積的增大、節(jié)點數(shù)量的增多,二者檢測能耗上升明顯且無等價關(guān)系,說明文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法的檢測能耗較高,極易由于計算負(fù)擔(dān)增大而產(chǎn)生檢測效率低下等問題。經(jīng)上述對比,可知所提方法的檢測能耗明顯優(yōu)于對比方法。
3.2.3 檢測差異度
檢測率即所提方法應(yīng)用后的無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)檢測效果,以檢測差異度為指標(biāo)進(jìn)行測試。差異度作為反映算法檢測結(jié)果與實際結(jié)果相似度的評估指標(biāo),主要用于體現(xiàn)檢測結(jié)果的精確度。差異度越大,檢測結(jié)果與實際結(jié)果的相似度越小,算法精確度越??;差異度越小,檢測結(jié)果與實際結(jié)果的相似度越大,算法精確度越高。差異度計算公式見式(13):
式中:ξm表示差異度閾值;κ表示檢測結(jié)果;iimage表示實際結(jié)果。
分別采用所提方法、文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法檢測上述仿真環(huán)境的覆蓋盲區(qū),得到不同空洞圓心距下的覆蓋盲區(qū)檢測差異度。結(jié)果如圖6 所示。
圖6 不同方法的差異度
由圖6 可見,所提方法檢測結(jié)果的差異度較低,低于0.24,說明所提方法檢測結(jié)果與實際結(jié)果較為相符。文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法檢測結(jié)果的差異度較高,說明文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法檢測結(jié)果與實際結(jié)果的相似度較小。經(jīng)上述對比,可知所提方法的檢測精確度明顯優(yōu)于對比方法。
無線傳感網(wǎng)絡(luò)是具有節(jié)點組織性、通信可靠性、聯(lián)通自主性的高功能無線覆蓋網(wǎng)絡(luò)。為了使無線傳感網(wǎng)絡(luò)不受覆蓋盲區(qū)的阻礙,提出基于Voronoi 圖的無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)檢測方法。在明確無線傳感網(wǎng)絡(luò)空洞覆蓋情況的基礎(chǔ)上,利用Voronoi 圖排除已覆蓋區(qū)域,提取未覆蓋無線傳感網(wǎng)絡(luò)空洞。通過將空洞暴露程度和節(jié)點能量輸入粒子群分離器中,實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)檢測。仿真結(jié)果表明,所提方法在提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)檢測效率的同時,降低了檢測能耗和檢測差異度。由此驗證了所提方法可以有效提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信能力,減少覆蓋盲區(qū)對通信質(zhì)量造成的影響。實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)檢測過程,將是研究人員下一步工作的重點。