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无线传感器网络优化覆盖研究

时间:2013-12-06 15:22 文章来源:http://www.lunwenbuluo.com 作者:昝风彪 点击次数:

  【摘要】随着微机电技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理、无线电通信、传感器技术等关键技术的发展与成熟,无线传感器网络技术得到极大发展,无线传感器具有低耗能、体积小、支持短距离通信、价格便宜等特点,能够进行数据收集、数据通信、数据处理等处理。无线传感器网络具有较强的环境适应能力,尤其在资源少、环境恶劣的无人区域具有较好的应用前景。该系统广泛应用与城市管理、军事国防、抗震救灾、消防反恐、环境监测、危险区域监测等诸多的区域。然而单个节点感知能力有限,很多情况下需要多特殊节点进行多重覆盖,提高对该节点的信息感知能力,因此,优化无线传感器网络覆盖显得至关重要。本文主要介绍现行无线传感器网络优化覆盖的虚拟力算法和多重覆盖算法,以期与对无线传感器网络性能的提高。
  【关键词】无线传感器网络;优化;覆盖
  0引言
  无线传感器网络是结合微机电技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理、无线电通信、传感器技术等诸多技术上发展起来的一门多学科交叉的新兴信息感知处理技术。无线传感器具有低耗能、体积小、支持短距离通信、价格便宜等特点,能够进行数据收集、数据通信、数据处理等处理。无线传感器网络部署方便、灵活能够实时监测、感知和收集目标区域的相关信息,并通过无线网络上传终端实现信息的自动收集。利用各网络节点的收集、传输、处理能力,感知目标区域的热能、音频、可见光和电磁波等信号,进而得到目标区域的温度、湿度、压力、光感强度、噪声等信息。传感器节点在整个网络中不仅只有收集和反射数据的功能,同时还承担数据路由的角色,将收集到的数据上传到网关。无线传感器网络极大的延伸了人们的信息收集能力,为人们提供真实直接有效的目标信息。无线传感器网络具有较强的环境适应能力,尤其在资源少、环境恶劣的无人区域具有较好的应用前景。该系统广泛应用与城市管理、军事国防、抗震救灾、消防反恐、环境监测、危险区域监测等诸多的区域。无线传感器网络与传统网络相比较,传统网络主要是提供优质的服务和高效的带宽利用。而无线传感器网络则是以收集目标信息为主要目的,具备监测、收集、处理、传输目标信息的能力,无线传感器网络更强调能源的高校利用。
  无线传感器网络的覆盖是该技术研究的基本问题,网络覆盖主要是指传感器节点对被检测目标区域的空间覆盖,对于目标区域的物理信息进行感知、收集。单个节点的感知能力有限,需要很多节点协调合作才能实现对于目标信息的收集。因此,传感器节点的感知模型和节点的空间分布是网络覆盖的重点元素,直接影响到无线传感器网络的工作能力。
  1高效能网络覆盖优化
  1.1虚拟力算法
  图1节点受力分析图
  虚拟力方法是常用的无线传感器网络的部署方法,该算法最早来源于移动机器人规避障碍物的势力场算法,是将圆盘覆盖理论与势力场算法结合起来的,将传感器节点当成势力场中的粒子,粒子对周围的粒子有着力的作用。当节点距离较近时,节点之间的作用力是排斥力,当节点之间的达到一定距离时,节点之间的作用表现为吸引力,在吸引力的作用下节点相互靠近。在实际部署中按照一定规则设定节点之间的距离与作用力之间的关系,节点在计算节点合力后,做出相应的移动,从而实际部署当中网络节点过于稀疏或者密集。这样覆盖算法能够使得整个监测区域节点分布均匀,使得网络达到高效部署。节点的受力分析如图1所示:
  其中k为网络中节点个数。
  1.2多目标多重覆盖算法
  无线传感器网络在对目标区域进行信息采集时,很多时候需要对ROI中的一些信息点进行多重覆盖,以便能获得更加准确、全面的信息。然而,网络节点能源消耗的观点看,整个ROI被覆盖显然不利于能源的节约。因此,在保障ROI的基本覆盖的基础上,适当调整某些监测点的监测重数使其重数少于预定重数,其他节点保持原来的覆盖重数不变,这样能很大程度的节约传感器能量。在虚拟力算法的基础上,假设监测区域内的被监测点(PointofInterest)对该点附近的节点有相互作用力,根据节点间作用力的性质和节点被周围节点覆盖的情况来调整节点的覆盖情况,以达到对一些节点多重覆盖的目的。该算法数据计算量较小,能在满足ROI完整覆盖监测的情况下,对某些节点进行一定数目的多重覆盖。
  在监测区域内,如果某个被监测点在n个节点的覆盖区域内,则称该点n重覆盖,被监测点坐标为(xa,ya),传感器节点坐标为(x1,y1),定义CWa为节点A的覆盖重数,则有CWa
  的表达式如下:
  假设被监测点(POI)跟附近节点有力的作用,对周围节点有力的作用,该点需要几重覆盖就选择该点附近的几个节点对其进行覆盖。根据覆盖重数的要求,被监测点选择就近的几个节点,计算节点到该点之间的距离,判断这些节点能否达到覆盖要求,如果能够满足覆盖要求则这些节点保持不动,在不能满足覆盖要求时,节点与被监测点之间的距离不大于2倍感知距离时,将节点向被监测点移动,并移动原来距离的二分之一以上,然后,在判断节点能否满足覆盖要求。这样能避免移动距离过大造成能源消耗。在小范围利用虚拟力算法进行覆盖处理,使覆盖节点均匀分布。对于监测区域的其他节点利用虚拟力算法进行部署,优化节点分布。该算法能够充分考虑到某些监测点的高密度监测,同时能够兼顾到整个监测区域的优化分布。该算法中被监测点与周围节点力的作用表达式为:
  2结束语
  无线传感器是随着传感器技术、无线通信、微机电技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术等基础上发展起来的一种新型的信息收集处理技术。无线传感器网络能够有效地收集客观世界的信息,特别是环境恶劣、无人区域的环境当中有很好的应用前景。无线传感器网络技术具有展开速度快、覆盖区域广、监测精度高、抗摧毁性强等特点已成为当下信息领域的研究热点。无线传感器网络的覆盖是该技术研究的基本问题,网络覆盖主要是指传感器节点对被检测目标区域的空间覆盖,对于目标区域的物理信息进行感知、收集。单个节点的感知能力有限,需要很多节点协调合作才能实现对于目标信息的收集,优化感应器节点分布,能节约传感器能源消耗,提高目标点的感应密度。因此,传感器节点的感知模型和节点的空间分布是网络覆盖的重点元素,直接影响到无线传感器网络的工作能力。
  【参考文献】
  [1]张品,沈政,董志远,郑立.基于加权的无线传感器网络优化覆盖算法[J].传感技术学报,2012(07).
  [2]匡林爱.无线传感器网络的覆盖优化技术研究[D].中南大学,2011(05).
  [3]林梅金,苏彩红,王飞.无线传感器网络覆盖优化算法研究[J].计算机仿真,2011(03).

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