無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋連通性研究

1引言

集成傳感器技術(shù)、微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)、無線通信技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN,wirelesssensornetworks）是當(dāng)前信息技術(shù)的前沿之一，也是當(dāng)今的研究熱點，受到了廣泛的關(guān)注。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸成為一種廉價、方便的信息采集方法，尤其是在敵對和惡劣的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境下，傳統(tǒng)的方法代價高昂而幾乎無法使用。如文獻[1~3]中的戰(zhàn)場生存性應(yīng)用、一些安全相關(guān)的應(yīng)用以及災(zāi)難管理等應(yīng)用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都顯示了巨大的應(yīng)用價值。在上述應(yīng)用中，傳感器節(jié)點往往是隨機地部署在監(jiān)測區(qū)域，一直工作到能量耗盡為止。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署之后，傳感器節(jié)點采集現(xiàn)實生活中諸如熱、光或者某個監(jiān)測對象的相關(guān)物理信息，對于傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點，都通過自身的傳感電路感知監(jiān)測對象的相關(guān)信息，獲取原始數(shù)據(jù)，然后通過一類稱為基站的特殊節(jié)點經(jīng)過相應(yīng)處理并傳送到外界的控制中心。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，基站的能量和處理能力都較普通節(jié)點強，基站在網(wǎng)絡(luò)部署時基本部署在其他傳感器節(jié)點的附近，其功能是在傳感數(shù)據(jù)傳送到外界控制中心之前對其進行相應(yīng)的處理，如通過數(shù)據(jù)匯聚和融合，基站過濾掉原始傳感數(shù)據(jù)中一些錯誤和無效的數(shù)據(jù)，并消除冗余數(shù)據(jù)，同時，基站也會定期對傳感數(shù)據(jù)進行匯總處理。在文獻[4]的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，經(jīng)過基站融合后的傳感數(shù)據(jù)可以有效地用來追蹤和識別監(jiān)測目標(biāo)；在一些災(zāi)難急救的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，融合后的傳感數(shù)據(jù)可以有效地預(yù)測幸存者的健康狀況以及遇難者的準(zhǔn)確位置信息等。

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署之后，如何保證網(wǎng)絡(luò)的連通性一直是研究界非常關(guān)注的問題，國內(nèi)外研究界提出了一些相關(guān)的算法和協(xié)議，比較有代表性的有：文獻[5]集中討論了傳感器感知模型非圓時網(wǎng)絡(luò)覆蓋和連通性之間的關(guān)系；文獻[6,7]針對網(wǎng)絡(luò)的使用壽命問題，研究了如何在部署的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中選擇足夠的節(jié)點以構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的覆蓋連通集；文獻[8]討論了在對部署節(jié)點位置信息未知的情況下，如何能有效地保證網(wǎng)絡(luò)連通性覆蓋的問題；在文獻[9]中，詳細研究了不同情況下的傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋連通性的分析方法；文獻[10]給出了一種改進的傳感器節(jié)點覆蓋優(yōu)化方法。

針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋連通性問題，本文將在第2節(jié)討論無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋連通性理論及網(wǎng)絡(luò)模型。第3節(jié)采用了一種節(jié)點代理基站來解決網(wǎng)絡(luò)中不可達節(jié)點的連通性方案。第4節(jié)將給出在第2節(jié)中所給模型的基礎(chǔ)上進行網(wǎng)絡(luò)覆蓋連通性判定的算法。第5節(jié)對提出的基站代理方案和節(jié)點連通性判定算法進行實驗。第6節(jié)是結(jié)束語。

2網(wǎng)絡(luò)覆蓋連通性理論及網(wǎng)絡(luò)模型

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連通性的要求與adhoc網(wǎng)絡(luò)大致一致：1)信息必須有一條或足夠多的路徑從信息源轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(基站)；2)信息在轉(zhuǎn)發(fā)過程中延遲盡量小。信息的轉(zhuǎn)發(fā)路徑越多，系統(tǒng)越可靠，但由于需要多個中間節(jié)點同時處于工作狀態(tài)，節(jié)點能耗增加，系統(tǒng)壽命降低。無線發(fā)射器件的能耗隨著收發(fā)距離長度的變大呈指數(shù)增長，采用多跳方式信息轉(zhuǎn)發(fā)代替點對點通信，可以節(jié)約大量的能量。但過多的跳數(shù)會增加信息接收轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，同樣會帶來額外的能耗。因此，將上述2個矛盾的因素折衷，適當(dāng)控制轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的個數(shù)是降低能耗的關(guān)鍵。

通常，理想狀態(tài)下具有節(jié)點連通性優(yōu)化作用的密度控制所要解決的核心問題同覆蓋優(yōu)化類似，但節(jié)點的約束條件更多。將所有傳感節(jié)點組成的集合分為｛h1,h2,…,hm｝等m個子集，即，設(shè)hi為組成主干連接網(wǎng)絡(luò)的傳感節(jié)點的一個集合，si是傳感器節(jié)點。每個處于傳感狀態(tài)的非主干節(jié)點能夠與至少一個主干節(jié)點通信，主干節(jié)點之間必須有一條且至少一條直接或間接的路徑實現(xiàn)二者相連。

基于上述理論，給出一個一般意義上的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，描述如下。

設(shè)N個傳感器節(jié)點隨機地部署在某一區(qū)域，節(jié)點擁有有限的電池能量和數(shù)據(jù)處理能力，在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中節(jié)點的任務(wù)是按照外界控制中心的需要進行動態(tài)的工作，基站部署在其他傳感器節(jié)點附近。假設(shè)傳感器節(jié)點和基站都處于靜止?fàn)顟B(tài)，且基站可以獲悉其他節(jié)點的位置信息?；静捎梦墨I[11,12]中的beacons信號在網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)階段發(fā)現(xiàn)活動節(jié)點，基站負責(zé)組織協(xié)調(diào)傳感器節(jié)點采集相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，匯聚融合原始傳感數(shù)據(jù)并與外界控制中心進行聯(lián)系，最后由控制中心把處理完的有用信息傳遞給用戶。

在系統(tǒng)模型中，設(shè)傳感器節(jié)點能夠向基站報告其剩余能量信息，并能智能地切換開啟和休眠狀態(tài)，且傳感電路和數(shù)據(jù)處理電路可以智能開關(guān)，另外，節(jié)點傳輸距離可以通過編程進行調(diào)節(jié)控制。值得注意的是，SenTech公司開發(fā)的聲覺通道模塊[13]傳感器節(jié)點具有上述功能。設(shè)傳感器節(jié)點可以作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的中繼。基站擁有可以根據(jù)實際任務(wù)和環(huán)境的需要智能地選取部分傳感器節(jié)點進行工作、選擇數(shù)據(jù)路由以及媒體訪問仲裁的網(wǎng)絡(luò)管理功能。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型中，網(wǎng)絡(luò)的組織和管理都是基于能量意識的，依賴于每個傳感器節(jié)點的能量知識，網(wǎng)絡(luò)的控制參照傳感器節(jié)點的工作狀況和能量剩余情況。

在系統(tǒng)中，參考文獻[14,15]中節(jié)點通信時的能量消耗模型，模型中定義的節(jié)點發(fā)送信息和接受信息的能量消耗公式如下。

發(fā)送信息能量消耗：， 接收信息能量消耗：， 其中，Es表示節(jié)點發(fā)送消息的能量消耗；β1和β2分別表示節(jié)點在發(fā)送和接收信息過程中單位信息所耗損的能量，其值均取為50nJ/bit；β’表示單位信息在傳送過程中由于信號保持而在單位面積(m2)耗損的能量，其值取為100pJ/bit/ m2；m表示信息位數(shù)；d表示信息傳輸距離。

基于以上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型，給出以下一些定義。

定義1傳感器節(jié)點間的連通性。若在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域內(nèi)，節(jié)點之間總可以某種路由方式相互傳送信息，則稱在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)節(jié)點之間是連通的。

定義2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連通性。若在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域內(nèi)，對于所有節(jié)點的極大子集，基站總是可以某種路由方式傳送相關(guān)控制信息到該節(jié)點集合中的任何節(jié)點，且該節(jié)點集合中的任意節(jié)點間也是連通的，則稱在該網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)由此極大節(jié)點子集組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是連通的。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點的能量主要花費在對外界信號的轉(zhuǎn)換處理和進行數(shù)據(jù)通信的開銷方面。由于節(jié)點的能量是由有限的電池提供，如果在網(wǎng)絡(luò)工作時一直讓節(jié)點在任何情況下都處于開啟狀態(tài)則會降低節(jié)點的使用壽命，從而影響整個網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。因此，如何有效地利用基站優(yōu)化組織和管理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對于網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化應(yīng)用具有重要的意義。一類面向任務(wù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可以選擇性地開啟覆蓋區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點并平衡節(jié)點的負載，對于任務(wù)無關(guān)的節(jié)點使其處于休眠狀態(tài)，這樣可以節(jié)約寶貴的傳感器節(jié)點能量，達到延長節(jié)點乃至整個網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。

上述網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程的前提是基站必須獲悉網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點情況，只有確保覆蓋區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的連通性基站才能有效地對節(jié)點進行組織和管理。在傳感器網(wǎng)絡(luò)通信中，節(jié)點與基站之間理想通信模式是使用短距離的通信方式，這種方式假設(shè)基站對于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點在任何情況下都是可達的，然而，這并不符合實際。因為在部署傳感器網(wǎng)絡(luò)時沒有統(tǒng)一的模式，且網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境有很大差別。在許多實際應(yīng)用場景中存在各種障礙物（如建筑物、樹木以及其他一些干擾信號等）會阻礙節(jié)點和基站之間的正常通信，有時這些障礙物甚至?xí)构?jié)點處于不可用狀態(tài)。

圖1描述的是當(dāng)基站和傳感器節(jié)點都處于彼此的通信范圍內(nèi)時，由于障礙物的存在使得基站不能夠與被阻礙節(jié)點進行直接通信的情況。

對于基站和傳感器節(jié)點不能直接通信的另一種情況如圖2所示，在傳感器網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域內(nèi)，有部分節(jié)點處于基站的傳輸范圍之外，此時基站和這部分節(jié)點就不能進行直接通信。