基于阻擋因素的WSN節(jié)點(diǎn)配置問題研究

王 倫，鄒 濤，陳 菲

武警工程學(xué)院，陜西西安 710086

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線電通信形成的一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是微機(jī)電系統(tǒng)、無線通信、傳感器等多種技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物[1]。這些微型傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)信息采集、數(shù)據(jù)處理、無線通信等功能，組網(wǎng)后能協(xié)作地感知、采集和處理覆蓋區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并傳送有用信息給終端[2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一[3]，在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療護(hù)理、智能家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

WSN包括許多傳感器節(jié)點(diǎn)，它們彼此通過多跳無線信道通信[4]。而且通常都是在沒有預(yù)先準(zhǔn)備情況下實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)配置，以求消耗盡可能少的能量來建立理想的通信拓?fù)鋄5]。因此，采用適當(dāng)?shù)目煽啃员ＷC機(jī)制和性能更優(yōu)的拓?fù)溥B通模型顯得十分必要?？煽啃灾饕删W(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和通信鏈路的連通性及干擾影響大小來決定[5]。研究可靠性及連通性的主要目的就是通過不同拓?fù)溥B接控制方法實(shí)現(xiàn)增加網(wǎng)絡(luò)鏈路連接，減少干擾，保存和節(jié)省能量及有效地增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋，從而最終改善網(wǎng)絡(luò)的性能[6]。

1 阻擋問題描述

本文提出的一種基于網(wǎng)格設(shè)計(jì)的菱形節(jié)點(diǎn)配置方式，能對(duì)給定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)完全無縫連通。網(wǎng)格設(shè)計(jì)基于3個(gè)假設(shè)，其中前兩個(gè)可以近似為成立，但假設(shè)3中所述：所有節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)平面內(nèi)，在工程中進(jìn)行節(jié)點(diǎn)配置時(shí)很難做到；且菱形節(jié)點(diǎn)配置沒有考慮兩節(jié)點(diǎn)之間的阻擋問題，而阻擋會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的連通性產(chǎn)生很大的負(fù)面作用[7]。本節(jié)對(duì)基于阻擋因素的節(jié)點(diǎn)配置問題進(jìn)行討論。

根據(jù)2.4GHz頻段通信特點(diǎn)作如下假設(shè)：只要兩節(jié)點(diǎn)之間存在阻擋則認(rèn)為通信中斷。如果有多處障礙物可能構(gòu)成阻擋，只考慮最高障礙物即可。在實(shí)際情況中，阻擋可分為兩類：

第一類：假設(shè)阻擋為一只具有高度的點(diǎn)，不存在面積和體積，且阻擋在兩節(jié)點(diǎn)通信路徑上[8]。這里不作過多講述。

第二類：阻擋為一存在體積的物體[8]，假設(shè)為一長方體（對(duì)于不規(guī)則物體，可以將其最大化為一般長方體），此時(shí)的數(shù)學(xué)模型為求解一個(gè)面與一個(gè)長方體的相交問題，如果通信路徑投影（兩節(jié)點(diǎn)間通信路徑垂直投影到地面的影像）與障礙物投影（指障礙物垂直投影到地面的影像）不相交，表明障礙物整體不在節(jié)點(diǎn)通信路徑上，則障礙物肯定不會(huì)阻擋兩節(jié)點(diǎn)間的通信[9]。如果通信路徑投影與障礙物投影相交，表明障礙物處于節(jié)點(diǎn)通信路徑上。

2 節(jié)點(diǎn)配置

在實(shí)際工程中，第二類阻擋居多。本節(jié)重點(diǎn)研究基于第二類阻擋的節(jié)點(diǎn)配置問題。

在地面坐標(biāo)xOy（障礙物及通信路徑都投影到地面上）里，A、B、C、D為障ˉˉ礙ˉˉˉ→物投影的四個(gè)頂點(diǎn)，N1，N2為兩節(jié)點(diǎn)的投影?，F(xiàn)求解直線 N1N2與矩形 ABCD 四條邊的交點(diǎn)記為 E( X4,Y4)、F( X2,Y2)、 G( X1, Y1)、 H( X3, Y3)。

聯(lián)解（1）、（2）得G點(diǎn)坐標(biāo)：

聯(lián)解（1）、（3）得F點(diǎn)坐標(biāo)：

聯(lián)解（1）、（4）得H點(diǎn)坐標(biāo)：

聯(lián)解（1）、（5）得E點(diǎn)坐標(biāo)：

現(xiàn)假設(shè)E，F(xiàn)兩交點(diǎn)在各自的邊上，由此可分別求出兩交點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)N1的距離記為l1，l2及兩節(jié)點(diǎn)的直線距離l3。為方便求解，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到具有高度的x O z′′里，此時(shí)地面被通信路徑切為一條直線，以這條直線為x'軸，以高度所在的直線為z軸。在坐標(biāo)系x O z′′里，兩交點(diǎn)1(,0)E l，2(,0)F l分別對(duì)應(yīng)為E'，F(xiàn)'；兩節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)為H為障礙物的高度。

（1）若 H＜h1，則節(jié)點(diǎn)配置在障礙物靠近較低節(jié)點(diǎn)的一端，即圖2中所示點(diǎn)I；

（2）若 H＞h1，則節(jié)點(diǎn)配置在圖1中的點(diǎn)J，可以在障礙物上架設(shè)一定高的支撐點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn)配置在支撐點(diǎn)上。

其中 ˉ，ˉˉ點(diǎn)ˉˉ→J的求解過程如圖1所示。

直線N1′ K的方程 ：

直線ˉˉˉˉ→方程為 ：

N2′ L

圖1 基于阻擋因素的中繼節(jié)點(diǎn)配置

3 結(jié)論

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息傳播中主要存在兩類阻擋，本文通過數(shù)學(xué)建模對(duì)第二類阻擋即阻擋為一存在體積的物體進(jìn)行研究，即得出了J點(diǎn)從而保證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無縫連通，進(jìn)而使傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠快速高效的運(yùn)行。

[1]I.F.Akyildiz, w.Su, Y.Sankarasubramaniam, et al.Wireless senser networks：a survey[J].Computer Networks, 2002, 38：393-341.

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[4]聶啟祥，方源敏，左小清.基于GIS/GSM/GPS的車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].地礦測(cè)繪，2007, 23(3)：11-12.

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