面向物聯(lián)網(wǎng)的WSN覆蓋模型研究

馬銀花　張文祥　王學(xué)利　常亮

摘 要：針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在節(jié)能的同時(shí)如何保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量問題，給出了一種網(wǎng)絡(luò)覆蓋模型。該模型描述了節(jié)點(diǎn)傳輸半徑、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)休眠概率、網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域與覆蓋質(zhì)量之間的關(guān)系，可以為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)休眠機(jī)制的設(shè)定提供有效依據(jù)。文章通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)覆蓋模型的正確性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；覆蓋模型；覆蓋質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）04-00-02

0 引 言

WSN技術(shù)是獲取物理環(huán)境感知信息的關(guān)鍵技術(shù)，是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)底層網(wǎng)絡(luò)，具有規(guī)模大、自組織、動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒁詳?shù)據(jù)為中心等特點(diǎn)[1]。由于傳感器節(jié)點(diǎn)大都采用電池供電，能量約束性強(qiáng)，如何降低WSN的能耗，延長WSN的使用壽命是一個(gè)重要的研究課題[2]。

為了增強(qiáng)WSN的監(jiān)測質(zhì)量和提高可靠性，通常將節(jié)點(diǎn)高密度地部署在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，當(dāng)監(jiān)測事件發(fā)生后，這種部署會(huì)產(chǎn)生大量冗余數(shù)據(jù)，不僅會(huì)增加節(jié)點(diǎn)本身的能耗，還會(huì)加大中繼節(jié)點(diǎn)的能耗[3]。因此采用休眠機(jī)制，使節(jié)點(diǎn)輪流工作，盡可能多地將冗余節(jié)點(diǎn)投入到休眠狀態(tài)，是減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)總體能量消耗，延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用壽命的一種行之有效的方法[4]。

1 網(wǎng)絡(luò)模型

假定網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域是一個(gè)半徑為R的圓形區(qū)域S，隨機(jī)部署n個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑為r，具體如圖1所示。

假設(shè)在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域S內(nèi)的任意位置上，不可能存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)部署完后，不能移動(dòng)。假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有工作和休眠兩種狀態(tài)，并能夠在二者之間反復(fù)切換。節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)的能耗大；當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)的能耗低。假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的休眠概率都為a。

對(duì)于圖1所示的網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域S內(nèi)，任何位置發(fā)生的事件，可以被傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到的條件是：該事件發(fā)生的位置是在一個(gè)或多個(gè)處于工作狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑范圍內(nèi)。所以，網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域S內(nèi)任意點(diǎn)被監(jiān)測到的范圍D可用公式（1）來計(jì)算。

3 網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量分析

假設(shè)N是S域內(nèi)的任意位置，在t1到t3時(shí)間段內(nèi)，N鄰域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都處于休眠狀態(tài)。假設(shè)在該時(shí)段內(nèi)的t2時(shí)刻，恰好有一事件在N點(diǎn)位置發(fā)生，該事件只有在N點(diǎn)范圍內(nèi)，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)從休眠狀轉(zhuǎn)換為工作狀態(tài)后的t3時(shí)刻，才能被檢測到。但此時(shí)，距離事件發(fā)生已延遲了td個(gè)時(shí)間單元，事件檢測延遲如圖2所示。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

在仿真中，所有節(jié)點(diǎn)都均勻且獨(dú)立地被分布在半徑為R的圓形區(qū)域S中，這里取r=1，R=10，時(shí)間單位取為秒。

4.1 網(wǎng)絡(luò)覆蓋率仿真實(shí)驗(yàn)

由于節(jié)點(diǎn)采用了隨機(jī)休眠機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)覆蓋率在每個(gè)時(shí)間單元都可能發(fā)生變化，因此，對(duì)于每個(gè)部署方案，均考察了500個(gè)時(shí)間單元，采用50次實(shí)驗(yàn)的平均值作為仿真結(jié)果，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋率如圖3所示。

在圖3中，P-0是節(jié)點(diǎn)休眠概率為0時(shí)的覆蓋率仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而SP-0是節(jié)點(diǎn)休眠概率為0時(shí)的覆蓋率理論計(jì)算結(jié)果；Pa-0.3是節(jié)點(diǎn)休眠概率為0.3時(shí)的覆蓋率仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，SPa-0.3是節(jié)點(diǎn)休眠概率為0.3時(shí)的覆蓋率理論計(jì)算結(jié)果；Pa-0.6是節(jié)點(diǎn)休眠概率為0.6時(shí)的覆蓋率仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，SPa-0.6是節(jié)點(diǎn)休眠概率為0.6時(shí)的覆蓋率理論計(jì)算結(jié)果。

4.2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量仿真實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中，在區(qū)域內(nèi)部署了600個(gè)節(jié)點(diǎn)，同樣采用50次實(shí)驗(yàn)的平均值作為仿真結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量如圖4所示。

在圖4中，PC-0.3是節(jié)點(diǎn)休眠概率為0.3時(shí)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而SPC-0.3是節(jié)點(diǎn)休眠概率為0.3時(shí)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量理論計(jì)算結(jié)果；PC-0.6是節(jié)點(diǎn)休眠概率為0.6時(shí)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而SPC-0.6是節(jié)點(diǎn)休眠概率為0.6時(shí)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量理論計(jì)算結(jié)果。

4.3 結(jié)果分析

通過圖3和圖4可以看出，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與由理論模型計(jì)算得出的結(jié)果較為接近，從而驗(yàn)證了所提出的網(wǎng)絡(luò)覆蓋模型的正確性。

從覆蓋率和覆蓋質(zhì)量兩方面來看，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，網(wǎng)絡(luò)覆蓋率會(huì)得到明顯改善。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加到一定程度時(shí)，覆蓋率會(huì)接近或達(dá)到1，此時(shí)若繼續(xù)增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量，覆蓋率基本不會(huì)增加，相反，網(wǎng)絡(luò)成本卻會(huì)明顯增加。若節(jié)點(diǎn)數(shù)目固定，隨著休眠概率的升高，網(wǎng)絡(luò)覆蓋率會(huì)下降，覆蓋質(zhì)量也會(huì)越來越差。

從另外的角度看，當(dāng)休眠概率的設(shè)定值變大后，如果要追求較高的覆蓋質(zhì)量，則要以投入更多的節(jié)點(diǎn)為代價(jià)。

由此可見，傳感器節(jié)點(diǎn)休眠機(jī)制的確定，需要從投入成本、覆蓋質(zhì)量、使用壽命等多方面因素綜合考慮，需要滿足多個(gè)參數(shù)之間的相互約束關(guān)系。

5 結(jié) 語

本文在采用節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度機(jī)制延長節(jié)點(diǎn)使用壽命的同時(shí)，考慮了使用該方法后對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量的影響。建立了用于描述節(jié)點(diǎn)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)傳輸半徑、節(jié)點(diǎn)休眠概率、網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域與覆蓋質(zhì)量等參數(shù)之間的相互約束的數(shù)學(xué)模型。通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的網(wǎng)絡(luò)覆蓋模型的正確性和有效性。從而為分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量和生命周期提供理論指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙仕俊，路嘉鑫，張超暉.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一維區(qū)域隨機(jī)覆蓋研究[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2010，35（4）：71-75.

[2] Raghunathan V， Schurgers C， Park S， et al.Energy Aware Wireless Microsensor Networks[J].IEEE Signal Processing，2012，19（2）：40-50.

[3] Sinha A， Chandrakasan A P.Dynamic Power Management in Wireless Sensor Network[J].IEEE Design Test Computers， 2011，18（2）： 62-74.

[4] 任秀麗，教傳亮，薛建生，等.與節(jié)點(diǎn)位置無關(guān)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制算法[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2011，32（1）： 121-125.