智能電網(wǎng)中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能節(jié)點(diǎn)定位方法

王翀，曾锃

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司信息通信分公司，江蘇 南京 210000）

智能電網(wǎng)中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能節(jié)點(diǎn)定位方法

王翀，曾锃

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司信息通信分公司，江蘇 南京 210000）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能電網(wǎng)目標(biāo)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和定位中得到到越來(lái)越多的應(yīng)用。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，能量是一種臨界資源，系統(tǒng)壽命通過(guò)節(jié)能策略得到延長(zhǎng)。提出了一種基于能量感知的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)和定位方法。這種方法只需要少量的傳感器節(jié)點(diǎn)信息，由簇頭執(zhí)行定位程序來(lái)確定進(jìn)一步定位所需的傳感器子集。這樣減少了能量消耗和通信帶寬需求，延長(zhǎng)了系統(tǒng)壽命。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種定位方法可以節(jié)省高達(dá)32%的能量。

智能電網(wǎng)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)定位；能量感知

1 引言

智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)包括有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要指無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是面向具體應(yīng)用型的網(wǎng)絡(luò)，在智能電網(wǎng)中還是一個(gè)較新與較熱的研究領(lǐng)域。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)適應(yīng)性確保節(jié)點(diǎn)能根據(jù)實(shí)際要求部署在各種條件苛刻、環(huán)境險(xiǎn)惡的區(qū)域內(nèi)，不僅減輕了人工檢查的工作量和困難度，而且可以長(zhǎng)期有效地收集數(shù)據(jù)信息，同時(shí)減少了維護(hù)次數(shù)，降低了有線檢測(cè)的成本，特別是在偏遠(yuǎn)山區(qū)甚至人類搜索困難的區(qū)域，可以最大程度地體現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)。

智能電網(wǎng)是一項(xiàng)清潔綠色的工程，要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有更小的能量消耗和通信帶寬需求，具有更長(zhǎng)的系統(tǒng)壽命。能量策略在網(wǎng)絡(luò)中是至關(guān)重要的［1］，近來(lái)有一些研究已經(jīng)使傳感器網(wǎng)絡(luò)能量更有效。參考文獻(xiàn)［2］提出了一種無(wú)論傳感器是否工作，都能計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)壽命邊界的數(shù)學(xué)模型。在參考文獻(xiàn)［3］中，基于硬件的用來(lái)傳輸和接收的能量模型被廣泛應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中。參考文獻(xiàn)［4］提出了基于簇的LEACH路由算法，作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高效能量通信協(xié)議。其他相關(guān)工作包括鏈路層的能量節(jié)省策 略［5］、數(shù) 據(jù) 融 合［6］和系統(tǒng)劃分［7，8］等 。

本文主要關(guān)注減少無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位的能量消耗問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)如果沒(méi)有節(jié)點(diǎn)活動(dòng)，能量的消耗率是恒定的［9］。由于定位包括不同節(jié)點(diǎn)的協(xié)同傳感和通信，一個(gè)活動(dòng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的最低能量消耗是很難確定的。定位細(xì)節(jié)的傳輸由于包含大量的原始數(shù)據(jù)而需要消耗很大的能量。同時(shí)，無(wú)線信道的有限帶寬也使得定位細(xì)節(jié)傳輸?shù)酱仡^的時(shí)間有了延遲。本文采用一種新的節(jié)點(diǎn)定位策略來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。提出了一種后驗(yàn)的能量感知定位策略，即基于簇頭和簇內(nèi)傳感器之間兩步通信協(xié)議。第一步傳感器檢測(cè)出一個(gè)事件位置，并將它用簡(jiǎn)單的二進(jìn)制傳給簇頭。然后，簇頭詢問(wèn)一個(gè)有近似位置信息的傳感器子集。仿真結(jié)果顯示，使用這種定位方法可以節(jié)省最多32%的能量。

2 相關(guān)設(shè)定

本文作以下假設(shè)：在初始化之后，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都能與簇頭通信。簇頭在初始化步驟中也能知道傳感器的位置信息。簇頭在能量的消耗上要大于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，這是因?yàn)楸疚挠么仡^負(fù)責(zé)計(jì)算，節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)。為了方便，認(rèn)為發(fā)送和接收一定數(shù)量的數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間是一樣的。不同節(jié)點(diǎn)到簇頭的距離差異忽略不計(jì)。另外，假設(shè)所有傳感器節(jié)點(diǎn)都是一致的。

傳感器的檢測(cè)模型是將物理的傳感信號(hào)轉(zhuǎn)化成概率數(shù)值，用來(lái)評(píng)價(jià)傳感器收集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定水平?？紤]一個(gè)n×m網(wǎng)格的傳感器網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)在初始部署階段有k個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器的偵測(cè)范圍是r。假設(shè)節(jié)點(diǎn)si（1≤i≤k）表示配置在點(diǎn)（xi，yi）處的節(jié)點(diǎn)。把協(xié)同節(jié)點(diǎn) p 和 si之間的歐式距離定義為 d（si，p）。概率傳感器檢測(cè)模型［10］表示如下：

其中，re表示檢測(cè)中的不確定性測(cè)量。 α=d（si，p）-（r-re），λ和β表示當(dāng)距離大于re且小于傳感器檢測(cè)范圍時(shí)的檢測(cè)概率測(cè)量的參量。

采用參考文獻(xiàn)［11］中的方法來(lái)建立能量消耗的模型。假設(shè)一個(gè)傳感器的能量消耗由3部分組成：感知、發(fā)送和接收，并分別用 ψs、ψt和 ψr表示。在 t時(shí)刻，同時(shí)有 k（t）個(gè)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器活動(dòng)的能量可以表示為：

其中，Ts表示傳感器工作的持續(xù)時(shí)間。在一段固定時(shí)間間隔里，Es也是一個(gè)恒定值。節(jié)點(diǎn)和簇頭間的通信可以被分成兩類，分別為Eb和Ec。Eb是從簇頭到節(jié)點(diǎn)間廣播所需要的能量，Ec是節(jié)點(diǎn)與簇頭通信所消耗的能量。

參數(shù)T的取值是和通信中數(shù)據(jù)的大小成比例的。用Td表示原始數(shù)據(jù)量所對(duì)應(yīng)的T，則瞬時(shí)的能量消耗和總的能量消耗可以表示為：

其中，tstant、tend分別表示傳感器開(kāi)始、結(jié)束工作的時(shí)間。

3 目標(biāo)定位方法

在兩步通信協(xié)議中，當(dāng)傳感器檢測(cè)到一個(gè)目標(biāo)時(shí)，它會(huì)發(fā)送一個(gè)事件通知到簇頭。為了節(jié)省能量和帶寬，這個(gè)事件通知會(huì)用只需一個(gè)比特的簡(jiǎn)單方式。詳細(xì)的信息會(huì)先存儲(chǔ)在本地內(nèi)存中并在后繼的問(wèn)詢中提供給簇頭。在收到簇中傳感器信息的基礎(chǔ)上，簇頭執(zhí)行一個(gè)或然定位算法來(lái)確定候選定位信息，然后質(zhì)詢鄰近的傳感器。目標(biāo)定位方法流程如圖1所示。

圖1 目標(biāo)定位方法流程

（1）檢測(cè)概率表

算法的后驗(yàn)性是基于檢測(cè)概率表的。這個(gè)表包含了所有可以檢測(cè)網(wǎng)格中全體目標(biāo)的那些傳感器的概率報(bào)告。這樣的表是通過(guò)對(duì)簇頭每一個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算而得出的。假設(shè)網(wǎng)格點(diǎn) p（x，y）被一系列的傳感器 kxy檢測(cè)到，用 Sxy表示。概率表的計(jì)算式為：

其中，0≤i≤2kxy，如果 sj檢測(cè)到 p（x，y）的位置，那么pxy（sj，i）=cxy（sj）；否 則 ，pxy（sj，i）=1-cxy（sj）。

（2）基于得分的排序

假設(shè)Srep（t）是一個(gè)在t時(shí)刻報(bào)告檢測(cè)到目標(biāo)的傳感器子集，Srep，xy（t）是一個(gè)在 t時(shí)刻報(bào)告檢測(cè)到點(diǎn) p（x，y）的傳感器子集，Sq（t）表示在t時(shí)刻被簇頭選擇問(wèn)詢的傳感器子集。它們的基數(shù)分別表示為 krep（t）、krep，xy（t）和 kq（t）。采用一種基于已經(jīng)建立概率表的推理方法［12］。為了節(jié)省能量和帶寬，簇頭使用概率表從 krep（t）中選擇 kq（t）個(gè)供質(zhì)詢的傳感器子集，得到更詳細(xì)的信息。t時(shí)刻網(wǎng)格點(diǎn)p（x，y）的分?jǐn)?shù)可以表示如下：

其中，i（t）是 t時(shí)刻 p_tablexy的索引。wxy（t）的定義如下：

（3）質(zhì)詢傳感器的選擇

假設(shè)可以允許報(bào)告事件的傳感器的最大數(shù)目是kmax。如果 kmax≥krep（t），所有的傳感器都是可以質(zhì)詢的。否則，根據(jù)得分的排序，選擇具有最小距離、最高得分的接受質(zhì)詢，規(guī)則定義為：

其中，si∈Srep（t），PMS表示得分最高的網(wǎng)格點(diǎn)集。

4 實(shí)驗(yàn)和分析

實(shí)驗(yàn)選取30×30的傳感器網(wǎng)格，其中有20個(gè)傳感器隨機(jī)分布。參數(shù)的設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

圖2顯示了傳感器網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)軌跡。目標(biāo)從start移動(dòng)到end。假設(shè)目標(biāo)的移動(dòng)以離散的秒為單位，采樣兩個(gè)相鄰地點(diǎn)的間隔時(shí)間足夠長(zhǎng)。

圖3表示目標(biāo)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)和累積節(jié)省能量。從圖3可以看出，在定位中節(jié)省了大量的能量，經(jīng)計(jì)算，節(jié)省能量最大可達(dá)到32%，最少不低于10%。當(dāng)kmax接近krep（t）時(shí)，節(jié)省的能量會(huì)少一些。這是因?yàn)樵趦刹酵ㄐ挪呗缘念^上需要更多的額外通信。然而，即使當(dāng)kmax=3時(shí)，節(jié)省的能量也是很客觀的。當(dāng)選擇了合適的kmax后，可以使方法的效率達(dá)到最優(yōu)。

圖2 隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)軌跡示意

圖3 節(jié)省的瞬時(shí)和累積能量

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)工程的不斷發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也得到越來(lái)越多的應(yīng)用。為了達(dá)到綠色節(jié)能的建設(shè)要求，基于簇頭和簇中傳感器的兩步通信協(xié)議以及一種后驗(yàn)定位算法，提出了一種基于能量感知的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所提出的方法可以節(jié)省最多32%的能量。在今后的工作中，隨著“大云物移”（大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)應(yīng)用）等新技術(shù)在國(guó)家電網(wǎng)中的推廣，偏遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)人巡檢、移動(dòng)門戶、國(guó)網(wǎng)電子商城在個(gè)人終端的使用對(duì)進(jìn)一步研究不同環(huán)境下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位方法和安全認(rèn)證問(wèn)題提出了更高的要求。

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An energy conservation method for locating wireless sensor network nodes in smart grid

WANG Chong，ZENG Zeng
Information and Communication Company，State Gnid Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210000，China

Wireless sensor network has been increasingly applied for detecting，monitoring and locating targets in smart grid.In a wireless sensor network，energy is deemed as a critical resource and life of the system can be prolonged by energy saving strategy.A node detection and localization method based on energy-aware was presented.The method could be used for the clustering-based wireless sensor networks.It employed a posterior algorithm using a two-step communication protocol between the clustering head sensor and sensors inside.Only a small amount of node information was needed for the clustering head to run the localization program to determine the subset of sensors for further localization.In this way，consumption of energy and demand for communication bandwidth could be reduced，and the system life could be prolonged as well.Experiment results show that this locating method is able to save up to 32%of energy.

smart grid，wireless sensor network，node localization，energy-aware

TN957.52

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016110

2015-09-30；

2016-03-15

王翀（1982-），男，國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司信息通信分公司技術(shù)發(fā)展部高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏π畔⑼ㄐ偶夹g(shù)。

曾锃（1987-），男，國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司信息通信分公司技術(shù)發(fā)展部中級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏π畔⑼ㄐ偶夹g(shù)。