多阻擋因素下無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署

廖偉國，文明瑤

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院，廣東 廣州 510900)

1 引言

不同于互聯(lián)網(wǎng)，無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的是物與物以及人與物的交互。作為一個信息技術(shù)新領(lǐng)域，無線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的功能，被認(rèn)為是一種使人類生活發(fā)生巨大變化的高科技產(chǎn)業(yè)[1]。以任務(wù)要求為依據(jù)，其傳感器節(jié)點(diǎn)上往往同時(shí)集成了多種功能的傳感器，包括光強(qiáng)度傳感器、噪聲傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器等，因此其傳感節(jié)點(diǎn)往往是數(shù)量極其龐大[2]。在監(jiān)測區(qū)域部署這些節(jié)點(diǎn)后，即可通過無線通信方式構(gòu)成自組織網(wǎng)絡(luò)，并執(zhí)行信息的傳輸、處理和采集等任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域的目的[3]。然而當(dāng)監(jiān)測區(qū)域的通信情況較為復(fù)雜時(shí)，節(jié)點(diǎn)的分布往往很不均勻，為實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的良好部署，需要對無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署進(jìn)行研究。

最早開展相關(guān)研究的國家是美國，其研究是基于軍事目的進(jìn)行的，主要應(yīng)用于軍事防御部署，提出了一種基于自主分布系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法，并將其應(yīng)用于軍事方面。目前，在該領(lǐng)域美國的研究成果仍然位居世界前端。歐盟也成立了相關(guān)研究項(xiàng)目，提出了一種基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法，并分析其實(shí)踐應(yīng)用效果。相較于歐洲美國，我國對于無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署的研究起步很晚，但國家已經(jīng)將其列為重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目，因此也取得了不錯的研究成果。

由于研究中的阻擋因素較多，因此從多種阻擋因素出發(fā)，提出一種多阻擋因素下的無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法，其創(chuàng)新點(diǎn)在于結(jié)合監(jiān)測區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)受各種阻塞因子聯(lián)合探測的概率，初步確定空洞覆蓋區(qū)域，進(jìn)而確定覆蓋孔洞的位置，通過構(gòu)造加權(quán)二部圖對移動節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度，使移動節(jié)點(diǎn)移動到覆蓋洞的位置，從而實(shí)現(xiàn)非均勻分布節(jié)點(diǎn)的部署。

2 設(shè)計(jì)多阻擋因素下無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法

2.1 構(gòu)建節(jié)點(diǎn)感知模型

以概率感知模型為基礎(chǔ)，進(jìn)一步改善環(huán)境與節(jié)點(diǎn)感知能力的關(guān)系，構(gòu)建統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)感知模型[4]。在模型的構(gòu)建過程中，將傳感器節(jié)點(diǎn)作為圓心，在半徑為Rs-Rε的球體范圍中，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)感知概率是1，其中Rs表示節(jié)點(diǎn)實(shí)際感知半徑；Rε表示不確定的節(jié)點(diǎn)感知因素。則對于半徑為Rs-Rε到Rs+Rε范圍的球體，節(jié)點(diǎn)感知概率表現(xiàn)為指數(shù)函數(shù)；對于半徑為Rs+Rε以上的球體范圍，節(jié)點(diǎn)感知概率是0[5-6]。

構(gòu)建的統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)感知模型具體如圖1所示[7]。

圖1 構(gòu)建的統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)感知模型

構(gòu)建的統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)感知模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式具體如下

(1)

式(1)中，d(Sn，P)表示傳感器節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)事物的歐式距離；λ、α、β表示半徑為Rs-Rε到Rs+Rε范圍的球體內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)感知事物能力的衰減系數(shù)；Pp(Sn)表示構(gòu)建的統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)感知模型[8]。

2.2 確定部署節(jié)點(diǎn)數(shù)量

對需要部署的總節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行估計(jì)。將監(jiān)測區(qū)域的實(shí)際面積設(shè)為A，則對于整體部署區(qū)域而言，單個節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測概率具體如下式

(2)

式(2)中，p表示對于整體部署區(qū)域而言的單個節(jié)點(diǎn)監(jiān)測概率[9]。

將單個節(jié)點(diǎn)的實(shí)際覆蓋率記為P(A)=p，對于監(jiān)測區(qū)域而言，各節(jié)點(diǎn)的覆蓋是獨(dú)立的，則對于部署區(qū)域來說，m個節(jié)點(diǎn)的覆蓋率為

(3)

式(2)中，P(A)′表示對于部署區(qū)域來說m個節(jié)點(diǎn)的覆蓋率[10]。

2.3 確定覆蓋空洞

綜合多種阻擋因素對任意點(diǎn)k在監(jiān)測區(qū)域的聯(lián)合探測概率進(jìn)行計(jì)算，以初步確定覆蓋空洞Cmin(P)的區(qū)域，接著對覆蓋空洞位置進(jìn)行確定[11]。通過聯(lián)合探測概率初步確定覆蓋空洞區(qū)域的示意圖如圖2所示。

圖2 通過聯(lián)合探測概率初步確定覆蓋空洞區(qū)域的示意圖

2.4 調(diào)度移動節(jié)點(diǎn)

為提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，構(gòu)建賦權(quán)二部圖對移動節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度，把移動節(jié)點(diǎn)向覆蓋空洞處移動，以實(shí)現(xiàn)非均勻分布節(jié)點(diǎn)的部署。

對賦權(quán)二部圖進(jìn)行構(gòu)建的具體步驟如下：

1)V1表示移動節(jié)點(diǎn)集合，在V1中加入全部可移動節(jié)點(diǎn)。

2)V2表示虛擬節(jié)點(diǎn)集合，在V2中加入全部虛擬節(jié)點(diǎn)。

3)對于?u∈V1與?v∈V2，其中u表示移動節(jié)點(diǎn)集合中的移動節(jié)點(diǎn)，v表示虛擬節(jié)點(diǎn)集合中的虛擬節(jié)點(diǎn)。對虛擬節(jié)點(diǎn)v到移動節(jié)點(diǎn)u的距離進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)計(jì)算結(jié)果比移動節(jié)點(diǎn)u可以移動的最大距離du小，則在賦權(quán)二部圖G里添加(u，v)這條邊，這條邊的權(quán)值為虛擬節(jié)點(diǎn)v到移動節(jié)點(diǎn)u的移動距離，用w(u，v)來表示；當(dāng)計(jì)算結(jié)果比移動節(jié)點(diǎn)u可以移動的最大距離du大，則在賦權(quán)二部圖G里添加(u，v)這條邊，這條邊的權(quán)值為∞，也就是w(u，v)=∞。由此實(shí)現(xiàn)賦權(quán)二部圖的構(gòu)建，構(gòu)建的二部圖集表示為

(4)

式(4)中，V表示節(jié)點(diǎn)集合；E表示權(quán)值集合。

完成賦權(quán)二部圖的構(gòu)建后，為將無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋率最大化，需要獲取一個最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)移動方案，也就是需要對最小花費(fèi)的賦權(quán)二部圖最大匹配基進(jìn)行求取，利用Hopt表示該最大匹配基[12]。

基于最小花費(fèi)的賦權(quán)二部圖最大匹配基Hopt所對應(yīng)的最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)移動方案對移動節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度，能夠?qū)o線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際覆蓋率最大化，并保持最小的總節(jié)點(diǎn)移動距離。

對最小花費(fèi)的賦權(quán)二部圖最大匹配基進(jìn)行求取的示意圖如圖3所示。

圖3 求取示意圖

3 節(jié)點(diǎn)部署實(shí)驗(yàn)

3.1 節(jié)點(diǎn)覆蓋程度實(shí)驗(yàn)

利用Matlab進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署的仿真。以KDNuggets (http:∥www.kdnuggets.com/datasets/index.html)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源，在隨機(jī)選取的某實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)區(qū)域中對其六十個非均勻分布節(jié)點(diǎn)進(jìn)行部署，其中包括動態(tài)節(jié)點(diǎn)與靜態(tài)節(jié)點(diǎn)。仿真中的參數(shù)值設(shè)置如表1所示。

表1 仿真中的參數(shù)值設(shè)置

實(shí)驗(yàn)中非均勻分布節(jié)點(diǎn)的初始分布情況與移動情況如圖4所示。

圖4 非均勻分布節(jié)點(diǎn)的初始分布情況與移動情況

利用多阻擋因素下無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法分別對實(shí)驗(yàn)中的動態(tài)節(jié)點(diǎn)與靜態(tài)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行部署，分別獲取動態(tài)節(jié)點(diǎn)與靜態(tài)節(jié)點(diǎn)部署后的節(jié)點(diǎn)覆蓋程度作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

其中動態(tài)節(jié)點(diǎn)的個數(shù)為18個，其節(jié)點(diǎn)覆蓋程度數(shù)據(jù)具體如圖5所示。

圖5 動態(tài)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)覆蓋程度數(shù)據(jù)

根據(jù)圖5動態(tài)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)覆蓋程度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，利用多阻擋因素下無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法進(jìn)行動態(tài)節(jié)點(diǎn)的部署后，動態(tài)節(jié)點(diǎn)的覆蓋程度可達(dá)82.47%，實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)的良好覆蓋率。但由于移動節(jié)點(diǎn)整體數(shù)量較少，因此難以達(dá)到完全覆蓋，對數(shù)量較多的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的覆蓋程度繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

實(shí)驗(yàn)中靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的個數(shù)為42個，利用多阻擋因素下無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法對靜態(tài)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行部署后，靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)覆蓋程度數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)覆蓋程度數(shù)據(jù)

根據(jù)圖6靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)覆蓋程度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，利用多阻擋因素下無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法進(jìn)行靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的部署后，靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)覆蓋程度可達(dá)98.96%，幾乎可以實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的完全覆蓋，實(shí)現(xiàn)良好的無線網(wǎng)絡(luò)性能。

3.2 節(jié)點(diǎn)定位性能實(shí)驗(yàn)

為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比性，將兩種原有的無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法作為節(jié)點(diǎn)定位性能實(shí)驗(yàn)中的對比方法，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中非均勻分布節(jié)點(diǎn)的部署并獲取能量消耗與交換信息包數(shù)對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這兩種原有方法分別為引言中提到的基于自主分布系統(tǒng)、基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法。

多阻擋因素下無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法與基于自主分布系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法與基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法的能量消耗對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 能量消耗對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表2三種實(shí)驗(yàn)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法的能量消耗對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，所提方法的能量消耗低于其它兩種方法。

多交換信息包數(shù)對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 交換信息包數(shù)對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表3三種實(shí)驗(yàn)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法的交換信息包數(shù)對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，多阻擋因素下無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法在節(jié)點(diǎn)定位中的交換信息包數(shù)遠(yuǎn)高于基于自主分布系統(tǒng)、基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法的節(jié)點(diǎn)定位性能。

4 結(jié)束語

1)提出了一種多阻擋因素下無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法，在多阻擋因素下對無線網(wǎng)絡(luò)非均勻分布節(jié)點(diǎn)部署方法進(jìn)行研究，交換信息包最高可達(dá)12578個，保證其節(jié)點(diǎn)部署的定位性能。

2)通過確定空洞覆蓋區(qū)域，進(jìn)而確定覆蓋孔洞的位置，為節(jié)點(diǎn)部署提供優(yōu)化基礎(chǔ)，動態(tài)節(jié)點(diǎn)的個數(shù)為18個時(shí)，動態(tài)節(jié)點(diǎn)的覆蓋程度可達(dá)82.47%；靜態(tài)節(jié)點(diǎn)個數(shù)為42個時(shí)，靜態(tài)節(jié)點(diǎn)覆蓋程度可達(dá)98.96%。