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1wsn覆蓋控制技術(shù)研究

無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要部署在礦井巷道和工作面，不考慮巷道的高度和工作面高度的影響，節(jié)點(diǎn)部署的問題可簡化為線性網(wǎng)絡(luò)和平面網(wǎng)絡(luò)的最少節(jié)點(diǎn)部署問題。

1．1線性網(wǎng)絡(luò)在類似線性網(wǎng)絡(luò)的巷道中感知的數(shù)據(jù)沿著線性路徑匯聚到處于sink節(jié)點(diǎn)，因而臨近sink的部分節(jié)點(diǎn)成為帶寬容量和能量的瓶頸。如果節(jié)點(diǎn)是均勻的沿線部署，則臨近sink的節(jié)點(diǎn)由于能量快速消耗而失效，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)分割，限制了網(wǎng)絡(luò)生存周期，解決的方法是優(yōu)化節(jié)點(diǎn)間的放置距離以獲得期望的網(wǎng)絡(luò)生存期。可以在節(jié)點(diǎn)初始能量固定的條件下，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸功率與距離的關(guān)系采用適當(dāng)?shù)姆胖盟惴ǚ胖霉?jié)點(diǎn)。設(shè)d為發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接受節(jié)點(diǎn)間的距離，假設(shè)節(jié)點(diǎn)沿一直線排列，如圖1所示。節(jié)點(diǎn)初始能量為E，感知半徑為D。若di記為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)（i＋1）間的距離，節(jié)點(diǎn)n為sink。單位時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)在單位面積上產(chǎn)生C單位數(shù)據(jù)。為保證覆蓋，那么對于任意的i都有dilD。

1．2平面網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心，感知數(shù)據(jù)被逐跳轉(zhuǎn)發(fā)至sink。根據(jù)平面上各點(diǎn)到sink的不同距離，可以將任務(wù)區(qū)域劃分為多個以sink為中心的同心圓環(huán)。顯然，處于不同圓環(huán)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)的任務(wù)也不同：最外層的節(jié)點(diǎn)只發(fā)送自身的感知數(shù)據(jù)，不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；內(nèi)層區(qū)域節(jié)點(diǎn)既發(fā)送自身的感知數(shù)據(jù)又轉(zhuǎn)發(fā)外層鄰居的數(shù)據(jù)（如圖2所示）。網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景給定了網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和生存期的要求，因而需要考慮部署多少節(jié)點(diǎn)才合適，若部署節(jié)點(diǎn)過少則不能保證覆蓋質(zhì)量或網(wǎng)絡(luò)生存期，節(jié)點(diǎn)過多則節(jié)點(diǎn)費(fèi)用上升，因此自然地提出了最少節(jié)點(diǎn)部署問題。

1．3異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)連通覆蓋異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)連通覆蓋可以表述為在一個給定的異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)里，如何喚醒盡量少的節(jié)點(diǎn)使得任務(wù)區(qū)域中的每個點(diǎn)都被覆蓋，而且活躍節(jié)點(diǎn)都是轉(zhuǎn)發(fā)連通的，也就是求異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的最小轉(zhuǎn)發(fā)連通覆蓋集問題。當(dāng)異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中只有一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，而且鏈路是可靠的，即數(shù)據(jù)成功發(fā)送概率為1時(shí)，異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的最小轉(zhuǎn)發(fā)連通覆蓋集問題簡化為同構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的最小連通覆蓋集問題，同構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的最小連通覆蓋集問題已被證明是NP－Hard，因而異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的最小轉(zhuǎn)發(fā)連通覆蓋集問題是NP－Hard的。異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的最小轉(zhuǎn)發(fā)連通覆蓋集問題是找出盡量少的傳感器節(jié)點(diǎn)，既能夠覆蓋任務(wù)區(qū)域且又是轉(zhuǎn)發(fā)連通的，擬分兩個2步驟尋找近似解：（1）喚醒近似最小的覆蓋集。（2）構(gòu)建轉(zhuǎn)發(fā)連通的覆蓋集。由于覆蓋集節(jié)點(diǎn)不一定是轉(zhuǎn)發(fā)連通的，因而需要加入一些節(jié)點(diǎn)以優(yōu)化覆蓋節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，最終構(gòu)成轉(zhuǎn)發(fā)連通的覆蓋集。

2WSN網(wǎng)絡(luò)中p－Grid協(xié)議設(shè)計(jì)

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按簇劃分，每個簇有一個高功率簇頭節(jié)點(diǎn)和低功耗成員節(jié)點(diǎn)組成。在簇成員之間通常沒有數(shù)據(jù)傳輸，在空閑狀態(tài)不必相互發(fā)現(xiàn)對方，因此沒有必要總是保持簇成員之間的交集屬性。將數(shù)據(jù)傳輸看作write操作，將空閑狀態(tài)的偵聽看作read操作，為了節(jié)省能量，必須確保讀群集和寫群集之間的交集不能為空，即write∩write≠，read∩write≠。非對稱的群組喚醒調(diào)度機(jī)制正是基于上述理念，設(shè)計(jì)出網(wǎng)格群組。一個讀群集由網(wǎng)格中的一縱列組成，一個寫群集由網(wǎng)格中的一橫行組成。為了獲得更高的能量節(jié)省率和更好的發(fā)現(xiàn)延時(shí)，設(shè)計(jì)出基于群組的p－Grid協(xié)議。p－Grid是基于群組的屬性設(shè)計(jì)的。每個節(jié)點(diǎn)有兩種操作模式：偵聽模式和探測模式。偵聽模式中，通過檢查時(shí)隙頭部是否出現(xiàn)增益電平來判斷是否有報(bào)文傳輸；處在探測模式的節(jié)點(diǎn)處于喚醒狀態(tài)，并且發(fā)送短的前同步碼。每個節(jié)點(diǎn)在空閑狀態(tài)保持偵聽模式，需要鄰居發(fā)現(xiàn)時(shí)，探測節(jié)點(diǎn)從偵聽模式轉(zhuǎn)變?yōu)樘綔y模式，接著發(fā)送前同步碼去探測鄰居。當(dāng)鄰居們檢測到前同步碼，通過反饋REPLY信息來表明它們的存在。在p－Grid中，節(jié)點(diǎn)偵聽模式中的偵聽調(diào)度將等同于一個read群集，探測模式中的探測調(diào)度等同于一個write群集。由于read∩write≠，一個處于探測模式的節(jié)點(diǎn)肯定能夠發(fā)現(xiàn)處于偵聽模式的鄰居。在群組周期內(nèi)，依據(jù)讀群集和寫群集之間的非空交集屬性，一個節(jié)點(diǎn)必能在有限時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)周圍的鄰居。

3p－Grid仿真結(jié)果分析

為了評價(jià)本文提出的p－Grid路由協(xié)議的性能，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)并與GRID協(xié)議性能進(jìn)行對比。仿真工具采用OMNeT＋＋仿真軟件［10］。本文從網(wǎng)絡(luò)總體能量消耗、節(jié)點(diǎn)存活數(shù)量兩方面對GRID和p－Grid進(jìn)行對比分析。通過實(shí)驗(yàn)，得到GRID與p－Grid網(wǎng)絡(luò)能量總能耗比較情況（如圖3所示），以及兩者網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存活數(shù)比較情況。

4結(jié)論

本文針對井下礦物開采的工作環(huán)境及通信現(xiàn)狀，以Ethernet和WSN的井下應(yīng)急通信系統(tǒng)架構(gòu)為背景，從提高能量效率的角度，對最少節(jié)點(diǎn)部署和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)連通覆蓋問題進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)出p－Grid路由協(xié)議。仿真實(shí)驗(yàn)表明，p－Grid協(xié)議延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期，節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)總體能耗。

作者：劉曉悅趙曄賀曉巧單位：河北聯(lián)合大學(xué)