網(wǎng)絡(luò)研究論文：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布及定位研討

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本文作者：蔡銀河、陳志標(biāo) 單位：福建師范大學(xué)協(xié)和學(xué)院信息技術(shù)系、福建師范大學(xué)協(xié)和學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)及管理節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)就是大量傳感器節(jié)點(diǎn)在環(huán)境中的隨機(jī)布置，并通過(guò)一定的組織形式構(gòu)成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)所探測(cè)到的數(shù)據(jù)和信息可以經(jīng)由其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳傳輸，在數(shù)據(jù)和信息傳輸過(guò)程中，可能由多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，最終路由到系統(tǒng)的匯聚節(jié)點(diǎn)，由系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭_(dá)管理節(jié)點(diǎn)。管理節(jié)點(diǎn)實(shí)際上相當(dāng)于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的控制中心，可以對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任意部分進(jìn)行配置和管理，而且負(fù)責(zé)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)任務(wù)和收集監(jiān)測(cè)信息。此外，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)還可以通過(guò)隨機(jī)分布的數(shù)據(jù)處理單元、集成傳感器以及通信模塊的節(jié)點(diǎn)自組織的形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，借助微小通信節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的傳感器測(cè)量網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域周邊環(huán)境的紅外信號(hào)、熱信號(hào)、聲納信號(hào)及雷達(dá)地震波信號(hào)，繼而探測(cè)并收集到周?chē)h(huán)境中的溫度、濕度、光強(qiáng)度、壓力、噪聲、土壤等用戶(hù)關(guān)注的物質(zhì)現(xiàn)象。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有不受有線網(wǎng)絡(luò)限制、無(wú)需固定設(shè)備支撐、易于組網(wǎng)的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)快速有效部署，適用于難以應(yīng)用有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的惡劣環(huán)境，如核電廠、煤礦、變電站等危險(xiǎn)的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。對(duì)于有線網(wǎng)路基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)不發(fā)達(dá)的區(qū)域通過(guò)應(yīng)用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可探測(cè)到實(shí)時(shí)、高效的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，保障了工業(yè)生產(chǎn)的安全性和事故處理的及時(shí)性，避免了常規(guī)數(shù)據(jù)收集模式給工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境帶來(lái)的侵入性破壞。同時(shí)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)還可以應(yīng)用于大氣、水等生態(tài)環(huán)境資源的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供準(zhǔn)確、有效的信息。在無(wú)線終端系統(tǒng)設(shè)備廣泛推廣和應(yīng)用的前提下，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)對(duì)異構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)及其數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的互聯(lián)和處理融合，這也決定了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域更加的廣泛。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)通常隨機(jī)部署在不同運(yùn)行環(huán)境中執(zhí)行各種監(jiān)測(cè)及跟蹤任務(wù)，以自組織的形式相互協(xié)助完成工作，傳感器節(jié)點(diǎn)的分布對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)活動(dòng)至關(guān)重要，對(duì)于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)而言，節(jié)點(diǎn)位置的不明確的信息監(jiān)測(cè)活動(dòng)是毫無(wú)意義的。確定獲取信息節(jié)點(diǎn)的位置與事件發(fā)生的位置是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的有效性起到關(guān)鍵的作用。由于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)規(guī)模巨大，人工部署傳感器節(jié)點(diǎn)或?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安裝GPS會(huì)受到經(jīng)濟(jì)成本、能耗及擴(kuò)展性等因素的限制，在一些監(jiān)控環(huán)境內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此必須采用科學(xué)、合理的定位算法實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)自身定位。

傳感器節(jié)點(diǎn)的定位及分布是通過(guò)一定的技術(shù)、手段、方法獲取無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置信息或絕對(duì)位置信息的過(guò)程。通常采用的節(jié)點(diǎn)定位方法是為部分傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置準(zhǔn)確的分布位置或?yàn)橐恍┕?jié)點(diǎn)配備GPS系統(tǒng)，以確定位置的節(jié)點(diǎn)作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)未知節(jié)點(diǎn)之間的相互協(xié)作關(guān)系計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布的算法與實(shí)際應(yīng)用緊密相關(guān)，因此在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位的過(guò)程中應(yīng)根據(jù)定位精度、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)密度、節(jié)點(diǎn)密度、功耗、容錯(cuò)性、自適應(yīng)性、算法、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、經(jīng)濟(jì)成本等因素進(jìn)行綜合考慮，選擇科學(xué)、合理的定位方法。目前常用的節(jié)點(diǎn)分布計(jì)算方法為典型定位算法，即基于測(cè)距的節(jié)點(diǎn)定位算法和不基于測(cè)距的節(jié)點(diǎn)定位算法兩類(lèi)，在這兩大類(lèi)別之中又可進(jìn)一步細(xì)分為許多種定位算法。隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用日趨廣泛，其節(jié)點(diǎn)分布方法也不斷優(yōu)化。

在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)與感知目標(biāo)的位置是必不可少的系統(tǒng)元素，傳感器節(jié)點(diǎn)的定位和分布技術(shù)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中至關(guān)重要。目前世界范圍內(nèi)關(guān)于傳感器節(jié)點(diǎn)分布和部署的探討很多，其中包括聚類(lèi)方法平衡部署、概算統(tǒng)計(jì)模型、線性規(guī)劃模型、最優(yōu)多項(xiàng)式時(shí)間計(jì)算、能耗模型、整數(shù)線性規(guī)劃、目標(biāo)漸進(jìn)優(yōu)化計(jì)算等等，都是針對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的定位和部署提出的計(jì)算方法和改善辦法，而且大多數(shù)關(guān)于節(jié)點(diǎn)分布的策略都局限于監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)定位，關(guān)于監(jiān)控區(qū)域邊緣的節(jié)點(diǎn)分布的研究還比較少。

筆者通過(guò)對(duì)大量相關(guān)資料和文獻(xiàn)進(jìn)行研究，現(xiàn)將傳感器節(jié)點(diǎn)邊緣分布的方法進(jìn)行總結(jié)。對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控區(qū)域邊緣分布的計(jì)算時(shí)，首先應(yīng)確定問(wèn)題模型，即選定節(jié)點(diǎn)分布的監(jiān)控區(qū)域，確定監(jiān)控區(qū)域、區(qū)域邊緣、移動(dòng)傳感器的通信半徑。通常大多數(shù)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)為保證通信的可靠性都會(huì)選擇對(duì)稱(chēng)通信的方式，可用R=min（Rb，Rs）計(jì)算無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的有效通信范圍，按照通信范圍計(jì)算覆蓋情況，應(yīng)用C（B，T）={p|d（b，p）≤R，b∈B，p∈T}。其中B表示無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的集合，T表示監(jiān)控區(qū)域的集合b∈B和p∈T表示無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的部署點(diǎn)。覆蓋率的計(jì)算應(yīng)用CP（B，T）=Area[C（B，T）]/Area（T）。輸入?yún)^(qū)域集合A和監(jiān)控區(qū)域T以及通信范圍R，輸出最大覆蓋率，選擇監(jiān)控區(qū)域的一個(gè)邊緣位置和T區(qū)域內(nèi)一個(gè)未被網(wǎng)絡(luò)覆蓋的點(diǎn)，計(jì)算它們之間的歐氏距離，應(yīng)用覆蓋率計(jì)算公式計(jì)算出最大覆蓋率。在以上計(jì)算得出準(zhǔn)確結(jié)果后，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)邊緣分布的計(jì)算。輸入?yún)^(qū)域A、區(qū)域T、通信范圍R和最大覆蓋率，輸出部署集合B，比較最大覆蓋率和保證覆蓋率的大小關(guān)系，通過(guò)A-T得出節(jié)點(diǎn)可部署區(qū)域，輸入運(yùn)算，輸出初始部署區(qū)域，即可計(jì)算出節(jié)點(diǎn)邊緣分布的區(qū)域。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前世界范圍內(nèi)備受矚目的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，他綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)以及分布式信息和無(wú)線通信的處理技術(shù)，并以其低成本、低功耗、自組織和分布式的特點(diǎn)帶來(lái)了信息感知領(lǐng)域的革命。對(duì)于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)邊緣分布方法，由于目前研究領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)探討較少，因而有效簡(jiǎn)單的計(jì)算方式還處于實(shí)踐和研究階段，需要相關(guān)學(xué)者和工作人員共同努力，不斷優(yōu)化無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分布方式，完善其使用性能，延長(zhǎng)整體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用壽命。