網(wǎng)絡研究論文：網(wǎng)絡節(jié)點分布及定位研討

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本文作者：蔡銀河、陳志標 單位：福建師范大學協(xié)和學院信息技術系、福建師范大學協(xié)和學院實驗中心

無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)主要包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點及管理節(jié)點。無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)運行的基礎就是大量傳感器節(jié)點在環(huán)境中的隨機布置，并通過一定的組織形式構(gòu)成無線傳感網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點所探測到的數(shù)據(jù)和信息可以經(jīng)由其他傳感器節(jié)點逐跳傳輸，在數(shù)據(jù)和信息傳輸過程中，可能由多個節(jié)點進行處理，最終路由到系統(tǒng)的匯聚節(jié)點，由系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)絡傳輸?shù)竭_管理節(jié)點。管理節(jié)點實際上相當于無線傳感網(wǎng)絡的控制中心，可以對系統(tǒng)網(wǎng)絡內(nèi)的任意部分進行配置和管理，而且負責無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)的監(jiān)測任務和收集監(jiān)測信息。此外，無線傳感網(wǎng)絡還可以通過隨機分布的數(shù)據(jù)處理單元、集成傳感器以及通信模塊的節(jié)點自組織的形式構(gòu)成網(wǎng)絡，借助微小通信節(jié)點中內(nèi)置的傳感器測量網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域周邊環(huán)境的紅外信號、熱信號、聲納信號及雷達地震波信號，繼而探測并收集到周圍環(huán)境中的溫度、濕度、光強度、壓力、噪聲、土壤等用戶關注的物質(zhì)現(xiàn)象。

無線傳感網(wǎng)絡具有不受有線網(wǎng)絡限制、無需固定設備支撐、易于組網(wǎng)的特點，可實現(xiàn)快速有效部署，適用于難以應用有線網(wǎng)絡系統(tǒng)的惡劣環(huán)境，如核電廠、煤礦、變電站等危險的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。對于有線網(wǎng)路基礎設施相對不發(fā)達的區(qū)域通過應用無線傳感網(wǎng)絡可探測到實時、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)境帶來的侵入性破壞。同時無線傳感網(wǎng)絡還可以應用于大氣、水等生態(tài)環(huán)境資源的數(shù)據(jù)監(jiān)測，為生態(tài)環(huán)境保護提供準確、有效的信息。在無線終端系統(tǒng)設備廣泛推廣和應用的前提下，無線傳感網(wǎng)絡可以通過無線通信技術對異構(gòu)傳感網(wǎng)絡及其數(shù)據(jù)進行高效的互聯(lián)和處理融合，這也決定了無線傳感網(wǎng)絡的應用范圍和領域更加的廣泛。

無線傳感網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點通常隨機部署在不同運行環(huán)境中執(zhí)行各種監(jiān)測及跟蹤任務，以自組織的形式相互協(xié)助完成工作，傳感器節(jié)點的分布對無線傳感網(wǎng)絡的監(jiān)測活動至關重要，對于無線傳感網(wǎng)絡而言，節(jié)點位置的不明確的信息監(jiān)測活動是毫無意義的。確定獲取信息節(jié)點的位置與事件發(fā)生的位置是無線傳感網(wǎng)絡最基本的功能之一，對無線傳感網(wǎng)絡運行的有效性起到關鍵的作用。由于無線傳感網(wǎng)絡規(guī)模巨大，人工部署傳感器節(jié)點或為網(wǎng)絡節(jié)點安裝GPS會受到經(jīng)濟成本、能耗及擴展性等因素的限制，在一些監(jiān)控環(huán)境內(nèi)無法實現(xiàn)，因此必須采用科學、合理的定位算法實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡的節(jié)點自身定位。

傳感器節(jié)點的定位及分布是通過一定的技術、手段、方法獲取無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的相對位置信息或絕對位置信息的過程。通常采用的節(jié)點定位方法是為部分傳感器節(jié)點設置準確的分布位置或為一些節(jié)點配備GPS系統(tǒng)，以確定位置的節(jié)點作為信標節(jié)點，通過未知節(jié)點之間的相互協(xié)作關系計算未知節(jié)點的位置。無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點分布的算法與實際應用緊密相關，因此在進行節(jié)點定位的過程中應根據(jù)定位精度、信標節(jié)點密度、節(jié)點密度、功耗、容錯性、自適應性、算法、無線傳感網(wǎng)絡規(guī)模、經(jīng)濟成本等因素進行綜合考慮，選擇科學、合理的定位方法。目前常用的節(jié)點分布計算方法為典型定位算法，即基于測距的節(jié)點定位算法和不基于測距的節(jié)點定位算法兩類，在這兩大類別之中又可進一步細分為許多種定位算法。隨著無線傳感網(wǎng)絡的應用日趨廣泛，其節(jié)點分布方法也不斷優(yōu)化。

在無線傳感網(wǎng)絡的應用中，傳感器節(jié)點與感知目標的位置是必不可少的系統(tǒng)元素，傳感器節(jié)點的定位和分布技術在整個網(wǎng)絡系統(tǒng)中至關重要。目前世界范圍內(nèi)關于傳感器節(jié)點分布和部署的探討很多，其中包括聚類方法平衡部署、概算統(tǒng)計模型、線性規(guī)劃模型、最優(yōu)多項式時間計算、能耗模型、整數(shù)線性規(guī)劃、目標漸進優(yōu)化計算等等，都是針對傳感器節(jié)點的定位和部署提出的計算方法和改善辦法，而且大多數(shù)關于節(jié)點分布的策略都局限于監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的節(jié)點定位，關于監(jiān)控區(qū)域邊緣的節(jié)點分布的研究還比較少。

筆者通過對大量相關資料和文獻進行研究，現(xiàn)將傳感器節(jié)點邊緣分布的方法進行總結(jié)。對無線傳感網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點進行監(jiān)控區(qū)域邊緣分布的計算時，首先應確定問題模型，即選定節(jié)點分布的監(jiān)控區(qū)域，確定監(jiān)控區(qū)域、區(qū)域邊緣、移動傳感器的通信半徑。通常大多數(shù)無線傳感網(wǎng)絡為保證通信的可靠性都會選擇對稱通信的方式，可用R=min（Rb，Rs）計算無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)的有效通信范圍，按照通信范圍計算覆蓋情況，應用C（B，T）={p|d（b，p）≤R，b∈B，p∈T}。其中B表示無線傳感網(wǎng)絡的集合，T表示監(jiān)控區(qū)域的集合b∈B和p∈T表示無線傳感網(wǎng)絡的部署點。覆蓋率的計算應用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)域的一個邊緣位置和T區(qū)域內(nèi)一個未被網(wǎng)絡覆蓋的點，計算它們之間的歐氏距離，應用覆蓋率計算公式計算出最大覆蓋率。在以上計算得出準確結(jié)果后，進行節(jié)點邊緣分布的計算。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系，通過A-T得出節(jié)點可部署區(qū)域，輸入運算，輸出初始部署區(qū)域，即可計算出節(jié)點邊緣分布的區(qū)域。

無線傳感網(wǎng)絡是當前世界范圍內(nèi)備受矚目的熱點研究領域，他綜合了傳感器、嵌入式計算機、現(xiàn)代網(wǎng)絡以及分布式信息和無線通信的處理技術，并以其低成本、低功耗、自組織和分布式的特點帶來了信息感知領域的革命。對于無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點邊緣分布方法，由于目前研究領域內(nèi)相關探討較少，因而有效簡單的計算方式還處于實踐和研究階段，需要相關學者和工作人員共同努力，不斷優(yōu)化無線傳感網(wǎng)絡的節(jié)點分布方式，完善其使用性能，延長整體網(wǎng)絡系統(tǒng)的使用壽命。