随机通信时延下传感器连通覆盖保持算法研究_郭彩萍.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月传 感 技 术 学 报 .项目来源:山西省高等学校教学改革创新项目()收稿日期:修改日期:(,):,:;:;:随机通信时延下传感器连通覆盖保持算法研究郭彩萍(太原工业学院电子工程系,山西 太原)摘 要:随机通信环境下传感网络节点信息传输随机性较强,导致传感器网络的连通覆盖难以保持。为此,提出基于模拟二维分析的传感器连通覆盖保持算法。标记传感器感知范围内任意一个节点形成的感知圆,以该圆作为传感器对该节点的初步覆盖范围,分别计算该节点、相邻节点端与传感器端间接收到能量的起始时间,构建不同时延量对节点实际覆盖度、覆盖面积以及覆盖概率的影响模型。获取单节点与整个区域的覆盖范围重叠
2、部分,根据串联覆盖路径连通覆盖法约束传感器节点,实现连通及覆盖的保持。设置通信时延为 和 ,设计仿真实验。实验结果验证了所提方法受到时延环境的影响较小,且耗时更短,适应能力强,连通覆盖保持的范围更广。该方法具有实际应用价值。关键词:传感器连通覆盖;串联覆盖路径;二维平面分析法;随机通信时延环境;二维平面分析;时延量;感知范围中图分类号:文献标识码:文章编号:()现阶段,随着无线通信、嵌入式网络以及分布式信息网络处理技术的不断成长,网络资源分布广、种类多。一般情况下,网络介质的传输工作主要依靠网线、传感器以及基站等设备实现。无线传感器需要采集感知范围内的初始数据,然后通过多跳的方式将接收到的数据
3、传递给基站,基站再通过网络实现传输。这种多频段的传输方式具有一定的随机性和不确定性,且在时延较为严重的环境中,各个通信的收发端之间会缺失同步能力,此时,就需要保证能量的有效连通和覆盖,才能保证端与端之间的同步性,降低外界随机时延影响,达到最佳效果。针对传感器网络的连通覆盖保持问题,当前已经有了一些较好的研究成果。文献提出了一种连通有向传感器网络的目标覆盖增强算法。该方法先采集传感器的网络数据,计算节点重叠概率。根据概率比例推导出传感器可覆盖的最大范围,预设几个关键节点,标记几何关系,结合实际进行调整,形成连通链。但是这种方法求得的覆盖比例误差过大,导致网络连通保持的效果较差;文献提出了提出了一
4、种基于马尔可夫链蒙特卡罗()的传传 感 技 术 学 报第 卷感器连通覆盖保持算法。利用延迟消息的错误模式识别传感器节点的故障,阈值限制基于时间概率分布函数。使用阈值限制和剩余能量来检测传感器节点连通覆盖情况。但是,该方法忽略了对传感节点能量的控制,导致传感覆盖保持过程耗时较长。文献提出了一种基于有向视觉传感器网络连通保持覆盖控制方法。根据传感器环境构建视觉导向模型,通过覆盖型函数计算传感器网络中各个节点的覆盖能力,通过导向模型推导连通能力。建立约束函数,对覆盖力和连通力不达标的节点进行约束。但由于视觉导向模型一次性可计算的数量较小,需要多次输入求解,得到的数值之间时延相差过大,误差较大,有效性
5、不强。综合上述问题,提出一种在随机通信时延下也能应用的传感器连通覆盖保持算法。传感能量有效是连通覆盖问题的重要评判标准,无线传感器周围会存在大量的干扰信号导致节点多跳方式被迫改变,影响初始覆盖范围和连通标准的判定。据此,采用二维平面法,计算每个传感器节点在不同的时延环境下可得到的最远通信路径,来求得覆盖和连通参数,得出的数据具有有向关联性,准确率高。同时给出了两种传感器节点分布模型,分析其中节点之间相通和不相通的分布情况,由此可知需要从单节点的覆盖范围出发并与整个区域的覆盖范围进行重叠查找,以此作为约束条件,建立最为合理的约束函数。计算传感节点连通性对于随机通信时延下传感器连通覆盖保持问题,多
6、数研究学者首先建立覆盖网络数据集,利用线性规划选取检测区域汇总最优节点的部署情况,以达到全部覆盖且节点关联的特点。由于无线传感节点数量过多、种类较为繁杂,易存在覆盖重叠问题,影响效率和连通质量,还会造成额外的能耗。算法需要将传感器时间划分为不同的时间周期,计算每个节点的连通性并判定是否处于休眠状态,保证传感网络的整体覆盖。提出了一种模拟二维平面的分析方法,通过选取并计算任意节点在该平面上的连通向、时延量以及位置等,将这些信息作为后续连通覆盖保持的参考系数,在最大程度上提高节点的连通质量。设置一个二维平面,节点为,感知范围是以该节点为圆心选取半径值所形成的的圆形范围,计算公式为:(,)()式中:
7、表示节点的感知半径;(,)是连接点 与参照节点 之间的欧式距离。传感器信号可覆盖的全部区域用 来表示,区域内可能涉及到的网络数据并集为,计算公式为:,()式中:为活跃节点数量。若传感器的覆盖网络 大于预设的二维平面,那么称该网络就为全覆盖网络,如果只覆盖了部分区域或未完全覆盖,那么就称为局部覆盖网络。通过上述对网络覆盖程度的判断,结合当下环境中的随机时延情况,对传感器范围内的任意一点进行点覆盖度 定义:()式中:表示选取的任意一段时延 的长度;表示在时间段 内从点 网络信号覆盖到传感器接收点的时间长度。根据点覆盖度的分析规律,同理推导传感器网络在特定区域内的覆盖度值为,计算在区域 内任意一点
8、与参照点 对比的数学期望值,公式为:()()图 节点通信连通图预设一个传感器网路数据集合,若该集合内的所有节点都存在有向关系,将所有存在有向关系的通信网络 形成一种有向的连通图,如图 所示。中的一条通信路径用,来表示,该路径由多个节点共同组成,其中,每个节点之间都互为传感通信邻居。从图 中可以看出,每个节点都有一条(汇聚结点)连通路径,该 负责传感器网与外网的连接。由图中可以看到,由活动节点共同组成的集合中,都存在同样的 连通路径,集合内的节点与外部节点连接,但集合内的节点不一定互相连接。由此说明,传感器节点具有一定关联性,进行下一步保持覆盖连通时,就以求得的 数值为参考基础,给出适应随机通信
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