基于網(wǎng)格劃分的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)冗余分析.pdf

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1、東北石油大學(xué)學(xué)報(bào)第37卷第3期2013年6月J()URNALOFNORTHEASTPETROLEUMUNIVERSITYVoL37No．3Jun．2013基于網(wǎng)格劃分的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)冗余分析黃守志?！w學(xué)增，BilenSG。，張中華(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2．中國石油勘探開發(fā)研究院，北京l00083；3PennsylvaniaStateUniversity，USA16802；4．北京低碳清潔能源研究所，北京102209)摘要：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的大量隨機(jī)部署導(dǎo)致冗余節(jié)點(diǎn)的存在，尋找冗余節(jié)點(diǎn)并使它定時(shí)休眠，可以減少網(wǎng)絡(luò)冗

2、余數(shù)據(jù)和信道擁塞、降低節(jié)點(diǎn)能耗，從而延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期．現(xiàn)有的CCP算法、圓周覆蓋算法在去除冗余節(jié)點(diǎn)后網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生覆蓋盲區(qū)；基于Voronoi圖的算法計(jì)算量大且只能用于同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)時(shí)間表制定算法在判定過程中只考慮部分鄰居節(jié)點(diǎn)，不能完全消除冗余節(jié)點(diǎn)．提出基于網(wǎng)格劃分的冗余節(jié)點(diǎn)判定方法，并且將網(wǎng)格算法與EECRS協(xié)議結(jié)合，建立基于冗余節(jié)點(diǎn)消除的路由協(xié)議．仿真分析結(jié)果表明，網(wǎng)格算法冗余節(jié)點(diǎn)判定的準(zhǔn)確性優(yōu)于圓周覆蓋算法和CCP算法的；網(wǎng)絡(luò)生命周期比圓周覆蓋算法的延長22．2，比CCP算法的延長30．5，該路由協(xié)議能夠有效延長網(wǎng)絡(luò)生命周期．關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；冗余節(jié)點(diǎn)；路由

3、協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)生命周期；網(wǎng)格劃分中圖分類號(hào)：TN919．2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095—4107(2013)03—0112—060引言近年來，隨著基于IEEES02．15．4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的ZigBee技術(shù)的快速發(fā)展，帶動(dòng)短距離、低功耗無線通信技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用l_1]．ZigBee技術(shù)能夠增加無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信能力．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)以無線自組(Adhoc)E33的方式而構(gòu)成的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)．傳感器節(jié)點(diǎn)是一種用于感知多種環(huán)境信息的微傳感器系統(tǒng)，具有微型、低成本、低功率的特點(diǎn)；基本結(jié)構(gòu)包括控制模塊(微處理器、A／D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器等)、通信模塊(信號(hào)發(fā)射

4、和接收器、信號(hào)處理電路)、各種傳感器、電源(電池和電源管理電路)[4]．控制模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)及各部分工作的協(xié)調(diào)．通信模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸．電源提供傳感器節(jié)點(diǎn)正常工作所需的能量．傳感器節(jié)點(diǎn)一般由電池供電，而電池的容量是有限的．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常應(yīng)用于一些惡劣環(huán)境，不便于為傳感器節(jié)點(diǎn)更換電池．當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)的電池能量耗盡而節(jié)點(diǎn)停止工作時(shí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生改變，數(shù)據(jù)采集的有效性將受到影響．因此，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的重要問題．目前，針對延長網(wǎng)絡(luò)生命周期人們提出多種方法，常見的方法包括數(shù)據(jù)融合編碼¨7]、通過路由協(xié)議平衡網(wǎng)絡(luò)能耗l

5、1和消除網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)_】等．在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，尤其是環(huán)境監(jiān)控中，為了保證監(jiān)控區(qū)域被完全覆蓋甚至多重覆蓋，傳感器節(jié)點(diǎn)通常是大量且隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的，從而產(chǎn)生很多冗余節(jié)點(diǎn)．尋找這些冗余節(jié)點(diǎn)并讓它們定時(shí)休眠，可以減少網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)和信道擁塞、降低節(jié)點(diǎn)能耗，從而延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期．1節(jié)點(diǎn)冗余研究現(xiàn)狀XingGI等研究覆蓋和連接問題之間的關(guān)系，提出一種覆蓋配置協(xié)議CCP(CoverageConfigurationProtoco1)l】．在CCP協(xié)議中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)首先確定鄰居節(jié)點(diǎn)的位置和感知半徑；然后在感知范圍內(nèi)尋找鄰居節(jié)點(diǎn)的感知半徑的交點(diǎn)．如果這些交點(diǎn)被其他鄰居節(jié)點(diǎn)覆蓋，并

6、且覆蓋率滿足既定的網(wǎng)絡(luò)要求，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)是冗余的，可以讓它休眠．節(jié)點(diǎn)休眠產(chǎn)生的盲區(qū)見圖1，其中點(diǎn)P是節(jié)點(diǎn)4的鄰居節(jié)點(diǎn)1、2的感知半徑的交點(diǎn)，點(diǎn)P被節(jié)點(diǎn)3所覆蓋，根據(jù)CCP協(xié)議的判別法可以認(rèn)為節(jié)點(diǎn)4是冗余節(jié)點(diǎn)．當(dāng)節(jié)點(diǎn)4收稿日期：20l3—05—14；編輯：任志平基金項(xiàng)目：美國賓夕法尼亞州立大學(xué)訪問學(xué)者科研項(xiàng)目(N0006583709)作者簡介：黃守志(1985)，男，博士研究生，主要從事無線傳感網(wǎng)絡(luò)方面的研究·l12·第3期黃守志等：基于網(wǎng)格劃分的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)冗余分析休眠而產(chǎn)生盲區(qū)B時(shí)，根據(jù)CCP協(xié)議的判別法將產(chǎn)生誤判．同時(shí)，CCP協(xié)議的計(jì)算復(fù)雜度很高．圖1節(jié)點(diǎn)

7、4休眠產(chǎn)生的盲區(qū)BFig．1BlindareaBwhennode4turnedtosleepHuangCF等提出圓周覆蓋(PerimeterCoverage)[143的概念，將節(jié)點(diǎn)全部感知區(qū)域的覆蓋近似等效為該節(jié)點(diǎn)感知范圍的圓周覆蓋．如果傳感器節(jié)點(diǎn)S感知范圍的圓周被其他節(jié)點(diǎn)N重完全覆蓋，則認(rèn)為節(jié)點(diǎn)S被N重覆蓋．這種算法考慮不同感知半徑的傳感器節(jié)點(diǎn)，并且可以擴(kuò)展到三維網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境中．當(dāng)節(jié)點(diǎn)S的感知范圍圓周被完全覆蓋時(shí)，節(jié)點(diǎn)S感知區(qū)域的內(nèi)部并沒有被覆蓋，去除該節(jié)點(diǎn)將造成網(wǎng)絡(luò)覆蓋的盲區(qū)．結(jié)合計(jì)算幾何學(xué)和圖形理論，特別是Voronoi圖和圖形搜索算法，MegerianS