網絡研究論文：網絡節(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成無線傳感網絡。傳感器節(jié)點所探測到的數據和信息可以經由其他傳感器節(jié)點逐跳傳輸，在數據和信息傳輸過程中，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)網絡傳輸到達管理節(jié)點。管理節(jié)點實際上相當于無線傳感網絡的控制中心，可以對系統(tǒng)網絡內的任意部分進行配置和管理，而且負責無線傳感網絡系統(tǒng)的監(jiān)測任務和收集監(jiān)測信息。此外，無線傳感網絡還可以通過隨機分布的數據處理單元、集成傳感器以及通信模塊的節(jié)點自組織的形式構成網絡，借助微小通信節(jié)點中內置的傳感器測量網絡覆蓋區(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現象。

無線傳感網絡具有不受有線網絡限制、無需固定設備支撐、易于組網的特點，可實現快速有效部署，適用于難以應用有線網絡系統(tǒng)的惡劣環(huán)境，如核電廠、煤礦、變電站等危險的工業(yè)生產環(huán)境。對于有線網路基礎設施相對不發(fā)達的區(qū)域通過應用無線傳感網絡可探測到實時、高效的生產數據，保障了工業(yè)生產的安全性和事故處理的及時性，避免了常規(guī)數據收集模式給工業(yè)生產環(huán)境帶來的侵入性破壞。同時無線傳感網絡還可以應用于大氣、水等生態(tài)環(huán)境資源的數據監(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，無線傳感網絡可以通過無線通信技術對異構傳感網絡及其數據進行高效的互聯(lián)和處理融合，這也決定了無線傳感網絡的應用范圍和領域更加的廣泛。

無線傳感網絡中的傳感器節(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絡的監(jiān)測活動至關重要，對于無線傳感網絡而言，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絡最基本的功能之一，對無線傳感網絡運行的有效性起到關鍵的作用。由于無線傳感網絡規(guī)模巨大，人工部署傳感器節(jié)點或為網絡節(jié)點安裝GPS會受到經濟成本、能耗及擴展性等因素的限制，在一些監(jiān)控環(huán)境內無法實現，因此必須采用科學、合理的定位算法實現無線傳感網絡的節(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、無線傳感網絡規(guī)模、經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絡系統(tǒng)中至關重要。目前世界范圍內關于傳感器節(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，而且大多數關于節(jié)點分布的策略都局限于監(jiān)控區(qū)域內的節(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，現將傳感器節(jié)點邊緣分布的方法進行總結。對無線傳感網絡中的傳感器節(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。通常大多數無線傳感網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表示無線傳感網絡的部署點。覆蓋率的計算應用CP（B，T）=Area[C（B，T）]/Area（T）。輸入區(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)域內一個未被網絡覆蓋的點，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果后，進行節(jié)點邊緣分布的計算。輸入區(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。

無線傳感網絡是當前世界范圍內備受矚目的熱點研究領域，他綜合了傳感器、嵌入式計算機、現代網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。對于無線傳感網絡節(jié)點邊緣分布方法，由于目前研究領域內相關探討較少，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)化無線傳感網絡的節(jié)點分布方式，完善其使用性能，延長整體網絡系統(tǒng)的使用壽命。