毕业设计（论文）-无限传感器网络感应能力的分析.doc

编编 号号 本本科科生生毕毕业业设设计计 论论文文 题目 题目 无线传感器网络感应能力的分析 通信与控制工程 学院 通信工程 专业 学 号 学生姓名 指导教师 二 九年六月 摘要 I 摘摘 要要 近年来 无线传感器网络由于其本身的优越性能而得到了迅猛的发展 无线传感器 网络是由可部署在一定范围内的传感器组成的网络 具有数据采集 信号处理和无线通 信等功能 彼此通过无线通信 相互协调组成一个智能的网络 因此 通过合理的节点 部署和网络设计 无线传感器网络能够在危险 恶劣的环境中执行任务 比如军事侦察 论文首先介绍了无线传感器网络的特点 目前的主要应用领域 未来的研究方向等内 容 接着对传感器网络的拓扑与覆盖等传感器基础知识做了简略的介绍 最后通过一到 两个节点的研究 对传感器网络的感应能力进行系统分析 并将结论进行推广 形成具 有广泛意义的理论 并可以通过 MATLAB 软件进行仿真验证 关键词 关键词 无线传感器网络 覆盖 暴露量 Abstract II ABSTRACTABSTRACT In recent years wireless sensor networks due to the superiority of their own can be a rapid development Wireless sensor networks can be deployed by a range of sensor network With data acquisition signal processing and wireless communications and other functions with each other through wireless communication the formation of a coordinated intelligence network Therefore through the rational deployment of the nodes and network design wireless sensor networks can be dangerous poor implementation of the task environment such as military reconnaissance Paper introduces the characteristics of wireless sensor networks the current major application areas such as the future direction of the research content Then the topology of sensor network coverage such as sensors and the basic knowledge to do a brief introduction the last 1 2 nodes through the study of the induction of the sensor network analysis capabilities and to promote the conclusion the formation of a broad theoretical significance and can be carried out through the MATLAB simulation software Keywords Wireless sensor networks coverage exposure 目录 i i 目目 录录 第 1 章 绪论 1 1 1 无线传感器网络特点 1 1 2 无线传感器网络的应用 2 1 3 无线传感器网络研究进展 3 1 3 1 学术领域 4 1 3 2 军事领域 4 1 3 3 民用领域 5 1 4 论文安排 5 第 2 章 无线传感器网络基础知识 7 2 1 网络拓扑 7 2 2 无线传感器网络的覆盖 8 2 2 1 覆盖基本描述 8 2 2 2 覆盖问题研究方法 9 第 3 章 无线传感器网络感应能力的分析 13 3 1 无线传感器网络的部署 13 3 2 传感器感应能力 15 3 2 1 传感器模型 15 3 2 2 传感器感应强度 15 3 2 3 暴露量 16 第 4 章 程序设计与仿真 21 4 1 程序实现 21 4 2 一个传感器的仿真情况分析 23 4 3 两个传感器的仿真情况分析 26 4 4 三个传感器的仿真情况分析 27 第 5 章 结论与展望 29 5 1 结论 29 5 2 未来展望 29 参考文献 31 致 谢 33 无线传感器网络感应能力的分析 1 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 近年来 无线通信技术 微电子技术以及计算机技术的迅猛发展 强有力地推动了低能 耗 多功能传感器技术的快速进步 使其在节点内集成了数据采集 信息处理和无线通信 等功能 为无线传感器网络的产生和发展提供了技术上的保障 无线传感器网络是由大 量价格低廉 体积微小的传感器节点所组成 这些传感器节点可以任意地部署在监测区 域内 彼此通过无线通信形成一个多跳的 自组织的网络来完成信息采集 数据传输和 信息处理 无线传感器网络通过节点的数据采集和传输 可以在任何时间 任何地点获 取对象的信息 对环境的变化具有很强的鲁棒性 因此它具有广泛的应用前景 可以应 用于军事情报侦察 工业生产过程控制 环境监测和保护以及现代化交通管理等领域 1 11 1 无线传感器网络特点无线传感器网络特点 以前常用的无线网络包括移动通信网 无线局域网等 与上述无线网络相比 无线 传感器网络具有以下几个特点 1 1 大规模网络 大规模网络 大规模网络具有如下优点 无线传感器网络的节点密集 数量巨大 为了更精确的获 取信息 一个网络中拥有成百上千的节点是很正常的 通过分布式处理大量的采集信息 能够提高监测精度 降低对单个传感器节点的精度要求 大量冗余节点的存在 使得系 统具有很强的容错特性 同时大量的节点能够增大覆盖的监测区域 减少监测盲区 这 种大规模的网络可以通过不同视角获得信息 具有更大的信噪比 2 2 动态性网络 动态性网络 传感器网络的拓扑结构可能因为以下因素而改变 环境或能量耗尽 环境条件变化 可能造成无线通信链路带宽变化 甚至时断时通 传感器网络的传感器 感知对象 和 观察者这三个要素都可能具有移动性 新节点的加入 一旦网络拓扑发生改变就要求传 感器网络系统要求能适应这种变化 具有动态的可重构性 3 3 自组织网络 自组织网络 由于无线传感器网络节点位置的不可预知性 就要求传感器节点具有自组织能力 能够自动进行配置和管理 通过拓扑机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线 网络系统 在传感器网络的使用过程中 部分传感器节点可能会由于能量耗尽或恶劣的环境等 原因造成失效 也有一些节点为了弥补失效的节点 增加监测精度而补充到网络中 这 样在传感器网络中的节点个数就会动态的增加或者减少 从而使网络的拓扑结构随之动 态的变化 传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化 4 4 以数据为中心的网络 以数据为中心的网络 传感器网络是任务型的网络 脱离传感器网络谈论传感器节点是没有任何意义的 传感器网络中的节点采用节点编号标示 节点编号是否需要全网惟一 只取决于网络通 江南大学学士学位论文 2 信协议的设计 由于传感器网络的随即部署 所构成的传感器网络与节点编号之间的关 系是完全动态的 表现为节点编号与节点位置没有必然联系 当使用传感器网络查询事 件时 直接将所关心的事情通告给网络即可 网络在获得指定时间的信息后汇报给用户 这种以数据本身作为查询或传输线索的思想 更接近于人们自然语言交流的习惯 所以 通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络 1 5 5 可靠的网络 可靠的网络 传感器网络由于特别适合部署在恶劣环境或者人类不宜到达的区域 传感器节点可 能工作在各种极端环境下 甚至遭到破坏 所以在部署传感器网络时基本都采用随机部 署模式 且节点非常坚固不易损坏 而且由于监测区域环境的限制和传感器的数目过于 庞大 网络的维护非常困难甚至不可维护 传感器网络的通信保密性和安全性也十分的 重要 要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息 因此 传感器网络的软硬件必须 具有鲁棒性和容错性 6 6 应用相关的网络 应用相关的网络 不同的应用背景对传感器网络的要求不同 其硬件平台 软件系统 网络协议必然 存在差别 所以传感器网络不能像因特网一样拥有统一的通信协议平台 对于不同的传 感器网络应用虽然存在一些共性 但在开发传感器网络的应用中 更需要关心传感器网 络的差异 只有让系统更贴近实用才能做出更高效的目标系统 针对每一个具体应用来 研究传感器网络技术 才是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征 这大概类似于 今天的定制服务 1 21 2 无线传感器网络的应用无线传感器网络的应用 由于无线传感器网络上述的几个主要特点 通过合理的节点部署和路由协议以及分 布式信号处理算法设计 可以使它在人们的日常的生产生活中得到越来越广泛的应用 1 1 军事应用 军事应用 无线传感器网络具有快速部署 自组织 隐蔽性强及容错性高的特点 因此在军事 领域具有非常广泛的应用前景 传感器节点可以装载在飞行器上 当到达目标区域上空 时 飞行器将节点抛洒到目标区域上 节点通过相互通信组成一个网络 无线传感器网 络可以执行敌方装备部署 兵力流动 战场实时监测和目标跟踪等任务 大量节点可在 不同区域对目标进行观测 利用分布式信号处理算法可以得到目标的精确信息 从而为 我方提供可靠的军事情报 有利于克敌制胜 鉴于这种优越性能 传感器已经成为C4ISR 军事系统的重要组成部分 美国DARPA计划很早就开始致力于研究并建立一个无处不在的 网络系统 用于监测光学 声学 震动 磁场 湿度 污染 毒物 压力 温度 加速 度等物理量 而且在以下情况 诸如可根据地面震动 推测人 车的运动 在特殊地形 地区 将它们撒播到关键地区 通过收集大量位置信息可快速绘制当地地形图 弥补卫 星地形分辨力不够的缺陷 迅速掌握地理信息 还可以做化学物质传感器 用来监视战 场空气 土壤等有害 有信息含量的物质的存在和变化等应用 作为所有高科技应用领 域最前沿的军事领域 无线传感器网络的应用前景非常光明 正因为此 世界各主要强 无线传感器网络感应能力的分析 3 3 国均在花大量的人力物力进行研究 作为一个新兴技术 我国不应该输在起跑线上 也 应该投入我国所能提供的一切资源去研究 应用在我国的国防事业中 以至推广到更商 业化的民用事业中 2 2 环境监测和保护 环境监测和保护 无线传感器能够在一些恶劣的 人类无法触及的环境中工作 可以执行空气 水和 土壤中污染物的监测任务 及时的发现污染物 病毒的传播 从而采取有效的行动 遏 制灾难的发生 举例来说 基于本系统的ALERT系统就有可用来监测降雨量 河水水位 土壤水分等数据 收集到的数据被用来分析爆发山洪的可能性 并对此做好提前的预防 准备工作 类似的也可以监测森林火灾等重大事故发生的可能性 3 3 医疗护理和健康维护 医疗护理和健康维护 无线传感器网络可以全天候的对病人的各项生理指标进行监测 并将这些数据实时 的反馈给医生 为医生提供患者准确 有效的信息 有利于病人的早日康复 同时也为 远程医疗提供了更加方便 有效的技术手段 无线传感器网络还可以参与医院的管理 如药物存储管理 设备的使用管理等 从而最优化资源配置 例如在造福全人类的人工 视网膜工程项目 SSIM 上 计划替代视网膜的芯片就是由100个微型传感器组成的 置 入人眼 目的是使失明者或视力奇差的人恢复到一个人们可以接受的视力水平 为无数 失明者带来了希望 4 4 工业自动化 工业自动化 无线传感器网络的自组织能力 强大的信息采集和处理能力使其在工业领域内具有 相当广阔的应用前景 工业生产过程的控制 设备的故障监测与诊断 恶劣环境下生产 过程的监控以及仓库存储管理等方面应用前景相当明朗 在工业生产过程中 需要得到 产品质量或设备运行的参数 但又无法使用普通传感器进行操作 此时无线传感器网络 就可以发挥其得天独厚的优势 从而快速 准确的进行信息采集 传输和处理 做到传 统传感器无法做到的事情 无线传感器网络在恶劣条件下 人力不能及的条件下的卓越 能力是它最大的优势 5 5 航空航天和太空探索 航空航天和太空探索 利用太空探测器在外星球表面部署一些传感器节点 可以对该星球进行长时间的监 测 对其土壤 空气成分进行分析 从而准确的推断该星球是否存在生命的迹象 帮助 人们加深对外太空的认识 探索宇宙的奥秘 6 6 智能家居 智能家居 传感器网络可应用于人们日常的家居生活中 可在每个家庭的家电和家具中嵌入节 点 通过无线网络与互联网进行联网 人们可以进行远程遥控 方便人们的生活 例如 炎炎夏日可以提前半小时打开室内的空调 一进家门就能享受到合适的温度 不光是空 调 例如电饭锅 DVD 电视机 电脑等家电均可如此操控 还可以通过图像传感设备随 时监控家庭的安全情况 2 江南大学学士学位论文 4 1 31 3 无线传感器网络研究进展无线传感器网络研究进展 由于无线传感器网络技术受到世界各国追捧 所以其研究发展的非常快 每时每刻 都在发展着 本节将主要介绍传感器网络目前的研究现状 1 3 11 3 1 学术领域学术领域 早在2003年 美国就制定了无限传感器网络的相关研究计划 在UCLA 加州大学洛 杉矶分校 成立了传感器网络研究中心 联合了包括南加州大学 加州大学伯克利分校 等学校 进行了 嵌入式传感器 的科研项目 而且本项目也进入了美国国情咨文 在 互联网主要的远景规划章节内 传感器网络涉及包括传感器 网络通信 无限传输 嵌入式 分布式信息处理 微 电子制造 编程等多种技术等多学科交叉领域内 跨学科的特点相当突出 这也是未来 许多研究的一种趋势 就是单一学科很难再有很大突破 未来的更多技术研究将建立在 越来越复杂的学科交叉中 跨学科协作研究 这也为未来的科学研究指明了方向 目前 几乎所有美国的著名院校都有研究小组专门从事传感器网络及相关技术领域 的研究工作 与此同时包括加拿大 英国 日本 法国 意大利等主流强国的科研机构 也早已加入了此项研究之中 我国目前则是以中科院上海微系统研究所牵头 哈工大 清华 北邮 国防科工大 等院校共同起步进行研究 而在最近又有很多院校加入到了对无线传感器网络的研究中 来 让此项研究的学术氛围无比浓厚 1 3 21 3 2 军事领域军事领域 美国很早就已着手于传感器网络的研究工作 并以C4ISR为基础提出了C4KISR 着重 强调了战场情报获取能力 信息分析综合能力以及信息的利用率 将无线传感器网络作 为其重要一环 并为此专门设立了一系列的项目研究组 2001年 美国提出了 灵巧传感器网络通信 计划 计划在2005年之前实施完成 其核心理念是 首先在战场上部署大量传感器用来收集以及传输信息 并对相关数据进 行过滤 在此基础之上把重要信息发到数据融合中心 在这里可以将诸多信息绘制成为 战场全图 利于参战人员对战场实时动态的掌握 做到事先掌握地利优势 做到知己知 彼 而后提出的 无人地面传感器群 计划 目的是要求能使传感器部署到任何战斗人 员 想要监测的 此计划的有效实施将使基层战斗人员更有效的掌握战场动态 做出及时的 战术部署 战场环境侦察与监视系统 项目是一个智能传感器网络 将为美军提供更 为详尽准确的探测得到的精确地战场实时信息 例如惨烈的登陆战 可以事先提供敌方 海滩的详细地理特征信息 为指挥员更好的制定减少伤亡尽快占领滩头提供情报依据 它主要通过 数字化路标 作为传输工具 在各个作战平台与单位提供各自所需的情报 让情报战这没有硝烟的战场出现了质的飞跃 美国海军开展了CEC 系统交战能力项目 项目研究 该项目是一个革命性的项目 无线传感器网络感应能力的分析 5 5 它的实质内容就是把传感器网络与交战网络有效的结合起来 通过将传感器网络生成的 交战态势报告快速传送到交战网络中 从而提高交战系统的作战能力 其主要信息来源 为雷达 由于每艘战舰均配备有雷达 可以迅速汇总信息 由CEC进行分析 处理 传送 达到信息快速共享的效果 例如它可以在复杂的战场环境中追踪敌方战斗机和导弹 使 战舰的防空反导弹系统发挥最大功效 3 1 3 31 3 3 民用领域民用领域 美国很早就提出了 国家智能交通系统项目规划 预计到2025年左右投入使用 该 系统的目标是集成先进的信息 数据通信 传感器 控制以及计算机处理技术 并整合 运用到整个地面交通管理系统中 这样可以建立一个大范围 全方位的实时高效的综合 运输管理系统 这种交通管理系统可以实现强制汽车按照一定的速度行驶 让前后车辆 保持安全车距 实时监控路况信息 做出堵塞预测 实时更新堵塞情况以及推荐最佳行 车路线等功能 系统可利用大量的无线传感器与车辆保持联系 控制中心可以检测每辆 汽车的运行情况 并可令每辆车保持高效率低能耗的运行状态 并对车辆的潜在故障做 出预警 甚至可提前告知事故抢救中心做好应急准备 英特尔公司在2002年底发布了 基于传感器网络的信息计算发展规划 计划中英特尔将致力于在预防医学 环境监测 森林防火乃至海底板块调查的研究工作 1 41 4 论文安排论文安排 本文的主要研究内容是无线传感器网络的感应能力的问题 重点研究了理论模型下传 感器在不同条件下的感应能力 通过一到两个节点的研究 推论出具有广泛意义的结论 并通过 MATLAB 软件仿真结果 本文研究内容分为以下几个方面 第一章 绪论介绍了无线传感器网络的特点 目前应用 研究进展等几个方面的内容 第二章 首先介绍了网络拓扑 拓扑控制的基本概念 然后集中介绍了无线传感器网 络覆盖方面的基础知识 包括覆盖的基本特性 研究方法等 第三章 首先介绍了传感器部署的基础理论 接着重点介绍了无线传感器网络感应能 力的分析 通过对一两个节点的分析 进而推广到广泛应用领域 第四章 则根据前面章节的证明出的定理与推论 在 MATLAB 软件上进行仿真实验 并得出相应的仿真图形对结论进行验证 第五章 对本文做出简单总结 对无线传感器网络的研究方向进行简单介绍 江南大学学士学位论文 6 无线传感器网络感应能力的分析 7 7 第第 2 2 章章 无线传感器网络基础知识无线传感器网络基础知识 随着无线传感器网络应用的不断推广 更多的研究集中到了网络配置的基本理论方 向 其中覆盖问题是其设计应用所面临的最基本问题 随着研究的进展 研究角度的不 同 覆盖问题也可以进行模型化研究 可以表达为几种不同的理论模型 理论上在计算 几何里面可以找到与其相关的解决方案 尽管这些办法并不能直接应用 仅限于纸面的 理论研究方向 但是研究这些问题有助于更快的理解无线传感器网络覆盖的基本理论 2 12 1 网络拓扑网络拓扑 良好的拓扑结构能够提高网络内的数据传输效率 延长传感器网络的生存时间 为 数据融合 时间同步 目标定位等诸多方面提供研究基础 因此拓扑控制是无线传感器 网络中的一个基本问题 网络拓扑控制所研究的主要问题是在满足网络连通性 覆盖度的条件下 通过功率 控制和核心节点的选择 去掉不必要的通信线路 形成一个经过优化的通信网络结构 网络拓扑的控制与优化 对于整个无线传感器网络的意义主要体现在以下几个方面 1 1 影响整个网络的生存时间 影响整个网络的生存时间 传感器网络节点一般都会采用电池作为能源 所以可以得知节能是进行设计时主要 考虑的问题 拓扑控制的一个重要作用就是在保证网络连通性和覆盖度的前提条件下 尽可能有效的使用能源 延长网络生存时间 提高传感器使用寿命 2 2 减少节点间通信干扰 增加网络通信效率 减少节点间通信干扰 增加网络通信效率 传感器网络节点通常都进行撒网式的密集部署 若每个节点都以最大功率进行通信 这不仅会增加干扰 还会降低通信效率 造成了资源的浪费 违背了设计的初衷 反之 若发射功率过小 则会降低网络的连通性 综上所述 可以发现拓扑控制是解决这个问 题的重要途径 3 3 为路由协议提供基础 为路由协议提供基础 在传感器网络中 只有活动的节点才能进行数据转发 而拓扑控制可以确定由哪些 节点接受这项工作 作为转发节点 同时可以确定各个节点的位置关系 4 4 影响数据融合 影响数据融合 传感器节点将数据发送给核心节点 核心节点进行数据融合工作 并将融合结果发 给数据收集节点 作为拓扑控制的一项重要任务就是进行核心节点的选择 5 弥补节点失效的影响 传感器节点既有可能部署在人迹罕至且环境恶劣的地区 所以极易受到破坏而丧失 功效 这就给拓扑结构具有的鲁棒性提出了要求 需要适应这种情况 4 江南大学学士学位论文 8 2 22 2 无线传感器网络的覆盖无线传感器网络的覆盖 就目前世界范围的研究看来 相当一部分都是致力于解决传感器网络的部署 监测 覆盖与连接的关系等方面的问题 而这些所有问题的核心基本都是与覆盖问题相关的 例如 减少传感器节点的有效工作时间 传感器节点可以关掉电源以节省能量 从而可 以延长网络寿命 为此 必须确定关闭哪些传感器节点及如何调度分配节点的工作时间 以保证当关掉部分节点时 网络不会出现覆盖盲点 因此覆盖直接决定了传感器网络的 服务质量 2 2 12 2 1 覆盖基本描述覆盖基本描述 覆盖分类覆盖分类 覆盖可分成三类 毯式覆盖 障碍物覆盖 掠过式覆盖 毯式覆盖获得传 感器网络的静态部署 然后在可覆盖的范围内对目标进行最大化监测 障碍物覆盖的目的 也是为了获得传感器的静态部署 使得透过障碍不能监测到的目标概率最小化 掠过式覆 盖是通过传感器节点的随机协作运动 获得运动障碍覆盖 覆盖算法评价指标 覆盖算法评价指标 评估覆盖算法的优劣主要有5个量化指标 1 每个节点的覆盖率 衡量网络内的覆盖情况 所有节点覆盖区域面积用表示 cS 2 s S c NR 2 1 2 移动节点满足邻居的比例和固定节点满足L邻居的比例 K 3 网络内每节点的平均邻居数 D 4 分发稳定需要时间 T 5 分发所需能量之和 由决定 PT 覆盖算法特点 覆盖算法特点 除此之外 覆盖算法还应具有以下特点 1 能够在有限移动和有限时间内完成自动分发 2 对网络初始拓扑没有要求 3 在网络拓扑变化的情况下 算法能自动调整以满足覆盖要求 覆盖基本问题 覆盖基本问题 平面上 给定个移动节点 i 1 2 和M个固定节点N i PN j 0 1 2 每个节点均具备有效传感距离和有效通信距离 可以 j QM s R c R 设计一种部署方式 并获得最大的覆盖率 且要求 1 每个移动节点至少有个节点与之相邻 可以取1 KK 2 每个固定节点至少有个节点与之相邻 L 相邻节点定义 如果两个节点之间的距离小于等于通信距离 就可以认为它们为相 c R 邻节点 现可以给出简化问题的假设如下 1 节点可以向任何方向移动 2 在 或 之内 感应量为常量 而在此范围之外 则被认为感应量为0 s R c R 无线传感器网络感应能力的分析 9 9 3 在通信距离内 每个节点均可以识别相邻节点位置 如下图所示 图2 1和图2 2分别为部署前后的分布图 其中 28 6 2 NMK 4L 注 图中实心部分为静止节点 空心部分为移动节点 5 图2 1 部署前的节点分布 图2 2 部署后的节点分布 2 2 22 2 2 覆盖问题研究方法覆盖问题研究方法 围绕覆盖问题 目前发达国家已经在无线AD hoc网络研究的基础之上取得了大量理论 成果 下面将对这些理论成果进行分类描述 1 1 确定性覆盖 确定性覆盖 确定性覆盖是指传感器覆盖区域的大小是确定值 只需要确定怎样放置传感器节点 可以用最少的传感器覆盖该区域 通常定义一个覆盖阀值 这个阀值作为部署算法的参数 被 监测点的可靠监测概率要求大于该值 确定性网络通常基于给定好的形状设定静态网络 传感器网络位置一般采用均匀分布 如格栅形状的传感器网络 传感器节点位于格栅交叉点上 这是一种典型的均匀分布确定 性网络 由于传感器网络节点具有对称性和周期性 所以被监测区域的覆盖问题就可以转 化为单个节点和相邻节点间的覆盖问题 这样就大大简化了计算 在研究这类问题时通常采用最大平均覆盖法或最大最小覆盖法 前者是网络中全部 节点平均覆盖最大化算法 而后者可以保证网络中覆盖能力最差的格栅节点覆盖最大化 江南大学学士学位论文 10 2 2 随机覆盖 随机覆盖 几何方法 该方法是二维空间覆盖问题的研究 可根据节点间的几何位置判断其覆盖 范围 根据单个传感器节点覆盖的几何特征 可以把覆盖问题分为单位圆覆盖问题和非单 位圆覆盖问题 这样就转化成了一个二维平面覆盖问题 测试每个传感器的监测范围 可 以确定无线传感器网络内的被监测点 是否都能够被至少1个相邻节点所监测 6 一种判断传感器节点周边覆盖的算法 用于计算给定区域是否能被个传感器节点所K 覆盖 该算法首先确定了某个传感器节点的覆盖范围 然后对个传感器节点进行判断 N 再计算 这样可以得出整个网络的覆盖范围 该算法可以应用于定位 环境监测等对传 感器网络能力要求较高的应用环境 其生存能力较强 监测能力 主要从无线传感器网络的覆盖能力的角度出发 判断被监测区域能否在要 求的条件下被监测 一般通过求边缘区域路径的方法来判断其覆盖范围 常用最差情况覆 盖和最好情况覆盖算法计算 算法一般分为以下三个步骤 1 把传感器网络节点拓扑图描述为Voronoi图或Delauney三角 2 利用图论的方法进行抽象 对边进行加权 权值对应路径上的点到最近传感器节点的距 离 即Delaunay三角形的边形长度 3 可以使用二进制搜索算法或最宽搜索算法找到边缘路径 搜索参数时一般情况下使用 边界权值或支持权值 边界权值是经过该路径上的点到传感器节点的最小距离 支持权值 是到最近传感器的最大距离 基于这种算法 可以求出最大边界路径 在该边界路径上可以放置新的传感器节点 以 便获得更好的覆盖 但是算法算出的边界路径每次都各不相同 可以通过多次计算的方 法来保证被监测区域被完全覆盖 注 算法复杂度O用来产生Voronoi图 节点有效性 传感器网络部署后 随着时间的推移 传感器电池的消耗以及一些不确 定因素的影响 只会有部分节点处于工作状态 在这种状态下 网络的覆盖范围则取决于 正常工作的传感器的监测范围 在这种网络环境中 由类似于基站作用的移动接入点 部分传感器节点作为移动接入 点 计算出正在工作的有效节点 可以得出丢失质量公式为 0 1 S P N 22 注 为尚在工作 可以传送信息的传感器数目 为有效节点的数目 SN 环境影响 由于传感器网络自身的技术特点它使得网络传输与传统移动通信有较大 区别 因而自然环境对无线链路的传输影响 可以作为一个单独的课题来进行主要研究 通过选择三个环境 开阔地 树林 树木覆盖的丘陵 计算不同环境中传感器网络 单位发射功率的可覆盖范围 其中采用整台阴影衰落模型 100 10 log PLd dBnd dX 23 其中 为损失路径 为传输距离 为距离指数 为零均值标准方差随机 PL 0 d n X 高斯函数衰落效应 由不同的环境传输决定 nX 无线传感器网络感应能力的分析 1111 经过试验后发现 在外界条件一致的情况下 由于无线电信号具有散射特性 所以 在由树木的环境下接收节点的信号能量比开阔地区更强 因而在网络覆盖相同的条件下 在树林中工作的传感器节点比开阔地中的节点处在更低的能耗级别上 错而能够有效的 延长传感器的寿命 冗余性 对部分重要目标进行监测的时候 一般情况下为了保险起见 会使用很多个 传感器对其同时进行监测 这样即使当中某个或某几个节点未能工作的时候 也能保证 对目标的监测不会被中断 这就是监测的冗余性 连通性 基于连通性的覆盖是传感器网络部署后 部分传感器可能会处于自动休眠 状态中 这是由于能量预留和调度机制的设置 这样分析其覆盖的范围就会具有较高 的实用性 由于可能部分休眠 所以不能保证对目标区域完全覆盖 这是研究网络连通 性的关键点 假定为传感器节点通信图 为传感器的节点的集合 对任意节点 之间 Y C ICab 的边用 来表示即可 并且当节点 之间的集合距离小于射频通信距离时 边 ababa 属于集合 因而 至少需要通信距离为不小于两倍的传感器节点间距离 才能保证正bI 常监测并联通 而此时 冗余度覆盖也是联通的 7 综上 可以发现根据不同的应用 可将研究方法分为三大类 即 确定性覆盖 传 感器节点不可移动覆盖和传感器节点可移动覆盖 下表为它们的特点参考 表2 1 无线传感器网络覆盖问题研究方法比较 传感器节点不可移动传感器节点可移动 研究方法 确定性覆 盖几何方法监测能力冗余特性连通性静态覆盖动态覆盖 算法 最大平均 覆盖或最 大最小覆 盖法 平面集合 覆盖判决 问题 最差情况 最好情况 覆盖 密度控制 算法 通信距离 大于两倍 监测距离 覆盖配置 协议 势场的方 法 构造全局 占领映射 图 应用环境环境监测 盲区发现 热点监测 目标监测 战场应用 热点监测 高效能的 监测和追 踪 地面勘探 城市搜索 和救急 地面勘探 城市搜索 和救急 战场应用 进一步研 究 不规则区 域监测 非单位圆 覆盖 指数型监 测模型 节点监测 能力可变 有效节点 增减时 网络部署 的相应变 化 自适应覆 盖重配置 算法收敛 速度 根据不同 环境 进 行通信半 径的调整 江南大学学士学位论文 12 无线传感器网络感应能力的分析 1313 江南大学学士学位论文 14 第第 3 3 章章 无线传感器网络感应能力的分析无线传感器网络感应能力的分析 3 13 1 无线传感器网络的部署无线传感器网络的部署 所谓节点部署 就是在一定的区域内 通过适当的策略布置传感器节点以满足某种 特定的需求 优化节点数目和节点分布形式 高效利用有限的传感器网络资源 最大程 度的降低网络能耗 均是节点部署时应注意的问题 合理的节点部署方式不仅可以提高 网络工作效率 优化利用网络资源 还可以根据应用需求变化改变活跃节点的数目 以 动态调整网络节点密度 此外 在某些节点因物理损坏或能量耗尽失效时 通过一定策 略重新部署节点 可保证网络性能不受大的影响 使网络具有较强的鲁棒性 可见节点 部署问题是进一步研究WSNs性能和无线传感器网络实际应用的基础 目前的研究主要集 中在网络的覆盖问题 连通问题和能耗问题3个方面 1 1 基于网格的覆盖 基于网格的覆盖 基于网格的覆盖是指预先确定网络环境 使用二维网格划分目标区域 并选择在合 适的网格点配置传感器节点来完成对目标区域的覆盖 网格的粒度 相邻网格点之间的距 离 由期望的节点放置的精确度决定 目标区域一般假设为矩形或正方形 基于网格的方 法是目前研究覆盖问题的主要方法之一 根据网格形状的不同大致可分为方形网格和菱 形网格两类 2 2 被监测目标状态的覆盖 被监测目标状态的覆盖 静态目标覆盖 覆盖问题大都考虑节点对固定目标区域或目标点进行的覆盖 可称 为静态目标覆盖 动态目标覆盖 动态目标覆盖考虑在一些特殊的应用环境中被监测目标具有移动性 的情况 大致可分为最差与最好情况覆盖和暴露穿越覆盖两类 最差与最好情况覆盖 是研究如何对穿越网络的目标或其所经过路径上的各点进行感知与追踪的问题 对穿越 网络的目标而言 最差情况指考察所有穿越路径中 不被节点检测的概率的最小情况 最好情况指考察所有穿越路径中被节点发现的概率的最大情况 同时 可将计算几何中 的Voronoi图和Delaunary三角形应用于覆盖问题 最好情况覆盖问题进行了扩展 即寻 找耗能最低的最好覆盖路径和距离最短的最好覆盖路径 暴露穿越覆盖研究在一定时间 周期内 沿任意路径以任意速度移动的目标的监测问题 同时考虑了时间因素和节点对 目标的感知强度 因此 暴露穿越覆盖比最差与最好情况覆盖更加适于实际应用 8 3 3 评价标准 评价标准 覆盖程度 覆盖程度通常可作为网络服务质量的一种度量 覆盖效率 定义为区域中所有节点覆盖范围的并集与所有节点覆盖范围总和的比值 用来衡量节点感知范围的利用率 覆盖均匀度 覆盖的均匀度是衡量网络寿命长短的一个良好标准 覆盖盲区 对于给定的传感器节点集合和给定的目标区域 若该区域内的任意一点 都被节点所覆盖 则该目标区域无覆盖盲区 当时 称为单重完全覆盖 目前研究1k 无线传感器网络感应能力的分析 1515 较多的都是此类问题 节点探测距离 若节点探测距离可调 则可使其在满足覆盖要求的前提下达到最小 值 同时 在一些节点失效的情况下 通过动态调整其周围节点的探测距离可保证网络 性能不受大的影响 这样 不仅可以降低节点能耗 还可以增强网络的生存能力 覆盖时间 在火灾 救援等紧急情况的应用中 网络从节点的初始部署到所有节点 都达到其最终位置时所需的时间是需要考虑的重要因素 通常 覆盖时间由算法复杂度 和节点移动所需的物理时间决定 活跃节点数目 在满足网络覆盖要求的情况下 所需活跃节点数目越少 节点有效 覆盖面积越大 节点利用率越高 从而可以有效地降低网络能耗 4 4 连通问题 连通问题 连通问题可描述为在传感器节点能量有限 感知 通信 计算能力受限的情况下 采用一定的策略 通常为有效的算法 在目标区域中部署传感器节点 使得网络中的各个 活跃节点之间能够通过一跳或多跳通信 连通问题涉及到节点通信距离和通信范围的概 念 节点通信距离即在一定区域内 每个节点都以一定的无线距离进行通信 且该距离 为节点间通信的一跳距离 节点通信范围为节点能够进行信息有效传递的物理空间 连通问题分为两类 纯连通与路由连通 纯连通是指不论网络是否运行 网络中的 任意两节点间都能够保持通信 针对纯连通的研究主要是通过考察节点间距离 节点密 度 节点通信距离 节点能耗等因素 进而研究它们之间的关系 以满足网络的连通性 要求 路由连通是指在网络运行时 按照一定的路由协议实现任意两节点间的通信 即 对纯连通的优化 不同的路由协议能够实现不同的连通效果 多种类别的协议可相互结 合以满足网络应用的多方面要求 从覆盖与连通问题的描述可以看到 两者有很多相似之处 但覆盖要求相邻节点之 间的距离小于等于2 即两节点的感知范围相切或相交 以保证目标区域不存在盲点或r 盲区 而由于活跃节点间可采用多跳通信 所以连通并不要求相互通信的节点为相邻节 点 这是两者最大的区别 由于WSNs的正常运行需要同时满足覆盖与连通 因此 研究 者们对覆盖与连通的关系进行了有意义的研究 9 5 5 能耗问题能耗问题 覆盖中的节能 对于覆盖问题 通常采用节点集轮换机制来调度节点的活跃 休眠时 间 具体方法是可将所有节点划分为多个集合 各集合轮换独立的承担监测任务 其关 键在于尽量使每个集合中的节点数量最少 以最大化节点集数目 延长节点被激活的时 间间隔 最大程度的延长网络寿命 节点集的划分在某种程度上与网络多重覆盖 连通 的思想相一致 对节点集轮换机制进行改进 每个节点可同时被划分到多个集合 即节 点可在不同的集合中被多次激活 增加了节点选择的灵活性 采用节点轮换机制的同时 可以假设节点探测距离 可调 在实现完全覆盖的前提下 动态调整活跃节点的探测距离 r 使节点的感知范围达到最小 进一步减少能耗 连通中的节能 针对连通问题 也可采用节点集轮换机制与调整节点通信距离的方法 江南大学学士学位论文 16 3 23 2 传感器感应能力传感器感应能力 3 2 13 2 1 传感器模型传感器模型 传感器大多具有的不同的理论特征和物理特性 虽然不同款式的设备和不同的传感 器模型具有不同的特性 功能 然而它们却有两点共通性 1 感应能力随着距离的增加而削弱 2 由于噪音的减少影响了测量值 所以感应能力的可分配感应时间 感应量 增加 考虑到以上这两点 对于任意一个传感器 它在任意一点的感应量 可以表示为sp 下式 k S s p d s p 3 1 其中是点到传感器 的距离 常数和 一般取 1 或 2 是传感器的技术 d s pps k 参数 虽然也可以采用其它的感应模型来进行计算 但是本文中还是采用这种更为常见 的经典模型进行计算 从这里可以看到 由于分子上为常数 里面 K 也是是个常值 所以 P 点的感应 k d 值与距离成反比关系 公式可以简化为 k S d 32 从上式中可以明显看到 传感器感应强度与感应节点和传感器的距离成反比例关系 3 2 23 2 2 传感器感应强度传感器感应强度 首先定义 传感器感应强度 这一概念 任意点在感应区域内的感应强度为 pFI 在这里 现在有两个传感器感应强度的模型 所有传感器感应强度和最接近传感器 A I 感应强度 C I 定义 定义 所有传感器感应强度为区域 F 内 全部传感器的感应量在点 P 的集合 A IF p 量 假定区域内有个活跃的传感器 可以表示为 Fn 1 s 2 s n s A I 1 n Ai IF pS s p 33 定义 定义 最接近传感器感应强度定义为在区域内 若点与它最接近的传感 C IF pFp 器之间的存在感应量 即它们之间存在最小欧氏距离 此时可以被表示为 C I min mm ssS d spd s psS 34 min A IF pS sp 35 是最接近点的传感器 min sp 假设目标是在区域内 沿曲线 路径 从点移动到点 现在可OF p t 1 p t 2 p t 以定义可以定义目标 O 沿曲线 P t 移动所产生的暴露量为 无线传感器网络感应能力的分析 1717 2 1 12 t tt dp t E p t t tI F p tdt d 36 此时传感器感应量也写成或者 则是对曲线的积分 I F p t A IF p t C IF p t t dp t d 当 此时存在下式关系 p tx ty t 22 t dp tdx tdy t ddtdt 37 将式带入式中 37 36 3 2 33 2 3 暴露量暴露量 开始讨论无线传感器网络的暴露量的问题 先讨论最简单的情况 当只有一个传感 器在位置处时 传感器在点的感应函数可定义为 0 0 p x y 22 11 0 0 S sp x y d s p xy 3 8 研究从点到点 取哪条路径可以得到最小暴露量 当和取特殊点 1 0 p q x y x t y t 这时有 0 1 0 0 1 1 xyxX yY 1 22 22 0 1 dx tdy t Edt dtdt x ty t 39 为最小值 请注意 这里使用的是最接近传感器感应强度模型 Ic 引理引理 1 1 若 即目的地为点 那么传感器的最小暴露路径就是沿行 0 1 q q cos sin 22 tt 走的线路 且其暴露量为 2 E 下面可以来证明这个结论 证明如下 以点为坐标中心 传感器 在该点与轴相交 目标在与轴夹角角的线段上 0 0 sXX i 可以得出 11 0 2 iin 3 10 很显然 路径从点到的最小的暴露量将按顺序和每条线只相交一次 令 1 0 p 0 1 q 点为交点 用线段近似之间的路径 从起点 画一条垂直于线段的线段 i p 1ii PP 1ii PP s 1ii PP 命名交点为 可以进一步表示成角度和夹角分别为和 正如图 3 1 i S ii p ss 1ii s sp i i 所示一样 江南大学学士学位论文 18 图 3 1 对引理 1 的证明 能证实沿线段从点到点的暴露量为 1ii PP P i S 1 sin 222 1 sin1 ln cos cos l i io i dx lx 3 11 是点 和到之间的距离 所以从点到点的暴露量是ls i p i p 1 sin1 sin lnln coscos ii ii 3 12 可以清楚的在图中发现是一组恒定的给定值 1iiii 11 0 2 iin 当时可以得到最小暴露量 这表示 换句话说 从点到达 i 1 ii d s pd s q i p Th 线 与轴相交且其角度为 这时的最佳路线为向点运动 该点和点到传X 1i 1i p i p 感器 的距离相等 s 当 n 时 此时可以推断 如果终点在 那么这时的最小暴露路径是以点 0 1 q 0 0 为圆心 半径为 1 的 且同时通过点和点的四分之一圆弧 那么这个路径可以被表示pq 为如下表达式 cos sin 01 22 ttt 3 13 由此推出暴露量为 1 22 220 1 sin cos 22222 cos sin 22 Ettdt tt 3 14 注意到在上述证明中 起点和终点不一定必须在在和点上 只要它们到传感器 1 0 0 1 的距离相等就可以 由此 可以推论得出 s 引理引理 2 2 给定一个传感器 和两个点和 只要点和到传感器 的距离相等 那么它们的spqpqs 最小暴露路径就是以点为圆心 通过点和点的一段圆弧 0 0 pq 无线传感器网络感应能力的分析 1919 在一个有限的区域内讨论最小暴露路径的问题 要求传感器只须在 x 1 y 1 的正方形区域内即可 定理定理 3 3 让传感器 位于点 0 0 且在 x 1 y 1 的正方形区域内 从点到点s 1 1 p 的最小暴露路径包括三部分 从点到点的线段 一段经过点和点 1 1 q p 1 0 1 0 的圆弧以及从点到点的线段 0 1 0 1 q 图 3 2 对推论 3 的证明 现在来证明上述结果 由上图的对称性可以知道 只需要证明 它的最小暴露路径为从点到 1 1 p 第一象限角分线 如此 该路径的暴露量比其他任何一条连续曲线的暴露量都低 yx 因为该路径就是所需要证明的最小暴露路径 虚线在图 3 中是连接点和的一条任意曲线 假设它与轴交于点点 1 1 p yx X p 由引理 2 可知 从点到的最小暴露路径 是以 0 0 为圆心到的一段圆弧 pyx yx 沿这条圆弧的暴露量是 等分第一象限 所以其暴露量为引理 1 所得结论的一 4 yx 半 与虚线从点到的暴露量相等 但是虚线从点到路径的暴露量却要大于 1 0 yx p p 点垂直轴的直线段路径的暴露量 这时因为如下两个因素 1 传感器对在前面曲pX 线上的点比较敏感 因为它们离传感器比较近 2 前面曲线的长度比后者曲线的长度长 这是因为从到轴的垂直线段是最短的 所以 虚线与粗实线相比 虚线的暴露量大于pX 粗实线 由此可以知道粗实线的确为所要证明的最小暴露路径 证毕 那么现在可以对任意凸多边形推广这个结论 只需要传感器 在凸多边形内切圆的圆s 心即可 让 形成一个多边形区域 是传感器 线段是凸多边形内切圆 1 2 v v i v n vs 1ii vv 的正切线 切点在 如图 3 3 所示定义曲线为 i u AAA 112211 ijiiiiiijjjj vuuuu uuuuu 3 15 AAA 112231 ijiiiiiijjjj vuu uuuuuu v 3 16 江南大学学士学位论文 20 图 3 3 凸多边形 是点到点的线段 是点到点的圆弧 表示它们之间为串联关系 注意 ii vu i u i v A 1ii uu i u 1i u 如果端点和是相邻的 则