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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密度控制問題的新型解決方案
SHI Jian , JIA Yu-fu, DONG Tian-lin, LI Jiang
Department of Electronics and Information Engineering, Huazhong University of Science and Technology,
Wuhan 430074, P.R. China
Received 4 April 2006; revised 2 June 2006
摘要：在這篇論文里，我們提出一種基于蒙特卡洛算法的設(shè)計(jì)來測試傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)是否冗余，以此來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)密度控制。計(jì)算的復(fù)雜度只有O(n)。同時(shí)我們建立了一個(gè)服務(wù)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍沖突探測和退回機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)。模擬結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能用最少的節(jié)點(diǎn)覆蓋所有相關(guān)區(qū)域，并且在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中不會(huì)出現(xiàn)覆蓋真空區(qū)。本文所提及的覆蓋范圍沖突探測和退回機(jī)構(gòu)可以應(yīng)用于同步或異步機(jī)構(gòu)。同時(shí)它還可以提供一個(gè)時(shí)間長度可供調(diào)節(jié)的穩(wěn)定平臺(tái)。
1 簡介
迄今為止，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究一直基于假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量石由電池供給，而且不能再生。故而節(jié)點(diǎn)的壽命是有限和短暫的?；诖?，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，能源管理和能源利用效率的研究顯得尤為重要。一種延長網(wǎng)絡(luò)壽命的基本方法就是在相關(guān)的區(qū)域配置許多的節(jié)點(diǎn)。這樣做的不足在于，當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)活動(dòng)時(shí)，會(huì)增大數(shù)據(jù)信息包傳送過程中沖突和擁擠的幾率， 更多的節(jié)點(diǎn)會(huì)傳遞從傳播源到基站的信息。相關(guān)區(qū)域的多重覆蓋還會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)過多的冗余信息。這種情況解決的本質(zhì)方法就是密度控制機(jī)構(gòu)。它可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候控制一部分節(jié)點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)，而另一部分處于睡眠狀態(tài)。這種交替的過程也是輪流進(jìn)行的。這種活動(dòng)方式不僅保證了相關(guān)區(qū)域的信息收集，同時(shí)也延長了節(jié)點(diǎn)的壽命。傳感器網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)環(huán)境并不能保證所有的節(jié)點(diǎn)之間能夠在時(shí)間上同步。節(jié)點(diǎn)里的每一個(gè)算法和協(xié)議都應(yīng)該分開設(shè)計(jì)，密度控制算法也應(yīng)該分開設(shè)計(jì)。為了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)密度控制算法，需要考慮兩件事。第一是節(jié)點(diǎn)從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到活動(dòng)狀態(tài)或從活動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到睡眠狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。第二是覆蓋沖突退回機(jī)構(gòu)。即當(dāng)相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)從活動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)，它們覆蓋的交集處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)覆蓋真空區(qū)。所以密度控制算法需要一個(gè)依賴于一個(gè)節(jié)點(diǎn)剩余能量的退回時(shí)間。
對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)劃睡眠的方法來達(dá)到能量守恒并非前無古人。但是，目前許多基于此種論調(diào)的努力都集中于節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，而很少有人注意到?jīng)_突區(qū)域的探測和退回機(jī)構(gòu)。另外，基于傳感覆蓋的狀態(tài)轉(zhuǎn)換判斷算法具有很高的計(jì)算復(fù)雜性。一些算法試圖通過全球信息來找出貼近最優(yōu)的解決方法。根據(jù)文獻(xiàn)[1,2]，可以使用線性程序技術(shù)來選擇最少的活動(dòng)節(jié)點(diǎn)以維持覆蓋面。根據(jù)文獻(xiàn)[3,4]，一個(gè)更加精密的覆蓋模型曾經(jīng)被用于尋址曝光基站的覆蓋問題。在參考文獻(xiàn)[3]中提到，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中可以運(yùn)用泰森多邊形圖表法和Delaunay三角網(wǎng)技術(shù)來估算最大破壞路徑和最大支持路徑。然而文獻(xiàn)[4]中提到，找出最小曝光路徑的