《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于平衡距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署算法
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第4期
李強(qiáng)懿1,2, 馬冬前2, 張聚偉1,2
1. 河南科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023； 2. 光電控制技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471009
摘要： 針對(duì)隨機(jī)部署的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，提出一種節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方案。將節(jié)點(diǎn)移動(dòng)劃分成若干個(gè)過(guò)程進(jìn)行，在每個(gè)移動(dòng)過(guò)程中根據(jù)平衡距離和位置關(guān)系進(jìn)行節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，使聚集在一起的節(jié)點(diǎn)分散開，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的最大覆蓋。由于節(jié)點(diǎn)間平衡距離逐漸增大，因此在每個(gè)移動(dòng)過(guò)程中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)距離均較小，減少了節(jié)點(diǎn)移動(dòng)距離總和。仿真結(jié)果表明，該算法在保證覆蓋效果的基礎(chǔ)上，降低節(jié)點(diǎn)的總移動(dòng)距離。
中圖分類號(hào)： TP393
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2013)04-0096-03
Nodes deployment algorithm based on balance distance of wireless sensor network
Li Qiangyi1,2, Ma Dongqian2, Zhang Juwei1,2
1. Electronic Information Engineering College, Henan University of Science and Technology, Henan 471023, China; 2. Science and Technology on Electro-optic Control Laboratory, Henan 471009, China
Abstract： This paper presents a node movement scheme aiming at the wireless sensor network nodes which are randomly deployed. The node movement is divided into several processes, in each movement process according to the balance distance and location relations move nodes to separate the aggregate nodes and achieve the maximum coverage of the monitoring area. Because of gradually increasing the balance distance between nodes, in each movement process the nodes moving distance is small and reduce the sum of the nodes movement distance. The simulation result shows this algorithm ensures the effect of coverage on the basis of reducing sum of the nodes movement distance.
Key words : wireless sensor network; nodes deployment algorithm; balance distance

    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)由大量在處理器、存儲(chǔ)空間、能量供應(yīng)、通信帶寬等方面資源有限的微小設(shè)備組成[1]。這些被稱為傳感器的微小設(shè)備可以對(duì)特定任務(wù)環(huán)境進(jìn)行感知，在網(wǎng)絡(luò)中將感知到的信息進(jìn)行處理，通過(guò)多跳無(wú)線通信方式與其他傳感器或接收器(也稱為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn))交換信息[2]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如地震監(jiān)測(cè)、環(huán)境檢測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視等[3]。

    覆蓋效果是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中衡量服務(wù)質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)[4]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的幾個(gè)重要應(yīng)用包括節(jié)點(diǎn)部署，如沿天然氣管道兩側(cè)部署監(jiān)測(cè)潛在破壞，在化工廠周圍部署檢測(cè)化學(xué)物品泄露，沿國(guó)家邊界部署監(jiān)視非法入侵等[5]。
    國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼開展對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署優(yōu)化的研究，為了優(yōu)化傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，通過(guò)使用遺傳算法[6]、魚群優(yōu)化算法[7]和微粒群優(yōu)化算法[8]等人工智能算法提高網(wǎng)絡(luò)的整體覆蓋率，部署方案需要通過(guò)多次迭代計(jì)算得到，算法復(fù)雜度較高。參考文獻(xiàn)[9-11]提出基于虛擬力的部署算法，快速有效地實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的布局優(yōu)化，移動(dòng)方案由節(jié)點(diǎn)之間相互位置關(guān)系計(jì)算獲得，受節(jié)點(diǎn)密度影響較大。對(duì)于存在大量固定節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，虛擬力算法可能無(wú)法突破固定節(jié)點(diǎn)虛擬力的限制，達(dá)不到全局優(yōu)化的目的。
    為了改善傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署時(shí)的不合理分布，提高監(jiān)測(cè)區(qū)域覆蓋率,本文以節(jié)點(diǎn)覆蓋率為優(yōu)化目標(biāo)，提出將移動(dòng)過(guò)程分解為多個(gè)部分的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方案，通過(guò)不斷增大節(jié)點(diǎn)間平衡距離，使節(jié)點(diǎn)逐漸移動(dòng)到合適的位置，提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率，同時(shí)降低節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)距離。
1 感知概率模型
    假設(shè)二維平面監(jiān)測(cè)區(qū)域A被數(shù)字離散化為m×n個(gè)像素[6]，本文將第i個(gè)像素點(diǎn)pi被第j個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)sj所感知的事件定義為rij，該事件發(fā)生的概率P{rij}即為像素點(diǎn)pi被傳感器節(jié)點(diǎn)sj所感知的概率為P(pi,sj)，即:




    從圖1和圖2中可以得出，隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加，監(jiān)測(cè)區(qū)域的覆蓋率也增加，節(jié)點(diǎn)總移動(dòng)距離增大。由于基本虛擬力與改進(jìn)虛擬力算法沒(méi)有較好地控制每次需要移動(dòng)的位置，對(duì)于節(jié)點(diǎn)密集處移動(dòng)的距離過(guò)大，所以對(duì)提高覆蓋率的幫助較小。本文算法根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的平衡距離進(jìn)行移動(dòng)，每次移動(dòng)的距離較小，從而逐漸移動(dòng)到最佳的監(jiān)測(cè)位置，每個(gè)移動(dòng)過(guò)程中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)距離之和都不大，因而節(jié)點(diǎn)移動(dòng)距離總和較小。

    本文提出了一種節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方案，將節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過(guò)程分解為多個(gè)部分進(jìn)行，每個(gè)部分中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)平衡距離的大小和與鄰居節(jié)點(diǎn)位置關(guān)系判斷自己是否需要移動(dòng)以及所要移動(dòng)到的新位置，由于節(jié)點(diǎn)間平衡距離逐漸增大，因而每個(gè)移動(dòng)過(guò)程中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)距離均較小。仿真結(jié)果表明，該算法在提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，減少節(jié)點(diǎn)移動(dòng)距離等方面，均優(yōu)于基本虛擬力算法和改進(jìn)虛擬力算法。
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