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        基于阻擋因素的WSN節(jié)點(diǎn)配置問題研究

        2011-08-30 06:21:28倫,鄒濤,陳
        科技傳播 2011年17期
        關(guān)鍵詞:交點(diǎn)障礙物投影

        王 倫,鄒 濤,陳 菲

        武警工程學(xué)院,陜西西安 710086

        0 引言

        無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線電通信形成的一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),是微機(jī)電系統(tǒng)、無線通信、傳感器等多種技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物[1]。這些微型傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)信息采集、數(shù)據(jù)處理、無線通信等功能,組網(wǎng)后能協(xié)作地感知、采集和處理覆蓋區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測對象的信息,并傳送有用信息給終端[2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一[3],在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護(hù)理、智能家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

        WSN包括許多傳感器節(jié)點(diǎn),它們彼此通過多跳無線信道通信[4]。而且通常都是在沒有預(yù)先準(zhǔn)備情況下實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)配置,以求消耗盡可能少的能量來建立理想的通信拓?fù)鋄5]。因此,采用適當(dāng)?shù)目煽啃员WC機(jī)制和性能更優(yōu)的拓?fù)溥B通模型顯得十分必要??煽啃灾饕删W(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和通信鏈路的連通性及干擾影響大小來決定[5]。研究可靠性及連通性的主要目的就是通過不同拓?fù)溥B接控制方法實(shí)現(xiàn)增加網(wǎng)絡(luò)鏈路連接,減少干擾,保存和節(jié)省能量及有效地增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋,從而最終改善網(wǎng)絡(luò)的性能[6]。

        1 阻擋問題描述

        本文提出的一種基于網(wǎng)格設(shè)計(jì)的菱形節(jié)點(diǎn)配置方式,能對給定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)完全無縫連通。網(wǎng)格設(shè)計(jì)基于3個(gè)假設(shè),其中前兩個(gè)可以近似為成立,但假設(shè)3中所述:所有節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)平面內(nèi),在工程中進(jìn)行節(jié)點(diǎn)配置時(shí)很難做到;且菱形節(jié)點(diǎn)配置沒有考慮兩節(jié)點(diǎn)之間的阻擋問題,而阻擋會對網(wǎng)絡(luò)的連通性產(chǎn)生很大的負(fù)面作用[7]。本節(jié)對基于阻擋因素的節(jié)點(diǎn)配置問題進(jìn)行討論。

        根據(jù)2.4GHz頻段通信特點(diǎn)作如下假設(shè):只要兩節(jié)點(diǎn)之間存在阻擋則認(rèn)為通信中斷。如果有多處障礙物可能構(gòu)成阻擋,只考慮最高障礙物即可。在實(shí)際情況中,阻擋可分為兩類:

        第一類:假設(shè)阻擋為一只具有高度的點(diǎn),不存在面積和體積,且阻擋在兩節(jié)點(diǎn)通信路徑上[8]。這里不作過多講述。

        第二類:阻擋為一存在體積的物體[8],假設(shè)為一長方體(對于不規(guī)則物體,可以將其最大化為一般長方體),此時(shí)的數(shù)學(xué)模型為求解一個(gè)面與一個(gè)長方體的相交問題,如果通信路徑投影(兩節(jié)點(diǎn)間通信路徑垂直投影到地面的影像)與障礙物投影(指障礙物垂直投影到地面的影像)不相交,表明障礙物整體不在節(jié)點(diǎn)通信路徑上,則障礙物肯定不會阻擋兩節(jié)點(diǎn)間的通信[9]。如果通信路徑投影與障礙物投影相交,表明障礙物處于節(jié)點(diǎn)通信路徑上。

        2 節(jié)點(diǎn)配置

        在實(shí)際工程中,第二類阻擋居多。本節(jié)重點(diǎn)研究基于第二類阻擋的節(jié)點(diǎn)配置問題。

        在地面坐標(biāo)xOy(障礙物及通信路徑都投影到地面上)里,A、B、C、D為障ˉˉ礙ˉˉˉ→物投影的四個(gè)頂點(diǎn),N1,N2為兩節(jié)點(diǎn)的投影?,F(xiàn)求解直線 N1N2與矩形 ABCD 四條邊的交點(diǎn)記為 E( X4,Y4)、F( X2,Y2)、 G( X1, Y1)、 H( X3, Y3)。

        聯(lián)解(1)、(2)得G點(diǎn)坐標(biāo):

        聯(lián)解(1)、(3)得F點(diǎn)坐標(biāo):

        聯(lián)解(1)、(4)得H點(diǎn)坐標(biāo):

        聯(lián)解(1)、(5)得E點(diǎn)坐標(biāo):

        現(xiàn)假設(shè)E,F(xiàn)兩交點(diǎn)在各自的邊上,由此可分別求出兩交點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)N1的距離記為l1,l2及兩節(jié)點(diǎn)的直線距離l3。為方便求解,將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到具有高度的x O z′′里,此時(shí)地面被通信路徑切為一條直線,以這條直線為x'軸,以高度所在的直線為z軸。在坐標(biāo)系x O z′′里,兩交點(diǎn)1(,0)E l,2(,0)F l分別對應(yīng)為E',F(xiàn)';兩節(jié)點(diǎn)對應(yīng)為H為障礙物的高度。

        (1)若 H<h1,則節(jié)點(diǎn)配置在障礙物靠近較低節(jié)點(diǎn)的一端,即圖2中所示點(diǎn)I;

        (2)若 H>h1,則節(jié)點(diǎn)配置在圖1中的點(diǎn)J,可以在障礙物上架設(shè)一定高的支撐點(diǎn),將節(jié)點(diǎn)配置在支撐點(diǎn)上。

        其中 ˉ,ˉˉ點(diǎn)ˉˉ→J的求解過程如圖1所示。

        直線N1′ K的方程 :

        直線ˉˉˉˉ→方程為 :

        N2′ L

        圖1 基于阻擋因素的中繼節(jié)點(diǎn)配置

        3 結(jié)論

        在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息傳播中主要存在兩類阻擋,本文通過數(shù)學(xué)建模對第二類阻擋即阻擋為一存在體積的物體進(jìn)行研究,即得出了J點(diǎn)從而保證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無縫連通,進(jìn)而使傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠快速高效的運(yùn)行。

        [1]I.F.Akyildiz, w.Su, Y.Sankarasubramaniam, et al.Wireless senser networks:a survey[J].Computer Networks, 2002, 38:393-341.

        [2]Akyildiz I F, Su W, Sankarasubramaniam, Y, et al.A survey on sensor networks[J].IEEE Communications Magazine.2002, 40(8):102-114.

        [3]Cullar D, Estrin D, Strvastava M.Overview of Sensor Network[J].Computer, 2004, 37(8):41-49.

        [4]聶啟祥,方源敏,左小清.基于GIS/GSM/GPS的車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].地礦測繪,2007, 23(3):11-12.

        [5]Holger Karl,Andreas Willig,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與體系結(jié)構(gòu)[M].邱天爽,唐洪,李婷,楊華,姜一,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2007:12-61.

        [6]楊庚.ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].杭州:浙江大學(xué),2006.

        [7]高守瑋,吳燦陽.ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程:基于CC2430/31的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,2009,6:48.

        [8]如何突破瓶頸輕松設(shè)計(jì)ZigBee應(yīng)用系統(tǒng)[J].嵌入式無線,2009,2:5-6.

        [9]李文仲,段朝玉.ZigBee 2007/PRO協(xié)議棧實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009,3:132-144.

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