基于阻擋因素的WSN節點配置問題研究

王 倫，鄒 濤，陳 菲

武警工程學院，陜西西安 710086

0 引言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量傳感器節點通過無線電通信形成的一個自組織網絡系統，是微機電系統、無線通信、傳感器等多種技術相結合的產物[1]。這些微型傳感器能夠實現信息采集、數據處理、無線通信等功能，組網后能協作地感知、采集和處理覆蓋區域內被監測對象的信息，并傳送有用信息給終端[2]。無線傳感器網絡被認為是21世紀最重要的技術之一[3]，在軍事偵察、環境監測、醫療護理、智能家居、工業生產控制以及商業等領域有著廣闊的應用前景。

WSN包括許多傳感器節點，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先準備情況下實現節點配置，以求消耗盡可能少的能量來建立理想的通信拓撲[5]。因此，采用適當的可靠性保證機制和性能更優的拓撲連通模型顯得十分必要。可靠性主要由網絡的結構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撲連接控制方法實現增加網絡鏈路連接，減少干擾，保存和節省能量及有效地增加網絡覆蓋，從而最終改善網絡的性能[6]。

1 阻擋問題描述

本文提出的一種基于網格設計的菱形節點配置方式，能對給定區域實現完全無縫連通。網格設計基于3個假設，其中前兩個可以近似為成立，但假設3中所述：所有節點在同一個平面內，在工程中進行節點配置時很難做到；且菱形節點配置沒有考慮兩節點之間的阻擋問題，而阻擋會對網絡的連通性產生很大的負面作用[7]。本節對基于阻擋因素的節點配置問題進行討論。

根據2.4GHz頻段通信特點作如下假設：只要兩節點之間存在阻擋則認為通信中斷。如果有多處障礙物可能構成阻擋，只考慮最高障礙物即可。在實際情況中，阻擋可分為兩類：

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

第二類：阻擋為一存在體積的物體[8]，假設為一長方體（對于不規則物體，可以將其最大化為一般長方體），此時的數學模型為求解一個面與一個長方體的相交問題，如果通信路徑投影（兩節點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點通信路徑上，則障礙物肯定不會阻擋兩節點間的通信[9]。如果通信路徑投影與障礙物投影相交，表明障礙物處于節點通信路徑上。

2 節點配置

在實際工程中，第二類阻擋居多。本節重點研究基于第二類阻擋的節點配置問題。

在地面坐標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→物投影的四個頂點，N1，N2為兩節點的投影。現求解直線 N1N2與矩形 ABCD 四條邊的交點記為 E( X4,Y4)、F( X2,Y2)、 G( X1, Y1)、 H( X3, Y3)。

聯解（1）、（2）得G點坐標：

聯解（1）、（3）得F點坐標：

聯解（1）、（4）得H點坐標：

聯解（1）、（5）得E點坐標：

現假設E，F兩交點在各自的邊上，由此可分別求出兩交點到節點N1的距離記為l1，l2及兩節點的直線距離l3。為方便求解，將坐標轉換到具有高度的x O z′′里，此時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。在坐標系x O z′′里，兩交點1(,0)E l，2(,0)F l分別對應為E'，F'；兩節點對應為H為障礙物的高度。

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

（2）若 H＞h1，則節點配置在圖1中的點J，可以在障礙物上架設一定高的支撐點，將節點配置在支撐點上。

其中 ˉ，ˉˉ點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點配置

3 結論

在無線傳感器網絡節點的信息傳播中主要存在兩類阻擋，本文通過數學建模對第二類阻擋即阻擋為一存在體積的物體進行研究，即得出了J點從而保證了無線傳感器網絡的無縫連通，進而使傳感器網絡能夠快速高效的運行。

[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的車輛監控系統的設計與實現[J].地礦測繪，2007, 23(3)：11-12.

[5]Holger Karl，Andreas Willig，無線傳感器網絡協議與體系結構[M].邱天爽，唐洪，李婷，楊華，姜一，譯.北京：電子工業出版社,2007：12-61.

[6]楊庚.ZigBee 無線傳感器網絡的研究與實現[D].杭州：浙江大學，2006.

[7]高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術實踐教程：基于CC2430/31的無線傳感器網絡解決方案[M].北京：航空航天大學出版社，2009，6：48.

[8]如何突破瓶頸輕松設計ZigBee應用系統[J].嵌入式無線，2009，2：5-6.

[9]李文仲，段朝玉.ZigBee 2007/PRO協議棧實驗與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009，3：132-144.