一種鏈狀巷道WSN定位覆蓋控制算法

摘 ?要：根據鏈狀巷道WSN定位的需求和節點部署的特點，提出一種適用于鏈狀無線傳感器網絡的K（K≥3）重覆蓋控制算法——LKCC，仿真實驗表明：LKCC算法通過休眠機制能有效地延長網絡的生命周期。與經典的K重覆蓋控制算法CCP相比，該算法能夠保證鏈狀網絡K（K≥3）重覆蓋以及相同的WSN網絡生命周期下使用節點個數平均降低34.26%。

關鍵詞：鏈狀巷道;節點部署;覆蓋控制;節點數量

中圖分類號：TP212.9;TN929.5 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）21-0053-03

A WSN Positioning Coverage Control Algorithm for Chain Roadway

WANG Fei

（Anhui Sun Create Electronics Co.，Ltd.，Hefei ?230088，China）

Abstract：According to the requirements of WSN positioning in chain roadway and the characteristics of node deployment，a K-coverage（K≥3）control algorithm LKCC is proposed for chain wireless sensor networks. The simulation experiments show that LKCC algorithm can effectively extend the network life cycle through sleep mechanism. Compared with the classical K-coverage control algorithm CCP，the algorithm can guarantee K-coverage（K≥3）of the chain network and the average number of nodes used in the same WSN network life cycle is reduced by 34.26%.

Keywords：chain roadway;node deployment;coverage control;node number

0 ?引 ?言

本單位因人防項目需要，需對人防地下巷道人員進行長期定位，在無衛星信號和無持續電源供電情況下，本單位產品組將無線傳感器網絡（WSN）考慮進來。因受巷道地形特點影響，迫使傳感器節點沿著狹長巷道部署。傳感器節點的隨機部署，不僅浪費節點個數，而且易造成節點損壞頻繁退出網絡[1，2]。采用固定部署方式將節點有規劃地部署在巷道的兩側，保障了節點不易遭受人為損壞或自然損壞。但是這樣的部署會給同側兩節點的通信帶來困難，主要是因為靠近墻壁的兩節點是一種非視距、非自由空間的傳播通信方式，因此對于巷道相鄰節點的通信使用上下兩側節點之間的通信方式，任意相鄰三點之間的通信與巷壁構成三角形。

所謂的覆蓋控制，就是在保證網絡覆蓋度和通信連通的前提下，僅將部分節點作為活躍節點，而其余節點都轉入低功耗的睡眠狀態。這樣，網絡中活躍節點數量可以降低，減少通信干擾，從而降低WSN的整體能耗[3]。對于巷道移動節點的定位，要想保證一定的定位精度，目標區域對信標節點的個數應有所要求，少則定位精度不高，多則浪費節點能耗。只有保證巷道下WSN相對恒定地處于K（K≥3）重覆蓋范圍，才能滿足移動節點定位過程中需要信標節點的個數。因此，設計出一種能夠使用盡可能少的工作節點來達到所期望的覆蓋度的算法是很有意義的。Zhang和Hou在已知傳感器位置信息的條件下提出了最優完全覆蓋算法OGDC[4]，但其是利用正三角形來設計的，對于巷道的鏈狀環境不適合。Xu等人提出GAF算法只考慮到WSN的連通性，并沒有考慮WSN的覆蓋問題，它是利用正四邊形來設計的[5]。下文依據巷道WSN和節點部署的特點以及相鄰節點的通信方式設計出一種等腰三角形部署模型，LKCC算法根據此模型執行對鏈狀巷道WSN的覆蓋控制，保證使用較少的工作節點來滿足鏈狀巷道WSN的K（K≥3）重覆蓋。

1 ?部署策略

根據巷道WSN網絡節點部署模型設計，文中引用以下假設：

（1）所有節點同構，即每個節點具有相同的探測半徑、通信半徑、初始能量、發送功率和接收功率。

（2）采用基于布爾的感知模型，即0/1模型。節點感知半徑內發生的事件以概率1感知，而半徑之外的事件感知率為0，傳感區域定義為一個半徑為rs的圓。

（3）所有的傳感器節點都處于同一平面。

由于巷道狹長地理特征，參考節點與基站節點通信都采用多跳方式，易造成越離基站近的節點需要轉發的數據信息也就越多，消耗的能量也就越大，從而出現靠近基站的節點過早死亡的問題。在巷道的左右兩巷壁部署節點時，應該采用非均勻的節點部署策略，這樣才能夠保證巷道整體網絡能耗的均衡性，延長網絡生命周期[6]。

根據巷道的相鄰節點通信方式的特點，可以把巷道WSN虛擬分成若干個三角形網格，類似于常見覆蓋算法中虛擬單元格的劃分。然而對于常見的正三角形、正四邊形或是正六邊形網格也不再適合巷道線型環境，對于巷道劃分的三角形網格大部分是普通的三角形，下面介紹如何保證這些普通的三角形網格在巷道長度、寬度以及節點的傳感半徑rs已知的情況下使用最少的工作節點保證巷道WSN的K（K≥3）重覆蓋網絡部署模型。

模型：等腰三角形部署網絡K（K≥3）重覆蓋的最小覆蓋集

下面通過固定其巷道的節點布撒的密度和節點的感應半徑rs，通過調節巷道的長度L來對LKCC算法和CCP算法對巷道WSN形成的滿足K（K≥3）重覆蓋的需要的工作節點個數作了統計，統計結果如圖4所示，結果對比CCP算法，在滿足定位覆蓋要求的同時，能使工作的傳感器節點個數平均降低34.26%。

4 ?結 ?論

針對巷道的地形以及WSN節點部署特點，設計出一種滿足定位條件的K重覆蓋算法LKCC，相比經典的CCP算法，在保證工作節點滿足定位條件的K重覆蓋和相同WSN網絡生命周期同時，能使傳感器節點個數平均降低34.26%。

參考文獻：

[1] 閆雒恒，賀昱曜.一種魯棒的無線傳感器網絡覆蓋空洞修補方法 [J].計算機科學，2017，44（2）：123-128+146.

[2] 田豐，王飛，劉華艷，等.一種線型無線傳感器網絡部署策略 [J].傳感技術學報，2010，23（11）：1633-1637.

[3] 孫澤華，裴二榮，韓昊哲.無線傳感器網絡中基于網絡覆蓋的節點睡眠調度機制 [J].計算機應用研究，2016，33（9）：2731-2734+2742.

[4] ZHANG H H，HOU J C. Maintaining Sensing Coverage and Connectivity in Large Sensor Networks [J].Ad Hoc & Sensor Wireless Networks，2005，1（1-2）：89-124.

[5] XU Y，HEIDEMANN J，ESTRIN D. Geography-Informed energy conservation for ad hoc routing [C]//Proceedings of the 7th annual international conference on Mobile computing and networking.New York：Association for Computing Machinery New York NY United States，2001：70-84.

[6] 牛玉剛，杜國杰，賈廷綱.一種基于能耗均衡的分區節點部署算法 [J].控制與決策，2016，31（6）：1021-1026.

[7] NIE H，WU J H. Coexistence of an unstirred chemostat model with Beddington-DeAngelis functional response and inhibitor [J].Nonlinear Analysis：Real World Applications，2010，11（5）：3639-3652.

作者簡介：王飛（1983—），男，漢族，安徽含山人，產品經理，高級工程師，碩士，研究方向：計算機應用技術。