無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)均勻分布的研究

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1、無(wú) 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 的 節(jié) 點(diǎn) 均 勻 分 布的 研 究Analysis of distribution uniformity ofnodes in wireless sensor network LOGO 摘 要Abstract: Wireless sensor networks have severalspecial characteristics which make against the network coverage， such as shortage of energy， difficulty with energy supply and so on In order

2、to prolong the lifetime of wireless sensor networks it is necessary to balance the whole network load As the energy consumption is related to the situation of nodes， the distribution uniformity must be considered In this paper， a new model is proposed to evaluate the nodes distribution uniformity by

3、 considering some parameters which in clude compression discrepancy， sparseness discrepancy， self discrepancy， maximum cavity radius and minimum cavity radius 111e simulation results show that the presented model could be helpfu】 for measuring the distribution uniformity of nodes scattered randomly

4、in wireless sensor networks 無(wú) 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 中 諸 如 能 量 不 足 ， 能 量 供 應(yīng) 困 難 等 問(wèn) 題 制約 了 無(wú) 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 的 覆 蓋 。 為 了 延 長(zhǎng) 網(wǎng) 絡(luò) 的 生 存 期 ， 我 們有 必 要 研 究 整 個(gè) 無(wú) 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 的 負(fù) 載 平 衡 。 因 為 節(jié) 點(diǎn) 的 能耗 與 其 狀 態(tài) 位 置 有 關(guān) ， 故 節(jié) 點(diǎn) 必 須 均 勻 分 布 。 在 本 文 中 ， 提出 了 一 種 新 的 模 型 ， 這 種 模 型 通 過(guò) 考 慮 一 些 諸 如 密 集 差 異 、稀 疏 差 異 、 自 身 差 異 、

5、 最 大 空 覆 蓋 度 、 最 小 空 覆 蓋 度 等 來(lái) 評(píng)估 節(jié) 點(diǎn) 的 均 勻 分 布 情 況 。 仿 真 結(jié) 果 顯 示 ， 此 模 型 能 有 效 的 獲得 無(wú) 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 中 隨 機(jī) 分 散 的 節(jié) 點(diǎn) 分 布 情 況 。 LOGO 引 言 Wireless sensor networks， which are composed of three major information technologies， the sensing， the computer technology an d wireless communication， are widely use

6、d at present Many sensors interconnected in aregion form a network to measure some physical parameters， process data and transmit signals The wireless sensot networks can not only deal with the required inform ation， but also transfer data securely to accomplish the inform ation acquisition It can b

7、e used widely in the fields of our living， scientific research， military， E-hospital， intelligent traffic， unmanned scout， intelligent weapo n，and SO on. 無(wú) 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 目 前 已 得 到 廣 泛 應(yīng) 用 ， 它 主 要 有 三 個(gè) 信 息 技 術(shù) 構(gòu) 成 ， 分 別 是傳 感 器 技 術(shù) 、 計(jì) 算 技 術(shù) 和 無(wú) 線 通 信 技 術(shù) 。 一 個(gè) 區(qū) 域 中 許 多 節(jié) 點(diǎn) 相 互 連 接 成 一 個(gè) 網(wǎng) 絡(luò) ，以 監(jiān) 測(cè) 一

8、些 物 理 參 數(shù) 、 處 理 數(shù) 據(jù) 和 傳 送 信 息 。 無(wú) 線 傳 感 器 不 僅 處 理 需 要 的 信 息 ， 而且 安 全 地 傳 送 數(shù) 據(jù) 以 完 成 信 息 獲 取 。 它 能 廣 泛 應(yīng) 用 在 我 們 生 活 、 科 學(xué) 研 究 、 軍 事 國(guó) 防 、 醫(yī) 學(xué) 治 療 、 智 能 交 通 、 無(wú) 人 監(jiān) 察 、 智 能 武 器 等 等 。本 文 結(jié) 構(gòu) ： 第 一 部 分 介 紹 有 關(guān) 工 作 。 第 二 部 分 ： 介 紹 無(wú) 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 節(jié) 點(diǎn) 均 勻 分 布的 數(shù) 學(xué) 模 型 。 第 三 部 分 描 述 了 此 模 型 的 仿 真 分 析 。 第 四

9、 部 分 ： 結(jié) 論 和 未 來(lái) 的 工 作 。 LOGO 2. 以 往 工 作 目 前 ， 無(wú) 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 節(jié) 點(diǎn) 均 勻 分 布 的 研 究 比 較 少 。 大 多 數(shù) 學(xué) 者 著 重 研 究 無(wú) 線 傳感 器 網(wǎng) 絡(luò) 的 覆 蓋 問(wèn) 題 ， 典 型 的 分 布 理 論 可 分 為 準(zhǔn) 確 覆 蓋 和 隨 機(jī) 覆 蓋 。 準(zhǔn) 確 覆 蓋 理 論適 合 那 些 節(jié) 點(diǎn) 位 置 能 準(zhǔn) 確 獲 取 的 情 況 。 而 隨 機(jī) 覆 蓋 理 論 適 合 實(shí) 際 應(yīng) 用 和 包 括 隨 機(jī) 節(jié)點(diǎn) 覆 蓋 與 動(dòng) 態(tài) 網(wǎng) 絡(luò) 覆 蓋 在 內(nèi) 的 所 有 情 況 。 隨 機(jī) 節(jié) 點(diǎn) 覆 蓋

10、是 在 傳 感 器 節(jié) 點(diǎn) 隨 機(jī) 展 開(kāi) 且 不 能 事 先 確 定 的 情 況 。 例 如 ， 文 獻(xiàn) 3、4就 討 論 了 傳 感 器 周 長(zhǎng) 覆 蓋 問(wèn) 題 。 文 獻(xiàn) 5通 過(guò) 二 分 法 解 決 了 覆 蓋 控 制 問(wèn) 題 。 總 之 ， 所 有 的 這 些 文 獻(xiàn) 都 講 到 了 隨 機(jī) 覆 蓋 問(wèn) 題 。 在 文 獻(xiàn) 6中 ， 研 究 了 當(dāng) 節(jié) 點(diǎn) 移 動(dòng) 后 如 何 能 保 證節(jié) 點(diǎn) 的 覆 蓋 問(wèn) 題 。 為 了 研 究 覆 蓋 問(wèn) 題 ， 有 些 專 家 從 事 能 量 節(jié) 約 問(wèn) 題 研 究 ， 包 括 文 獻(xiàn) 7中 提 出 的 使 用兩 相 簇 法 數(shù) 據(jù) 聚 合

11、的 能 量 節(jié) 約 方 案 、 文 獻(xiàn) 8中 提 出 的 簇 能 量 有 效 利 用 方 案 和 文 獻(xiàn) 9中提 出 的 網(wǎng) 絡(luò) 分 布 拓 撲 控 制 等 。 At present， the research on distribution uniformity on odes for wireless sensor networks can be hardly found Most scholars emphasized the coverage theory of wirelesssensor networks The typical distribution can be divide

12、d as certain coverage and random coverage Th e certain coverage theory fits the situation that the location of wireless sensor nod es can be gotten， which now is not a research hotspot again The random coverage suits fol all kinds of practical applications and includes random nodes coverage and dyna

13、mic network coverage according to the uncertainty of networks LOGO 3.節(jié) 點(diǎn) 均 勻 分 布 的 數(shù) 學(xué) 評(píng) 估 模 型 Th e distribution uniform ity of sensor nodes is the key that influences the energy consumption when lifetime and coverage ale ensured Suppose that the nodes of a network are deployed in certain an a with

14、length X and width Y 傳 感 器 節(jié) 點(diǎn) 的 均 勻 分 布 是 影 響 節(jié) 點(diǎn) 能 耗 的 主 要 因 素 ， 假 設(shè) 網(wǎng) 絡(luò) 節(jié) 點(diǎn) 展 開(kāi)的 區(qū) 域 以 X軸 和 Y軸 的 坐 標(biāo) 系 來(lái) 表 示 。 如 圖 1， n1， n2,ni是 無(wú) 線 傳 感 器 節(jié) 點(diǎn) ， 它 們 分 布 在 （ 0， 0） 和 （ X,Y）之 間 。 假 設(shè) C2=0， 1是 二 維 的 單 位 區(qū) 域 。 為 了 簡(jiǎn) 單 地 分 析 ， 我 們 把 所 有 傳 感器 節(jié) 點(diǎn) 映 射 到 相 應(yīng) 的 C2區(qū) 域 中 ， 任 一 節(jié) 點(diǎn) 的 相 應(yīng) 坐 標(biāo) 為 LOGO 3.節(jié) 點(diǎn) 均 勻

15、 分 布 的 數(shù) 學(xué) 評(píng) 估 模 型如 圖 1， 無(wú) 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 的 理 想 分 布 標(biāo) 準(zhǔn) 度 Rst： 其 中 n表 示 無(wú) 線 傳 感 器 節(jié) 點(diǎn) 的 數(shù) 量 。 由 于 無(wú) 線 傳 感 器 節(jié) 點(diǎn) 的 典 型 分 布 不 是 均 勻 的 而 是 隨 機(jī) 的 ， 密 集 差 異 Dd用 來(lái)評(píng) 估 丟 失 區(qū) 域 的 差 異 。 利 用 自 身 差 異 D我 們 可 以 評(píng) 估 整 個(gè) 區(qū) 域 的 差 異 。密 集 差 異 表 達(dá) 式 ： 稀 疏 差 異 表 達(dá) 式 ： 自 身 差 異 表 達(dá) 式 ： 其 中 r min和 r max分 別 表 示 最 小 和 最 大 半 徑

16、。 f和 g分 別 表 示 一 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 到 另 一 節(jié) 點(diǎn) 的 距 離 上 面 的 式 2-式 6聯(lián) 合 組 成 了 隨 機(jī) 展 開(kāi) 無(wú) 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 節(jié) 點(diǎn) 的 均 勻 分 布 模 型 。我 們 可 以 用 此 模 型 評(píng) 估 均 勻 度 并 開(kāi) 展 進(jìn) 一 步 工 作 以 降 低 能 耗 。 LOGO 4. 仿 真 分 析 To validate the distribution uniformity performance， two diferent distributions of located wireless sensor nodes are expressed a

17、s Figs 2 and 4 Morver， we suppose that there are 400 nodes in each sensor network and can get a theory that all nod es are in the SaBle cluster fromRef 2 為 了 驗(yàn) 證 均 勻 分 布 的 性 能 ， 我 們 分 別 對(duì) 兩 種 位 置 分 布 不 同 的 無(wú) 線 傳 感 器 網(wǎng)絡(luò) 進(jìn) 行 評(píng) 估 ， 如 圖 2和 圖 4所 示 。 這 里 ， 我 們 假 設(shè) 每 一 個(gè) 網(wǎng) 絡(luò) 有 400個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 且 所有 節(jié) 點(diǎn) 在 同 一 簇 內(nèi) 。

18、 從 文 獻(xiàn) 2我 們 可 以 得 到 ： 其 中 Pt(i,B)是 當(dāng) 節(jié) 點(diǎn) i傳 送 數(shù) 據(jù) 給 基 站 時(shí) 節(jié) 點(diǎn) i的 能 量 消 耗 。 f iB是 節(jié) 點(diǎn) i到 基 站 的 數(shù) 據(jù) 傳 輸 速 率 ， d iB是 節(jié) 點(diǎn) i到 基 站 的 距 離 ， 表 示 接 受 數(shù) 據(jù) 時(shí) 與 能 耗 系 統(tǒng)無(wú) 關(guān) 的 距 離 系 數(shù) ， 是 接 受 數(shù) 據(jù) 時(shí) 與 能 耗 系 統(tǒng) 相 關(guān) 的 距 離 系 數(shù) 。 等 式 中 典 型 的值 是 ： d=50nj/bit， =0.0013pj/bit/m4， m=4， f iB=10kb/s LOGO 4. 仿 真 分 析 the ideal

19、distribution is uniform distribution and R stcan be calculated by Eq (1)： R st= 0.0842From Fig 2， we can gef the value of distribution parameters of wireless sensor networksDd=59.386;Ds=0.0006267;D=0.0372， FROM Eq (7)， we can calculate the value of P of each node in Fig 2 and the CHIVe is plotted in

20、 Fig 3 理 想 情 況 下 是 均 勻 分 布 的 ， R st由 等 式 1計(jì) 算 可 得 出 R st=0.0842， 從 圖 2中我 們 可 以 得 出 Dd=59.386;Ds=0.0006267;D=0.0372， 從 等 式 7中 我 們 可 以 得到 圖 2中 每 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) P iB的 值 ， 如 圖 3所 示 。 LOGO 4. 仿 真 分 析 從 圖 4中 ， 我 們 可 以 得 到 Dd=2.468;Ds=0.0006221;D=0.0015通 過(guò) 式 7， 我 們 可 以 計(jì) 算 出 圖 4中 每 一 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) Pt（ i， B） 的 值 ， 如 圖 5所 示

21、。 LOGO 4. 仿 真 分 析 從 圖 2、 3、 4、 5， 我 們 得 出 表 1表 1列 出 了 計(jì) 算 參 數(shù) 且 表 1的 結(jié) 果 顯 示 均 勻 分 布 網(wǎng) 絡(luò) 比 隨 機(jī) 分 布 網(wǎng) 絡(luò) 的 能 耗 少 。 圖 4中 區(qū) 域 3和 區(qū) 域 2的 節(jié) 點(diǎn) 密 度 比 圖 2相 應(yīng) 的 區(qū) 域 大 ， 當(dāng) 覆 蓋 一 樣 且 每 一 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 的 能 耗 一 樣 時(shí) ，圖 4的 總 能 耗 比 圖 2大 。 相 反 ， 圖 4中 區(qū) 域 1和 區(qū) 域 4的 節(jié) 點(diǎn) 比 圖 2相 應(yīng) 的 區(qū) 域 稀疏 且 總 能 耗 比 圖 2少 。 另 外 ， 我 們 可 以 知 道 無(wú) 線

22、傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 分 布 越 均 勻 ， 那 么整 個(gè) 網(wǎng) 絡(luò) 能 耗 就 越 少 。 LOGO 5. 結(jié) 論 Th is pape r focuses on the problem about the distilbution uniform ity of nodes in wireless networks The proposed model and simulation results show that the distribution of sensor nodes is a key to save the energy of network 本 文 主 要 研 究 無(wú) 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 節(jié) 點(diǎn) 的 均 勻 分 布 問(wèn) 題 ， 仿真 結(jié) 果 顯 示 ， 當(dāng) 網(wǎng) 絡(luò) 覆 蓋 確 定 時(shí) ， 本 文 提 出 的 均 勻 分 布 模型 能 有 效 的 降 低 網(wǎng) 絡(luò) 的 能 耗 。 LOGO