WSN覆盖控制的应急通信论文范文

1WSN覆盖控制技术研究

无线传感器节点主要部署在矿井巷道和工作面，不考虑巷道的高度和工作面高度的影响，节点部署的问题可简化为线性网络和平面网络的最少节点部署问题。

1．1线性网络在类似线性网络的巷道中感知的数据沿着线性路径汇聚到处于sink节点，因而临近sink的部分节点成为带宽容量和能量的瓶颈。如果节点是均匀的沿线部署，则临近sink的节点由于能量快速消耗而失效，导致网络分割，限制了网络生存周期，解决的方法是优化节点间的放置距离以获得期望的网络生存期。可以在节点初始能量固定的条件下，根据数据传输功率与距离的关系采用适当的放置算法放置节点。设d为发送节点和接受节点间的距离，假设节点沿一直线排列，如图1所示。节点初始能量为E，感知半径为D。若di记为节点i与节点（i＋1）间的距离，节点n为sink。单位时间内，节点在单位面积上产生C单位数据。为保证覆盖，那么对于任意的i都有dilD。

1．2平面网络无线传感器网络以数据为中心，感知数据被逐跳转发至sink。根据平面上各点到sink的不同距离，可以将任务区域划分为多个以sink为中心的同心圆环。显然，处于不同圆环内的节点的任务也不同：最外层的节点只发送自身的感知数据，不转发数据；内层区域节点既发送自身的感知数据又转发外层邻居的数据（如图2所示）。网络的应用场景给定了网络覆盖率和生存期的要求，因而需要考虑部署多少节点才合适，若部署节点过少则不能保证覆盖质量或网络生存期，节点过多则节点费用上升，因此自然地提出了最少节点部署问题。

1．3异构网络的转发连通覆盖异构网络的转发连通覆盖可以表述为在一个给定的异构传感器网络里，如何唤醒尽量少的节点使得任务区域中的每个点都被覆盖，而且活跃节点都是转发连通的，也就是求异构传感器网络的最小转发连通覆盖集问题。当异构传感器网络中只有一个转发节点，而且链路是可靠的，即数据成功发送概率为1时，异构传感器网络的最小转发连通覆盖集问题简化为同构传感器网络的最小连通覆盖集问题，同构传感器网络的最小连通覆盖集问题已被证明是NP－Hard，因而异构传感器网络的最小转发连通覆盖集问题是NP－Hard的。异构传感器网络的最小转发连通覆盖集问题是找出尽量少的传感器节点，既能够覆盖任务区域且又是转发连通的，拟分两个2步骤寻找近似解：（1）唤醒近似最小的覆盖集。（2）构建转发连通的覆盖集。由于覆盖集节点不一定是转发连通的，因而需要加入一些节点以优化覆盖节点的转发路径，最终构成转发连通的覆盖集。

2WSN网络中p－Grid协议设计

在异构网络中，网络节点按簇划分，每个簇有一个高功率簇头节点和低功耗成员节点组成。在簇成员之间通常没有数据传输，在空闲状态不必相互发现对方，因此没有必要总是保持簇成员之间的交集属性。将数据传输看作write操作，将空闲状态的侦听看作read操作，为了节省能量，必须确保读群集和写群集之间的交集不能为空，即write∩write≠，read∩write≠。非对称的群组唤醒调度机制正是基于上述理念，设计出网格群组。一个读群集由网格中的一纵列组成，一个写群集由网格中的一横行组成。为了获得更高的能量节省率和更好的发现延时，设计出基于群组的p－Grid协议。p－Grid是基于群组的属性设计的。每个节点有两种操作模式：侦听模式和探测模式。侦听模式中，通过检查时隙头部是否出现增益电平来判断是否有报文传输；处在探测模式的节点处于唤醒状态，并且发送短的前同步码。每个节点在空闲状态保持侦听模式，需要邻居发现时，探测节点从侦听模式转变为探测模式，接着发送前同步码去探测邻居。当邻居们检测到前同步码，通过反馈REPLY信息来表明它们的存在。在p－Grid中，节点侦听模式中的侦听调度将等同于一个read群集，探测模式中的探测调度等同于一个write群集。由于read∩write≠，一个处于探测模式的节点肯定能够发现处于侦听模式的邻居。在群组周期内，依据读群集和写群集之间的非空交集属性，一个节点必能在有限时间内发现周围的邻居。

3p－Grid仿真结果分析

为了评价本文提出的p－Grid路由协议的性能，进行了仿真实验并与GRID协议性能进行对比。仿真工具采用OMNeT＋＋仿真软件［10］。本文从网络总体能量消耗、节点存活数量两方面对GRID和p－Grid进行对比分析。通过实验，得到GRID与p－Grid网络能量总能耗比较情况（如图3所示），以及两者网络节点存活数比较情况。

4结论

本文针对井下矿物开采的工作环境及通信现状，以Ethernet和WSN的井下应急通信系统架构为背景，从提高能量效率的角度，对最少节点部署和异构网络的转发连通覆盖问题进行研究。设计出p－Grid路由协议。仿真实验表明，p－Grid协议延长了网络生命周期，节约了网络总体能耗。

作者：刘晓悦赵晔贺晓巧单位：河北联合大学