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智慧城市中无线网络节点部署优化方案分析研究

发布时间:2018-11-09 04:05:16 文章来源:未来智讯    

单美珩

[摘 要]智慧城市可以理解为通过各种传感器、物联网、无线网络、移动通信等技术实现各种信息的交互,并且利用云计算、大数据等技术实现对信息的有效整合和综合决策分析,以实现城市运行管理、产业发展和人的全面协调发展,它强调各种信息的深度融合。无线通信网络作为连接各种传感设备和无线终端的载体,让各种感知数据的无缝获取和用户随时随地访问信息成为可能,其在智慧城市中具有越来越重要的作用。

[关键词]智慧城市;无线网络节点;优化方案

中图分类号:TN92 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2017)25-0249-01

无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是一种数据采集和处理的新兴科技。合理地节点部署可以优化网络的现有资源,且决定了监测信息的完整性,也会影响无线传感器网络的服务质量。无线传感器网络是多门学科相互融合的产物。无线传感器网络是由大量的传感器节点以自组织形式构成的系统网络,它是一种集信息和数据采集、无线通讯、数据处理和协同工作于一体网络系统。无线传感器网络部署速度特别快,可以自组织和进行多跳,具有很好的隐蔽性。

1 无线传感器网络概念及工作模式

无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)是由大量具有信息采集功能的传感器节点构建成的网络,它的主要功能是收集目标区域的数据信息,并通过由模拟信号转换成数字信号,然后将数字信号转换为模拟信号的量化处理,以及传递WSN覆盖区域的信息给用户终端,WSN是信息技术中的一个新的热点领域。WSN就是由传感器技术、计算机技术和无线通信技术这三大技术所构成的现代信息系统。显然,无线传感器网络具有三大基本功能:利用传感器进行数据获取;最后以无线通信技术将信息传递。所以,通常情况下,无线传感器网络是通过将传感器节点以预先设定的放置方式布撒或者丢弃在相应的目标监测区域中,然后传感器节点以较快的速度进行部署、自组织和以多跳的形式构建成的无线通信网络。传感器节点通过感知、监测、收集其所处环境下的相关数据信息,并经过一定的处理,然后通过多跳传递给汇聚节点或者信宿,汇聚节点或者信宿将直接和通信卫星或者Internet相连,如此,用户就可以远程获知该区域的信息了。

2 无线传感器网络节点部署

2.1 概述

所谓无线传感器节点部署,是指利用人工智能算法,将传感器节点部署于最适合位置,从而可以有效地提高无线传感器网络监控目标区域的能力,也就是收集信息、处理数据和信息传递等能力。对于无线传感器网络的应用,需要考虑到能量消耗和资源等方面的问题,能量消耗涉及到网络的工作寿命,而资源是用户关注的重要问题。作为关键性和基础性问题,无线传感器网络节点部署是网络能够有效工作的重要保证,如果网络中部署的节点不是最优的,经常会造成资源浪费和网络寿命的减少。

2.2 无线传感器网络节点部署的评价标准

无线传感器网络节点部署的好坏影响了 WSN 的工作状况,好的节点部署能够节省资源且提高网络寿命。若节点部署不是最优,也会造成资源不必要的浪费。当然,对于节点部署中同样会有智能算法的复杂度、数据存储和处理计算等问题。所以说有效地对无线传感器节点部署算法的性能进行评价对于部署分析相当重要。

1)节点覆盖能力

无线传感器网络中的每个节点,其覆盖能力就是其感应范围。感知范围越大,其覆盖能力也就越强;感知范围越小,其覆盖能力也会相对减弱。节点都具有信息感知获取的功效。节点的覆盖能力可有效决定整个网络的性能,所以,WSN对监测区域的覆盖程度能够有效衡量部署算法的优劣。

2)连通性

WSN节点采用多跳自组织的形式相互协同来完成sink节点的数据收集等指令。无线传感器网络里面的节点将收集到的目标区域中的数据进行传递给其临近节点,若网络不连通,那么节点之间无法进行数据的传递,更不能传递给sink节点。所以,保证网络的连通是节点部署的首要条件。

3)生命周期

传感器节点能量相当有限,一旦节点能量用完将会结束其工作。组成网络的节点数目众多,WSN应用的环境条件特别复杂并且一般情况下是不允许对“失效”节点进行电池更换的,所以必须进行对其进行节能处理。应考慮两方面问题,第一,无线传感器网络节点部署的时候,强调传感器消耗较少的能量;第二,传感器节点工作的时候平均消耗的能量是最低的。

3 基于虚拟力的节点部署优化

3.1 无线传感器网络节点间作用力

对于无线传感器网络监测区域,部署于目标区域中的每一个传感器节点均是带电的电荷,节点会受到邻近节点的排斥力或者吸引力。节点间的作用力对于 WSN 的布局起着很重要的作用,节点间的排斥力能够很好的疏散网络中比较密集的部分,避免造成节点覆盖重叠的现象。节点之间的吸引力可以对 WSN 中节点稀疏的区域进行聚集,避免造成监测信息的漏洞而造成盲区的出现。从而节点之间通过吸引力和排斥力的作用,最终能够达到一个最优的布局。在虚拟力进行作用的时候,起着关键性因素的是距离阈值,它能够将吸引力和排斥力进行相互交换,以便能够均衡无线传感器网络节点的布局,最后用最少的节点能够完整地对监测区域进行信息的收集。

3.2 节点与障碍物间作用力

在无线传感器网络实际运用中,对于目标区域里面不免会存在障碍物的区域,比如高山、农田环境中的树木、还有河流,这些区域不容易部署,在实际部署过程当中应该尽量规避这些外界干扰,但是同时不能够距离这些障碍物太远,这样的话容易造成监测盲区。对于传感器节点的数据传输来说,如果有障碍物存在,会对节点间的数据传输有不定程度的影响。所以部署的过程中应尽量躲避障碍物,以免对目标区域中的数据收集不完整,因此,进行节点部署的时候应该考虑障碍物对节点的排斥力。

3.3 虚拟力算法

1)距离阈值的改进

无线传感器网络中,假定传感器节点的传感范围是圆,并且 WSN 中每一个节点的传感器半径相同,当然感知范围也相同。所以 WSN 对目标区域的覆盖模型可以转化为圆覆盖问题,即利用大量具有相同半径的圆覆盖目标区域。从节约资源和使网络寿命最大化方面考虑,需要用最少的圆覆盖目标区域的最大面积。假定目标区域无限大,并且其不受边界的影响,在保证完全覆盖的前提下,区域覆盖率最大化。

2)模型的优化

虚线区域为无线传感器网络的目标监测区域,每一个圆心代表传感器节点,圆表示节点的感知范围。在节点初始化初期其传感器节点均没有达到节点利用率的最大化,其中有很多重叠部分并且杂乱无章。对于这种节点部署优化问题,利用智能人工算法便能够达到节点部署最优效果。目标区域中每一个节点均能够很好的对目标区域进行监测,并没有盲区的出现,提高了网络的服务质量状况,同时最大效率地利用了每一个传感器节点,并且此时区域覆盖率最高。 本文通过将初始化的节点布局,对其进行虚拟力优化,节点是通过改变自己的坐标位置来完成整个网络的优化过程。节点目标函数是区域覆盖效率最大,以上分析了仿真实验环境以及建立了部署优化模型,优化问题需要利用虚拟力来对其进行求解,是一个良好的优化工具。

综上所述,无线传感器网络是一种全新的网络技术,它的应用具有很深远的意义。因为良好的节点部署能够给用户节省成本、有效地收集数据信息并且能够延长网络节点寿命。本文通过分析无线传感器网络的研究背景、意义和国内外现状,发现节点部署是网络运用中的关键性技术之一。

参考文献

[1] 刘晓爽.无线传感器网络覆盖与优化技术研究[D].北京邮电大学,2015.

[2] 熊静.无线传感器网络中运动目标协同跟踪技术研究[D].西安电子科技大学,2016.

中国科技博览 2017年24期

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