一种混合传感器网络节点配置方法

本发明涉及无线传感器网络领域，尤其涉及一种混合传感器网络节点配置方法的研究。

背景技术：

1、无线传感器网络(wsn)由大量具备自组织能力的传感器节点组成。由于wsn可大规模部署和自组织，因此wsn在众多领域得到了广泛的应用。对于大面积的监测区域，若只放置静态传感器，确定性部署逐一放置费时费力；统一随机放置又难以找到一个合适的传感器数目覆盖整个区域。而且传感器数量少了会出现很多覆盖空洞，过多又会导致成本过高。若只放置移动传感器，可以保证高覆盖率，但由于节点的移动，会使能量消耗过大，加快网络失效的速度。混合传感器网络(hwsn)同时包含移动节点和静态节点，正在越来越多地被应用。其中，网络节点配置是一个待解决问题，多数研究者都在研究以更少的移动传感器节点数去完成覆盖，然而这样并没有一个具体的计算标准。如果能得到一个具体的关于覆盖率和动静传感器节点的配置比例的关系，就可以在部署传感器之前，按照实际需求来进行节点的配置选择。一方面可以避免如果传感器个数不够，再进行第二次的部署，另一方面可以减少节点的冗余，更充分的利用每一个传感器节点的感知能力。

2、本发明提出了一种混合传感器网络节点配置方法，该方法可以方便且准确地计算出在对任意给定大小的监测区域进行随机部署时的动态与静态节点比例，以达到所需覆盖率，降低了网络部署的经济成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种混合传感器网络节点配置方法，为在部署传感器之前计算出区域所需的动态与静态节点个数，避免传感器的冗余部署已经节点经济成本上的浪费。

2、为达到上述目的，本发明提出一种混合传感器网络节点配置方法，具体包括分析参数范围和推导节点配置公式两个基本步骤。

3、步骤一，在本发明的一个实施例中，所述分析参数范围进一步包括：分析传感器感知半径的合适范围和分析节点配置的合适范围。

4、本发明假设监测区域边长为l，传感器感知半径为rs，记区域边长与传感器感知半径的比值为l:rs，假设该值过大，会导致所需传感器总个数较多，单一传感器的覆盖范围相对于整个区域较小，移动节点经过二次部署也只能将网络覆盖率达到平均水平；假设该值过小，则会导致所需传感器个数较少，甚至少数或个位数传感器即可将区域覆盖完全，失去了求取动静节点配置的意义。假设节点配置中动态节点的占比过高，则需要消耗更多的能量来分配动态节点位置，调度动态节点，同时也会浪费更多的经济成本，对于所提高的小部分覆盖率来说是不值得的。因此在上述仿真前，需要先考虑传感器感知半径的范围以及节点配置的范围，以符合实际需求。

5、对于上述分析，本发明对区域边长为100m、不同感知半径下的覆盖情况进行了实验，在某一感知半径下，通过更改节点配置对区域进行覆盖，获得覆盖率的趋势图。从说明书附图2中可以看出，当l:rs＜100:12时，由于感知半径的增大，所需传感器总个数越来越少，节点配置与覆盖率之间的关系越来越不明显，这意味着此时的传感器节点不太需要进行配置，均为静态节点或调高动态节点比例也不会对覆盖率产生太大的偏差。传感器半径的增大造成的传感器数目减少是导致上述结果的直接原因。

6、当l:rs＞100:7时，如说明书附图3所示，此时传感器总个数越来越多，导致尤其在动态节点增多的时候，所得覆盖率的波动变得剧烈、无规律。且在此感知半径下，网络最大覆盖率也无法达到85％，不适用于实际环境中。

7、对传感器配置的范围选择时，本发明考虑从所有节点中包含1个动态节点开始，逐一增加动态节点个数来进行实验。从成本的角度来看，动态节点比静态节点价格高，因此动态节点不宜过多。在相同成本条件下，采用纯静态节点进行随机部署所获得的覆盖率进行了对比，如附图4所示。实验证明，相同成本条件下，使用混合传感器部署区域所获得覆盖率均高于纯静态节点随机部署获得的覆盖率。此外，从说明书附图4中可以看出当动静节点比值达到1.5时，混合传感器所覆盖的范围基本趋于稳定。因此在后续实验中，可将节点配置的最高限制设为动态节点个数：静态节点个数＝3:2。

8、经上述讨论，本发明将区域边长与传感器半径的比值控制在100:11至100:7之间，这一比值适用于其他区域边长。节点配置的范围限制在动态静态比例3:2以下。之后便在不同感知半径下进行实验。例如在半径为rs时，通过改变节点配置来得到不同的覆盖率，方法与节点配置范围选择时相同，为将动态节点从1个一直增加到动静比例达到规定的上限3:2，记录每种配置下对应的区域覆盖率。

9、步骤二，在本发明的一个实施例中，所述推导节点配置公式进一步包括：通过步骤一限定的传感器感知半径范围和节点配置范围，在半径范围内，进行每一半径的充分仿真，不断更改范围内的节点配置比例，得出节点配置与覆盖率的对应图。

10、之后便以覆盖率为自变量，节点配置为因变量，使用最小二乘法对所得数据进行曲线拟合，得到不同感知半径各自的覆盖率-配置函数关系，如说明书附图5。

11、通过最小二乘多项式函数拟合，最终得出覆盖率-节点配置的关系如式。

12、

13、系数aij如下：

14、

15、式中p为动态与静态节点的比例，x为所需覆盖率，l为监测区域的边长，rs为传感器的感知半径。

16、本发明利用上述所提出公式，用来进行网络部署前的传感器节点种类与个数的规划，可以有效降低网络部署的经济成本。规定静态节点100元一个，移动节点150元一个。与sracc算法相比，已知其算法达到一定覆盖率所需成本，在相同的监测区域与传感器感知半径的前提下，利用公式所计算得出传感器种类和个数，计算经济成本。对比sracc算法达到相同覆盖率所需的传感器成本，如说明书附图6所示，本发明所提出公式可节约一定经济成本，比sracc算法达到相同覆盖率所需的传感器成本更低。

技术特征：

1.一种混合传感器网络节点配置方法，其特征在于：

技术总结
本发明提出了一种混合传感器网络节点配置方法。混合传感器网络包括移动节点与静态节点，目前多数研究者都在考虑如何用更少的移动节点完成覆盖，但没有一个具体的标准来规定监测区域大小、传感器感知半径、动态静态节点配置比例三者的关系。本发明先分析网络的参数范围，包括传感器感知半径的范围和节点配置比例的范围。再通过实验获得节点配置与覆盖率的关系，从而得出计算节点配置的公式。本发明以所得公式对网络进行传感器种类与个数的选择，再进行网络部署，对比发现本发明的方法可以降低网络成本。通过本发明的应用，可在各种场景下根据所需覆盖率，计算得出所需传感器种类与个数，避免冗余部署造成的资源浪费或传感器不足导致的部署不充分。

技术研发人员：孙茜,彭霄,王小艺,许继平,张慧妍,王立,于家斌,赵峙尧,孟祥越,庞佳龙
受保护的技术使用者：北京工商大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16