WSN覆蓋控制的應急通信論文范文
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無線傳感器節點主要部署在礦井巷道和工作面，不考慮巷道的高度和工作面高度的影響，節點部署的問題可簡化為線性網絡和平面網絡的最少節點部署問題。
1．1線性網絡在類似線性網絡的巷道中感知的數據沿著線性路徑匯聚到處于sink節點，因而臨近sink的部分節點成為帶寬容量和能量的瓶頸。如果節點是均勻的沿線部署，則臨近sink的節點由于能量快速消耗而失效，導致網絡分割，限制了網絡生存周期，解決的方法是優化節點間的放置距離以獲得期望的網絡生存期。可以在節點初始能量固定的條件下，根據數據傳輸功率與距離的關系采用適當的放置算法放置節點。設d為發送節點和接受節點間的距離，假設節點沿一直線排列，如圖1所示。節點初始能量為E，感知半徑為D。若di記為節點i與節點（i＋1）間的距離，節點n為sink。單位時間內，節點在單位面積上產生C單位數據。為保證覆蓋，那么對于任意的i都有dilD。
1．2平面網絡無線傳感器網絡以數據為中心，感知數據被逐跳轉發至sink。根據平面上各點到sink的不同距離，可以將任務區域劃分為多個以sink為中心的同心圓環。顯然，處于不同圓環內的節點的任務也不同：最外層的節點只發送自身的感知數據，不轉發數據；內層區域節點既發送自身的感知數據又轉發外層鄰居的數據（如圖2所示）。網絡的應用場景給定了網絡覆蓋率和生存期的要求，因而需要考慮部署多少節點才合適，若部署節點過少則不能保證覆蓋質量或網絡生存期，節點過多則節點費用上升，因此自然地提出了最少節點部署問題。
1．3異構網絡的轉發連通覆蓋異構網絡的轉發連通覆蓋可以表述為在一個給定的異構傳感器網絡里，如何喚醒盡量少的節點使得任務區域中的每個點都被覆蓋，而且活躍節點都是轉發連通的，也就是求異構傳感器網絡的最小轉發連通覆蓋集問題。當異構傳感器網絡中只有一個轉發節點，而且鏈路是可靠的，即數據成功發送概率為1時，異構傳感器網絡的最小轉發連通覆蓋集問題簡化為同構傳感器網絡的最小連通覆蓋集問題，同構傳感器網絡的最小連通覆蓋集問題已被證明是NP－Hard，因而異構傳感器網絡的最小轉發連通覆蓋集問題是NP－Hard的。異構傳感器網絡的最小轉發連通覆蓋集問題是找出盡量少的傳感器節點，既能夠覆蓋任務區域且又是轉發連通的，擬分兩個2步驟尋找近似解：（1）喚醒近似最小的覆蓋集。（2）構建轉發連通的覆蓋集。由于覆蓋集節點不一定是轉發連通的，因而需要加入一些節點以優化覆蓋節點的轉發路徑，最終構成轉發連通的覆蓋集。
2WSN網絡中p－Grid協議設計
在異構網絡中，網絡節點按簇劃分，每個簇有一個高功率簇頭節點和低功耗成員節點組成。在簇成員之間通常沒有數據傳輸，在空閑狀態不必相互發現對方，因此沒有必要總是保持簇成員之間的交集屬性。將數據傳輸看作write操作，將空閑狀態的偵聽看作read操作，為了節省能量，必須確保讀群集和寫群集之間的交集不能為空，即write∩write≠，read∩write≠。非對稱的群組喚醒調度機制正是基于上述理念，設計出網格群組。一個讀群集由網格中的一縱列組成，一個寫群集由網格中的一橫行組成。為了獲得更高的能量節省率和更好的發現延時，設計出基于群組的p－Grid協議。p－Grid是基于群組的屬性設計的。每個節點有兩種操作模式：偵聽模式和探測模式。偵聽模式中，通過檢查時隙頭部是否出現增益電平來判斷是否有報文傳輸；處在探測模式的節點處于喚醒狀態，并且發送短的前同步碼。每個節點在空閑狀態保持偵聽模式，需要鄰居發現時，探測節點從偵聽模式轉變為探測模式，接著發送前同步碼去探測鄰居。當鄰居們檢測到前同步碼，通過反饋REPLY信息來表明它們的存在。在p－Grid中，節點偵聽模式中的偵聽調度將等同于一個read群集，探測模式中的探測調度等同于一個write群集。由于read∩write≠，一個處于探測模式的節點肯定能夠發現處于偵聽模式的鄰居。在群組周期內，依據讀群集和寫群集之間的非空交集屬性，一個節點必能在有限時間內發現周圍的鄰居。
3p－Grid仿真結果分析
為了評價本文提出的p－Grid路由協議的性能，進行了仿真實驗并與GRID協議性能進行對比。仿真工具采用OMNeT＋＋仿真軟件［10］。本文從網絡總體能量消耗、節點存活數量兩方面對GRID和p－Grid進行對比分析。通過實驗，得到GRID與p－Grid網絡能量總能耗比較情況（如圖3所示），以及兩者網絡節點存活數比較情況。
4結論
本文針對井下礦物開采的工作環境及通信現狀，以Ethernet和WSN的井下應急通信系統架構為背景，從提高能量效率的角度，對最少節點部署和異構網絡的轉發連通覆蓋問題進行研究。設計出p－Grid路由協議。仿真實驗表明，p－Grid協議延長了網絡生命周期，節約了網絡總體能耗。
作者：劉曉悅趙曄賀曉巧單位：河北聯合大學