謝紹國(guó)

(安慶師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 安慶 246133)

隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)之一[1].傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位采用的是靜態(tài)錨節(jié)點(diǎn)定位，此定位方式成本高、效率低.如果采用移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)定位，可減少錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，從而降低成本、減少時(shí)間、提高效率.針對(duì)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的路徑規(guī)劃，研究人員已提出一些方案.文獻(xiàn)[2]研究了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的路徑規(guī)劃問(wèn)題.文獻(xiàn)[3]提出了一種基于幾何公式和批處理的移動(dòng)無(wú)碰撞路徑規(guī)劃?rùn)C(jī)制，解決了移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)的部署問(wèn)題.文獻(xiàn)[4]提出了一種移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃方案，該方案能夠降低定位誤差，所有節(jié)點(diǎn)均能確定位置.為了解決直線問(wèn)題和減少節(jié)點(diǎn)能量消耗，文獻(xiàn)[5]提出了一種Z曲線的路徑規(guī)劃?rùn)C(jī)制.文獻(xiàn)[6]中提出了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的避障路徑規(guī)劃方法.文獻(xiàn)[7]給出了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃方法.文獻(xiàn)[8]分析了測(cè)距和非測(cè)距2種技術(shù)方案用于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)定位的性能.文獻(xiàn)[9]提出了一種基于虛擬力的3維移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃方法.為解決移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的路徑規(guī)劃問(wèn)題，文獻(xiàn)[10]提出了一種寬度優(yōu)先和回溯式貪婪算法，該算法把路徑規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為圖的生成樹(shù)及遍歷問(wèn)題.大部分的路徑規(guī)劃方案存在錨節(jié)點(diǎn)共線問(wèn)題，使得節(jié)點(diǎn)定位精度不高.為了減少定位時(shí)間和解決錨節(jié)點(diǎn)共線問(wèn)題，筆者提出一種N曲線的路徑規(guī)劃方案.

1 路徑規(guī)劃方案

1.1 N曲線路徑規(guī)劃方案

N曲線路徑規(guī)劃方案的所有節(jié)點(diǎn)均部署在2維空間.如果移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)沿N曲線移動(dòng)，則未知傳感器節(jié)點(diǎn)的定位將更準(zhǔn)確.考慮到實(shí)際環(huán)境，路徑規(guī)劃方案是按有障礙物的情況設(shè)計(jì)的.該文N曲線移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃方案涉及N曲線的等級(jí)，所以先介紹N曲線的等級(jí).等級(jí)為1的 N曲線如圖1所示，一個(gè)2維區(qū)域分成4塊，每個(gè)小方塊的邊長(zhǎng)為d，移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)沿N曲線移動(dòng)并經(jīng)過(guò)2維區(qū)域的中心及小區(qū)域的中心，4塊小區(qū)域的中心分別記為C1，C2，C3，C4.等級(jí)為2，3的N曲線分別如圖2，3所示.

圖1 等級(jí)為1的N曲線 圖2 等級(jí)為2的N曲線 圖3 等級(jí)為3的N曲線

N曲線移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃有如下步驟：

(1) 分析通信半徑內(nèi)未知傳感器節(jié)點(diǎn)定位的情況及節(jié)點(diǎn)間關(guān)系.移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)與未知傳感器節(jié)點(diǎn)間通信的條件為：移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)在未知傳感器節(jié)點(diǎn)的通信半徑內(nèi)，即滿足

dist(bj,si)≤Rc，i=1,…,n，j=1,2,3，

(1)

其中：si為未知傳感器節(jié)點(diǎn)；bj為移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)；dist(bj,si)為移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)與未知傳感器節(jié)點(diǎn)間的距離；Rc為未知傳感器節(jié)點(diǎn)的通信半徑.如果移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)沿N曲線移動(dòng)并在未知傳感器節(jié)點(diǎn)的通信半徑內(nèi)，則未知傳感器節(jié)點(diǎn)能定位.

(2) 移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)沿N曲線移動(dòng)，調(diào)整移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的通信半徑，保證所有的未知傳感器節(jié)點(diǎn)均能定位.

(3) 移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過(guò)程中，選擇距離未知傳感器節(jié)點(diǎn)最近的3個(gè)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，將其發(fā)送給未知傳感器節(jié)點(diǎn).

(4) 確定距離未知傳感器節(jié)點(diǎn)最近的3個(gè)連續(xù)非直線的移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo).

1.2 節(jié)點(diǎn)定位

采用非測(cè)距的定位算法，對(duì)未知傳感器節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行定位.采用非測(cè)距的定位算法可減少傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期.接收信號(hào)強(qiáng)度(received signal strength，簡(jiǎn)稱RSS)很容易獲得且不需要額外的電路，因此減少了成本和能量消耗.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射、接收芯片均裝有信號(hào)強(qiáng)度指示器(received signal strength indicator，簡(jiǎn)稱RSSI)，這樣RSS測(cè)量無(wú)須額外的花費(fèi).移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過(guò)程中，需要發(fā)送自己的坐標(biāo)信息，因此移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)需要配置一個(gè)GPS定位模塊.

2 性能分析

已有的路徑規(guī)劃方案有HILBERT[11]，SCAN[11]，CIRCLES[4]和LMAT[12].通過(guò)仿真分析該文的N曲線路徑規(guī)劃方案，且將其與已有的路徑規(guī)劃方案進(jìn)行比較.

2.1 無(wú)線信道模型

該文仿真實(shí)驗(yàn)中采用的無(wú)線信道模型如下

RSS=PL0-10βlog10(dn/d0)+Nα,

(2)

其中：dn為錨節(jié)點(diǎn)與未知傳感器節(jié)點(diǎn)的距離；PL0為d0(d0=1 m)處的接收信號(hào)強(qiáng)度；β為路徑損耗因子；Nα為標(biāo)準(zhǔn)偏差為α、均值為0的高斯噪聲.

2.2 仿真參數(shù)

實(shí)驗(yàn)區(qū)域大小為100 m×100 m，200個(gè)未知傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在試驗(yàn)區(qū)域.1個(gè)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)沿規(guī)劃路徑移動(dòng)，移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)速度為2 m·s-1.Rc/d分別為0.50，0.75，1.00，1.25，1.50，1.75，2.00，2.25，2.50；路徑損耗因子β為3.0；標(biāo)準(zhǔn)偏差α為3；PL0為55；d0為1 m；發(fā)射功率為-25 dBm.

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)

(1) 定位誤差率

圖4為幾種方案的定位誤差率比較.從圖4可知，該文方案的定位誤差率最小.隨著Rc/d的增加，該文方案的定位誤差率越來(lái)越小.當(dāng)Rc/d等于0.5時(shí)，該文方案的定位誤差率為0.02，比其他的方案均小.

圖4 定位誤差率

(2) 定位時(shí)間

圖5為Rc/d為2時(shí)未知傳感器節(jié)點(diǎn)的平均定位時(shí)間.從圖5可以看出，采用該文方案時(shí)，未知傳感器節(jié)點(diǎn)的平均定位時(shí)間最少，優(yōu)于其他4種路徑規(guī)劃方案.當(dāng)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)速度為1～5 m·s-1時(shí)，5種路徑規(guī)劃方案的未知傳感器節(jié)點(diǎn)平均定位時(shí)間均在2 min以內(nèi).

(3) 定位成功率

圖6為采用該文方案時(shí)未知傳感器節(jié)點(diǎn)的定位成功率.從圖6可以看出，未知傳感器節(jié)點(diǎn)的平均定位成功率隨Rc/d增加而增加.當(dāng)Rc/d等于0.5時(shí)，未知傳感器節(jié)點(diǎn)的平均定位成功率為94%；當(dāng)Rc/d等于2.5時(shí)，未知傳感器節(jié)點(diǎn)的平均定位成功率為99%.

圖5 平均定位時(shí)間 圖6 定位成功率

3 結(jié)束語(yǔ)

為解決錨節(jié)點(diǎn)共線問(wèn)題和減少定位時(shí)間，筆者提出了一種N曲線路徑規(guī)劃方案.從仿真結(jié)果可知，該文方案與其他4種方案相比，解決了錨節(jié)點(diǎn)共線問(wèn)題，減少了定位時(shí)間和定位誤差率；該文方案的節(jié)點(diǎn)定位成功率很高，當(dāng)Rc/d等于2.5時(shí)，定位成功率為99%.