无线传感器网络中基于N曲线的路径规划方案

2018-11-19谢绍国

安徽大学学报（自然科学版） 2018年6期

谢绍国

(安庆师范大学计算机与信息学院，安徽安庆 246133)

随着无线传感器网络的发展，无线传感器网络节点定位成为无线传感器网络研究的热点之一[1].传统的无线传感器网络节点定位采用的是静态锚节点定位，此定位方式成本高、效率低.如果采用移动锚节点定位，可减少锚节点的数量，从而降低成本、减少时间、提高效率.针对移动锚节点的路径规划，研究人员已提出一些方案.文献[2]研究了无线传感器网络中移动锚节点的路径规划问题.文献[3]提出了一种基于几何公式和批处理的移动无碰撞路径规划机制，解决了移动传感器节点的部署问题.文献[4]提出了一种移动锚节点路径规划方案，该方案能够降低定位误差，所有节点均能确定位置.为了解决直线问题和减少节点能量消耗，文献[5]提出了一种Z曲线的路径规划机制.文献[6]中提出了一种基于无线传感器网络的避障路径规划方法.文献[7]给出了一种基于无线传感器网络的动态路径规划方法.文献[8]分析了测距和非测距2种技术方案用于移动锚节点定位的性能.文献[9]提出了一种基于虚拟力的3维移动锚节点的动态路径规划方法.为解决移动锚节点的路径规划问题，文献[10]提出了一种宽度优先和回溯式贪婪算法，该算法把路径规划问题转化为图的生成树及遍历问题.大部分的路径规划方案存在锚节点共线问题，使得节点定位精度不高.为了减少定位时间和解决锚节点共线问题，笔者提出一种N曲线的路径规划方案.

1 路径规划方案

1.1 N曲线路径规划方案

N曲线路径规划方案的所有节点均部署在2维空间.如果移动锚节点沿N曲线移动，则未知传感器节点的定位将更准确.考虑到实际环境，路径规划方案是按有障碍物的情况设计的.该文N曲线移动锚节点路径规划方案涉及N曲线的等级，所以先介绍N曲线的等级.等级为1的 N曲线如图1所示，一个2维区域分成4块，每个小方块的边长为d，移动锚节点沿N曲线移动并经过2维区域的中心及小区域的中心，4块小区域的中心分别记为C1，C2，C3，C4.等级为2，3的N曲线分别如图2，3所示.

图1 等级为1的N曲线图2 等级为2的N曲线图3 等级为3的N曲线

N曲线移动锚节点路径规划有如下步骤：

(1) 分析通信半径内未知传感器节点定位的情况及节点间关系.移动锚节点与未知传感器节点间通信的条件为：移动锚节点在未知传感器节点的通信半径内，即满足

dist(bj,si)≤Rc，i=1,…,n，j=1,2,3，

(1)

其中：si为未知传感器节点；bj为移动锚节点；dist(bj,si)为移动锚节点与未知传感器节点间的距离；Rc为未知传感器节点的通信半径.如果移动锚节点沿N曲线移动并在未知传感器节点的通信半径内，则未知传感器节点能定位.

(2) 移动锚节点沿N曲线移动，调整移动锚节点的通信半径，保证所有的未知传感器节点均能定位.

(3) 移动锚节点在移动过程中，选择距离未知传感器节点最近的3个移动锚节点的位置坐标，将其发送给未知传感器节点.

(4) 确定距离未知传感器节点最近的3个连续非直线的移动锚节点的位置坐标.

1.2 节点定位

采用非测距的定位算法，对未知传感器节点的位置进行定位.采用非测距的定位算法可减少传感器节点的能量消耗，延长网络的生命周期.接收信号强度(received signal strength，简称RSS)很容易获得且不需要额外的电路，因此减少了成本和能量消耗.无线传感器网络节点的发射、接收芯片均装有信号强度指示器(received signal strength indicator，简称RSSI)，这样RSS测量无须额外的花费.移动锚节点在移动过程中，需要发送自己的坐标信息，因此移动锚节点需要配置一个GPS定位模块.

2 性能分析

已有的路径规划方案有HILBERT[11]，SCAN[11]，CIRCLES[4]和LMAT[12].通过仿真分析该文的N曲线路径规划方案，且将其与已有的路径规划方案进行比较.

2.1 无线信道模型

该文仿真实验中采用的无线信道模型如下

RSS=PL0-10βlog10(dn/d0)+Nα,

(2)

其中：dn为锚节点与未知传感器节点的距离；PL0为d0(d0=1 m)处的接收信号强度；β为路径损耗因子；Nα为标准偏差为α、均值为0的高斯噪声.

2.2 仿真参数

实验区域大小为100 m×100 m，200个未知传感器节点随机分布在试验区域.1个移动锚节点沿规划路径移动，移动锚节点速度为2 m·s-1.Rc/d分别为0.50，0.75，1.00，1.25，1.50，1.75，2.00，2.25，2.50；路径损耗因子β为3.0；标准偏差α为3；PL0为55；d0为1 m；发射功率为-25 dBm.