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无线传感器网络中的节点密度控制策略电力仪器

发布时间:2022-09-02 11:20:47 来源:润友机械网

无线传感器网皮带秤络中的节点密度控制策略
摘 要:无线传感器网络(WSN)能量有限,计算、存储和通讯能力有限,为了集中收集敏感区域的传感数据,该文提出了关于节点密度的服务质量(quality 0f service,QoS)指标,在对GurGame算法改进的基础上,给出了节点带状、圆状以及可变椭圆状区域的密度控制策略,并设计了策略的动态梯度调整机制,给出了节点密度控制策略及其动态调整机制的仿真场景。仿真结果表明:开启节点的数量和位置随形状控制信息的不同而动态改变,加入动态调整机制能够在节点布撒过稀或过密的情况下动态产生核心区域和梯度区域。与未加入调整机制时相比,开启节点更加集中于核心区域中。策略能够有效的控制在关心区域内或靠近关心区域的开启节点数量达到QoS要求。
关键词:无线传感器网络;服务质量;密度控制;Gur Game

无线传感器网络(以下简称传感器网络)是由大量位置相对固定的节点所组成的无线通讯网络。传感器网络的应用中要求网络在特定时刻对特定区域进行数据采集,并向基站以多跳方式汇聚感知数据。为了达到在传输过程中节省能量和增加数据吞吐量等目的,在传感器网络的QoS研究中,通常限定网络内开启节点的数量,并以此作为QoS的衡量标准之一。因此,如何控制应用区域内的节点动态开启和关闭,以满足网络陶瓷球阀最优开启节点数量的QoS目标,成为解决传感器网络针对应用的QoS机制的关键问题。要实现动态开启特定数量节点的目标,需要在明确定义QoS指标的基础上,以当前开启节点数量作为反馈进行训练,并进一步对应用区域进行分块,以优化算法性能。

l 无线传感器网络的Qos问题描述
与传统网络不同,传感器网络的QoS机制往往需要针对某些具体应用进行设计。为了既满足应用需要又节省全网能耗,在大多数传感器网络应用中,要求在基站控制区域的某个范围内在某时刻开启特定数量的节点,即对开启节点的密度有一定的范围要求。
传感器网络规模庞大,节点数量成千上万,随着节点能量的耗尽和新节点的不断补充,整个网络中的节点数量呈现高度的波动。如何控制在某一区域内或尽量靠近此区域开启特定数量的节点,即是目前要解决的QoS问题。

2 密度控制策略

2.1 GurGame策略
Gur Game策略中,将时间分割为离散的时间片,假设节点Ni与基站B的距离为di,从节点Ni发送到基站B的包的传送都是可靠的,并且传输所需要的时间为di个时间片(时间片是指某个特定的细小时间单位)。Gut Game进一步假设基站B具备向自己所辖区域的广播通道,因此,基站B向节点传送的控制信息是立即到达的。另外,所有开启的节点在向基站发送消息的时候都在自己的消息里附带自己的ID信息,因此基站可以通过统计某个时刻的不同ID信息来判断当前自己所辖区域内有多少节点是处于开启状态。最后,策略假设睡眠的节点虽然不发送消息,但仍然监听信道,并能够响应基站发来的低级控制信息,例如节点唤醒控制信息等。

Gur Game策略中,基站获取当前时刻开启的节点数量值k,并广播“奖励”概率函数的值r(kt),典型的奖励函数为,函数控制最佳开启节点数量为nq=35。经过一定时间的训练,Gur Game策略能够在一定程度下控制基站所辖区域的开启节点数量,但策略中没有任何关于区域的约束,无法达到在关心区域内使特定数量节点开启的密高低床度控制要求。

2.2 带状和圆状区域密度控制策略
为研究特定形状区域的密度控制策略,考虑修正自动机机制,添加自动机阈值机制作为节点开启的限制,并按照节点位置修正其自动机阈值,达到构造一定区域形状的开启节点分布的目的。
在Gur Game假设的基础下进一步假设每个节点通过外部设备(如GPS)或相对定位机制已经得到了自己相对基站B的相对位置坐标(xi,yi)。以带状区域密度控制为例,设计如下密度控制策略(描述中以N=3为例)。
1)基站发起密度控制过程,广播一个斜率K作为方向信息,一个截距B(B>0)作为带状紧度信息,以及ki(N=3时,i=1,2)作为区域梯度信息;
2)节点Ni接收到基站发送的这一系列控制信息后,计算自己的相对截距Bi=yi=Kxi;
3)节点Ni按照如下规则为自己的自动机设置阈值Ti(以N=3为例):若|Bi|<B,则Ti=0(节点Ti=0的区域被称为核心区域);若B≤|Bi|<k1B,则Ti=1;若k1B≤|Bi|<k2B,则Ti=2(节点Ti满足0<Ti<N的区域称为梯度区域);若k2B≤|Bi|,则Ti=3;
4)基站完成控制策略的配置后,仍然按照GurGame的方式对所辖区域进行训练,但每个节点Ni是处于高于自己自动机阈值Ti的锡线状态开启,如果节点的当前状态等于或低于自动机阈值Ti则睡眠。
带状区域密度控制策略通过梯度的机制给出了一定的灵活性,保证在紧度范围内的节点是最易于被开启的,而紧度范围周边节点的开启随着它们离核心区域距离的增大而变得越来越困难,这也正与前述的QoS要求吻合。
圆状区域密度控制策略和带状区域类似,所不同的是基站广播圆心位置(x0,y0)代替K,广播半径R(R>O)代替B,节点Ni计算各自的相对半径代替Bi。策略中节点需要计算相对半径,其计算量比带状区域策略稍大,但整个计算的复杂度相对节点的中央处理器来讲是完全可以接受的。

2.3 可变椭圆区域密度控制策略
可变椭圆密度控制对于目标监控和跟踪以及传感器网络的定位应用有着很大的实用价值。变化的椭圆区域密度控制在某些时候可以完全代替带状和圆状区域密度控制,且能够在带状和圆状区域之间灵活的变换,有着很好的实用性。
这里所指的可变椭圆是指大小、长短轴之比以及长轴方向都可以变化的椭圆区域。已知椭圆标

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