基于阻挡因素的WSN节点配置问题研究

王 伦，邹 涛，陈 菲

武警工程学院，陕西西安 710086

0 引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量传感器节点通过无线电通信形成的一个自组织网络系统，是微机电系统、无线通信、传感器等多种技术相结合的产物[1]。这些微型传感器能够实现信息采集、数据处理、无线通信等功能，组网后能协作地感知、采集和处理覆盖区域内被监测对象的信息，并传送有用信息给终端[2]。无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一[3]，在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。

WSN包括许多传感器节点，它们彼此通过多跳无线信道通信[4]。而且通常都是在没有预先准备情况下实现节点配置，以求消耗尽可能少的能量来建立理想的通信拓扑[5]。因此，采用适当的可靠性保证机制和性能更优的拓扑连通模型显得十分必要。可靠性主要由网络的结构和通信链路的连通性及干扰影响大小来决定[5]。研究可靠性及连通性的主要目的就是通过不同拓扑连接控制方法实现增加网络链路连接，减少干扰，保存和节省能量及有效地增加网络覆盖，从而最终改善网络的性能[6]。

1 阻挡问题描述

本文提出的一种基于网格设计的菱形节点配置方式，能对给定区域实现完全无缝连通。网格设计基于3个假设，其中前两个可以近似为成立，但假设3中所述：所有节点在同一个平面内，在工程中进行节点配置时很难做到；且菱形节点配置没有考虑两节点之间的阻挡问题，而阻挡会对网络的连通性产生很大的负面作用[7]。本节对基于阻挡因素的节点配置问题进行讨论。

根据2.4GHz频段通信特点作如下假设：只要两节点之间存在阻挡则认为通信中断。如果有多处障碍物可能构成阻挡，只考虑最高障碍物即可。在实际情况中，阻挡可分为两类：

第一类：假设阻挡为一只具有高度的点，不存在面积和体积，且阻挡在两节点通信路径上[8]。这里不作过多讲述。

第二类：阻挡为一存在体积的物体[8]，假设为一长方体（对于不规则物体，可以将其最大化为一般长方体），此时的数学模型为求解一个面与一个长方体的相交问题，如果通信路径投影（两节点间通信路径垂直投影到地面的影像）与障碍物投影（指障碍物垂直投影到地面的影像）不相交，表明障碍物整体不在节点通信路径上，则障碍物肯定不会阻挡两节点间的通信[9]。如果通信路径投影与障碍物投影相交，表明障碍物处于节点通信路径上。

2 节点配置

在实际工程中，第二类阻挡居多。本节重点研究基于第二类阻挡的节点配置问题。

在地面坐标xOy（障碍物及通信路径都投影到地面上）里，A、B、C、D为障¯¯碍¯¯¯→物投影的四个顶点，N1，N2为两节点的投影。现求解直线 N1N2与矩形 ABCD 四条边的交点记为 E( X4,Y4)、F( X2,Y2)、 G( X1, Y1)、 H( X3, Y3)。

联解（1）、（2）得G点坐标：

联解（1）、（3）得F点坐标：

联解（1）、（4）得H点坐标：

联解（1）、（5）得E点坐标：

现假设E，F两交点在各自的边上，由此可分别求出两交点到节点N1的距离记为l1，l2及两节点的直线距离l3。为方便求解，将坐标转换到具有高度的x O z′′里，此时地面被通信路径切为一条直线，以这条直线为x'轴，以高度所在的直线为z轴。在坐标系x O z′′里，两交点1(,0)E l，2(,0)F l分别对应为E'，F'；两节点对应为H为障碍物的高度。

（1）若 H＜h1，则节点配置在障碍物靠近较低节点的一端，即图2中所示点I；

（2）若 H＞h1，则节点配置在图1中的点J，可以在障碍物上架设一定高的支撑点，将节点配置在支撑点上。

其中 ¯，¯¯点¯¯→J的求解过程如图1所示。

直线N1′ K的方程 ：

直线¯¯¯¯→方程为 ：

N2′ L

图1 基于阻挡因素的中继节点配置

3 结论

在无线传感器网络节点的信息传播中主要存在两类阻挡，本文通过数学建模对第二类阻挡即阻挡为一存在体积的物体进行研究，即得出了J点从而保证了无线传感器网络的无缝连通，进而使传感器网络能够快速高效的运行。

[1]I.F.Akyildiz, w.Su, Y.Sankarasubramaniam, et al.Wireless senser networks：a survey[J].Computer Networks, 2002, 38：393-341.

[2]Akyildiz I F, Su W, Sankarasubramaniam, Y, et al.A survey on sensor networks[J].IEEE Communications Magazine.2002, 40(8)：102-114.

[3]Cullar D, Estrin D, Strvastava M.Overview of Sensor Network[J].Computer, 2004, 37(8)：41-49.

[4]聂启祥，方源敏，左小清.基于GIS/GSM/GPS的车辆监控系统的设计与实现[J].地矿测绘，2007, 23(3)：11-12.

[5]Holger Karl，Andreas Willig，无线传感器网络协议与体系结构[M].邱天爽，唐洪，李婷，杨华，姜一，译.北京：电子工业出版社,2007：12-61.

[6]杨庚.ZigBee 无线传感器网络的研究与实现[D].杭州：浙江大学，2006.

[7]高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程：基于CC2430/31的无线传感器网络解决方案[M].北京：航空航天大学出版社，2009，6：48.

[8]如何突破瓶颈轻松设计ZigBee应用系统[J].嵌入式无线，2009，2：5-6.

[9]李文仲，段朝玉.ZigBee 2007/PRO协议栈实验与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009，3：132-144.