无线传感器网络覆盖连通性研究

2网络覆盖连通性理论及网络模型

传感器网络节点连通性的要求与adhoc网络大致一致：1)信息必须有一条或足够多的路径从信息源转发到目的节点(基站)；2)信息在转发过程中延迟尽量小。信息的转发路径越多，系统越可靠，但由于需要多个中间节点同时处于工作状态，节点能耗增加，系统寿命降低。无线发射器件的能耗随着收发距离长度的变大呈指数增长，采用多跳方式信息转发代替点对点通信，可以节约大量的能量。但过多的跳数会增加信息接收转发的次数，同样会带来额外的能耗。因此，将上述2个矛盾的因素折衷，适当控制转发节点的个数是降低能耗的关键。

通常，理想状态下具有节点连通性优化作用的密度控制所要解决的核心问题同覆盖优化类似，但节点的约束条件更多。将所有传感节点组成的集合分为｛h1,h2,…,hm｝等m个子集，即，设hi为组成主干连接网络的传感节点的一个集合，si是传感器节点。每个处于传感状态的非主干节点能够与至少一个主干节点通信，主干节点之间必须有一条且至少一条直接或间接的路径实现二者相连。

基于上述理论，给出一个一般意义上的无线传感器网络模型，描述如下。

设N个传感器节点随机地部署在某一区域，节点拥有有限的电池能量和数据处理能力，在网络应用中节点的任务是按照外界控制中心的需要进行动态的工作，基站部署在其他传感器节点附近。假设传感器节点和基站都处于静止状态，且基站可以获悉其他节点的位置信息。基站采用文献[11,12]中的beacons信号在网络触发阶段发现活动节点，基站负责组织协调传感器节点采集相关监测数据，汇聚融合原始传感数据并与外界控制中心进行联系，最后由控制中心把处理完的有用信息传递给用户。

在系统模型中，设传感器节点能够向基站报告其剩余能量信息，并能智能地切换开启和休眠状态，且传感电路和数据处理电路可以智能开关，另外，节点传输距离可以通过编程进行调节控制。值得注意的是，SenTech公司开发的声觉通道模块[13]传感器节点具有上述功能。设传感器节点可以作为数据转发的中继。基站拥有可以根据实际任务和环境的需要智能地选取部分传感器节点进行工作、选择数据路由以及媒体访问仲裁的网络管理功能。在网络系统模型中，网络的组织和管理都是基于能量意识的，依赖于每个传感器节点的能量知识，网络的控制参照传感器节点的工作状况和能量剩余情况。

在系统中，参考文献[14,15]中节点通信时的能量消耗模型，模型中定义的节点发送信息和接受信息的能量消耗公式如下。

发送信息能量消耗：接收信息能量消耗：其中，Es表示节点发送消息的能量消耗；β1和β2分别表示节点在发送和接收信息过程中单位信息所耗损的能量，其值均取为50nJ/bit；β’表示单位信息在传送过程中由于信号保持而在单位面积(m2)耗损的能量，其值取为100pJ/bit/ m2；m表示信息位数；d表示信息传输距离。