文摘

当连接在无线传感器网络(网络)坏了,一个子集的节点作为数据收集点(CPs)可以缓冲数据从传感器和传输这些数据到移动数据收集器(mdc)恢复了网络的连通性。存在的问题之一是如何决定的数量和位置CPs MDC的获得最优路径。为了解决这个问题,提出了CPs的选择方法减少MDCs的旅行距离。同时,通过这种选择方法,变化规律和争取民主变革运动路径的稳定性理论证明。100 -节点传感器网络测试该方法实现。评价结果验证该方法是有效的和有价值的。

1。介绍

网络吸引了很多注意力从研究和工程社区近年来由于其众多应用程序(1- - - - - -3]。相关技术广泛应用在严酷的环境下如战场监视、边境保护,太空探索,不仅可以提供一个完全自动化的数据采集系统也避免人工操作的风险和降低经济成本。

在网络中,所有的传感器有望形成一个连接网络来协调他们的行动的执行任务,收集到的数据传输到基站(BS)。然而,大多数的传感器节点电池驱动有限的处理能力;他们将面临的风险,消耗他们的精力,成为非功能甚至损坏周围的恶劣。在这些情况下,网络通信是断开连接;相应的数据传输可能是受限制的。为了保留下的连接失败的节点,节点冗余方法提出的节点部署超过必要的(4]。此外,其他方法确定一组节点,可以有效地重新定位和移动网络划分时发生(5- - - - - -8]。尽管上述方案在一定程度上解决了连接问题的基础,这些方法不适合大规模的破坏在极端环境条件下(9]。

将移动数据收集器集成到传感器网络还能有效解决上面的沟通问题,提高网络的性能,如提高效率和降低能耗9),提供更高的质量和更长的寿命节点和整个网络(10]。通过考虑选择代表点之间的关系(RPs)和中心的集群,CPs发现代表作;争取民主变革运动可以沿着最优路径收集数据的CPs进入rp的传播范围,并将数据传递给b,恢复网络的连接(11]。CPs将部分节点或虚拟点RP的传输范围内;争取民主变革运动只需要访问这些CPs实现数据收集。这项工作被Kalyanasundaram改进的研究(12),采用集群使用代表(治愈)算法(13)分区可用的剩余节点到集群,然后选择两个CPs在每个集群MDC的路线规划。尽管前两方法可以恢复不相交的WSN的连接,他们不把CPs的区域可能会保持和CPs的移动路径选择的影响考虑在内。

根据以上分析,提出了一种新颖的CPs的选择方法找到最佳CPs的面积。选择方法的基础上,不断变化的规则和争取民主变革运动的路径是理论上的稳定性证明。首先,使用MDC的恢复连通性不相交的WSN研究,然后从每个集群选择不同数量的CPs找到最短的路径优化的争取民主变革运动拟写的。其次,CPs的数量在每个集群和区域时,他们可能在决定形成的最优路径。最后,提出了最佳CPs的区域分割方法,以及CPs对最优路径的选择的影响进行了分析。

本文组织如下。下一节介绍了相关工作。部分3描述了假定网络模型及其连通性。部分4论述了区域划分的方法。部分5证明了CPs在移动路径的影响。节6,并给出了仿真结果。部分7获得结论。

2。相关工作

(所12),更多的关注已经收到后恢复连通性研究网络中的单个或多个节点不相交。在这些不同的方法中,使用移动元素的方法或数据骡子恢复之间的内部连接孤立的部分已经实现(14- - - - - -16]。争取民主变革运动在本文中作为一个移动设备的遍历传感器领域,从每一个收集点收集数据。从有限的能量和数据完整性的挑战,有一个关键问题需要解决这种网络恢复连通性的方法,即移动路径安排将决定的旅行路径MDCs。

通过考虑选择的连接数和集群中心,集合点是获得(11]。经济复苏的方法分离轮的MDC去收集数据CPs和转移他们废话。在IDM-KMDC,可用移动元素的数量被认为是小于段的数量,一个MDC是分配给每个链接在最小生成树的部分(11]。与此同时,另一方面,FeSMoR [11)解决问题使用的固定和移动节点。焦点(17),可用的mdm不到段的数量。考虑到CPs的一部分节点或一个虚拟点MDCs只需要访问这些CPs实现数据收集,研究提高(12)通过使用集群使用代表(治愈)算法(13]。然而,如何决定的问题的数量和位置CPs获取MDC仍然存在一个最优路径(18]。同时,理论分析的最优路径的收敛不解决19]。与先前的研究[20.),一本小说CPs的选择方法,提出了和MDC是理论上的最优路径的稳定性证明。

3所示。网络模型和连接

最近,一些方法提出了利用网络收集数据的流动(8]。考虑水槽流动的性质以及无线通信数据传输方式,有基于移动数据收集器的方法,移动基站的方法,rendezvous-based方法,等等。基于本研究的重点是争取民主变革运动的方法。传感器网络是由一组静态传感器和一个争取民主变革运动。争取民主变革运动是一个移动水槽,访问传感器。从源数据缓冲传感器直到MDC访问传感器在单跳无线传输和下载信息。

本文大致分为多个集群可用的节点。基于基于集群路由协议的方式,属于同一集群的内部节点通过多次反射(保持良好连接2,6]。不同的集群之间的通信被阻塞。每个传感器节点可以通过GPS位置信息或其他定位算法和MDC是可控的运动。假设MDC可以进行数据收集的任务,开始从任何集群,集群,最后返回到开始,所以运动路径形成一个循环。

模糊C——(FCM)算法用于确定集群的中心在准备CPs的选择(21]。假设所有传感器都具有相同的传输范围。前正式讨论如何选择CPs和位置可以留在,给出的定义如下。

定义1。让 的设置集群由FCM和让 的设置,让每个集群的中心的中心。

定义2。rp的静态传感器节点的最短欧氏距离;是传输半径。自然,可能有一个以上的RP在每个集群。

定义3。让点的集群中的CP; 意味着每个集群选择一个CP是最近的。

一个网络的例子有四个集群如图1。CPs的选择模式是直接显示通过考虑每个CP的位置和可能的路线。如图1在每个集群,两个CPs选择。两个静态传感器节点的最短欧氏距离在每个集群选为rp。所有的rp的虚线相连。同时,rp的传输范围内的领域包括位置CPs可能留下来。然后字段之间的过境点和连接线路选为CPs的选项。

几何分布的点,在图的例子1只有适合的情况下,每个集群的位置提出了凸边。当集群的位置呈现凹侧,如图2,选择模式是不同的。首先,集群与凹点需要被发现。其次,其中心指出由FCM决定。然后,画垂直线到最近的边缘,CPs选择的以下步骤类似于图中的例子1。的细节选择CPs的结果如图所示2。

考虑到实际情况,集群的连接图不仅是凸或凹多边形,但也出现更复杂的网状结构。然而,基于几何理论,复杂的网状结构可以分解成几个凸,凹边缘。因此,本研究只关注凸面和凹面的情况下有一个凹点。且只有一个CP选择集群中的一个凹点。

部署争取民主变革运动的目的是传输数据,并争取民主变革运动的移动路径需要计划。假设MDC的移动路径是一个最短的周期,每个集群包含至少一个CP,发现的问题相当于欧几里得旅行推销员问题,被认为是一个np难问题。因此,迪杰斯特拉算法用来计算从源节点到其他所有节点的最短路径(22]。考虑到该方法的要求,有必要反复使用的算法。因此,移动路径可以描述如下: 例如,表达和两个CPs的集群。全局最优路径的仿真图如图3。

因此,最优路径的选择分为以下两个步骤:(1)确定最短路径 ,分别。(2)比较 ;然后最优路径 是选择。

在(1)和(2)中,表示MDC最短的距离,这是开始穿越所有集群,并最终回到。

过程图4在数字前面的例子1和2重组和每个集群选择2 CPs路径优化。当集群的位置提出了凸边,最优路径的形成过程如图4。虚线的封闭路径连接了网络覆盖了争取民主变革运动的移动路径。步骤(2)的定义,关闭路径连接的实线表示潜在的最小成本路径优化方法。

同样,一旦集群的位置呈现凹侧,争取民主变革运动的移动路径(虚线)和指定的最小成本路径选择(由实线),如图5。

4所示。区域划分

为了找到最优的CPs,两个额外的定义。

定义4。让的圆弧圆的中心和的长度是半径。

定义5。让是圆的圆的中心,虽然是圆的圆的中心,是半径。

CPs的选择方法根据集群的位置不同,所以最优CPs的面积也应该改变。

为方便区域划分,每个集群被认为是圆形的形状,和传感器节点的传输范围被认为是一个点;也就是说,CPs rp是等价的。四个集群的例子,问题可以分为以下两个情况。

4.1。集群的位置提出了凸边

如图6,阴影部分是最佳的地方CPs可能留下来。占领了该地区选择为例,因为最近的(换句话说,其余的节点之间的距离和长于),让画一个圆弧半径的十字路口外的一部分是剩下的节点存在的地方。然后让和分别是画一个圆的半径;上述区域的交集是最佳的CPs的选择区。

这种方法可以在技术上确保当地的最优路径,包括路径其相邻簇和路径和他们的相邻簇的存在。同样,全局最优路径,,来的存在。

让是集群,让影子的一部分补集合的象征。所以阴影部分的可以描述如下: 。同样的,在图4, , , 。

然后可以描述如下:

4.2。集群的位置呈现凹侧

在这种情况下,首先,应确定集群与凹点。然后,这个集群,一个CP被选中。和其他的每个集群,两个CPs选中。类似的划分方法和原则与凸边的情况,区域最优CPs可能呆在阴影部分,如图7。

值得注意的是尽管是边界点,它也属于阴影区域。因此,每个阴影区必须包含传感器节点:也许一个或多个。当每个阴影只包含一个点连接线的点是MDC的最佳移动路径。

5。CPS对移动的影响路径

CPs变化的选择方法和争取民主变革运动的移动路径将相应地改变。不止一个CP的事实可能参与路径优化,我们需要挑选的CPs优化的最佳位置,以减少移动路径。

如图8单一的移动路径CP由实线绘制。显然,这条路不是最短路径。例如,选择任意两个点和从同时任意选择从和从。两个CPs之间的欧几里得距离用。我们有

从图8,它可以发现 , , , 。提出了两条路径的偏差

然后有三种情况,即 , , 。因此,证实一些并不包含在集合点 可以减少移动路径。也就是说,选择两个CPs在每个集群形成的路径小于选择单一CP的情况。

图9是当每个集群提出了凹侧的位置。类似的验证过程,结论是一样的凸边的状况。

集群扩展的数量;结论仍然有效。综合以上测试用例和推理过程;下面的定理得到和证实。

定理6。任意放置的条件下集群,每个集群之间的内部通信,并不是所有的解决方案获得较小的值函数的存在 。

特定的定理的证明6给出如下。

定理的证明6。(1)当 ,由单一的CP的路径 (2)当不全为0,由多个CPs的路径 当一个CP为每个集群选择,部分的长度 和被定义为 和 ,分别。当选择CPs的数量是多于一个,部分的长度 和被定义为 和 ,分别。
(1)当和的变化, 和 。 三种之间可能存在的关系和: , , ;与此同时,之间和也存在以下关系: , , 。这样的结果 有三个条件: , , 。也就是说, 让MDC的移动路径存在短。
(2)当 和的变化, 和 。 三种之间可能存在的关系 和 : , , ;与此同时,之间和也存在以下关系: , , 。
这样的结果 有三个条件: , , 。也就是说, 让MDC的移动路径存在短。
(3)以同样的方式,当 的变化, 。 不平等 有三种类型的关系: ;之间的和也存在以下关系: , , 。
结果有三个条件: , , 。也就是说, 让MDC的移动路径存在短。
完成证明。

6。绩效评估

通过上面的理论分析和基本测试,CPs的选择方法可以直接让MDCs的移动路径的变化。基于定理6,不同的情况下被认为是评估拟议的CPs的测定方法。与此同时,网络的恢复性能MDCs进行比较和分析。

6.1。测试环境和性能指标

MATLAB_R2012a作为仿真平台用于绩效评估。100个节点是随机部署在一个100×100区域。选择集群的数量从3到8使用FCM聚类方法。相同的集群中的每个节点的通信是正常的。节点和争取民主变革运动的传播范围是固定的10 m。

条件下形成指定数量的集群,两种模式,选择两个CPs (CTCP)在每个集群和IDM-KMDC [11)进行了比较。(所11),IDM-KMDC的主要想法是选择一个CP在每个集群形成集群的分配数量,然后使用最小生成树算法实现路径规划(23]。显然比较两种不同的表现方式,使用以下两个性能指标。

(1)旅游总长度(TTL)。总行程长度(TTL)报告争取民主变革运动的总旅行距离。自运动与能量消耗,减少MDC的一生。最小的旅行距离是一个重要的设计目标。

(2)最大的步长(实验室)。这个度量报告,MDC将最长的距离。如果大实验室,为争取民主变革运动可能需要更长时间才能完成一个旅游收集的所有数据,这就增加了数据收集延迟。因此,它是理想的实验室降到最低。

CTCP的评估选择每个集群中的多个CPs性能测试。TTL和韩剧也用来表示数量的CPs的影响和集群的数量在下面几节中。

6.2。两个CPs为每个集群

测试的情况下,两种模式的TTL值获得,见表1。所有的经验,选择集群的数量从3 - 8所示。TTL绘制在图的变化趋势图10。最大的不同CTCP的表演和IDM-KMDC步长比较图11。

如表所示1CTCP的总旅行MDC的长度减少,MDC的寿命会延长。当集群的数量从3增加到8,得到了类似的结果。降低利率的TTL给出表1。

CTCP的结果和IDM-KMDC旅游的总长度图所示10。CTCP比较结果,可以更好地恢复网络连接固定的速度。

如前所述,最大一步长度的指标将直接显示MDC的数据收集延迟。也就是说,较小的韩剧,更好的相关方法。从表中所示的结果2和图11CTCP的数据收集延迟低于IDM-KMDC,网络运行得更快。

6.3。多个CPs每个集群

节6.2CTCP的模式,获得了更好的性能指标的TTL和韩剧。CPs的影响的进一步研究,每个集群的多个CPs模式评估。CPs的数量为每个集群正在从1到6,和集群的数量从3增加到8。

如表所示3,当每个集群选择多个CPs, TTL将单调减少在每个集群CPs的数量增加。也就是说,自从选择CPs在每个集群单调增加,更优的路径,找到隐藏在集群逐渐直到形成最优的路径;也就是说,TTL变得稳定。

图12显示了TTL测试结果和类似的结论是:TTL单调减少与CPs的数量逐渐增加,在每个集群。提出的校正方法也部分证实。同时,根据集群的具体数量,避免不必要的计算,选择合适的CPs对路径规划。

6.4。计算成本的比较

随着网络的发展和日益增长的需求的工业区域,节点的数量将会增加越来越快。计算成本的性能将会是一个真实的应用程序的关键指标。

明确测试CPs的提议的测定方法,不同数量的CPs和集群的计算成本比较,表中列出4。呈现的结果,计算成本与CPs的数量增加,集群的数量。这将是非常重要的减少使计算成本的TTL接受范围。从技术上讲,该测定方法减少了网络的TTL和间接约束计算成本的网络。

CTCP通过以上比较不同的情况下,更适合大规模WSN,遭受的损失在严酷的环境条件。还比较结果验证,当两个CPs选择在每个集群,形成路径优于单一的CP。

7所示。结束语

为了处理这个问题的不相交的WSN在严酷的环境中运行,MDC方法介绍完成数据收集。通过分析现有研究的约束,提出了区域划分的方法。确定最优CPs的区域存在并给出其统一的描述形式。同时,研究结果也证实TTL将单调减少的数量的增加在每个集群CPs,最后TTL趋于稳定。仿真比较和测试结果显示了该方法的正确性。

在未来,这项工作将集中在建立实验系统模型和授权刀枪不入的基础和应用到工业系统。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了辽宁省自然科学基金(批准号201602557),辽宁高校优秀人才计划(没有。LR2015034),辽宁省科技公益研究基金项目(2016002006)。