CN109474915B - 城市综合管廊中的无线传感器网络节点的部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市综合管廊中的无线传感器网络的节点部署方法，该方法包括：提供为普通节点和中继节点；将中继节点呈三角形排列部署在城市综合管廊中的高频率工作区域，并确保中继节点的感知半径大于其所在城市综合管廊的宽度；在城市综合管廊中的中继节点的监控区域外，随机部署普通节点，使中继节点的覆盖空洞被普通节点所覆盖。本发明提供的城市综合管廊中的无线传感器网络节点的部署方法，通过采用三角形排列连接部署中继节点和随机部署普通节点相结合的方式部署网络节点，在实现多重覆盖,保证网络覆盖性的基础上，能够最大化的节约节点，均衡节点密度，从而均衡了各节点间的能量消耗速度，适用于长距离、大规模的网络传输。

Description

城市综合管廊中的无线传感器网络节点的部署方法

技术领域

本发明涉及城市综合管廊的监控技术领域，尤其涉及一种城市综合管廊中的无线传感器网络节点的部署方法。

背景技术

目前，越来越多的高新技术被运用整合到城市生活中。例如无线传感器网络(Wireless Sensor Network，简称WSN)、无线局域网(WLAN)、高速网络和智能手机等创新进步都在人们日常生活中扮演重要角色。尤其是WSN在越来越多地的领域大展身手，例如，城市综合管廊的监控。

WSN是一种新兴的网络模型，它由大量具有通信和计算能力的传感器节点布设在无人值守的监控区域构成。随着WSN技术和计算机技术的突飞猛进，基于WSN技术的无线监控系统具有实时不间断、动态性强、设施安装简易等优势，无线监控有望取代传统有线监控手段。因此，利用无线监控系统对城市综合管廊的运行状态进行可靠的实时监控成为了目前的研究热点之一。

城市综合管廊亦称共同沟，主要是指在城市道路地下建造一个将电力、信息、给水、热力和排水等多种市政公用管线集中敷设在同一个空间内的建筑。以做到城市道路地下空间的综合开发利用和市政公用管线的集约化建设和管理，从而避免城市道路产生“拉链路”，提高管道维护和检修的效率的目的。其中，城市综合管廊中的WSN技术主要实现区域内管道的监视数据采集、传输，是构成完整的自动化监控网络的重要一环，这使得高性能的路由协议成为系统稳定运行的关键因素之一。

考虑到城市综合管廊建筑结构的特殊性，在其区域内部署WSN，相较于在其他环境中部署WSN存在诸多困难。这些特性使得各类传统的路由协议不能直接照搬到城市综合管廊WSN的应用中。所以，城市综合管廊的这些特性在设计路由协议时会成为限制协议性能的主要因素。通过分析，城市综合管廊的主要约束条件如下：

1、城市综合管廊必定是一个长度远大于宽度的建筑结构。目前，城市综合管廊通常与地铁、城市干线和地下综合体等工程统一纳入城市空间规划，形成共同化、综合化发展的趋势。

2、城市综合管廊属于封闭结构。城市综合管廊的建设不可避免会遇到各种类型的地下空间。在前期规划中，必须将综合管廊与其他地下空间建设统筹考虑，使城市综合管廊拥有独立空间，不受其他建筑影响。

3、城市综合管廊包含的管道种类多。城市综合管廊尚处在发展时期，根据其断面以及功能定位的不同，需要设计不同的管道搭配方案。文献中考虑的管道类型主要是电力、电信、供水和天然气管道。可以将其概括为水处理管道、供热管道、强电管道和弱电管道等四类管道。

4、城市综合管廊监控所需传感器类型重叠。不同地区的城市综合管廊设计的管道类型配比各有不同，但各个管道在需监控参数上有大面积重叠(温度、湿度、水位、气体)。因此，对不同类型的管道进行监控时，部署的传感器种类是大致相同。

5、收集相同类型数据的传感器可能具有不同工作频率。在管廊监控中，多种类型传感器对城市综合管廊中管道的多种参数进行采集，并将采集到的数据发送给相关控制模块进行处理。处理器对节点各部分的工作进行协调和控制，对采集的数据做统一化处理，再传输到通信单元中进行传输。除此之外，根据不同管道的工作特点，传感器的工作频率要求也有所不同。即对传感器电池能量储备提出不同要求。

现有技术采用单一传感器网络节点覆盖，在信息传递过程中，簇内所有节点需将信息先传递给簇头节点，再由簇头节点传递给基站。这个过程没有考虑数据传输距离和簇头节点能耗高的问题。事实上，采用单一传感器网络节点覆盖，在管廊信息传递过程中会产生随着管道距离的延伸，节点间通信所产生的能耗也会越来越大，远离汇聚节点的节点信息无法有效地传输给汇聚节点的问题。而且通过分析可知，在城市管廊的类线性环境中，节点部署要在长度延伸上充分考虑网络的感知能力和通信能力，传感器网络通常需要冗余的部署节点，以实现强连通度和强覆盖度要求。这样，即使部分节点失效，整个网络仍能保持对覆盖区域的感知和整个网络的连通。由此可见，在感知区域内采用单一传感器网络节点覆盖，若要满足整个监测区域的信息有效采集和传输的要求，必须使得节点部署不均，造成节点资源浪费，而且还会导致无线传感器网络能耗失衡，容易出现节点过早死亡和覆盖漏洞的问题，不适用于长距离、大规模的网络传输。

发明内容

本发明的目的是提供一种城市综合管廊中的无线传感器网络的节点部署方法，以解决现有技术中存在的节点浪费，网络能耗不均衡的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供的城市综合管廊中的无线传感器网络节点的部署方法，包括以下步骤：

提供两类无线传感器网络节点，分别为普通节点和中继节点；所述普通节点用于采集城市综合管廊中的管道数据和内部竞选簇头，所述中继节点用于采集城市综合管廊中的高频率数据及其覆盖区域内簇头数据的中继转发；所述普通节点的数量大于所述中继节点的数量，所述中继节点的覆盖半径大于所述普通节点的覆盖半径；

将所述中继节点呈三角形排列部署在城市综合管廊中的高频率工作区域，并确保所述中继节点的感知半径大于其所在城市综合管廊的宽度；

在所述中继节点的监控区域外，随机部署所述普通节点，使所述中继节点在城市综合管廊中的覆盖空洞被所述普通节点所覆盖。

作为一种可实施方式，两个所述中继节点之间存在多重部署覆盖区域，两个所述中继节点之间的覆盖重叠区域的最大深度小于所述中继节点的覆盖半径。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

本发明提供的城市综合管廊中的无线传感器网络节点的部署方法，通过采用三角形排列连接部署中继节点和随机部署普通节点相结合的方式部署网络节点，在实现多重覆盖,保证网络覆盖性的基础上，能够最大化的节约节点，均衡节点密度，从而均衡了各节点间的能量消耗速度，能够有效减少节点过早死亡和覆盖漏洞的出现，适用于长距离、大规模的网络传输。

附图说明

图1是实施例一提供的城市综合管廊中的无线传感器网络节点的部署方法的流程示意图；

图2是中继节点的正方形部署的位置关系示意图；

图3是中继节点的三角形部署的位置关系示意图；

图4是中继节点在管廊中呈三角形部署排列连接示意图；

图5是中继节点三角形部署覆盖空洞示意图；

图6是中继节点转发原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清晰，以下结合附图1至6，对本发明进行详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明的保护范围。

在城市管廊的类线性环境中，管道的截面积相比于节点的覆盖范围是可以忽略不计的。所以，节点部署要在长度延伸上充分考虑网络的感知能力和通信能力，传感器网络通常需要冗余的部署节点，实现强连通度和强覆盖度要求。那么，即使部分节点失效，整个网络仍能保持对覆盖区域的感知和整个网络的连通。进一步地，在城市综合管廊WSN中，传感器节点负责采集监测区域的信息。所以，整条管廊区域必须被有效覆盖。但由于WSN节点的有限性以及综合管廊环境的特殊性，如果感知区域内采用单一节点覆盖，无法满足整个监测区域的信息有效采集要求。

考虑到WSN中普通节点和中继节点在传感能力以及硬件成本上差异悬殊，本发明提供了一种城市综合管廊中的无线传感器网络节点的部署方法，在节点部署时，采用静态部署与随机部署相结合的方法，即将数量较少的高能量节点按照三角形排列部署，将大量的低能量节点随机部署，然后依据能量级信息进行分簇。由于普通节点在综合管廊部署范围内感知面积有限，故采用高能量的中继节点来实现多重覆盖。利用本发明，可以在保证网络多重覆盖的同时，减少节点数量，提升节点利用率，均衡网络能耗。

具体地，参见图1，本发明实施例一提供的城市综合管廊中的无线传感器网络节点的部署方法，包括以下步骤：

S100、提供两类无线传感器网络节点，分别为普通节点和中继节点；普通节点用于采集城市综合管廊中的管道数据和内部竞选簇头，中继节点用于采集城市综合管廊中的高频率数据及其覆盖区域内簇头数据的中继转发；普通节点的数量大于中继节点的数量，中继节点的覆盖半径大于普通节点的覆盖半径；

S200、将中继节点呈三角形排列部署在城市综合管廊中的高频率工作区域，并确保中继节点的感知半径大于其所在城市综合管廊的宽度；

S300、在中继节点的监控区域外，随机部署所述普通节点，使中继节点在城市综合管廊中的覆盖空洞被普通节点所覆盖。

为了提高城市综合管廊中的WSN中传感器节点的利用率，在中央处理器能够将收集到的数据做统一化处理的基础上，依据管线和传感器种类的多样性(不同管线的传感器的工作频率的不同，需要配备不同容量的电池)将产生各传感器节点能量使用不均等的情况，传感器网络也会呈现出能量异构的特点。所以，本实施例在节点部署上采取异构化设计。考虑不同传感器节点的能量需求不同，将传感器节点分为普通节点和中继节点两类。普通节点主要功能是采集管道数据和内部竞选簇头。而中继节点拥有更多的初始能量，使其能完成高频率数据的采集工作和覆盖区域内簇头数据的中继转发。但是，从数量和位置上来说，高能量的中继节点在数量上比普通节点少得多，同时由于管廊管壁两侧管道密集，传感器工作频率更高，所以中继节点部署靠近管壁，即城市综合管廊中的高频率工作区域。

本实施例将中继节点呈三角形排列部署在城市综合管廊中的高频率工作区域，并确保中继节点的感知半径大于其所在城市综合管廊的宽度；在城市综合管廊中的中继节点的监控区域外，随机部署普通节点，使中继节点的覆盖空洞被普通节点所覆盖。通过节点分类布置方式，能直观反映出综合管廊中监控能耗情况，使得在高频率工作区域的中继节点平均能量更高，与管廊实际条件更相符合。而且，能够缓解多跳传输而产生的“能量空洞”问题。

本发明的主要发明点是在传感器节点异构的基础上将中继节点呈三角形排列连接部署在城市综合管廊中的高频率工作区域，而且在中继节点的覆盖区域外，随机部署普通节点，使中继节点的覆盖空洞被普通节点所覆盖，实现城市综合管廊中监控区域的多重有效覆盖。

其中，中继节点可以有多种规则部署方式，考虑到中继节点一般数量有限，所以采用三角形部署和正方形部署两种方式。参见图2和图3，图2所示为中继节点的正方形部署，图3所示为中继节点的三角形部署。

对比图2和图3，在一般情况下，三角形部署和正方形部署都达到了多重覆盖的效果。但是，在管廊WSN设计中，中继节点(即高能量节点)的数目是有限的，相同覆盖区域下采用正方形部署需要更多数量的中继节点，并且随着管线的延伸这种数量差距将不断放大。而采用本发明的三角形部署，在同样实现多重覆盖的基础上，却只需要原来66.7％的中继节点即可。所以，大大提升了中继节点的利用率，减小了网络能耗，在经济效益上有明显优势。

考虑到高能量节点的数目和高能量节点还将承担中继功能，故其感知半径将大于综合管廊宽度。

接下来，对中继节点采取三角形连接的部署方式进行重点分析说明，其节点部署特点是中继节点在管廊中呈三角形部署排列连接，如图4所示。

如果将图3中按照三角形连接部署的中继节点的感知半径减小或者将各个中继节点之间的距离扩大必定都会造成中继节点的中心出现空隙，形成覆盖空洞，如图5所示。而城市综合管廊的覆盖范围处在中继节点构成的监控区域内，这个区域必然大于形成的覆盖空洞，所以，在这个范围内部署普通节点就能填补覆盖空洞，从而解决覆盖空洞的问题。

在图5中通过建立节点区域覆盖模型对呈三角形结构部署的节点间距离的进行了定量展示，并添加一个感知半径较小的普通节点解决覆盖空洞问题。两类节点之间的覆盖关系计算如下：

设图5所示的中继节点A、B、C的覆盖半径为R₁，普通节点O的覆盖半径为R₂，并且R₁＞R₂，R₁/R₂＝k，这里做出假设R₁＝r，R₂＝r/k。

根据图5可知，夹角

夹角

那么，

所以，覆盖区域的三角形面积为：

此外，包含覆盖空洞形成的最大三角形面积是：

覆盖面积占比：

根据上文节点设置中普通节点和中继节点的悬殊数量比，即R₁/R₂＝k的值较大。

所以，式(3)取极限得

令

则

那么，中继节点和普通节点之间的覆盖关系为：两个中继之间需要有区域多重覆盖部署，覆盖重叠范围必须小于覆盖半径R₁。即两个中继节点之间存在多重部署覆盖区域，两个中继节点之间的覆盖重叠区域的最大深度小于中继节点的覆盖半径。

进一步地，在信息传递过程中，传统的方式是簇内所有节点需将信息先传递给簇头节点，再由簇头节点传递给基站。这个过程没有考虑数据传输距离和簇头节点能耗高的问题。而在城市综合管廊中，由于距离的大幅度增加，必须对所有节点进行划分。

所以，基于本发明实施例一提供的城市综合管廊中的无线传感器网络节点的部署方法部署的传感器网络，能够根据不同簇与基站之间的距离而实现信息中继转发，从而更大程度地均衡网络能耗。

如图6所示，其中三角形代表簇头节点，小圆圈代表普通节点，五边形代表中继节点，箭头代表信息传输方向。具体的信息传输流程是：在分簇完成后，控制每一个簇内的普通节点将信息传递给簇头节点，再由簇头节点传递给覆盖范围内的中继节点，如果某簇头节点同时位于两个中继节点的覆盖范围内，则选择距离较近的中继节点进行信息传递，最后由中继节点将接收的信息传递给基站)。

那么，对于中继传输方式的计算分析如下。设城市综合管廊的模型长为2L，宽为W，其中W＜＜L，基站位于几何中心。现取其中一半模型进行研究，即长L，宽W，基站位于一侧的部分。设在此区域内总共部署N个普通节点，m个中继节点,每个中继节点的覆盖直径为A，簇头竞选概率为P。

在理想状态下，假设整个网络均匀分簇，则每个中继节点覆盖的普通节点(包括簇头)数目为：

如果每个簇头传递的数据量为k比特，则所有中继节点接收转发所需的总能量是E_total＝E_RX-total+E_TX-total。

接收端：E_RX-total＝NPk×E_elec

发送端：

故：

当管廊长度延伸，部署更多的中继节点，即m较大时：

所以，分析式(6)可知，中继节点的转发性能由P,A,m多个参数共同决定。

本发明针对城市综合管廊中存在的无线传感器网络节点浪费、能耗不均衡的问题,提出一种城市综合管廊中的无线传感器网络节点的部署方法，通过将中继节点呈三角形排列部署在城市综合管廊中的高频率工作区域，并在中继节点的监控区域外，随机部署普通节点，以实现多重覆盖,保证网络覆盖性，均衡节点密度，节约节点。进一步，在综合考虑节点的能量特点和空间分布的情况下引入中继转发方式，均衡了各节点间的能量消耗速度，提升了节点利用率，降低了整个网络的能耗，较好地解决了节点过早死亡和覆盖漏洞问题。进一步，延长了WSN生命周期、改善了数据吞吐能力。

本发明通过采用三角形排列连接部署中继节点和随机部署普通节点相结合的方式部署网络节点，在实现多重覆盖,保证网络覆盖性的基础上，能够最大化的节约节点，均衡节点密度，从而均衡了各节点间的能量消耗速度，能够有效减少节点过早死亡和覆盖漏洞的出现，适用于长距离、大规模的网络传输。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种城市综合管廊中的无线传感器网络节点的部署方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供两类无线传感器网络节点，分别为普通节点和中继节点；所述普通节点用于采集城市综合管廊中的管道数据和内部竞选簇头，所述中继节点用于采集城市综合管廊中的高频率数据及其覆盖区域内簇头数据的中继转发；所述普通节点的数量大于所述中继节点的数量，所述中继节点的覆盖半径大于所述普通节点的覆盖半径；

将所述中继节点呈三角形排列部署在城市综合管廊中的高频率工作区域，并确保所述中继节点的感知半径大于其所在城市综合管廊的宽度；其中，两个所述中继节点之间存在多重部署覆盖区域，两个所述中继节点之间的覆盖重叠区域的最大深度小于所述中继节点的覆盖半径；

在所述中继节点的监控区域外，随机部署所述普通节点，使所述中继节点在城市综合管廊中的覆盖空洞被所述普通节点所覆盖。

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