CN110022564B - 城市综合管廊中的无线传感器网络节点的部署方法 - Google Patents

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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：由管廊两端向中心，在城市综合管廊长度方向上等间距部署超级节点，实现将超级节点等间距排列部署在城市综合管廊中的高频率工作区域；在此基础上，随机部署普通节点，使超级节点的覆盖空洞被普通节点所覆盖。进一步，选取10%的普通节点作为高级节点部署，实现多重覆盖。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超级节点平均能量更高，与管廊实际条件更相符合。有效缓解单一节点部署而产生的能量空洞问题，均衡网络能耗，以延长网络生命周期。

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
如今，越来越多的信息和通信技术被运用整合到智慧城市中。因此，无线传感器网络(Wireless Sensor Network，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。尤其是无线传感器网络被越来越多地用于各种领域，例如城市综合管廊。
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，
将无线传感器网络用于城市综合管廊，这种革命性的创新主要归因于微机电系统(MEMS)，低功耗电路设计和无线技术在集成电路上的低成本大规模生产。值得注意的是，传感器节点具有体积小、功耗低、成本低廉、和仅使用电池就可以维持较长的寿命的特点，通常被部署在人难以到达或需要长时间持续运行的地方。这就造成了节点相关的维护(补充或更换)代价相对较高。而在城市综合管廊中如何使传感器节点，长久稳定地工作，显得尤为关键。
显然地，城市综合管廊可以有效提高管道维护和检修的效率。不会对道路交通和人们出行带来不便。但需要指出的是，城市综合管廊尚在发展，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。常见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。不同地区的城市综合管廊中管道类型配比各有不同，但在各个管道的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，部署的传感器种类大致相同。在工作中，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，根据管道工作特点的不同，对传感器的工作频率要求有所不同。即对传感器电池能量储备提出分级要求，同时也对网络协议的优化提出了一定要求。
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，造成能量空洞。
基于此，现有的城市综合管廊中的无线传感网络存在较严重的能量空洞，寿命较短。
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，能够缓解能量空洞、延长网络生命周期。
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：
提供三类无线传感器网络节点，分别为普通节点、高级节点、和超级节点；所述普通节点的能量配置为E，所述高级节点的能量配置为2E，所述超级节点的能量配置为10E；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，所述高级节点和所述超级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；
在城市综合管廊内，由管廊两端向中心，在城市综合管廊长度方向上等间距部署m个超级节点，且保证单一簇内有且仅有一个所述超级节点；
其中：
Figure BDA0002066552970000031
d为相邻两个超级节点的间距，l为城市综合管廊的长度；
在所述超级节点的监控区域外，随机部署普通节点，确保所述超级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；
选取10％的普通节点作为高级节点部署。
作为一种可实施方式，所述超级节点设置在城市综合管廊边缘的簇中。
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，由管廊两端向中心，在城市综合管廊长度方向上等间距部署超级节点，实现将超级节点等间距排列部署在城市综合管廊中的高频率工作区域；在此基础上，随机部署普通节点，使超级节点的覆盖空洞被普通节点所覆盖。进一步，选取10％的普通节点作为高级节点部署，实现多重覆盖。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超级节点平均能量更高，与管廊实际条件更相符合。有效缓解单一节点部署而产生的能量空洞问题，均衡网络能耗，以延长网络生命周期。
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。
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2，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。
网络节点的部署是WSN在具体应用时首先需要解决的问题，它直接关系到网络监测信息的准确性、完整性和时效性。采用合理的节点部署方式有助于提高网络工作效率，最大化利用网络资源。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，通过在网络部署阶段进行节点优化部署，以达到缓解能量空洞、延长网络生命周期的目的。
为了延长网络的生命周期，必须增强网络中节点的异质性。所以本发明采用多级节点异构设计。考虑到能量作为限制系统综合性能的主要制约因素，从能量异构的角度考虑，引入高级节点和超级节点两种高能量节点。高级节点的功能性和任务强度并不高，与普通节点的能量比为2:1，超级节点与普通节点的能量比为10:1。普通节点的能量配置为E，高级节点的能量配置则为2E，超级节点的能量配置则为10E。
考虑到WSN中普通节点和超级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(超级节点)精准部署，将大量的低能量节点(普通节点)随机部署，再选取10％的普通节点作为高级节点，然后依据能量级信息进行分簇。由于数量有限的超级节点在综合管廊部署范围内可能存在能量空洞，故采用普通节点和高级节点来实现多重覆盖，以尽可能的填补能量空洞。本发明可以在保证网络多重覆盖的同时，均衡网络能耗，以延长网络生命周期。
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、提供三类无线传感器网络节点，分别为普通节点、高级节点、和超级节点；所述普通节点的能量配置为E，所述高级节点的能量配置为2E，所述超级节点的能量配置为10E；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，所述高级节点和所述超级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；
S200、在城市综合管廊内，由管廊两端向中心，在城市综合管廊长度方向上等间距部署m个超级节点，且保证单一簇内有且仅有一个所述超级节点；
其中：
Figure BDA0002066552970000051
d为相邻两个超级节点的间距，l为城市综合管廊的长度；
S300、在所述超级节点的监控区域外，随机部署普通节点，确保所述超级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；
S400、选取10％的普通节点作为高级节点。
所述超级节点设置在城市综合管廊边缘的簇中。
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、高级节点和超级节点三类。普通节点主要功能是采集管道数据和内部竞选簇头。而高级节电和超级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，最高能量的超级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，所以超级节点设置在城市综合管廊边缘的簇中，靠近管壁，即城市综合管廊中的高频率工作区域。
本实施例将超级节点等间距排列部署在城市综合管廊中的高频率工作区域，以确保超级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超级节点的监控区域外，随机部署普通节点，使超级节点的覆盖空洞被普通节点所覆盖。进一步，选取10％的普通节点作为高级节点，实现多重覆盖。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超级节点平均能量更高，与管廊实际条件更相符合。有效缓解单一节点部署产生的能量空洞问题，均衡网络能耗，以延长网络生命周期。
WSN中，通常根据节点发送数据的距离，节点发送数据能耗分别采用自由空间能耗模型(式(1))和多路衰减模型(式(2))。传感器节点传输Kbit数据通信能耗部分整体可以分为两部分：一部分作为支撑设备信号处理部分的能量，电路传输和接受都需要，二者能耗是相等的，均为Eelec×k；另一部分为传感器节点数据传输时射频功率放大器的能耗，该部分能耗占据传感器节点能耗的很大比重，在一定的通信距离d0内其能耗为Eamp×k×d2，超过通信距离d0，其能耗大大增加，变为Eamp×k×d4。公式(1)与公式(2)给出了传感器节点的接收能耗和传输能耗。
ERX(k)＝k×Eelec (1)
Figure BDA0002066552970000061
传输能耗与传输距离有关，设定传输距离门限值为d0，如果d<d0,Eamp×k×d2,如果d>d0,Eamp×k×d4。
本发明在节点部署的时候充分考虑其感知能力和通信能力，传感器网络通常冗余的部署节点，实现强连通度和强覆盖度，即使部分节点失效，整个网络仍能保持对节点区域的感知和整个网络的连通。该能耗模型默认传感部分的能耗可以忽略不计。
接下来，参见图2，作为一种可实施方式，将管廊及其周边的立体结构抽象成一个长方体监控空间100，本发明实施例提供三类无线传感器网络节点，分别为普通节点01、高级节点02、和超级节点03。高级节点02的能量配置为普通节点01的2倍，超级节点03的能量配置为普通节点01的10倍。普通节点01用于采集城市综合管廊中的管道数据和内部竞选簇头，高级节点02和超级节点03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。
作为一种可实施方式，继续参见图2，在一定的区域内(图中的虚线圆为一簇)，各种节点完成分簇，距离基站05较远的簇直接选用超级节点03作为载体将簇内信息发送至基站05，距离基站05较近的簇，通过选举产生簇头节点04，那么簇内信息则通过簇头节点04传输到基站05。
作为一种可实施方式，基站位于监控区域的几何中心，并在区域内部署N个无线传感器节点。假设将整个网络的节点分为m个簇，并且完成分簇。在稳定运行阶段，簇头接受簇内成员发送的信号，经过数据融合发送给基站，同时簇头自身也有监控数据要发送，假设每次传输的数据为K bit，那么根据无线通信能量消耗模型，一轮通信结束消耗的簇头能量为：
Figure BDA0002066552970000071
式(3)中，EDA为对Kbit数据进行融合所消耗的能量，DA为数据经过融合所得数据量与数据融合前数据量之比。
非簇头节点能耗为：
EnCH＝k×Eelec+εfs×k×d2 CH (4)
在上式中，两个距离参数dCH和dBS时两个核心参数。如果每一轮都通过网络自己测距来对网络能量消耗量进行计算，则能耗很大。所以，可以通过两个距离的期望值来代替系统自测已达到节约能量的目的。即式(5)。
Figure BDA0002066552970000081
其中，(xB,yB,zB)为基站坐标。
求出得到：
Figure BDA0002066552970000082
由于在管廊空间中L2>>W2和L2>>H2。所以
Figure BDA0002066552970000083
根据最优簇头选择规则公式(8)：
Figure BDA0002066552970000084
其中dtoBS＝0.765×M/2，M为方形区域的边长，dtoBS为簇头到基站节点的平均距离。
通过比较d2 BS和d2 toBS可以发现，如果按照该网络的最优簇头策略，在L偏大的情况下d2 BS>d2 toBS,带入到公式(8)中之后，计算得到的簇头数量显然少于方形区域，而在偏链式的WSN中，在远离基站的部分选簇将变得十分困难，将存在簇头不足的情况，需要增加簇头数目，这显然矛盾。
故本发明引入超级节点，在能量充裕的情况下直接担任簇头，增加远端簇头数目，平均网络分簇平衡。
设传感器节点的部署长度为2l的区域内，基站节点位于l处。取其中一半区域，从边界处向Sink节点以间距d部署m个超级节点。则所有超级节点的总消耗为Cn。
Cn＝m×ERX+m×ETX (9)
将式(1)和式(2)带入式(9)中得：
Figure BDA0002066552970000085
Figure BDA0002066552970000086
为所有超级节点到基站的平局距离。其中2m*Eelec*k为恒大于0且与距离无关的值。故令
Figure BDA0002066552970000091
在管廊中，显然d0范围内不布置超级节点，即τ＝4，将其带入式(11)中，对P(4)关于m求导：
Figure BDA0002066552970000092
令
Figure BDA0002066552970000093
求得
Figure BDA0002066552970000094
所以超级节点数量选取综合考虑管廊长度(全局模型特征)和超级节点部署间距(局部特征)，与经典LEACH协议中的随机选取方式，以及改进协议中提及的单一考虑节点能量指标方式相比较，超级节点作为簇头的设定更加合理，有助于提高网络可靠性，降低网络能耗。
本发明的主要发明点是在传感器节点异构的基础上将超级节点等间距部署在城市综合管廊中的高频率工作区域，而且在超级节点的覆盖区域外，随机部署普通节点，进而选取10％的普通节点作为高级节点，使超级节点的覆盖空洞被普通节点和高级节点所覆盖，实现城市综合管廊中监控区域的多重有效覆盖，避免能量空洞，均衡网络能耗，以延长网络生命周期。
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 (2)

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：
提供三类无线传感器网络节点，分别为普通节点、高级节点、和超级节点；所述普通节点的能量配置为E，所述高级节点的能量配置为2E，所述超级节点的能量配置为10E；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，所述高级节点和所述超级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；
在城市综合管廊内，由管廊两端向中心，在城市综合管廊长度方向上从边界等间距部署m个超级节点，且保证单一簇内有且仅有一个所述超级节点；
其中：
Figure FDA0003537506860000011
d为相邻两个超级节点的间距，l为城市综合管廊的长度；
在所述超级节点的监控区域外，随机部署普通节点，确保所述超级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；
选取10％的所述普通节点作为所述高级节点部署。
2.根据权利要求1所述的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，所述超级节点设置在城市综合管廊边缘的簇中。
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