网络研究论文：网络节点分布及定位研讨

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本文作者：蔡银河、陈志标 单位：福建师范大学协和学院信息技术系、福建师范大学协和学院实验中心

无线传感器网络的系统主要包括传感器节点、汇聚节点及管理节点。无线传感器网络系统运行的基础就是大量传感器节点在环境中的随机布置，并通过一定的组织形式构成无线传感网络。传感器节点所探测到的数据和信息可以经由其他传感器节点逐跳传输，在数据和信息传输过程中，可能由多个节点进行处理，最终路由到系统的汇聚节点，由系统的互联网络传输到达管理节点。管理节点实际上相当于无线传感网络的控制中心，可以对系统网络内的任意部分进行配置和管理，而且负责无线传感网络系统的监测任务和收集监测信息。此外，无线传感网络还可以通过随机分布的数据处理单元、集成传感器以及通信模块的节点自组织的形式构成网络，借助微小通信节点中内置的传感器测量网络覆盖区域周边环境的红外信号、热信号、声纳信号及雷达地震波信号，继而探测并收集到周围环境中的温度、湿度、光强度、压力、噪声、土壤等用户关注的物质现象。

无线传感网络具有不受有线网络限制、无需固定设备支撑、易于组网的特点，可实现快速有效部署，适用于难以应用有线网络系统的恶劣环境，如核电厂、煤矿、变电站等危险的工业生产环境。对于有线网路基础设施相对不发达的区域通过应用无线传感网络可探测到实时、高效的生产数据，保障了工业生产的安全性和事故处理的及时性，避免了常规数据收集模式给工业生产环境带来的侵入性破坏。同时无线传感网络还可以应用于大气、水等生态环境资源的数据监测，为生态环境保护提供准确、有效的信息。在无线终端系统设备广泛推广和应用的前提下，无线传感网络可以通过无线通信技术对异构传感网络及其数据进行高效的互联和处理融合，这也决定了无线传感网络的应用范围和领域更加的广泛。

无线传感网络中的传感器节点通常随机部署在不同运行环境中执行各种监测及跟踪任务，以自组织的形式相互协助完成工作，传感器节点的分布对无线传感网络的监测活动至关重要，对于无线传感网络而言，节点位置的不明确的信息监测活动是毫无意义的。确定获取信息节点的位置与事件发生的位置是无线传感网络最基本的功能之一，对无线传感网络运行的有效性起到关键的作用。由于无线传感网络规模巨大，人工部署传感器节点或为网络节点安装GPS会受到经济成本、能耗及扩展性等因素的限制，在一些监控环境内无法实现，因此必须采用科学、合理的定位算法实现无线传感网络的节点自身定位。

传感器节点的定位及分布是通过一定的技术、手段、方法获取无线传感网络节点的相对位置信息或绝对位置信息的过程。通常采用的节点定位方法是为部分传感器节点设置准确的分布位置或为一些节点配备GPS系统，以确定位置的节点作为信标节点，通过未知节点之间的相互协作关系计算未知节点的位置。无线传感网络节点分布的算法与实际应用紧密相关，因此在进行节点定位的过程中应根据定位精度、信标节点密度、节点密度、功耗、容错性、自适应性、算法、无线传感网络规模、经济成本等因素进行综合考虑，选择科学、合理的定位方法。目前常用的节点分布计算方法为典型定位算法，即基于测距的节点定位算法和不基于测距的节点定位算法两类，在这两大类别之中又可进一步细分为许多种定位算法。随着无线传感网络的应用日趋广泛，其节点分布方法也不断优化。

在无线传感网络的应用中，传感器节点与感知目标的位置是必不可少的系统元素，传感器节点的定位和分布技术在整个网络系统中至关重要。目前世界范围内关于传感器节点分布和部署的探讨很多，其中包括聚类方法平衡部署、概算统计模型、线性规划模型、最优多项式时间计算、能耗模型、整数线性规划、目标渐进优化计算等等，都是针对传感器节点的定位和部署提出的计算方法和改善办法，而且大多数关于节点分布的策略都局限于监控区域内的节点定位，关于监控区域边缘的节点分布的研究还比较少。

笔者通过对大量相关资料和文献进行研究，现将传感器节点边缘分布的方法进行总结。对无线传感网络中的传感器节点进行监控区域边缘分布的计算时，首先应确定问题模型，即选定节点分布的监控区域，确定监控区域、区域边缘、移动传感器的通信半径。通常大多数无线传感网络为保证通信的可靠性都会选择对称通信的方式，可用R=min（Rb，Rs）计算无线传感网络系统的有效通信范围，按照通信范围计算覆盖情况，应用C（B，T）={p|d（b，p）≤R，b∈B，p∈T}。其中B表示无线传感网络的集合，T表示监控区域的集合b∈B和p∈T表示无线传感网络的部署点。覆盖率的计算应用CP（B，T）=Area[C（B，T）]/Area（T）。输入区域集合A和监控区域T以及通信范围R，输出最大覆盖率，选择监控区域的一个边缘位置和T区域内一个未被网络覆盖的点，计算它们之间的欧氏距离，应用覆盖率计算公式计算出最大覆盖率。在以上计算得出准确结果后，进行节点边缘分布的计算。输入区域A、区域T、通信范围R和最大覆盖率，输出部署集合B，比较最大覆盖率和保证覆盖率的大小关系，通过A-T得出节点可部署区域，输入运算，输出初始部署区域，即可计算出节点边缘分布的区域。

无线传感网络是当前世界范围内备受瞩目的热点研究领域，他综合了传感器、嵌入式计算机、现代网络以及分布式信息和无线通信的处理技术，并以其低成本、低功耗、自组织和分布式的特点带来了信息感知领域的革命。对于无线传感网络节点边缘分布方法，由于目前研究领域内相关探讨较少，因而有效简单的计算方式还处于实践和研究阶段，需要相关学者和工作人员共同努力，不断优化无线传感网络的节点分布方式，完善其使用性能，延长整体网络系统的使用寿命。