Page 188 - 《软件学报》2020年第12期
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3854 Journal of Software 软件学报 Vol.31, No.12, December 2020
最少的节点覆盖指定区域,并且保证唤醒节点间相互连通.少量文献同时考虑了节点的部署和调度问题 [18,19] :文
献[18]研究了一种有效的算法可以同时优化节点部署位置和调度表,该算法的特点是采用了一种保证检测质量
持续较高的平衡调度机制;文献[19]先采用人工蜂群算法和粒子群算法优化节点部署位置,然后提出一种启发
式算法确定节点调度方案,其优化目标是在确保被监测目标覆盖要求的前提下最大化网络寿命.
上述在电池供电的传感网中对节点部署和调度问题的研究对射频供能传感网有一定的借鉴意义,但其方
法和结果不能照搬到射频供能传感网的研究中.原因在于:一方面,在射频供能传感网中,传感节点的部署位置
不但影响检测质量,还影响其捕获到的能量,传感节点的位置、待检测目标的位置和能量源的位置之间存在着
复杂的关联;另一方面,对节点进行调度的目的不再是延长网络寿命,而是确保及时地充电以支持持续不间断的
监测.文献[20]在能量捕获传感网中研究了节点部署问题,其目标是部署最少的节点使得所有的目标都能够被
覆盖,节点与汇聚点有连通路径,且节点满足能量中性要求,设计了两种部署算法实现网络持续不间断工作.文
献[21]分别设计了集中式和分布式的节点调度算法,在每个时隙唤醒一部分节点,目标是在保证网络连通性的
同时最大化检测质量.文献[22]在能量捕获传感网中研究了节点调度问题,针对监测点处随机到达事件的检测,
设计了集中式和分布式节点调度算法,最大化事件检测质量.文献[23]研究了能量捕获传感网中的复合事件检
测问题,设计了贪婪节点调度算法来调度不同种类的传感器,以最大化复合事件检测率.虽然上述文献针对能量
捕获传感网的节点部署和调度问题取得了一定的研究成果,但它们均将节点的部署和调度问题分开考虑;大多
文献采用简单的 0-1 检测模型或概率检测模型,未能考虑检测的或然性和节点间的协作;大多文献考虑的是捕
获太阳能的传感网,认为节点具有恒定的能量捕获功率,不涉及能量源位置分布对节点部署和调度的影响,而在
射频供能传感网中,节点捕获能量与其距离能量源的相对位置密切相关,进而又影响到节点的充电/感知调度.
因此,本文在面向融合检测的射频供能传感网中研究节点的部署和调度问题更具挑战.
2 系统模型
2.1 网络模型与假设
假设在平面区域 F 内有 N 个监测点,用集合 O={o 1 ,o 2 ,…,o N }表示,其中:o n =(x n ,y n )∈F 表示第 n 个监测点的位
置坐标;I 个传感节点候选部署位置用集合 S={s 1 ,s 2 ,…,s I }表示,其中,s i =(x i ,y i )∈F 表示第 i 个候选部署位置的坐标;
M 个位置固定的射频能量源用于为传感节点供能,用集合 C={c 1 ,c 2 ,…,c M }表示,其中,c m =(x m ,y m )∈F 表示第 m 个
能量源的位置坐标.将每个监测周期划分为 J 个等长的时隙,时隙长度为 1 个单位时间.令 P={p n,j |n=1,2,…,N,j=
1,2,…,J},其中,p n,j ∈[0,1]表示监测点 o n 处在第 j 个时隙有目标出现的概率.传感节点本身没有电源,完全由射频
能量源供能,充能后可以对监测点出现的目标进行信号采样和融合检测.节点的部署和调度方案可用一个 I×J
的布尔矩阵 A={a i,j |i=1,2,…,I,j=1,2,…,J}表示,其中,a i,j ∈{0,1},再引入 0-1 指示变量 v = 1 J 用于表示候选
{ ∑
i
j= 1 a , ij > 0}
位置 s i 处是否部署节点.若 v i =1,表示有节点部署于 s i 处,进一步,若 a i,j =1,表示部署于 s i 处的节点在第 j 个时隙处
于工作状态,否则处于充电状态;若 v i =0,则 s i 处未部署节点.
2.2 传感模型
传感节点通过采集目标发出的物理信号进行目标检测.许多物理信号(如声信号、震动信号、热信号等)的
能量随距离发生衰减.候选位置 s i 处的节点采集到与其距离为 d i,n 的监测点 o n 处的目标的信号能量 W i,n 可以表
示为 [12]
⎧ W 0 , d ≤ d 0
, in
⎪
W = ⎨ W (1)
, in 0 , d > d
⎪ u , in 0
⎩ (d , in / d 0 )
其中,W 0 是目标原始信号能量,u 为衰减系数,d 0 是与目标和节点尺寸相关的常量.在实际中,传感节点的量测值
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还会受到环境噪声的干扰.假设在候选位置 s i 处的噪声信号强度 N i 服从均值为 0,方差为σ 的正态分布,那么候
选位置 s i 处的节点实际采样到监测点 o n 处的信号能量 U i,n 为
