论文研究-基于节点信任度的三维覆盖算法.pdf

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针对无线传感器网络中节点的安全性及覆盖问题,提出基于节点信任度的三维覆盖算法(three dimensional coverage algorithm based on node trust,NTA3D)。该算法依据虚拟力、网格划分及节点信任度的思想,引入吸引源联合信任度。将待监测区域划分成网格,并在每个网格中心部署吸引源。吸引源可以根据网格中的活跃节点计算该网格的联合信任度,并根据联合信任度调度节点,调度结束后工作节点根据其所受合力的大小和方向重新部署。通过实验仿真,证明了该算法能够在保证安全性的前提下有效地提高覆盖率,降低网络能耗。
3796· 计算机应用研究 第33卷 d(s,p)=√(x-x:)2+(y-y1)2+(2-2)(10)所以,在相同的覆盖率下活跃节点数最小。 其中:d(s;,p)表示点p到节点i的距离。 本文算法与VFA3D和CTA算法的覆盖率随时间的变化 假设网络工作一段时间后部分节点失效,覆盖率为S(p),如图5所示。VFA3D算法没有运用调度机制,节点在工作过 此时正常工作的节点个数为k,(P)=1-且(1-(m))。采程中因被损坏或能量太低变成恶意节点,使网络覆盖率明显降 用本文的信任度调度机制后,覆盖率变为S(P),正常工作节低。GTA算法采用基于网格信任度的调度机制,可以唤醒休 点数为k+m,'(P)=1-,∏(1-S(P)c 眠节点代替恶意节点,覆盖率高于VFA3D算法;但是由于没有 很好地部詈新一轮节点,使得部分区域岀现漏洞,覆盖率降低。 假设每个传感器节点对点p的覆盖率相同,则 本文算法运用节点信任度和虚拟力算法,减少了恶意节点,并 s(p)=1-(1-s(p (11) (1-5(p)) (12)使节点在每一轮调度结束后在虚拟力的作用下均匀分布,避免 了覆盖漏洞,网络整体覆盖率髙于VFA3D和GTA算法。 式(12)减式(11)得 表1仿真实验使用的参数 '(P)-s(p)=(1-x(p)4-(1-(p))+m>0(13) 带入式(7)得S(p)>S(p)。因此,本文算法能够提高区 参数名称 数值 目标区域D 100m×100m 域覆盖率。 节点数目N 2.2能耗分析 通信半径r 基于虚拟力的三维覆盖算法在网络运行一段时间后,没有 感知半径r 很好地调度节点,能量消耗过快。本文算法能耗从三个方面计 吸引源引力系数h 算,为节点发送单位比特数据电路的能耗;e为接收信息 节点移动单位距离能耗eroe 的能耗,em为移动单位距离的能耗,m、1m、Em分别表示 节点发送数据时的能耗eke 0.05J/B 整个网络发送信息、接收信息和节点移动的能耗,则网络能耗 节点接收信息时的能耗cm05JB E的计算公式为 参数D 5% E=Esend+Eree +emove 参数1 5 Byle 1.!ea-em×l2)W(a+ Ime x(ir (14) 其中:错节点(吸引源)的感知半径是其他节点半径的q倍;M 4200 为锚节点个数,N为工作节点个数;WNc为吸引源周围的节点 图 10 数;1表示发送的单位数据量;d表示信息发送节点与接收节点 之间的距离;|dr:表示节点在所有方向的移动距离之和, 102030405060708090100 50100150200250300 网络覆盖率% 时间/s 图4相同覆盖率下活跃 其中dir;=em× arctan2×二×drm 节点数量比较 图5网络覆盖质量比较 假定吸引源个数不变,基于虚拟力的三维覆盖算法没有采3.2网络能耗分析 用节点调度机制,工作节点数为N,本文中基于信任度的节点 本文算法与ⅤFA3D)和(A算法的剩余能量随时间的变 调度机制使部分节点处于休眠状态,工作节点数为SS<N),化如图6所示。可以看出,随着时间的变化,冈终剩余能量都 则本文算法能耗为 在减小,VFA3D算法没有运用调度机制,所有的节点同时处于 E=Eacnd t Eise + e 活跃状态,能量消耗过快。木文算法和CTA算法使部分节点 )∑W 休眠,能量减小较慢,其中CTA算法需要唤醒更多的节点以避 免覆盖漏洞,而本文算法使节点均匀分布,减少了被唤醒的节 le. x dir: I (15)点数目,使剩余能量最多。 由于S<N,式(15)减式(14得E<E,即本文算法能耗较低。3.3安全性分析 本文算法与ⅤFA3D和GTA算法的安全性随时间的变化 3仿真实验 如图7所示。 本文采用ⅥATA37.0环境编程进行仿真,将本文算法与 , 3D-ⅤFA和GTA算法在覆盖率、能耗和安全性方面做了仿具实 80 0.7 验,假定无线传感网络部署在100m×100mx100m的立方体6 区域中,仿真参数如表1所示 概 40 3.1覆盖率分析 本文算法与VFA3D和CTA算法的覆盖率与工作节点数 05010102020335040050050100150200250300 时间s 时间/s 量的关系如图4所示。由图可知,三个算法下,随覆盖率的增 图6网络剩余能耗比较图7安全程度随时间的变化 大,工作节点数都呈平稳上升的趋势。由于本文算法和CTA 由节点信任度的定义可知,可以根据节点的联合信任度来 算法都运用的节点调度机制,活跃节点数较少,又因为本文算判断络的安全性。VA3算法中没有考虑到节点的信任 法运用了虚拟力思想,运用较少的节点就可以达到高覆盖率,度,随着时间的推移,网络安全性迅速降低。(下转第3800页) 3800· 计算机应用研究 第33卷 节点部署均匀度的变化趋势如图7所示。山于不能排除减少后续可能耍求的重点日标监测所带来节点移动量。改进 指定区域外旳邻居节点,所以考察的是整伓区域下的均匀度。的多中心部礐算法在应对大面积覆盖问題上相比其他算法始 PFP(∶A算法由于监测广度过于宽泛,所以均匀度较差。P-终能够保持稳定的覆盖性能,因此在实际应用中吏能适应于叮 CEA算法牺牲对某·区域的覆盖控制,尽可能扩大虚拟斥力,能发生多种变化的复杂地形。 分散部署因此从均匀度角度来说最优。改进的多中心部署算参考文献: 法只会在重点区城的空洞部分做部署中心的虚拟力牵引其余「1马些东,陶丹多祺体传感器网络及其研完进展「J软件学叔 部分则加大部署广度,虽然无法达到 PFCEA算法的均匀程度 2006,17(9):181-196 但与 PFPCA算法相比有大幅度提升。 [2 Wang Bang. Coverage problems in sensor networks: a survey [JI ACM Computing sun 100 A PFMCA 「3郭秀明,周囯民,樊景超.无线传感器网络中节点部署算法研究综 述「J1.传感器与微系统,2015,34(7):14-16 AnEMIc [4 Ghosh A, Das S K. Covcragc and connectivity issues in wireless scn IJ. Pervasive and Mobile Computing 10 [Sˉ戴宁,毛剑琳,付丽霞,等.基于虚拟势场的有向传感器刈络覆盖 0102030405060 优化算法[J].计算机应月研究,2014,31(3):905-907. 时间/s 时间/s [6陶丹,马华东,刘亮.祝频传感器网络中路径覆盖増强算法研究 图6区域内节点数量统计图7节点部署均匀度变化趋势 [冂].电子学报,2008,36(7) 综合上述算法性能对比,改进的多中心部署算法在特定监[7. Liang K, Cheng Y C, Li Chuanfeng. A virtual force based move 测区域内可以提供的节点数量明显优于对比算法。改进的多 ment scheme for arca coverage in directional sensor nctworks[C]// Proc of intelligent Information hiding and multimedia signal proces 中心部署算法在部署策略上可以使区域监测更有效率,无须与 ing.2014:718-722 均匀度略优的 PFCEA算法一样牺牲大量覆盖控制,且在此基[8ˉ张美燕,蔡文郁.无线视频侍感器网络有向感知K覆盖控制算法 础上均匀度仍可以优于PFCA算法。 研究[J.传感技术学报,2013,26(5):138-143 [9 Ragi S, Mittelmann II D, Chong E K P. Directional sensor control 4结束语 heurisTic approaches[J]. IEEE Sensors Journal, 2015, 15(1 374-381 本文针对于监测区或面积远大于节点总覆盖面积,节点覆[0」姚盼昑,姚向华基于网格点覆盖模型的高效怙感器网络节点配 盖能力无法满足整个监测区域的情况,提出了一种改进的多中 置算法[J.微电子学与计算机,2011,28(12):40-45,51 心部著算法。根据节点的初次部著情况及对应部署空洞的面1陶丹,马华东,刘亮基于虚拟势场的有向传感器网络盖增强算 积划分部署中心,并再次部署,最终达到部署均匀状态。该算 法以放弃对部分区域的最大化覆盖效益为代价,采用均匀优先12] Tan li, Chen Yucheng, Yang Minghu,ctal. Priority coverage al g rilhIn and performance simmlaliun for n(Mle deployment in direcTional 原则,保证监测区域的覆盖平復性,减少出现大面积覆盖空洞 sensor networks[J]. American Scientific Publishers, 2014, 12(2) 的可能性。这将在一定程度上减小覆盖空洞的处唑量,乜叮以 275-280 (上接第3796页)木文算法和CTA算法都采用了基于节点信任[6牛之贤,李霞,冯秀芳,等基于虛拟方格的区滅密度覆盖算法 度的覆盖算法,保证了网络安全性。可以看出本文算法的安全 [J].计算工程,2011,37(19):99-103 度史高,这是因为本文算法引入了吸引源,使网格联合信任度7 Tan Haisheng, Hao Xiaohon, ang Yuexuan,a, An approximate 更精确、安全性更高。 computer Science, 2013, 19: 240 [8] Li Xiang. A study of deployment bascd on virtual forccs in trcc-di 4结束语 mensional[ J. Science Technology and Engineering, 2013, 13 本文基于虚拟力和节点信任度的思想,引入吸引源和吸引 9. Liu Hui, Chai Zhijie, Du Junzhao. Sensor redeployment algorithm 源联合信任度,根据节点信任度和吸引源联合信任度调度节 based on combined virtual forces in three dimensional space. J].Acta 点,再根据虚拟合力的大小和方向重新部署调度后的活跃节 Automatica Sinica, 2011, 37(6): 714-723 点,可以实现在保证安仝性的前提下,用较少的工作节点达到101李字.基于虚拟力的三维部署技研究「J1学技衣与工程, 高覆盖率、低能耗的需求 2013,13(9):2412-2420 11] Han Guangjie, liang Jinfang, Shu Lei. Management and applications 参考文献 of trust in wireless sensor networks: a survey[J]. Journal of Com [1]陈扬,刘苏敏.楼宇中火灾监测无线传感节点覆盖算法研究[J puter and System Sciences, 2014, 80(3): 602-617 自动化技术与应用,2010,29(7):39-41. 12] Jiang Jinfang, Han Guangie, Wang Feng. An efficient distributed [2]罗强,潘仲明.一种小规模水下无线传惑器网络的部署算法[J trust model for wireless sensor networks[J]. IEEE Trans on Parallel 传感技术学报,2011.24(7):1004-1699 and Distributed Systems, 2014, 26(5): 1228-1237. [3]李彩丽,冯海林,侯楠.能量冇效的三维无线传感諝网络覆盖算法「13丨蔡绍滨,韩启尨,高振囯.基亍云模型的无线传慼器网络恶意节点 [冂].计算机应用,2010,30(7):1719-1722 识別技术的研究[J].已子学报,2012,40(11):2232-2238. 4」孙泽守,伍卫国,王換招.无线传感器网络基于参数可调増强型覆[14」刘涛,熊焰,黄文超.一种基于 Bayes估计的WSN节点信任度计 盖控制算法[J].电子学报,201543(3):466-474. 算模型[冂.计算机科学,2013,40(10):61-64. [5」邹磊.基虚拟力的自组织覆盖算決[冂].计算机工程,20l0,36[15]董书豪,李小龙无线传感器网络中基于网恪信仟度的可靠覆盖 (14):93-95 算法研究[J].计算机应月研究,2014,31(1):253-256,260

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