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无线传感器网络————————————————————————————————作者:————————————————————————————————日期: 第一次个人赛论文姓名代码:89无线传感网络设计问题摘要本文通过研究无线传感网络的覆盖问题和节点的通信模型设计,建立无线传感网络,可以准确而及时地掌握险情的发展情况。针对问题一,在给定区域面积和节点覆盖半径,且要求必须覆盖整个区域的前提下,通过随机模拟确定最少的节点数。首先通过蜂窝网格法,分析得到理论上覆盖整个区域所需最少的节点数为45个。然后通过软件在监视区域内产生N个随机测试点,再产生随机均匀分布的M个节点,观察这些节点圆是否已完全覆盖这些测试点,并保证覆盖整个区域的概率在95%以上,利用matlab通过500次模拟得到。考虑到随机产生的测试点不稳定,可以做进一步优化,使得这些测试点完全转化为区域内的固定点,当各点间隔趋于无穷小时,便可均匀覆盖整个区域,再分析节点圆覆盖整个区域的概率。通过对这两种方法进行对比,得出后者更优,最后确定至少为535个。针对问题二,设计了两种节点间的相互通信模型。已知每个节点覆盖半径,且节点只能与覆盖范围内的节点进行通信,即两节点之间的距离要小于半径。方法一把能相互通信的点连线,可以得到节点间的通信路径图,通过该图可以找出任意两个节点间的通信路径,并给出了十组任意节点之间的通路。方法二在节点通信路径图的基础上进行优化,通过Dijkstra算法求最短路径,准确快速实现任意两个节点之间的最短通路及最距离大小。通过对这两种方法的对比分析,可知方法一通信路径并不唯一,对于距离较短,节点少时,简单易用,但当通信距离较大、节点多时,不易观察,且计算路径繁琐。方法二计算准确快速,适用性更广。因此,Dijkstra算法更适用于大范围的无线传感网络设计。最后,本文对采用的模型方法进行了分析,并提出了适当的改进方案。关键词:随机模拟;节点通信;,导致地震、旱灾等自然灾害频频发生,给人民的生命财产造成巨大损失。因此,研究如何有效监测自然灾害的措施十分必要。在容易出现自然灾害的重点地区放置高科技的监视装置,建立无线传感网络,使人们能准确而及时地掌握险情的发展情况。如果监视区域的任意一点都处于放置在该区域内某一节点的监视范围内,则称节点能覆盖该监视区域。研究能确保有效覆盖且数量最少的节点放置问题显然具有重要意义。图1无线传感网络覆盖示意图如图1所示,叉形表示一个无线传感网络节点,虚线的圆形区域表示该节点的覆盖范围。该无线传感网络节点完全覆盖了区域B,部分覆盖了区域A。网络节点间的通信设计问题是无线传感器网络设计的重要问题之一。节点可以与覆盖范围内的节点进行通信。但是当节点需要与不在其覆盖范围内的节点通信时,需要其它节点转发才可以进行通信。图2无线传感网络节点通信示意图图2所示,节点C不在节点A的覆盖范围之内,而节点B在A与C的覆盖范围之内,因此A可以将数据先传给B,再通过B传给C,行成一个A-B-C的通路。,建立数学模型解决以下两个问题:1、在一个监视区域为边长b=100(长度单位)的正方形中,每个节点的覆盖半径均为r=10(长度单位)。对于上述给定的监视区域及覆盖半径,确定至少需要放置多少个节点,才能使得成功覆盖整个区域的概率在95%以上?2、在1所给的条件下,已知在该监视区域内放置了120个节点,它们的横、纵坐标如附表1所示。设计一种节点间的相互通信模型,并给出任意10组两节点之间的通信通路。问题的分析通过建立无线传感网络,可以准确而及时地掌握险情的发展情况。因此,本文研究的是传感网络的覆盖问题,确定设置多少个节点使得成功覆盖概率达95%,同时设计一个合理有效的节点通信模型,使得整个无线传感网络可以准确快速通信,且经济实用。针对问题一,在给定区域面积和节点覆盖半径的前提下,需要确定至少需要放置多少个节点,才能使得成功覆盖整个区域的概率在95%以上。在必须覆盖整个区域的要求下,可以通过仿真模拟来确定最少的节点数,并计算覆盖效率(覆盖效率越大越经济)。首先通过蜂窝网格法[1],可以分析理论上覆盖整个区域所需最少的节点数。通过蒙特卡洛模拟编程[2]实现,在监视区域内产生随机均匀分布的N个测试点,再产生随机均匀分布的M个节点,观察这些节点是否已完全覆盖这些测试点,并进行多次模拟,保证覆盖整个区域的概率在95%以上。考虑到随机产生的测试点不稳定,我们可以进一步优化,使得这些测试点转化为区域内的固定点,各点间隔趋于无穷小时,便可均匀覆盖整个区域,再分析节点覆盖整个区域的概率。针对问题二,设计一种节点间的相互通信模型。已知每个节点都有一定的覆盖范围,根据节点只能与覆盖范围内