小世界森林火险监防传感网.pdf

2023 年 5 月第 19 卷 第 2 期系统仿真技术System Simulation TechnologyMay，2023Vol.19，No.2小世界森林火险监防传感网秦娜1，2，刘宴涛1（1.嘉应学院 计算机学院，广东 梅州 514015；2.蒙古研究大学，蒙古 乌兰巴托，14200）摘要：传感器网络（简称传感网）可以用于森林火险监防预警，传统的传感网节点具有一致的通信范围，属于同构网络。这种网络监防范围广，网络跳数多，消息延时，不利于实时火情业务传输。借鉴小世界网络思想，应用概率泛洪方法，通过在网络中选取一部分强节点，扩大其通信半径，构造小世界异构网络。理论分析和仿真实验表明只需要选取20%的强节点即可建立小世界传感网，降低平均路径长度（APL），提高集聚系数（CC）。关键词:传感网；小世界网络；泛洪A Small World Forest Fire Monitoring Sensor NetworkQIN Na1，2，LIU Yantao1（1.College of Computer Science，Jiaying University，Meizhou 514015，China；2.Graduate University of Mongolia，Ulan Bator 14200，Mongolia）Abstract：Sensor networks can be used for forest fire monitoring.The traditional sensor networks belong to homogeneous networks with identical communication ranges for all nodes，which goes against real time fire alarm transmission due to many hops and long delay.By using the idea of small world networks and applying the method of probability flooding，small world heterogenous networks are constructed with some strong nodes chosen to exaggerat communication range.Both theoretic analysis and simulation experiment prove that only 20%nodes selected as strong nodes are required to build the small world sensor network，which significantly decrease average path length and increase clustering coefficient.Key words：sensor networks；small world networks；flooding无线传感器网络（简称传感网）是由一定数量的传感器节点组成的无线多跳网络，节点同时充当终端和路由器，具有无中心、自组织、多跳路由、快速布设、不依赖基础设施、体积小、能耗低、分布式、合作通信等特点。由于节点数目多，网络规模大，因此路由变得非常复杂。另外，由于传感器节点的故障、缺电或损毁等原因，会发生节点脱网现象，所以传感网需要具有自愈合、自修复功能。基金项目：2022年梅州市社会发展科技计划项目(2022B110)；2022年广东省自然科学基金面上项目(2022A1515011345)；2021年广东省普通高校特色创新项目(2021KTSCX124)；2021年广东省本科高校高等教育教学改革项目(粤教高函2021 29号)；2021年广东省高等学校教学管理学会课程思政建设项目(粤高校教管学会2022 1号)；2022年广东省高等教育学会实验室管理专业委员会基金项目(GDJ20220290)；2020年广东省课程思政示范课堂项目(粤教高函20214号)；2022年嘉应学院课程思政示范课程项目(嘉院教2022 48号)；2020年嘉应学院高等教育教学改革项目(JYJG20200102)；2022年嘉应学院高等教育教学改革项目(JYJG2022222)；2021年嘉应学院质量工程项目(嘉院教202120号)；2023年嘉应学院科研项目(2023KJY020)；嘉应学院博士科研启动基金项目(2022RC85）通信作者：刘宴涛，E-mail:中图分类号:TP393 文献标志码:A DOI:10.16812/31-1945.2023.02.010系统仿真技术第 19 卷 第 2 期传感网可用于工业控制1、生态监测2、智能交通3等应用领域，还可以用于森林火险监防预警。山区林地由于面积辽阔，人员稀少，单纯依靠人工监测不易及早地发现火险隐患。大量温度、湿度和烟雾传感器可以通过无人机或者人工播撒在监防区域，这些传感器的节点具有智能计算和无线通信功能，可以自行组网，自行通信，在无人值守的状态下以多跳的方式将火警信息快速传递给指挥中心，能及早感知火险，而且智能化火警信息能准确报告火点、火情、火势、温度、湿度，甚至风向等，提高预警准确度。但是传统的传感网属于同构网络，节点具有相同的通信范围，而且森林火险监防范围大，网络跳数多，消息延时，不利于火情信息的实时传输和快速反应。为此，本研究基于小世界网络思想，应用概率泛洪方法，建立小世界森林火险监防传感网仿真系统，通过理论分析和仿真实验证明该系统的性能。1 小世界网络的基本概念 小 世 界 网 络 属 于 复 杂 网 络 的 范 畴，1967 年Milgram通过信件传递实验研究了在社交网络中路径长度分布问题，提出了六度分离理论4。Newman等5发现对规则图重连或增加少量随机连接可以降低图的平均路径长度（Average path length，APL）和提高图的集聚系数（Clustering coefficient，CC）。这样的图被称为小世界网络6-7。在图论中，网络被定义成点集V和边集E组成的图G=（V，E）。如果图G中任意节点对（u，v）和（v，u）对应同一条边，则称该网络为无向网络，否则就称为有向网络。无向网络中节点v的度表示与v相连的节点数目，记作d（v），所有节点度的平均值称为该网络的平均度。图G中任意2个节点i和j的距离lij定义为i和j之间最短路径的边数，假设图G中有n个节点，网络的APL定义为网络中全部(n2)个节点之间距离的平均值，即APL=2n(n-1)i jlij（1）图G中，假设节点i的度d（i）=ki，即有ki个节点与节点 i 相连，这 ki个节点之间最多可能存在(ki2)=ki(ki-1)2条边，假设这ki个节点之间实际存在Ei条边，则节点i的CC定义为Ci=2Eiki(ki-1)（2）可见CC描述了一个节点的相邻节点之间相互连接、相互聚合的程度。网络的CC定义为所有节点CC的平均值。Ci=0表示网络中全部节点都是孤立节点，Ci=1表示该网络是全连通网络，即网络中任意2个节点都存在边连接8。2 小世界网络的理论分析 与Milgram实验研究的社交网络不同，无线传感网属于空间图的范畴，节点间是否存在链路并非随机的，而是取决于节点间距离。传统的无线传感网是同构的，即网络中所有无线节点具有相同的通信半径R，节点只和紧邻节点有边相连，这种网络由于缺少长程连接，所以不具备小世界特征。当用于传输森林火险监防预警信息时，由于网络跳数多，延时长，不利于实时火情的快速预警。因此，需要借鉴小世界思想，对传统的传感网改造并赋予其小世界特征，缩短APL，降低消息延时。为此，可以在无线节点中选择一部分“强节点”，扩大其通信半径R，从而建立长程连接并构成异构网络。图 1 给出了一个基于 UCINET 网络分析软件构建的栅格网络，该网络由 400 个节点（2020）排列而成，每个节点最多有4个邻居节点。从这400个节点中随机选择n个节点作为强节点，其通信半径是普通节点的2倍（可以通过降低比特率或配备多套收发信机实现），因此强节点的邻居节点可以多达12个。改变节点数量 n 的值并基于 UCINET 的统计功能可以得到 APL和 CC随节点数量 n变化的函数关系，如表1、图 2-3 所示。由图 2-3 可见，少量强节点的引入即可明显地降低APL和提升CC，当强节点达到网络全图1小世界栅格网络Fig.1Small world grid network136秦娜，等：小世界森林火险监防传感网部节点的20%（80个）时，APL和CC已经接近各自的极值，从 20%之后再继续增加强节点的数目对 APL和 CC 增益的贡献不大。这说明所构造的异构传感网具有相变现象，仅仅选择五分之一的节点充当强节点即可为传感网赋予小世界特征，网络性能获得极大提升。图 1是基于 UCINET建立的传感网理论模型，仅仅通过节点的相邻关系统计APL和CC，并没有通信功能，下面将基于OPNET网络仿真软件构建森林火险监防传感网仿真模型，实现网络的路由和传输功能，通过网络仿真实验验证所提出的异构网络具有小世界特征。3 小世界森林火险监防传感网仿真系统 泛洪是无线多跳网络必不可少的信息发布机制，既可以作为独立的路由算法使用，又可以辅助动态源路由协议、共享树多播协议创建路由。泛洪可以建立渗流理论中的位置渗流模型，Bhaskar等9研究了无线自组网渗流过程中的相变现象，Yoav等10研究了无线自组网的概率泛洪技术。这2项研究发现了无线自组网存在相变现象，即当泛洪概率p超过某个门限pc时，再增加泛洪概率p对网络性能的提升贡献不大。借鉴上文提出的小世界异构网络模型，提出一种非均匀概率泛洪算法，基于该算法把小世界异构传感网和非小世界同构传感网加以比较。同构网络和异构网络分别如图4-5所示，2种网络具有相同的网络拓扑。在图4的同构传感网中，所有节点都配备了一对收发信机，使用相同的频段，具有相同的传输半径，使用相同的泛洪概率。在图5的异构传感网中，为每个节点配备了1个发射机和2个接收机，全网使用2个发射频段，1个用于强节点，1个用于普通节点。所有节点都能接收这2个频段的信号。强节点的通信半径是普通节点的2倍。另外，强节点使用比普通节点高的泛洪概率，因此称之为非均匀概率泛洪算法。由图4-5可见，在2 000 m2 000 m的矩形范围内随机分布着400个节点，网络中只有1个源节点，其坐标位于网络中心位置，即（1 000，1 000），源节点产生数据包并向网络泛洪。其他节点均为宿节点，不产生数据包，只接收数据包。网络层采用概率泛洪技术，媒体存取层采用802.11分布式协调功能协议。仿真过程中，随着泛洪概率p从0向1递增，收集2个结果参数：（1）收到数据包的节点数目，该参数反映了概率泛洪的有效覆盖范围；（2）从源节点到宿节点的平均跳数，该参数可以对应于网络的APL。Yang等11研究发现，无线多跳网络的联通性与节点的平均度相关，后者由式（3）给出。k=mR2S-1（3）其中k表示节点的平均度，S表示网络覆盖范围，R表示节点通信半径，m表示节点数目。文献 11 研究发现，当节点度为6时，网络覆盖范围可达95%。就图4-5 的仿真网络而言，如果通信半径设定为 100 m，由式（3）可得节点平均度仅为 2.14，网络联通性太差。为了提高网络联通性，降低网络断裂给泛洪带来的影响，仿真实验将同构网络的节点通信半径设定为表1小世界网络的参数Tab.1Parameters of small world network强节点数目080400强节点占总节点数目的百分比020%100%APL13.3337.7316.917CC00.3700.480图2APL与强节点数目的关系Fig.2The relationship between APL and number of strong nodes图3CC与强节点数目的关系Fig.3The relationship between CC and number of strong nodes137系统仿真技术第 19 卷 第 2 期图4同构网络的概率泛洪Fig.4Probability flooding of homogeneous network图5异构网络的概率泛洪Fig.5Probability flooding of heterogeneous network138秦娜，等：小世界森林火险监防传感网200 m，异构网络中普通节点的通信半径设定为150 m，强节点的通信半径设定为300 m。图6-7分别给出了收到数据包的节点数目和平均跳数随着泛洪概率p的变化关系，实验结果证明异构网络以更小的通信半径却达到了比同构网络更好的性能，具体表现在以下3个方面。（1）覆盖范围增益：图6中收到数据包的节点数目反映了泛洪的有效覆盖范围，可见小世界异构网络使用p=0.2的泛洪概率就达到了同构网络使用p=0.6的泛洪概率的覆盖范围，约 390 个节点收到了数据包。就传感网而言，更小的泛洪概率意味着更小的全网功率消耗和更少的信号冲突，提高了网络的健壮性，延长了网络的工作时间。（2）功率消耗增益：在仿真设置中，同构网络全部400个节点的通信半径设为200 m，异构网络20%（80个节点）的强节点的通信半径设为300 m，80%（320个节点）普通节点的通信半径设为150 m。根据自由空间传输公式（4）可以计算，为了获得相同的接收功率Pr，小世界异构网络可以使用比同构网络少13.57%的发射功率Pt。Pr=PtGtGr(4d)2（4）其中，Pt表示发射功率，Pr表示接收功率，Gt表示发射天线增益，Gr表示接收天线增益，表示波长，d表示传输距离。（3）平均跳数增益：图7显示小世界异构网络的平均跳数明显少于同构网络。更少的平均跳数意味着更少的处理和传输延时，这对于火情预警等实时应用是至关重要的。需要说明的是图 7 中当泛洪概率低于0.3时，同构网络的平均跳数少于异构网络，但对应图6可以发现此时同构网络的覆盖范围是很小的，只有不到100个节点收到了数据包，所以此时的平均跳数不能反映网络的有效性能。图6泛洪覆盖范围Fig.6Coverage of flooding4 结 论 传感器网络可以用于森林火险监防预警，相比人工监测，传感网监测具有广覆盖、早感知、智能化、准确度高等特点。但是传统的传感器网络属于同构网络，用于森林防火监测时具有跳数多、消息延时、实时性差等缺点。为此，借鉴小世界网络思想，应用概率泛洪方法，通过在网络中选取一部分强节点，扩大其通信半径为普通节点的 2 倍，构造小世界异构网络。基于UCINET的理论分析和基于OPNET的仿真实验证明改进的异构网络具有相变现象，只需要选取20%的强节点即可建立小世界传感网，明显降低APL和网络功率消耗，增加覆盖范围，提高CC。改进的小世界森林火险监防传感网可以缩短火警信息上报时间，提高反应速度。参考文献：1李斐，朱晓磊.多策略增强樽海鞘算法下的WSN覆盖优化 J.计算机时代.2023（1）：2629，34.LI Fei，ZHU Xiaolei.WSN coverage optimization under multi-strategy enhanced salp swarm algorithm J.Computer Era，2023（1）：26-29，34.2郭天一.基于ZigBee通信网络公园生态园林维护机械监测系统 J.农机化研究.2023，45（9）：201204，208.GUO Tianyi.Monitoring system of ecological garden maintenance machinery based on ZigBee communication network J.Journal of Agricultural Mechanization Research，2023，45（9）：201-204，208.图7平均跳数Fig.7Average hop number139系统仿真技术第 19 卷 第 2 期3张罡.无线传感网络在智能交通中的应用分析 J，数字技术与应用.2022，40（12）：108110.ZHANG Gang，Analysis of the application of WSN in the intelligent transportation J.Digital Technology&Application，2022，40（12）：108-110.4安沈昊，于荣欢.复杂网络理论研究综述 J.计算机系统应用，2020，29（9）：2631.AN Shenhao，YU Ronghuan，Review on complex network theory research J.Computer Systems&Applications，2020，29（9）：26-31.5NEWMAN MEJ，WATTS DJ.Renormalization group analysis of the small-world network model J.Physics Letters A，1999，263（4）：341-346.6岳梦莹，汪超，谢能刚.小世界网络下信息异化传播模型的仿真研究 J.信息与电脑（理论版），2022，34（18）：198201.YUE Mengying，WANG Chao，XIE Nenggang.Simulation study of information alienation propagation model under small world network J.Information and Computers（Theoretical Edition），2022，34（18）：198-201.7周贝贝，周鹏.车载自组网无标度特性与小世界特性分析J.湖北汽车工业学院学报，2022，36（2）：1418.ZHOU Beibei，ZHOU Peng.Analysis of scale-free and small-world characteristics of vehicle Ad-hoc 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