無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋研究

武警工程大學(xué)研究生管理大隊學(xué)員十四隊 謝佳華

1 覆蓋研究的內(nèi)涵

由于WSNs的應(yīng)用區(qū)域環(huán)境比較特殊，如敵人活動區(qū)域、人類難以到達(dá)的惡劣環(huán)境等，通常通過飛機(jī)拋撒等方式投放傳感器節(jié)點(diǎn)以消除覆蓋盲區(qū)，雖然這樣可以完成區(qū)域的覆蓋，但是也存在兩個明顯的問題：一是傳感器節(jié)點(diǎn)高密度部署下必然會出現(xiàn)大量節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測區(qū)域重疊，二是若傳感器節(jié)點(diǎn)密度過小，又會出現(xiàn)覆蓋盲區(qū)。如何通過一定的覆蓋策略，用盡量少的傳感器節(jié)點(diǎn)完成區(qū)域的無縫覆蓋，成為WSNs覆蓋研究的關(guān)鍵問題。

WSNs的覆蓋技術(shù)包括兩個方面，一是覆蓋，二是控制，覆蓋是目的，控制是方法和手段。首先根據(jù)具體的應(yīng)用背景確定好整體的優(yōu)化目標(biāo)和性能衡量標(biāo)準(zhǔn)，然后在節(jié)點(diǎn)部署的之前和之后，通過采用一定的算法策略，使確定的優(yōu)化目標(biāo)最優(yōu)化和達(dá)到所要求的性能衡量標(biāo)準(zhǔn)。從優(yōu)化層次來看，覆蓋技術(shù)屬于系統(tǒng)級的節(jié)能優(yōu)化，即根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)或者監(jiān)測區(qū)域的分布情況，通過一定的算法策略合理部署節(jié)點(diǎn)，保證監(jiān)測對象被WSNs完全或者以較大概率覆蓋，同時盡可能減少冗余節(jié)點(diǎn)和資源浪費(fèi)。

2 WSNs節(jié)點(diǎn)感知模型

在實(shí)際應(yīng)用中，WSNs大多情況下工作在惡劣環(huán)境中，部署環(huán)境對傳感器節(jié)點(diǎn)的感知和通信都有很大的影響，其感知的范圍和通信距離一般情況下不可能是某一固定的圓，不同方向上的感知和通信距離可能不一樣，且監(jiān)控的準(zhǔn)確度和概率隨著距離的增大而相應(yīng)減小由于在實(shí)際研究中沒有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達(dá)式，不利于研究的深入，所以在覆蓋控制研究中采用較少，為了在不失問題一般性的前提下，將物理感知問題轉(zhuǎn)換成抽象的數(shù)學(xué)模型問題。

數(shù)學(xué)模型的建立一般是基于以下兩點(diǎn)假設(shè)的：一是傳感器節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)的，即節(jié)點(diǎn)的感知能力、通信能力和信號接收能力是相同的；二是傳感器節(jié)點(diǎn)無論是定向的還是全向的，發(fā)射功率總是均衡的。在以上兩點(diǎn)的假設(shè)下，傳感器節(jié)點(diǎn)的感知覆蓋區(qū)域和通信覆蓋區(qū)域通常視為圓域或扇形區(qū)域。目前的研究中，全向感知的節(jié)點(diǎn)模型有三類：布爾模型、概率模型和定向感知模型，第三章和第四章的研究都是基于布爾感知的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的，有向感知的節(jié)點(diǎn)模型在第五章作深入研究。

2.1 布爾感知模型

布爾模型也稱為0-1模型或二值模型，是三種模型中最簡化的一種模型，傳感器節(jié)點(diǎn)的感知區(qū)域是一個以節(jié)點(diǎn)為圓心、rs為半徑的圓形區(qū)域，在感知半徑rs范圍內(nèi)的區(qū)域或目標(biāo)，能被該傳感器感知，否則不能感知，其中rs由傳感器節(jié)點(diǎn)的物理特性決定。更為嚴(yán)密的表述如下：點(diǎn)pj為目標(biāo)區(qū)域中的一點(diǎn)，d(si,pj)為點(diǎn)j離傳感器節(jié)點(diǎn)si的歐幾里德距離，點(diǎn)pj被si覆蓋與否僅由rs和d(si,pj)之間的大小關(guān)系決定。若用d(si,pj)表示點(diǎn)pj被傳感器節(jié)點(diǎn)si覆蓋感知的情況，如果能被感知，標(biāo)記為1，否則為0，表達(dá)式如下所示：

2.2 概率感知模型

布爾模型是對傳感器節(jié)點(diǎn)感知原型的高度理想化數(shù)學(xué)建模，假定了監(jiān)測的對象是確定的，而實(shí)際的情況是，傳感器節(jié)點(diǎn)對目標(biāo)的感知隨著距離的增大而越來越不確定，這主要是由于距離的增大會使信號強(qiáng)度衰減且環(huán)境噪聲的干擾也會越來越嚴(yán)重。概率感知模型的建立，就是為了體現(xiàn)距離對感知造成的不確定性，把距離更緊密的和感知精度結(jié)合起來，傳感器節(jié)點(diǎn)對目標(biāo)的感知會隨著距離的增大而不斷減小直到無法感知。數(shù)學(xué)表達(dá)式如(2-2)所示：

式中，α是與傳感器節(jié)點(diǎn)物理性能有關(guān)的參數(shù)，β是與環(huán)境有關(guān)的參數(shù)。

2.3 有向感知模型

視頻、聲學(xué)或光傳感器的感知范圍一般限制在一定的感知視角里（Field-of-View，F(xiàn)oV），F(xiàn)oV是節(jié)點(diǎn)能夠感知到的扇形區(qū)域，監(jiān)測區(qū)域中的pj點(diǎn)要被感知，該點(diǎn)必須同時滿足：該點(diǎn)到某個傳感器節(jié)點(diǎn)的距離不大于感知半徑；處在感知視角的方向上。

式中，α為感知視角的二分之一，β為傳感器節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)pj的連線與感知方向中軸線形成的夾角。

傳感器節(jié)點(diǎn)的感知能力作為WSNs在設(shè)計應(yīng)用中的重要技術(shù)指標(biāo)，所以，需要根據(jù)實(shí)際研究和應(yīng)用背景，選擇合適的感知模型，在充分體現(xiàn)應(yīng)用場景和研究背景的情況下，又能兼顧更進(jìn)一步優(yōu)化應(yīng)用和深入研究的便利性，減小設(shè)計復(fù)雜性。

3 WSNs覆蓋問題的分類

3.1 按覆蓋對象特點(diǎn)分類

根據(jù)WSNs的場景不同，覆蓋的方式方法也有很大的差異，常見的三種覆蓋問題主要包括以下三類。

（1）區(qū)域覆蓋（Ar ea Cover age）。區(qū)域覆蓋的監(jiān)測對象是某一個確定的區(qū)域，通過在該區(qū)域部署傳感器節(jié)點(diǎn)，要求目標(biāo)區(qū)域中的每一個點(diǎn)至少被一個傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋，同時還要考慮傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信連通。而區(qū)域覆蓋優(yōu)化需要解決的問題，就是在覆蓋和通信都得到滿足的前提下，盡可能少的部署所需傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目，或者使工作的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目盡可能少，減少網(wǎng)絡(luò)成本，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。特別是在戰(zhàn)場信息感知、監(jiān)控等應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)信息的全方位感知，對區(qū)域的覆蓋率要求更高。

（2）點(diǎn)覆蓋（Point Cover age）。點(diǎn)覆蓋的覆蓋對象是目標(biāo)區(qū)域中有限個離散的點(diǎn)，并確定完全監(jiān)測這些點(diǎn)所需要的最少節(jié)點(diǎn)數(shù)以及最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)位置。

（3）柵欄覆蓋（Bar r ier Cover age）。對于確定的WSNs覆蓋的區(qū)域，柵欄覆蓋關(guān)注的問題是當(dāng)移動目標(biāo)沿任意路徑穿過該區(qū)域時被網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測到的概率問題。另外，被監(jiān)測的概率不但與移動目標(biāo)選擇的路徑有關(guān)，還與移動目標(biāo)在WSNs中停留的時間有關(guān)。研究柵欄覆蓋的目的在于，一是為了最大概率監(jiān)測到穿越WSNs的移動目標(biāo)，二是在穿越敵方監(jiān)控區(qū)域時，選擇一條被監(jiān)測概率最小的路徑。

3.2 按節(jié)點(diǎn)部署方式分類

節(jié)點(diǎn)的部署方式一般分為確定性部署和隨機(jī)性部署兩種方式。

（1）確定性部署。確定性部署是在覆蓋目標(biāo)點(diǎn)或區(qū)域確定且網(wǎng)絡(luò)環(huán)境良好的情況下，將傳感器節(jié)點(diǎn)部署在預(yù)先規(guī)劃好的位置，使網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率、連通性以及網(wǎng)絡(luò)綜合性能都達(dá)到最優(yōu)。在小區(qū)、醫(yī)院、道路、智能建筑等使用場合適合采用該部署方法。

（2）隨機(jī)部署。在大多數(shù)情況下，WSNs工作環(huán)境惡劣，監(jiān)測區(qū)域大，特別是在戰(zhàn)場上，很難人為的部署傳感器節(jié)點(diǎn)，這就需要采取隨機(jī)部署的方法。隨機(jī)部署通常借助飛機(jī)拋撒或機(jī)器人等設(shè)備來部署節(jié)點(diǎn)，主要優(yōu)點(diǎn)是不需要人工干預(yù)和部署效率高，但也存在缺點(diǎn)，即很難控制節(jié)點(diǎn)使節(jié)點(diǎn)完全覆蓋目標(biāo)區(qū)域，而且部署成本高。

3.3 按節(jié)點(diǎn)的移動性能分類

按WSNs節(jié)點(diǎn)工作過程中是否具有可移動性，可分為靜態(tài)覆蓋和動態(tài)覆蓋。

（1）靜態(tài)覆蓋。靜態(tài)覆蓋是指節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)測區(qū)域后，節(jié)點(diǎn)的地理位置不可以改變或只能小范圍的改變，即節(jié)點(diǎn)不可移動，該類部署的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^小。靜態(tài)覆蓋關(guān)注兩類問題：一類是當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量確定時，如何合理的部署這些節(jié)點(diǎn)，使監(jiān)測的效果最佳，力求節(jié)點(diǎn)最優(yōu)的配置位置；一類是對于確定的覆蓋區(qū)域，如何使用最少的節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到最優(yōu)的覆蓋效果。

（2）動態(tài)覆蓋。隨機(jī)傳感器網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合，傳感器節(jié)點(diǎn)的可移動性得以實(shí)現(xiàn)，在節(jié)點(diǎn)部署后，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)任務(wù)要求，通過一定的運(yùn)動控制機(jī)制，使節(jié)點(diǎn)移動到理想的位置，從而提高網(wǎng)絡(luò)的性能。移動節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)生，彌補(bǔ)了靜態(tài)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用的不足，如在有毒氣泄露的區(qū)域，人工難以將節(jié)點(diǎn)放在指定的位置，只能通過拋撒移動節(jié)點(diǎn)，然后節(jié)點(diǎn)通過一定的策略自動散開，完成對區(qū)域的覆蓋和數(shù)據(jù)的采集。本文的研究都有基于節(jié)點(diǎn)的可移動性進(jìn)行的。

4 小結(jié)

本文闡述了WSNs覆蓋研究內(nèi)涵，介紹了現(xiàn)有的研究中常用的傳感器節(jié)點(diǎn)感知模型；其次，從覆蓋對象、節(jié)點(diǎn)部署方式和節(jié)點(diǎn)移動性能三個角度對覆蓋問題進(jìn)行了分類，為覆蓋技術(shù)的深入研究提供了一定的參考。

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