無線傳感器網絡覆蓋控制技術綜述

王廣超　王振榮　楊軍

【摘要】 覆蓋控制是無線傳感器網絡的一個基本問題，可以使無線傳感網絡的空間資源得到優化分配，進而更好地完成環境感知、信息獲取和有效傳輸的任務；覆蓋控制決定了傳感器網絡對物理世界的監測性能，分析了網絡覆蓋技術在國內外研究的現狀與發展，指出了傳感器網絡能量受限、規模大、動態性強，給覆蓋控制的研究帶來了巨大挑戰。總結覆蓋控制基本概念，最后提出當前亟待解決的問題，并對其未來的發展趨勢進行展望。

【關鍵詞】 無線傳感器網絡 覆蓋控制 服務質量 覆蓋度

引言

近年來，隨著無線通信、傳感技術、嵌入式應用和微電子技術的日趨成熟，孕育了一種新興的信息獲取技術——無線傳感器網絡[1]（Wireless Sensor Networks，WSN）。WSN是由部署在監測區域內大量傳感器節點相互通信形成的多跳自組織網絡系統，可以在任何時間、任何地點、任何環境條件下獲取人們所需信息，它在軍事、環境監測、智能家居、工業控制、城市交通和現代農業等方面都有重要的研究意義和使用價值。

覆蓋控制作為傳感器網絡的一個基本問題，是衡量傳感器網絡監測性能的重要指標之一優化網絡部署以提高覆蓋對于合理分配網絡的空間資源，保證服務質量（QoS， quality of service），更好地完成環境感知、信息獲取以及延長網絡的生存時間都具有重要的意義。

近年來，已有一些文章對WSN覆蓋控制方面做過綜述，但國內外學者對WSN優化覆蓋控制取得新的進展。本文綜述了近年來在這一領域取得的研究成果。

第1節簡要回顧分析WSN的概述；在第2節中對現有覆蓋控制技術國內外研究現狀進行了詳細分析；第3節中對覆蓋控制技術基本概念闡述；第4節分析了WSN覆蓋控制問題面臨的挑戰和該領域亟待解決的問題；第5節進行了總結和展望。

一、無線傳感網絡概述

無線傳感器網絡作為一個全新的研究領域，在基礎理論和工程技術兩個層面向科技工作者提出了大量的挑戰性研究課題。無線傳感器網絡已經成為一個十分重要和非常熱烈的新的研究領域。近年來，國內外開展了大量研究，取得了很多研究成果[2]。

無線傳感器網絡是指部署在監測區域里的大量微型傳感器節點通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網絡，節點之間通過協作方式對網絡覆蓋區域內被監測對象的信息進行感知、采集和處理，并將有效數據發送到數據收集節點（sack node）或基站（ base station），最后，再傳送到用戶終端。從而實現物理世界、計算世界以及人類社會三元世界的連通。WSNs被認為是對21世紀產生巨大影響力的技術之一[3]。

二、覆蓋控制技術國內外研究現狀

近年來，一些國內外學者開展了傳感器網絡覆蓋控制方面的探索性研究，陸續在IEEE 系列會議（如INFOCOM，GLOBECOM，ICC，SECON 等）、ACM 傳感器網絡相關會議（MOBICOM，SENSYS 等）發表了一系列前沿的研究成果。根據不同的性質覆蓋控制問題可以劃分為不同的類型（如，靜態覆蓋和動態覆蓋、確定性覆蓋和隨機性覆蓋）。

覆蓋控制技術是無線傳感器網絡中的關鍵技術，其本質就是在給定節點數目的前提下如何最大化物理環境覆蓋感知區域或者如何用盡量少的節點達到預期給定的覆蓋質量和要求。

Veltri等人在文獻[4]中提出了覆蓋控制算法NSS （Node Self-Scheduling），算法中通過輪換“活躍”和“睡眠”節點，可以有效地延長網絡生存時問，該算法采用周期性節點輪換的工作機制，每個周期由狀態調度階段和工作階段組成。

Zhang等人在文獻[5]設計了一種分布式的最優地理密度控制算法OGDC （ Optimal Geographical Density Control ），討論了如何使用最少數量的節點，來保持無線傳感器網絡的覆蓋質量以及維持網絡的連通性。算法給出了兩個判定條件：首先給出了通信半徑大于或等于2倍的覆蓋半徑RS（RC≥2RS）的條件下，只要保證完全覆蓋就可以保證網絡區域的連通性。其次，又給出了完全覆蓋的最少節點數量的充要條件：網絡中任意3個相鄰節點都要構成一個以它們為頂點，邊長為行的等邊三角形。

Ye等人在文獻[6]中提出了基于探測的密度控制算法PEAS （Probing Environment and Adaptive Sleeping）。 PEAS算法通過關閉冗余節點的方法來節省能量。它的顯著優點是節點不需要保存任何相鄰節點的信息，無須先獲知節點的地理位置信息。體眠節點醒來后只需探測周圍一定區域RP內是否存在工作節點來決定本節點是否需要工作。

Gupta等人在文獻[7]中設計的CSCSO算法（Connected Sensor Cover Self Organization）通過選擇連通的傳感器節點路徑來得到最大化的網絡覆蓋效果。該算法同時屬于連通性覆蓋中的連接路徑覆蓋及確定性區域/點覆蓋類型。當管理端向無線傳感器網絡發送一個感應區域查詢消息時，連通傳感器覆蓋的目標是選擇最小的連通傳感器節點集合并充分覆蓋網絡區域。

任秀麗等人在文獻[8]提出一個分布的、與節點位置無關的無線傳感器網絡覆蓋控制算法（ a Location Independent Coverage Control Algorithm for Wireless Sensor Networks， LICA）。L ICA 采用基于節點分層成簇的思想，節點與鄰居交換信息，并通過節點距離與覆蓋模型找出覆蓋節點。在保證覆蓋性能的前提下，關閉覆蓋節點的通信設備。LICA 算法不僅可以提供高質量的覆蓋性能，而且具有良好的節能性能，特別適合低成本、資源缺乏、工作在惡劣環境中的分布式無線傳感器網絡。

王換招等人在文獻[9]分析了實際環境中隨機部署傳感器網絡的感知特性，給出了節點感知半徑服從正態分布的無須地理位置信息的節點冗余度計算模型，以及保證網絡覆蓋質量所需要的最少工作節點數的計算模型。在此模型的基礎上，提出了高效節能的無線傳感器網絡覆蓋保持協議（energy efficient coverage conserving protocol，簡稱EECCP），實現了均衡節點能量消耗的分布式協作調度，該協議保留最少的工作節點以保證要求的覆蓋質量，從而達到節約網絡能量的目的。EECCP 不僅能夠保證要求的覆蓋質量，而且能夠減少網絡能量消耗，有效地延長了網絡的有效壽命。

趙春江等人在文獻[10]提出了一種基于Voronoi 有效覆蓋區域的空洞偵測修復策略。該策略以滿足一定網絡區域覆蓋質量為前提，在空洞區域內合理增加工作節點以提高網絡覆蓋率為優化目標，采用幾何圖形向量方法對節點感知范圍和Voronoi 多邊形的位置特性進行理論分析，力求較準確地計算出空洞面積，找尋最佳空洞修復位置，部署較少的工作節點保證整個網絡的連通性。

該策略能有效地減少網絡總節點個數和感知重疊區域，控制網絡中冗余節點的存在，同時其收斂速度較快，能夠獲得比現有算法更高的目標區域空洞修復率，實現網絡覆蓋控制優化。

三、覆蓋控制技術基本概念

覆蓋控制技術通過傳感器網絡節點放置以及路由選擇等手段使得部署在傳感器網絡中的各個節點相互協作，從而達到對目標監測區域的感知和管理，在達到預期覆蓋要求的同時，盡可能地降低傳感器節點的能量消耗，從而延長網絡生存時間。

目前在傳感器網絡覆蓋問題的研究中，經常涉及到鄰居節點，覆蓋度、覆蓋重數、覆蓋效率、覆蓋時間等基本概念。

3.1鄰居節點

在節點的傳感范圍內的節點，在傳感范圍內相鄰的兩個節點一般會相交或相切，即通過相鄰的節點在傳感范圍內連接起來，這樣才能完全覆蓋被檢測區域。

3.2覆蓋度

節點覆蓋的總面積與目標區域總面積的比值。其中節點覆蓋的總面積取集合概念中的并集，所以覆蓋程度一般是小于或等于1的。

其中P代表覆蓋程度，Ai表示第i個節點的覆蓋面積，N代表節點的數目，A表示整個目標區域的面積。

3.3覆蓋重數

如果監測區域中的每一點至少被K個傳感器所覆蓋，則稱為K重覆蓋問題。覆蓋重數表示某個區域的覆蓋的冗余程度，如果這個區域在K個節點的傳感覆蓋范圍之內，那么它的覆蓋重數就是K。

，

這里KA表示A區域的覆蓋重數，Ai節點i傳感范圍，Ki表示第i個節點傳感范圍是否覆蓋A區域，覆蓋時Ki為1，否則為0。

3.4覆蓋效率

覆蓋效率是衡量節點覆蓋范圍的利用率，用來反映整個網絡能量的消耗情況。定義為所有節點的有效覆蓋范圍的并集與所有節點覆蓋范圍之和的比值。

其中CE代表覆蓋效率，Ai表示第i個節點的覆蓋面積，N代表節點的數目。

3.5覆蓋時間

目標區域被完全覆蓋或者跟蹤時，所有工作節點從啟動到就緒所需要的時間（在有移動節點的覆蓋中是指移動節點移動到最終位置所需要的時間）。覆蓋時間在營救或者突發事件監測中是一個很重要的節點覆蓋衡量指標，可以通過算法優化和改進硬件設施來減少覆蓋時間。

四、覆蓋控制技術面臨的問題與挑戰

4.1感知模型種類改進

目前，己有的節點感知模型均為理想模型，并未考慮到實際應用中存在于無線通信信道中的信號干擾、障礙物以及監測區域內的天氣影響等要素，因此針對無線傳感器網絡的實際應用需要對于節點感知模型的種類進行改進，達到更好的效果。

4.2提供移動性的支持

目前，傳感器網絡覆蓋控制算法和協議大都假定傳感節點是靜態的。對于戰場、救援等復雜應用場景，如何通過引入移動節點建立靜態節點與移動節點、多個移動節點之間的協作感知，以及對熱點區域或移動目標的持續性跟蹤覆蓋，仍將是今后關注的一個研究問題。

4.3三維空間的覆蓋控制

目前，無線傳感器網絡覆蓋控制的研究是針對二維空間展開的，然而，在實際應用中傳感器節點的感知多數是在三維空間中進行的。因此，對于三維空間的無線傳感器網絡覆蓋控制可以作為進一步的研究工作。

4.4存在障礙物的覆蓋控制

目前的研究僅考慮到監測區域內存在的“熱點區域”，沒有考慮障礙物的存在對無線傳感器網絡覆蓋控制的影響，這種假設是與實際應用有所偏差的。因此，對于區域內存在障礙物的網絡覆蓋控制是值得進一步研究的。

4.5大規模網絡覆蓋控制

在一些特定的應用場合，如軍事偵查、生態環境監測等，節點通常是通過高空拋灑方式高密度、大面積的隨機部署，因此會產生許多冗余節點。該問題可以通過加入部分可移動節點，節點布撒后，根據獲取的地域信息，動態改變網絡拓撲結構，同時結合現己有節點調度策略，實現大規模網絡的覆蓋控制算法更為復雜。

五、總結展望

覆蓋控制作為體現傳感器網絡服務質量的主要指標之一，覆蓋控制理論及方法的研究近年來得到國內外研究學者的廣泛關注。本文綜述了無線傳感器網絡覆蓋控制領域積累的國內外新近的研究現狀，并指出當前亟待解決的問題和進一步的研究方向，期望本文的介紹能夠推動同行學者對這一領域的關注與研究。