基于覆蓋控制的無線傳感器網絡節點調度機制研究

南陽醫學高等專科學校 田 肖

基于覆蓋控制的無線傳感器網絡節點調度機制研究

南陽醫學高等專科學校 田 肖

無線傳感器網絡是這幾年新興的一個熱門研究領域，它是由大量靜止或移動的傳感器節點以自組織和多跳的方式構成的無線網絡。目前，對無線傳感器網絡節點調度的研究偏向于網絡能耗和網絡性能折衷的WSN節點調度機制，因此，本文基于覆蓋控制，從覆蓋能力、網絡連通、能量消耗、能耗均衡等多方面綜合探索WSN節點調度。

無線傳感器網絡；網絡能耗；網絡性能；節點調度

1 引言

無線傳感器網絡實質是分布式系統，由于傳感器在感知區域中要作為網絡節點用來采集和處理感知到的數據，又要路由、發送這些數據信息，而且無線傳感器網絡功能單一、節點覆蓋范圍小、單個節點沒辦法獨立完成復雜任務，需多個節點協同工作。目前出現的節點調度機制按照約束條件側重點不同，有不同的實現方法。其中，基于覆蓋控制的節點調度機制，是以覆蓋性能為一個重要的約束條件，選擇節點以優化的方式覆蓋監測區域，保證監測數據的全局有效性。因此，研究無線傳感器網絡節點調度機制對無線傳感器網絡的應用有重要的實際意義。

2 WSN中的節點調度機制分析

在多目標跟蹤下的節點調度機制中，WSN中隨機部署的傳感器節點數要遠大于完成任務所須的節點數，節點調度須依據規則在眾節點中找出執行任務的節點，將余節點設定為休眠狀態，從而在完成感知任務的同時延長整個網絡的生命期。本文主要討論在節點位置信息未知的情況下選取工作節點完成區域覆蓋。主要從以下幾個方面探討節點覆蓋調度的機制。

2.1 覆蓋能力

WSN最基本功能是用節點監測部署區域情況，收集數據，因而，網絡覆蓋能力是網絡服務質量的重要指標之一，它也是衡量WSN覆蓋調度是否優劣的一個首要標準。

文獻[1]提出局部面向曝光的覆蓋和位置發現算法，提出3個移動傳感器從密集區域移動到稀疏區域的分布式協議，證明了協議的有效性。在多目標跟蹤過程中，不僅需要對跟蹤區域完全覆蓋，還須依據實際需要改變某些區域的覆蓋程度，這時覆蓋算法需根據要求作相應的調整。文獻[2]中的覆蓋調度，能夠自動地調節成與跟蹤問題相匹配的高程度的覆蓋。在現有多數文獻中，為實現好的監測質量常采用完全覆蓋，完全覆蓋網絡需大量節點同時工作，會造成能源浪費。因此，不一樣的應用可采用不同程度覆蓋。且事實上，適度的覆蓋盲區是允許的。

2.2 網絡連通性

網絡連通性保證網絡自身以無線多跳自組織方式協同工作，決定了WSN 感知、監視、傳感、通信各種服務質量，也是衡量節點覆蓋調度的標準。文獻[3]中，根據構造連通支配集(CDS)來選擇活動節點。采用CDS來選擇活動節點集，來確保網絡連通性。Gupta[4]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，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WSN區域。算法中節點傳感區域模型是任意凸形區域，更加符合實際環境。

當前，在確保網絡連通性的同時，需要增加額外的節點來維護網絡的覆蓋質量，從而使網絡能耗增加。因此，若把覆蓋程度和連通性同時考慮，會使得節點覆蓋更加完善。

2.3 能量有效性

由于傳感器節點能力有限、節點數量大且大多不允許節點電池更換，因此須采用控制算法減少節點的能量消耗，延長整體網絡的生存時間。

Gaurav S.Kasbekar[5]等人提出了分布式無坐標的調度機制，在保證完全覆蓋下，延長了網絡壽命。但文獻中的DLM算法有明顯不足，DLM算法探測到覆蓋空洞即告終止，即使大量的節點還有多的能量儲備。如果將有能量儲備的能量利用起來，必然會延長網絡的壽命。因此，為提高節點能量利用率，文獻[6]在DLM算法上進行了改進，提出一種調整感知半徑的節點調度算法ASR-DLM。設置小的感知半徑，對每個節點賦權。選取權值最大的感知半徑為最優感知半徑，達到最小感知消耗和覆蓋最多交叉點的雙重目標。

通過分析可知,常采用合理組織網絡節點的工作狀態來降低整個網絡能量消耗，從而最小化能耗。

2.4 能耗負載平衡

在WSN中，若節點能耗負載過大導致節點過早死亡，使網絡監控產生盲點，節點數據不能轉發到基站，因此節點能耗負載平衡也是覆蓋控制設計的目標之一。

袁煉勇等人[7]提出在高密度環境下能量均衡覆蓋控制算法。通過引入集合論思想，將傳感器節點分為若干個節點集合，每個節點集合都能單獨覆蓋整個傳感器網絡區域。根據各個集合當前平均能量設置一個調度權值β，保證任意時刻只有一個集合處于工作狀態，其余節點集合全處于休眠狀態，從而大大節省了節點能量，避免了不必要的沖突。

文獻[8]中采用能量平衡度作為進入睡眠的決策條件。通過收集到所有鄰居節點的能量值，計算出剩余能量方差D(Er)。根據D(Er)值大小來反映該節點所處區域的能量是否平衡。

目前，覆蓋調度算法常采用分簇來實現節點能耗均衡。每個簇所承擔的覆蓋和傳輸任務是不均衡的，離基站近的簇承受負載大，更容易先于離基站遠的簇死亡。

3 總結

根據對WSN中的節點調度機制分析研究，在下一步的工作中，作者擬對下列問題進行研究，集中體現在：(1)感知模型的完善。使用的節點感知模型沒考慮傳感器本身和物理環境的影響和傳感器節點協同合作給網絡帶來的團體力量，未反映網絡的實際感知能力，需進一步完善。

(2)選擇節點機制的改進。在隨機調度算法中，由于節點選擇工作時間段的隨機性而可能出現某個時間段內工作節點過于集中，必然會出現另一個時間段內節點過于分散，容易造成覆蓋漏洞增大，影響網絡整體覆蓋質量，因此，需進一步合理組織節點完成覆蓋。

能耗均衡算法改進。對于隨機分布節點，達到完全能耗均衡是不可能的，因此，擬將節點剩余能量加以考慮，使網絡達到次優能耗均衡。

[1]Meguerdichian S,Slijepcevic S,Karayan V,et al.Localized algorithms in wireless Ad-hoc networks:location discovery and sensor exposure[A].In ACM Int’l Symp.on Mobile Ad Hoc Networking and Computing[C].2001:106-116.

[2]Li D,Wong K,Hu Y H,et al.Detection,classification and tracking of targets in distributed sensor networks[J].IEEE Signal Processing Magazine,2002,19(2):17-29.

[3]Wang Yu,WangWeizhao,Li Xiangyang.Efficient distributed low-cost backbone information for wireless networks[C].// Proceedings of the 6th ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing,2005:2-13.

[4]Gupta H,Das SR,Gu Q.Connected sensor cover:Self-Organization of sensor networks for efficient query execution.In:Gerla M,ed.Proc.of the ACM Int’l Symp.on Mobile Ad Hoc Networking and Computing(MobiHOC).New York:ACM Press,2003:189-200.

[5]Kasbekar G,Bejerano Y,Sarkar S.Lifetime and Coverage Guarantees Through Distributed Coordinate-Free Sensor Activation[C].//Proceeding of the 15th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking MobiCom 09.Beijing:ACM Press,2009:169-180.

[6]崔彥新等.無線傳感器網絡中一種延長壽命的覆蓋算法[J].傳感技術學報,2010(23)12:1772-1777.

[7]袁煉勇,武俊等.WSN中基于能量均衡的優化覆蓋算法[J].計算機工程,2008,34(15):100-104.

[8]劉琳嵐,郭少華,陳宇斌.無線傳感器網絡中節點調度算法的能量平衡研究[J].計算機工程與應用,2010,46(18):97-99.

田肖，初級職稱，現供職于南陽醫學高等專科學校，研究方向：云計算。