無線傳感網絡及其覆蓋問題

坎香

摘要 無線傳感器網絡覆蓋問題是在受到網絡中資源限制的條件下，優化傳感器節點的分布，實現網絡覆蓋范圍的最大化，進而保證探測數據的精準性和有效性。根據無線傳感器網絡的不同應用，簡述了幾種常見的網絡覆蓋問題的分類。

【關鍵詞】無線傳感器 節點 覆蓋

1 傳感器節點結構

傳感器節點是無線傳感器網絡的基石，雖然不同的無線傳感器網絡應用，傳感器節點在設計上也會有所不同，但節點的基本結構是相同的。傳感器節點由四個模塊組成，即：傳感器模塊、信息處理模塊、無線通信模塊和能量供應模塊。其中傳感器模塊由傳感器和AlD轉換器兩部分組成，主要負責感知數據、收集數據并對數據轉換操作。信息處理模塊由存儲器和CPU兩部分構成，主要是負責對傳感器節點操作的控制、對收集到的數據進行保存以及對收集到的數據進行處理，是整個傳感器節點的核心部分。無線通信模塊則由網絡、MAC以及收發器組成，主要是保證能與其他節點進行無線通信，負責接收和發送信息。能量供應模塊是整個網絡能夠正常運行的保障，由于傳感器節點個體小，傳感器節點采用電池供應能量，這樣也導致整個網絡的能源是有限的。

2 傳感器節點感知模型

無線傳感器網絡的覆蓋問題是網絡應用的重點研究問題，而傳感器節點的感知模型將關系到網絡的探測及覆蓋能力。目前，傳感器節點的感知模型主要有二元感知模型和概率感知模型兩種。

2.1 二元感知模型

假定無線傳感器網絡的監測區域A為二維平面，在二元感知模型中，認為監測區域A中傳感器節點的感知范圍是一個以節點坐標位置為圓心、節點半徑r為其感知半徑的圓形區域，該覆蓋區域也稱之為節點的感知區域。

2.2 概率感知模型

在二元感知模型中，傳感器節點在感知區域中的感知能力是恒定的，但在實際應用中，由于受到環境中各種因素的影響，傳感器節點的傳感器模塊會受到干擾，隨著傳輸距離的增大信號強度會衰減，節點的感知能力也會變化，概率感知模型就體現了這種變化。

3 無線傳感器網絡覆蓋問題概述

無線傳感器網絡的目標是完成探測任務，而探測數據的精確性和有效性與傳感器網絡的覆蓋質量有著密切的關系。因此，如何根據實際應用，采用合適的覆蓋控制策略來優化網絡中有限的資源，使用最少的傳感器節點實現網絡覆蓋范圍的最大化，進而保證探測數據的精準性和有效性是目前無線傳感器節點研究的熱點。根據傳感器網絡的實際應用，傳感器網絡的覆蓋問題也是形式多樣的。根據傳感器節點初始部署的方式，分為隨機部署和確定性部署兩類策略。無線傳感器網絡通常應用于惡劣的環境中，如生化試驗區、原始森林、外太空星球等地區，由于人類無法直接到達這些區域，因此，在這些區域只能通過飛機隨機播撒來進行節點布置，導致節點在監測區域中的位置是未知的、隨機的，容易導致節點分布不均勻，出現某些區域節點過于密集，某些區域沒有節點，從而形成覆蓋區域的盲區和重疊區。因此，在傳感器節點初始布置工作完成后，需要采用合適的網絡覆蓋控制策略調整節點的位置，保證探測數據的精確性和有效性。

針對一些特定的應用，如監測目標密集的區域，傳感器節點傳輸的數據量大，節點能源消耗快，導致網絡生存周期短。為了延長網絡的壽命，必須在監測區域中投入比所需傳感器節點多幾倍的節點，并將這些節點劃分成若干個無交點的節點集合，當然這些節點集合能完全無縫覆蓋每個監測目標，在任意時刻，通過網絡覆蓋控制策略調度集合中的工作節點，使得只需集合中最少的部分節點處于工作狀態，以保證網絡的覆蓋范圍最大化和連通性，而集合中的其余節點則處于休眠狀態，這樣使得集合中的節點能夠輪流得到休眠，節省了每個節點的能量消耗，延長了每個節點的生存時間，從而大大地延長了整個網絡的壽命。

4 無線傳感器網絡覆蓋類型

無線傳感器網絡是任務型網絡，最終的目的是對監測區域進行探測并獲取任務所需數據。為了實現探測到的數據的精確性和有效性，同時，最小化網絡能源消耗，應保證監測區域的完全無縫覆蓋以及冗余覆蓋節點的最小化。根據無線傳感器網絡的不同應用，網絡覆蓋問題的分類也是多種的，以下是常見的覆蓋問題分類：

4.1 按部署方式

針對不同的網絡應用需求，傳感器節點初始的部署方式也有所不同。根據初始的部署方式，無線傳感器網絡覆蓋問題可以分為隨機性覆蓋和計劃性覆蓋。計劃性覆蓋是指如果能提前知道無線傳感器網絡的應用環境，則可以人為的、有計劃的對該環境進行傳感器節點的部署，從而確定整個網絡的拓撲結構，進而形成了一種特殊的網絡。隨機覆蓋是指如果無線傳感器網絡應用于一些人跡罕至或者環境惡劣的區域，如外太空星球、沙漠、火災現場，在這些區域，節點的布置只能通過飛機隨機投放來實現，節點在監測區域中的位置是未知的、隨機的，從而導致覆蓋是隨機的，網絡拓撲結構是變化的且比較復雜。

4.2 根據應用屬性

無線傳感器網絡的優點是應用成本低、易于安裝，因此，無線傳感器網絡具有非常廣闊的應用前景。根據無線傳感器網絡的應用屬性，可以分為目標定位覆蓋、柵欄覆蓋、節能覆蓋和連通性覆蓋。目標定位覆蓋是指根據覆蓋目標的節點情況獲取該目標的位置。柵欄覆蓋主要是關注傳感器網絡的安全性問題，一般應用于戰場環境中。根據穿越網絡目標所采用的不同模型，柵欄覆蓋可以分為兩類覆蓋：分別是暴露穿越覆蓋和最佳與最壞情況覆蓋。節能覆蓋是指受到無線傳感器網絡實際應用中成本問題的限制，在網絡中投入的傳感器節點是有限的，且節點自身能源供應的有限性，導致整個網絡的能源是有限的，如何在保證服務質量的前提下，最小化工作節點，提高各節點的生存周期，使得整個網絡的壽命得到盡可能地延長是無線傳感器網絡研究的熱點。連通性覆蓋是指傳感器節點能通過其自身的無線通信模塊與其他節點進行無線通信，從而確保傳感器節點監視并收集到的數據能被成功地傳輸到用戶終端，實現探測任務。所以網絡的連通性影響了網絡的實際應用價值，也是無線傳感器網絡重點研究的方向之一。

4.3 根據節點的移動性

在無線傳感器網絡的應用中，若網絡中的傳感器節點被初始部署好后，傳感器網絡因為部分節點的失效或者新節點的加入導致整個網絡的拓撲結構發生變化，若此時網絡中的傳感器節點能動態調整自己的位置以實現網絡的完全覆蓋和連通，則稱為動態覆蓋;反之則是靜態覆蓋。

基于這些覆蓋分類，在實際應用中，應根據實際的應用環境、實際的需求來確定傳感器網絡覆蓋策略。

參考文獻

[1]靳立忠，常桂然，賈杰，基于差分進化算法的移動傳感器網絡節點的分布優化[J].控制與決策，2010，25 （12）：1857-1860.

[2]王燕莉，安世全，無線傳感器網絡的覆蓋問題研究[J].傳感技術學報，2005， 18 （02）： 307-312.