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摘要：为了提高无线传感器网络监测区域的覆盖率，研究了节点随机部署的无线传感器网络的覆盖优化问题. 在含有移动节点的混合无线传感器网络中，采用更符合实际情况的基于误警率的概率探测感知模型，以区域覆盖率评价覆盖效果. 针对无线传感器网络中因节点的任意部署导致出现覆盖空洞的问题，采用了移动节点进行修复的思想，提出了一种基于向量代数的分布式方法来确定节点的移动方向和通过感知半径来确定节点的移动距离的节点移动方案。
关键词：覆盖空洞；节点；无线传感器网络
前言
无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量微型传感器节点组成的，通过无线通信的方式构成一个多跳的自组织网络体系。每个传感器节点具备信号采集、数据处理、互相通信的功能，并直接嵌入到相应的设备或环境中，具备了很大的移动性和灵活性。无线传感器网络在工业、农业、交通、军事、安全、医疗、空间探测以及家庭和办公环境等方面具有很大的应用价值。尤其是在无人监测或在人类无法到达的恶劣环境中对事件的监测和跟踪方面显示出了巨大的优势，具备巨大的商业价值。
覆盖质量是无线传感器网络服务质量的重要度量指标。为了延长网络的生命周期，传感器网络选择部分节点处于活跃工作状态，而将其他节点转入休眠状态。当网络中某些节点因长期处于工作状态而能量耗尽或恶劣的目标区域环境破坏而失败，导致网络原有的覆盖区域缺失或者数据无法被发送到基站，这种现象称为覆盖空洞
一、相关工作
针对无线传感器网络出现的覆盖空洞问题，一般有两种解决方案（1）移动一些节点到死亡节点处；（2）启用死亡节点附近的冗余节点。提出了三种不同的算法计算死亡节点的位置，采用将移动的传感器节点移动到死亡节点来修复覆盖空洞，在一定的时间内可以提高网络的覆盖率，但是移动传感器节点所需的能量大，易造成节点死亡。另外，覆盖空洞修复算法，其思想是沿任意两个相邻空洞边界节点的连线组成的中垂线选取一点，同时这一点到两个节点的距离为节点的通信半径，然后移动节点到该点处来修复覆盖空洞，但这种算法的时间效率很低。一种基于移动节点的空洞修复策略，其思想是采用基于能量的虚拟力来移动传感器节点，选择移动节点的同时考虑节点的剩余能量，但该算法只考虑了节点之间的作用力而没有考虑边界和障碍物对节点的作用力，同时节点的感知半径随与基站的距离不同而不同，导致拓扑控制难度增加。
二、网络连通与节能覆盖的关系
无线传感器网络的另一个重要研究问题是连通性。如果网络中任意活动节点能和网内其他活动节点进行通信，通信过程可通过中间节点作为中介，则称该网络是连通的。一旦传感器配置完毕，则须组成连通的网络才能将采集到的信息传回控制中心。研究目标是确定保持足够覆盖和全网连通的最少传感器数目，通过选择最小工作节点数且在位置距离上满足全网通信传输，可降低能耗和延长网络寿命。保证覆盖和连通性的方法是将活动传感器集合设计成连通优势集合。当传输节点集合较小时，节点覆盖问题可与广播结合起来。传输集合的广播式选择类似节点覆盖问题，两者都试图找到一个小的覆盖集合。
认为如果通信距离Rc不小于感知距离Rs的两倍，则一个凸形区域的完全覆盖意味着工作节点可通信互连。如果通信距离太大，无线通信会受外界干扰。如果通信距离可调节，则确保连通的最优方法是将通信距离设置为感知距离的两倍。两个节点如果存在重叠的感知区域，则称为邻居节点。直观上当Rc≥2Rs时，两邻居节点处于彼此的感知范围内（如图2所示)。基于以上结论，深入研究了连通与覆盖之间的关系，认为如果节点密度足够高，通过部署处于正六边形顶点的活动节点子集能保证完全覆盖，并根据这些研究结论提出了一种分布式协议，即最佳地理密度控制（OGDC)协议。该协议在NS2[7]仿真平台上进行实验，模拟结果表明在覆盖率、工作节点数目以及系统寿命方面性能良好。
有些应用要求在保持工作节点通信连通的同时，还需提供不同的覆盖等级。如果网络中所有地点至少在k个传感器的感知范围内，则称该网络具有k 级覆盖。覆盖等级越高，网络越能获得高的传感精度和强的容错能力。研究表明当通信距离Rc至少是感知距离Rs的两倍时，k 级覆盖的网络可简化为k 级连通的网络图。k级连通的网络图具有如下性质：移去网络中任意k -1个节点，网络依然保持连通。借助连通图的这些性质，可以设计出覆盖性能细粒度化的节点调度协议和算法。目前的覆盖配置协议可提供不同的覆盖等级。提出的协议主要过程如下：为了计算相交点，节点维护一张关于邻居节点的信息表（包括位置和工作状态)，且定期广播问候（Hello)信号通报当前位置与状态。这里节点状态分为3种：休眠状态、监听状态和活动状态。所有节点以随机时间间隔进行休眠状态启动。当节点苏醒时进入监听状态，根据时间片决定转入休眠还是活动状态。一旦节点处于活动状态，在每次收到Hello消息时重新评估周围覆盖的情况，决定进入休眠还是保持活动状态。
三、覆盖空洞修复策略
3.1 网络覆盖评价指标
本文采用区域覆盖率来评价覆盖效果. 将监测区域划分为 m ×n 个网格，假设每个网格的单位面积为 1，用节点联合探测概率 C k（P）来衡量每个网格是否被覆盖 . 区域覆盖率定义为节点集的覆盖面积 A area（P）与监测区域总面积 A s 之
比，即
覆盖空洞的确定对于随机部署在目标区域内的 N 个静态节点和 M 个移动节点，覆盖优化问题亦即通过调整移动节点的位置减少覆盖空洞，使得监测区域覆盖率达到最大. 本文提出了基于误警率的最佳概率的覆盖空洞确定方法.传感器节点随机部署后，节点的探测概率呈近似指数形式. 在整个二维探测区域内，通过基于误警率的节点感知模型计算得到所有点的联合探测概率，如图 1 所示，C min（P）处记为覆盖空洞.由于各个位置的探测概率是连续的，概率最低点周围的概率也较低，因此将移动节点调整至覆盖空洞处可提高区域网络覆盖率. 当迭代次数达到预设值或 C min（P）达到满意概率时迭代结束. 为避免单个节点移动距离过大，在每轮计算中的空洞处部署一个虚拟节点，待计算结束后将全部移动节点调至虚拟节点处，在达到网络覆盖最大化的同时使得节点平均移动距离最小。
3.2移动节点的调度
覆盖空洞位置确定后所记录的虚拟节点的位置即是移动节点的目标位置. 为了减小移动节点的移动距离，以平均移动距离最小为目标函数调整移动节点位置 .
结语
无线传感器网络是以大量的微传感器节点为单元构成的自组织分布式网络系统，这些传感器具有成本低、功耗小的特点，以及感知、计算和无线通信能力，无线传感器网络要实现对目标或环境的观察与感知，主要依靠这些传感器节点自身携带的感知器件来完成指定任务，这种新兴的信息获取技术由传感器技术、无线通信和嵌入式计算技术、微机电技术的发展衍生而来，使人类与自然界的交互方式得到了改善。只有保证无线传感器节点能有效覆盖被监测区域或目标，覆盖空洞的出现使得网络不能采集到完整有用的数据，甚至不能将数据进一步发送给基站，此时传感器网络的服务质量急速下降，不能完成对环境的有效监测。为了保证传感器网络的感知、通信等服务质量，必须激活网络中的部分节点来代替死亡的节点完成网络的监测工作。
参考文献：
[1]曹建农，无线传感器网络多重覆盖问题分析[J]. 软件学报，2007（18）
[2]秦颖，基于移动节点的无线传感器网络覆盖洞修复方法［ J］． 通信学报2011（04）
[3]陈飞，优化 QoS 的基于 LEACH 的无线传感器网络路由协议[ J] . 东北大学学报：自然科学版，2009（08）
论文作者:吕冬梅
论文发表刊物:《基层建设》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/8
标签：节点论文; 传感器论文; 网络论文; 空洞论文; 距离论文; 状态论文; 通信论文; 《基层建设》2017年第13期论文;