無線傳感器網絡覆蓋研究

武警工程大學研究生管理大隊學員十四隊 謝佳華

1 覆蓋研究的內涵

由于WSNs的應用區域環境比較特殊，如敵人活動區域、人類難以到達的惡劣環境等，通常通過飛機拋撒等方式投放傳感器節點以消除覆蓋盲區，雖然這樣可以完成區域的覆蓋，但是也存在兩個明顯的問題：一是傳感器節點高密度部署下必然會出現大量節點的監測區域重疊，二是若傳感器節點密度過小，又會出現覆蓋盲區。如何通過一定的覆蓋策略，用盡量少的傳感器節點完成區域的無縫覆蓋，成為WSNs覆蓋研究的關鍵問題。

WSNs的覆蓋技術包括兩個方面，一是覆蓋，二是控制，覆蓋是目的，控制是方法和手段。首先根據具體的應用背景確定好整體的優化目標和性能衡量標準，然后在節點部署的之前和之后，通過采用一定的算法策略，使確定的優化目標最優化和達到所要求的性能衡量標準。從優化層次來看，覆蓋技術屬于系統級的節能優化，即根據監測目標或者監測區域的分布情況，通過一定的算法策略合理部署節點，保證監測對象被WSNs完全或者以較大概率覆蓋，同時盡可能減少冗余節點和資源浪費。

2 WSNs節點感知模型

在實際應用中，WSNs大多情況下工作在惡劣環境中，部署環境對傳感器節點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，且監控的準確度和概率隨著距離的增大而相應減小由于在實際研究中沒有統一的數學表達式，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，將物理感知問題轉換成抽象的數學模型問題。

數學模型的建立一般是基于以下兩點假設的：一是傳感器節點是同構的，即節點的感知能力、通信能力和信號接收能力是相同的；二是傳感器節點無論是定向的還是全向的，發射功率總是均衡的。在以上兩點的假設下，傳感器節點的感知覆蓋區域和通信覆蓋區域通常視為圓域或扇形區域。目前的研究中，全向感知的節點模型有三類：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點進行的，有向感知的節點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，傳感器節點的感知區域是一個以節點為圓心、rs為半徑的圓形區域，在感知半徑rs范圍內的區域或目標，能被該傳感器感知，否則不能感知，其中rs由傳感器節點的物理特性決定。更為嚴密的表述如下：點pj為目標區域中的一點，d(si,pj)為點j離傳感器節點si的歐幾里德距離，點pj被si覆蓋與否僅由rs和d(si,pj)之間的大小關系決定。若用d(si,pj)表示點pj被傳感器節點si覆蓋感知的情況，如果能被感知，標記為1，否則為0，表達式如下所示：

2.2 概率感知模型

布爾模型是對傳感器節點感知原型的高度理想化數學建模，假定了監測的對象是確定的，而實際的情況是，傳感器節點對目標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度衰減且環境噪聲的干擾也會越來越嚴重。概率感知模型的建立，就是為了體現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合起來，傳感器節點對目標的感知會隨著距離的增大而不斷減小直到無法感知。數學表達式如(2-2)所示：

式中，α是與傳感器節點物理性能有關的參數，β是與環境有關的參數。

2.3 有向感知模型

視頻、聲學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，FoV），FoV是節點能夠感知到的扇形區域，監測區域中的pj點要被感知，該點必須同時滿足：該點到某個傳感器節點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為傳感器節點與目標點pj的連線與感知方向中軸線形成的夾角。

傳感器節點的感知能力作為WSNs在設計應用中的重要技術指標，所以，需要根據實際研究和應用背景，選擇合適的感知模型，在充分體現應用場景和研究背景的情況下，又能兼顧更進一步優化應用和深入研究的便利性，減小設計復雜性。

3 WSNs覆蓋問題的分類

3.1 按覆蓋對象特點分類

根據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）區域覆蓋（Ar ea Cover age）。區域覆蓋的監測對象是某一個確定的區域，通過在該區域部署傳感器節點，要求目標區域中的每一個點至少被一個傳感器節點覆蓋，同時還要考慮傳感器節點之間的通信連通。而區域覆蓋優化需要解決的問題，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點數目，或者使工作的傳感器節點數目盡可能少，減少網絡成本，延長網絡壽命。特別是在戰場信息感知、監控等應用中，為了實現信息的全方位感知，對區域的覆蓋率要求更高。

（2）點覆蓋（Point Cover age）。點覆蓋的覆蓋對象是目標區域中有限個離散的點，并確定完全監測這些點所需要的最少節點數以及最優的節點位置。

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

3.2 按節點部署方式分類

節點的部署方式一般分為確定性部署和隨機性部署兩種方式。

（1）確定性部署。確定性部署是在覆蓋目標點或區域確定且網絡環境良好的情況下，將傳感器節點部署在預先規劃好的位置，使網絡的覆蓋率、連通性以及網絡綜合性能都達到最優。在小區、醫院、道路、智能建筑等使用場合適合采用該部署方法。

（2）隨機部署。在大多數情況下，WSNs工作環境惡劣，監測區域大，特別是在戰場上，很難人為的部署傳感器節點，這就需要采取隨機部署的方法。隨機部署通常借助飛機拋撒或機器人等設備來部署節點，主要優點是不需要人工干預和部署效率高，但也存在缺點，即很難控制節點使節點完全覆蓋目標區域，而且部署成本高。

3.3 按節點的移動性能分類

按WSNs節點工作過程中是否具有可移動性，可分為靜態覆蓋和動態覆蓋。

（1）靜態覆蓋。靜態覆蓋是指節點部署在監測區域后，節點的地理位置不可以改變或只能小范圍的改變，即節點不可移動，該類部署的網絡拓撲變化較小。靜態覆蓋關注兩類問題：一類是當節點數量確定時，如何合理的部署這些節點，使監測的效果最佳，力求節點最優的配置位置；一類是對于確定的覆蓋區域，如何使用最少的節點數量達到最優的覆蓋效果。

（2）動態覆蓋。隨機傳感器網絡與機器人技術的結合，傳感器節點的可移動性得以實現，在節點部署后，節點可以根據任務要求，通過一定的運動控制機制，使節點移動到理想的位置，從而提高網絡的性能。移動節點的產生，彌補了靜態節點應用的不足，如在有毒氣泄露的區域，人工難以將節點放在指定的位置，只能通過拋撒移動節點，然后節點通過一定的策略自動散開，完成對區域的覆蓋和數據的采集。本文的研究都有基于節點的可移動性進行的。

4 小結

本文闡述了WSNs覆蓋研究內涵，介紹了現有的研究中常用的傳感器節點感知模型；其次，從覆蓋對象、節點部署方式和節點移動性能三個角度對覆蓋問題進行了分類，為覆蓋技術的深入研究提供了一定的參考。

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