無線傳感網(wǎng)絡(luò)及其覆蓋問題

坎香

摘要 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題是在受到網(wǎng)絡(luò)中資源限制的條件下，優(yōu)化傳感器節(jié)點的分布，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的最大化，進而保證探測數(shù)據(jù)的精準性和有效性。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用，簡述了幾種常見的網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題的分類。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器 節(jié)點 覆蓋

1 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基石，雖然不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，傳感器節(jié)點在設(shè)計上也會有所不同，但節(jié)點的基本結(jié)構(gòu)是相同的。傳感器節(jié)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(yīng)模塊。其中傳感器模塊由傳感器和AlD轉(zhuǎn)換器兩部分組成，主要負責感知數(shù)據(jù)、收集數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換操作。信息處理模塊由存儲器和CPU兩部分構(gòu)成，主要是負責對傳感器節(jié)點操作的控制、對收集到的數(shù)據(jù)進行保存以及對收集到的數(shù)據(jù)進行處理，是整個傳感器節(jié)點的核心部分。無線通信模塊則由網(wǎng)絡(luò)、MAC以及收發(fā)器組成，主要是保證能與其他節(jié)點進行無線通信，負責接收和發(fā)送信息。能量供應(yīng)模塊是整個網(wǎng)絡(luò)能夠正常運行的保障，由于傳感器節(jié)點個體小，傳感器節(jié)點采用電池供應(yīng)能量，這樣也導致整個網(wǎng)絡(luò)的能源是有限的。

2 傳感器節(jié)點感知模型

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋問題是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重點研究問題，而傳感器節(jié)點的感知模型將關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的探測及覆蓋能力。目前，傳感器節(jié)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(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測區(qū)域A為二維平面，在二元感知模型中，認為監(jiān)測區(qū)域A中傳感器節(jié)點的感知范圍是一個以節(jié)點坐標位置為圓心、節(jié)點半徑r為其感知半徑的圓形區(qū)域，該覆蓋區(qū)域也稱之為節(jié)點的感知區(qū)域。

2.2 概率感知模型

在二元感知模型中，傳感器節(jié)點在感知區(qū)域中的感知能力是恒定的，但在實際應(yīng)用中，由于受到環(huán)境中各種因素的影響，傳感器節(jié)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(jié)點的感知能力也會變化，概率感知模型就體現(xiàn)了這種變化。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標是完成探測任務(wù)，而探測數(shù)據(jù)的精確性和有效性與傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量有著密切的關(guān)系。因此，如何根據(jù)實際應(yīng)用，采用合適的覆蓋控制策略來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中有限的資源，使用最少的傳感器節(jié)點實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的最大化，進而保證探測數(shù)據(jù)的精準性和有效性是目前無線傳感器節(jié)點研究的熱點。根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用，傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋問題也是形式多樣的。根據(jù)傳感器節(jié)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(wǎng)絡(luò)通常應(yīng)用于惡劣的環(huán)境中，如生化試驗區(qū)、原始森林、外太空星球等地區(qū)，由于人類無法直接到達這些區(qū)域，因此，在這些區(qū)域只能通過飛機隨機播撒來進行節(jié)點布置，導致節(jié)點在監(jiān)測區(qū)域中的位置是未知的、隨機的，容易導致節(jié)點分布不均勻，出現(xiàn)某些區(qū)域節(jié)點過于密集，某些區(qū)域沒有節(jié)點，從而形成覆蓋區(qū)域的盲區(qū)和重疊區(qū)。因此，在傳感器節(jié)點初始布置工作完成后，需要采用合適的網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制策略調(diào)整節(jié)點的位置，保證探測數(shù)據(jù)的精確性和有效性。

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

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋類型

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型網(wǎng)絡(luò)，最終的目的是對監(jiān)測區(qū)域進行探測并獲取任務(wù)所需數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)探測到的數(shù)據(jù)的精確性和有效性，同時，最小化網(wǎng)絡(luò)能源消耗，應(yīng)保證監(jiān)測區(qū)域的完全無縫覆蓋以及冗余覆蓋節(jié)點的最小化。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求，傳感器節(jié)點初始的部署方式也有所不同。根據(jù)初始的部署方式，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境，則可以人為的、有計劃的對該環(huán)境進行傳感器節(jié)點的部署，從而確定整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，進而形成了一種特殊的網(wǎng)絡(luò)。隨機覆蓋是指如果無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于一些人跡罕至或者環(huán)境惡劣的區(qū)域，如外太空星球、沙漠、火災(zāi)現(xiàn)場，在這些區(qū)域，節(jié)點的布置只能通過飛機隨機投放來實現(xiàn)，節(jié)點在監(jiān)測區(qū)域中的位置是未知的、隨機的，從而導致覆蓋是隨機的，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是變化的且比較復(fù)雜。

4.2 根據(jù)應(yīng)用屬性

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是應(yīng)用成本低、易于安裝，因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用屬性，可以分為目標定位覆蓋、柵欄覆蓋、節(jié)能覆蓋和連通性覆蓋。目標定位覆蓋是指根據(jù)覆蓋目標的節(jié)點情況獲取該目標的位置。柵欄覆蓋主要是關(guān)注傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性問題，一般應(yīng)用于戰(zhàn)場環(huán)境中。根據(jù)穿越網(wǎng)絡(luò)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(jié)能覆蓋是指受到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用中成本問題的限制，在網(wǎng)絡(luò)中投入的傳感器節(jié)點是有限的，且節(jié)點自身能源供應(yīng)的有限性，導致整個網(wǎng)絡(luò)的能源是有限的，如何在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下，最小化工作節(jié)點，提高各節(jié)點的生存周期，使得整個網(wǎng)絡(luò)的壽命得到盡可能地延長是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點。連通性覆蓋是指傳感器節(jié)點能通過其自身的無線通信模塊與其他節(jié)點進行無線通信，從而確保傳感器節(jié)點監(jiān)視并收集到的數(shù)據(jù)能被成功地傳輸?shù)接脩艚K端，實現(xiàn)探測任務(wù)。所以網(wǎng)絡(luò)的連通性影響了網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用價值，也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重點研究的方向之一。

4.3 根據(jù)節(jié)點的移動性

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，若網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點被初始部署好后，傳感器網(wǎng)絡(luò)因為部分節(jié)點的失效或者新節(jié)點的加入導致整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，若此時網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點能動態(tài)調(diào)整自己的位置以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的完全覆蓋和連通，則稱為動態(tài)覆蓋;反之則是靜態(tài)覆蓋。

基于這些覆蓋分類，在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實際的應(yīng)用環(huán)境、實際的需求來確定傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋策略。

參考文獻

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