坎香

摘要 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)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(diǎn)的分布，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的最大化，進(jìn)而保證探測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和有效性。根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用，簡(jiǎn)述了幾種常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題的分類。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線傳感器 節(jié)點(diǎn) 覆蓋

1 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基石，雖然不同的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，傳感器節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)上也會(huì)有所不同，但節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)是相同的。傳感器節(jié)點(diǎn)由四個(gè)模塊組成，即：傳感器模塊、信息處理模塊、無(wú)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(fù)責(zé)感知數(shù)據(jù)、收集數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換操作。信息處理模塊由存儲(chǔ)器和CPU兩部分構(gòu)成，主要是負(fù)責(zé)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)操作的控制、對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存以及對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，是整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的核心部分。無(wú)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(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，負(fù)責(zé)接收和發(fā)送信息。能量供應(yīng)模塊是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠正常運(yùn)行的保障，由于傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)體小，傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供應(yīng)能量，這樣也導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能源是有限的。

2 傳感器節(jié)點(diǎn)感知模型

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋問(wèn)題是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重點(diǎn)研究問(wèn)題，而傳感器節(jié)點(diǎn)的感知模型將關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的探測(cè)及覆蓋能力。目前，傳感器節(jié)點(diǎn)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)區(qū)域A為二維平面，在二元感知模型中，認(rèn)為監(jiān)測(cè)區(qū)域A中傳感器節(jié)點(diǎn)的感知范圍是一個(gè)以節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置為圓心、節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)在感知區(qū)域中的感知能力是恒定的，但在實(shí)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(diǎn)的傳感器模塊會(huì)受到干擾，隨著傳輸距離的增大信號(hào)強(qiáng)度會(huì)衰減，節(jié)點(diǎn)的感知能力也會(huì)變化，概率感知模型就體現(xiàn)了這種變化。

3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題概述

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是完成探測(cè)任務(wù)，而探測(cè)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(shí)際應(yīng)用，采用合適的覆蓋控制策略來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中有限的資源，使用最少的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的最大化，進(jìn)而保證探測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和有效性是目前無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)研究的熱點(diǎn)。根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用，傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋問(wèn)題也是形式多樣的。根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)初始部署的方式，分為隨機(jī)部署和確定性部署兩類策略。無(wú)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(yàn)區(qū)、原始森林、外太空星球等地區(qū)，由于人類無(wú)法直接到達(dá)這些區(qū)域，因此，在這些區(qū)域只能通過(guò)飛機(jī)隨機(jī)播撒來(lái)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)布置，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)區(qū)域中的位置是未知的、隨機(jī)的，容易導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)分布不均勻，出現(xiàn)某些區(qū)域節(jié)點(diǎn)過(guò)于密集，某些區(qū)域沒(méi)有節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)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(diǎn)的位置，保證探測(cè)數(shù)據(jù)的精確性和有效性。

針對(duì)一些特定的應(yīng)用，如監(jiān)測(cè)目標(biāo)密集的區(qū)域，傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，節(jié)點(diǎn)能源消耗快，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)生存周期短。為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命，必須在監(jiān)測(cè)區(qū)域中投入比所需傳感器節(jié)點(diǎn)多幾倍的節(jié)點(diǎn)，并將這些節(jié)點(diǎn)劃分成若干個(gè)無(wú)交點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)集合，當(dāng)然這些節(jié)點(diǎn)集合能完全無(wú)縫覆蓋每個(gè)監(jiān)測(cè)目標(biāo)，在任意時(shí)刻，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制策略調(diào)度集合中的工作節(jié)點(diǎn)，使得只需集合中最少的部分節(jié)點(diǎn)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(diǎn)則處于休眠狀態(tài)，這樣使得集合中的節(jié)點(diǎn)能夠輪流得到休眠，節(jié)省了每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)了每個(gè)節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間，從而大大地延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。

4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋類型

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型網(wǎng)絡(luò)，最終的目的是對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行探測(cè)并獲取任務(wù)所需數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)探測(cè)到的數(shù)據(jù)的精確性和有效性，同時(shí)，最小化網(wǎng)絡(luò)能源消耗，應(yīng)保證監(jiān)測(cè)區(qū)域的完全無(wú)縫覆蓋以及冗余覆蓋節(jié)點(diǎn)的最小化。根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題的分類也是多種的，以下是常見(jiàn)的覆蓋問(wèn)題分類：

4.1 按部署方式

針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求，傳感器節(jié)點(diǎn)初始的部署方式也有所不同。根據(jù)初始的部署方式，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題可以分為隨機(jī)性覆蓋和計(jì)劃性覆蓋。計(jì)劃性覆蓋是指如果能提前知道無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境，則可以人為的、有計(jì)劃的對(duì)該環(huán)境進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)的部署，從而確定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而形成了一種特殊的網(wǎng)絡(luò)。隨機(jī)覆蓋是指如果無(wú)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(chǎng)，在這些區(qū)域，節(jié)點(diǎn)的布置只能通過(guò)飛機(jī)隨機(jī)投放來(lái)實(shí)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)區(qū)域中的位置是未知的、隨機(jī)的，從而導(dǎo)致覆蓋是隨機(jī)的，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是變化的且比較復(fù)雜。

4.2 根據(jù)應(yīng)用屬性

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用成本低、易于安裝，因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用屬性，可以分為目標(biāo)定位覆蓋、柵欄覆蓋、節(jié)能覆蓋和連通性覆蓋。目標(biāo)定位覆蓋是指根據(jù)覆蓋目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)情況獲取該目標(biāo)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(wèn)題，一般應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中。根據(jù)穿越網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用中成本問(wèn)題的限制，在網(wǎng)絡(luò)中投入的傳感器節(jié)點(diǎn)是有限的，且節(jié)點(diǎn)自身能源供應(yīng)的有限性，導(dǎo)致整個(gè)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(diǎn)，提高各節(jié)點(diǎn)的生存周期，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命得到盡可能地延長(zhǎng)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)。連通性覆蓋是指?jìng)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)能通過(guò)其自身的無(wú)線通信模塊與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，從而確保傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)探測(cè)任務(wù)。所以網(wǎng)絡(luò)的連通性影響了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，也是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)研究的方向之一。

4.3 根據(jù)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性

在無(wú)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(diǎn)被初始部署好后，傳感器網(wǎng)絡(luò)因?yàn)椴糠止?jié)點(diǎn)的失效或者新節(jié)點(diǎn)的加入導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，若此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)能動(dòng)態(tài)調(diào)整自己的位置以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的完全覆蓋和連通，則稱為動(dòng)態(tài)覆蓋;反之則是靜態(tài)覆蓋。

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

參考文獻(xiàn)

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