第二章 无线传感器网络覆盖与连接

20
1. 能效性随机覆盖方法
能效性设计能够延长无线传感网络寿命，满足无线传感网络对节点能耗 的限制。 通过规划各节点工作状态，在同一时间段中仅让部分节点激活而让其余 冗余节点尽可能长时间的处于休眠状态，以节约网络能耗，延长网络寿命。 在设计这些机制的时候应当着重考虑以下问题： (1)节点是否进入休眠状态应当遵循何种规则? (2)节点何时需要做出决定? (3)节点在休眠状态需要停留多长时间?
6
2.2 无线传感器网络覆盖
2.2.1无线传感网络覆盖问题
覆盖问题是无线传感器网络配置首先面临的基本问题，因为传感器节 点可能任意分布在配置区域，它反映了 个无线传感器网络某区域被监测和 点可能任意分布在配置区域，它反映了一个无线传感器网络某区域被监测和 跟踪的状况。 在现有的研究成果当中，很多都是致力于解决传感器网络的部署和监测 及覆盖与连接的关系等方面问题。另外，也有一些研究致力于特定的应用需 求，但其核心思想都是与覆盖问题有关的。 例如，减少传感器节点的有效工作时间，那些共享感应区域和人物的 传感器节点可以关掉电源以节省能量，从而延长网络的寿命。为此，必须确 定关闭哪些传感器节点及如何调度和分配节点的工作时间 以致在关掉节点 定关闭哪些传感器节点及如何调度和分配节点的工作时间，以致在关掉节点 时网络不存在覆盖的盲点。
12
2．无线传感器网络覆盖的计算
A．Howard等提出了基于电势场技术的未知环境移动传感器网络的 部署 置方法 部署配置方法，网络内的节点可以随意扩展，使得网络覆盖最大化。 络内的节点 随意扩 使得 络覆盖最大化 算法的基本思想就是将传感器节点当做假想的物粒子，且受到势 力场的势力。势力压迫节点彼此之间和障碍物之间发生作用力。通过节 点的初始简易配置快速地在整个网络扩散，从而最大化网络的覆盖。节 点之间除了相互的排斥力之外 还有 个黏性摩擦力 点之间除了相互的排斥力之外，还有一个黏性摩擦力。 该算法的核心就是利用了电势场技术，不需要考虑环境的建模、节 点的局部定位和节点彼此之间的通信。该算法具有较高的鲁棒性和扩展 性。
21
1. 能效性随机覆盖方法
目前这方面的研究通常考虑网络随机初始化布置时各节点的位置和工作状态 的优化问题，其目标是通过控制各节点的位置和工作状态提高无线传感网络的覆 盖和能效性。 由于无线传感网络中布置的节点数量远大于监测所需的数量 因此部分覆盖 由于无线传感网络中布置的节点数量远大于监测所需的数量，因此部分覆盖 算法中将无线传感节点分为若干个分散集合，每个集合都可以完整地覆盖整个被 监测区域。 因此，在监测过程中，同时间段内有且仅有一个集合处于工作状态，其它集 合则进入低功耗的休眠状态 各集合通过轮休节约网络能耗 合则进入低功耗的休眠状态。各集合通过轮休节约网络能耗。 由此可知，通过最大化可用集合的数量，可以延长各节点切换到工作状态的 时间 从而延长网络寿命 时间，从而延长网络寿命。
2
2. 分级网络结构
分级网络结构(也叫层次网络结构)是无线传感器网络中平面网络 结构的一种扩展拓扑结构，网络分为上层和下层两个部分：上层为中心 骨干节点；下层为一般传感器节点。这种分级网络通常以簇的形式存 在，按功能分为簇首，即具有汇聚功能的骨干节点，及成员节点，即一 般传感器节点 这种网络拓扑结构扩展性好 便于集中管理 可以降低 般传感器节点。这种网络拓扑结构扩展性好，便于集中管理，可以降低 系统的建设成本，提高网络覆盖率和可靠性。但是集中管理开销大。
14
2．无线传感器网络覆盖的计算
Gupta提出的算法是通过选择连接的传感器节点路径来得到最大化 的网络覆盖效果。 该算法同时属于连接性覆盖中的连接路径覆盖及确定性区域，点 覆盖类型。当基站或汇聚中心向无线传感器网络发送一个感应区域查询 消息时，连接传感器覆盖的目标是选择最小的连接传感器节点集合并充 分覆盖无线传感器网络区域。 Gupta分别给出了集中与分布式两种贪婪算法。
16
2．无线传感器网络覆盖的计算
该连接传感器网络覆盖的贪婪算法的主要思想是：首先从M 中 最新加入的候选节点开始执行，在一定范围内广播候选路径查找消 息，收到候选路径查找消息的节点判断自身是否为候选节点，如果 则 单播方式 发起者 个候 路径 应消 发起者 择 是，则以单播方式返回发起者一个候选路径响应消息。发起者选择 可以最大化增加覆盖区域的候选路径，更新各参数，算法继续执 行，直到网络查询区域可完全被更新后的M 所覆盖。
8
1. 无线传感器网络覆盖理论基础
问题优化要实现的目标就是所需相机的数目应该最小化，在这个问题当中， 艺术馆通常建模成一个二维平面的简单多边形。一个简单的解决办法就是将多边 形分成不重叠的三角形，每个三角形里面防止一个相机。通过三角测量法将多边 形分成不重叠的三角形，这样可以让任意一个多边形都可被 3 个相机所监视 到，n是多边形所包含的三角形的数目。 如图2-7所示是将一个简单多边形用三角测量法拆分的例子，放置两个监视 相机足以覆盖整个艺术馆。尽管这个问题在二维平面可以得到最优解，然而扩展 到 维空间 这个问 就变成 到三维空间，这个问题就变成了NP-hard问题了。 问
17
2．无线传感器网络覆盖的计算
无线传感器网络覆盖的一般准则： （1）如已知传感器节点的通信距离，可以通过提出的方 法得知所需配置的节点数，然后选择适当的感知覆盖半径； （2）如已确定传感器感知覆盖半径，可先计算出布置的 节点数，然后选择合适的通信距离或调整控制传感器节点功率 大小； （3）如通信距离和感知覆盖半径都确定的情况下，只有 增加或减少节点数来满足给定的最低连接可靠性和成本设计要 求。
n
图2-7多边形的三角测量法及监视相机的位置配置
9
1. 无线传感器网络覆盖理论基础
另外一个与无线传感器网络覆盖相关的几何问题是圆覆盖问题， 即在一个平面上最多需要排列多少个相同大小的圆，才使其能够完全覆 盖整个平面 换个角度说 也就是给定了圆的数目 如何使得圆的半径 盖整个平面。换个角度说，也就是给定了圆的数目，如何使得圆的半径 最小。A．Heppes和J．B．M．Melissen实现了矩形平面的圆最优覆盖问 题，分为最多用5个圆和7个圆来完成覆盖两种情况。如图2-8所示给出 了一个7个圆最优覆盖的一个例子。
13
2．无线传感器网络覆盖的计算
Huang和Tseng提出了一种基于传感器数目的多项式时间算 法，将覆盖问题抽象表述为一个决策问题，并验证了一个传感 器配置是否提供了k 阶覆盖。 该算法的目标就是确定无线传感器网络服务区域中的每个 点是否至少被k 个传感器节点监视覆盖。 这种算法可以方便的被用到传感器网络的分布式协议中， 每个节点之需收集本地信息做出自己的决策。另外，该算法不 需要确定每个位置的覆盖，而是尽量看每个传感器感应范围的 传 周界是如何被覆盖的。 只要传感器的周界被充分覆盖，整个区域就能被充分覆 盖。
3
3. 混合网络结构
混合网络结构是无线传感器网络中平面网络结构和分级网络结构 的一种混合拓扑结构，网络骨干节点之间及一般传感器节点之间都采用 平面网络结构 而网络骨干节点和 般传感器节点之间采用分级网络结 平面网络结构，而网络骨干节点和一般传感器节点之间采用分级网络结 构。 同分级网络结构比较，支持的功能更为强大，但所需硬件成本更 高。
4
4.
Mesh网络结构
Mesh网络结构是一种新型的无线传感器网络结构，从结构来看，Mesh网络是规则分布的网 络，不同于完全连接的网络结构，如图2-4所示。通常只允许和节点最近的邻居通信，如图25所示 网络内部的节点 般都是相同 因此M h网络也称为对等网 5所示。网络内部的节点一般都是相同，因此Mesh网络也称为对等网。 由于Mesh网络结构节点之间通常存在多条路由路径，网络对于单电或单个链路的故障具有较 强的容错能力和鲁棒性。Mesh网络结构最大的优点是尽管所有节点都是对等地位，且具有相 同的计算和通信传输能力 但某个节点可以被指定为簇首节点 而且可以实现额外的功能 同的计算和通信传输能力，但某个节点可以被指定为簇首节点，而且可以实现额外的功能。
Andrew Howard等专门针对移动无线传感器网络提出了一种增量自我配置的 贪婪算法(Greedy and Incremental Self-deployment Algorithm)。算法的基本 思想就是每次配置一个节点到未知区域，每个加入的节点都充分利用先前配置的 节点收集到的信息来确定其最佳目标位置。 算法设计的目的就是使网络的覆盖最大化 而同时又确保节点彼此保持视 算法设计的目的就是使网络的覆盖最大化，而同时又确保节点彼此保持视 距通信，即本地化。本地化可以通过Mesh结构的方式实现，节点可以在完全未知 的环境下通过使用其他节点作为路标来实现本地化，从而确定节点之间的相互位 置和保证可靠通信。 该算法的核心就是贪婪和增量，因为该算法尝试为每个节点都寻找能使网络 覆盖最大化的位置。该算法的复杂度为 O(n 2 ) ，其中n 为配置的传感器节点数 目。
5
4.
Mesh网络结构
如图2-6所示，采用分级网络结构技术可使Mesh网络路由设计要简单得 多，由于 些数据处理可以在每个分级的层次里面完成，因而比较适合 多，由于一些数据处理可以在每个分级的层次里面完成，因而比较适合 于无线传感器网络的分布式信号处埋和决策。
4×4 Mesh网格
分级分簇网络
图 2-6 采用分级网络结构技术的Mesh网络结构
18
2．无线传感器网络覆盖的计算
如图2-10所示给出了一个无线传感器网络覆盖算法和协议分类。
图2-10无线传感器网络覆盖算法和协议分类
19
2.2.2无线传感网络区域覆盖
覆盖问题中，区域覆盖的研究最为广泛，其主要目的是最大 化无线传感网络覆盖(监测)范围。 化无线传感网络覆盖(监测)范围 图2-11a为采用随机布置策略时正方形区域内的无线传感节 点分布情况。图中，相互连接的黑色节点即为当前网络中的激活 节点。在实际工作中，无线传感节点的工作状态由预先编制的动 态能量管理策略决定。