混合无线传感器网络覆盖空洞修复策略

基金项目：国家自然科学基金项目 （ 60874103 ） 。 作者简介：黄 月（ 1985 —） ，女， 辽宁盘锦人，模式识别与智能系统专业博士研究生 。 * 通信作者：吴成东（ 1960 —） ，男， 辽宁大连人， 教授， 博士生导师。 主要从事无线传感器网络和图像处理等研究 。 Email： wuchengdong@ ise． neu． edu． cn
问题假设 文中基于以下假设进行研究： 1 ） 每个传感器节点能对其周围实行全方向探
R 为节点传输半径； γ 为路径衰减因子； η amp 为 其中， 发射器的放大率。 因此， 当网络中数据包长度为 l， 传输距离为 d 时， 节点单跳传输所消耗的能量可表 示为 E1hop （ l， d） = l（ E tx + E rx ） = l（ E ele + βR γ + E rx ） η amp （ 5） 式中： E rx 为节点接收单位比特消耗的能量 。 假设网络采用 CSMA 机制， 则节点在时隙 i 传 输成功的概率为
r
测， 即其覆盖范围是一个探测概率逐渐下降的圆形 区域； 2 ） 节点通信半径大于两倍感知半径 ； 3 ） 探测区域内所有传感器节点都位于同一个 二维平面内， 且节点位置已知。 1 ． 2 节点感知模型 目前， 应用最广泛的节点探测模型为 0 /1 感知 0 /1 模型假设每个传感器的探测范围都是一 模型。 个以节点为圆心的圆， 若事件发生在节点的感知半
N
提出了一种基于数学分析的冗余
Saravi M H 节点移动方法， 有效地调高了覆盖率。 ［10 ］ K 利用覆盖空洞边缘节点提供的辅助信息 ， 采用 三角形贴片式方法指导移动节点修复空洞， 但需要 ［11 ］ ZHAO E 等 提出了基于二元 全部节点可以移动。 感知模型的距离约束部署和最小化平均移动距离 的自适应距离约束部署方法， 仿真结果表明自适应 距离约束部署方法更好地延长了网络生命时间 。 文中考虑到移动节点的成本较高， 采用了由静 态节点和移动节点构成的混合传感器网络， 提出了 该策略 考虑能量的混合传感器网络覆盖空洞策略。 使得修复 同时兼顾网络感知空洞及能量空洞问题， 后的网络能够维持更长的时间， 在控制网络成本的 前提下提高网络覆盖率， 延长了网络修复周期。
Reparation Strategy of Coverage Holes in Hybrid Wireless Sensor Networks
HUANG Yue， WU Chengdong * ， ZHANG Yunzhou， CHENG Long， XIA Zhijia
（ College of Information Science and Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819 ，China） Abstract： According to the problem of coverage holes in hybrid wireless sensor network，reparation strategy of coverage holes based on mobile nodes is proposed with the consideration of the energy distribution． Build the joint detection probability function using probabilistic detection model，evaluate network status through joint detection probability and residual energy，and thus determine the location of coverage holes． The reparation strategy of coverage holes based on virtual mobile is put forward，place a virtual node when get the location of each hole，and adjust the location of the mobile node at the end of calculation，which save a lot energy of the mobile nodes． Simulation results show that the proposed method could detect and repair coverage holes effectively using mobile sensors，which consume a smaller energy，improve the network coverage rate and prolong the lifetime of network． Key words： wireless sensor networks，mobile nodes，probabilistic detection，coverage holes
C q （ S） = 1 －
（1 ∏ i =1
－ Cq （ Si ） ）
（ 2）
S = ｛ Si | i = 1， 2， …， N｝ 为监测区域内传感器 其中， 节点集合。 通过式 （ 2 ） 可以计算监测区域中任意一 点的联合探测概率值。 1 ． 3 能量消耗模型 采用典型的能量消耗模型
［12 ］
2
空洞修复策略
目前， 大部分传感器网络覆盖控制假设网络完 全覆盖或近似保持网络原有覆盖范围。 事实上， 由 于初始随机部署未能完全覆盖监测区域或因恶劣 的环境破坏导致节点失效造成的原有覆盖区域缺 失， 这部分不能有效被监测的区域称为探测空洞。 另外， 无线传感器网络在数据采集过程中， 由于局 部区域的能量消耗水平高于整体能量消耗水平， 从 而导致这一区域的节点剩余能量较少， 节点的感知 能力变小， 因此产生的覆盖盲区称为能量空洞。 文 中将由节点随机部署或节点死亡产生的探测空洞 和节点能量消耗导致产生过多的能量空洞统称为 覆盖空洞。 2． 1 建立网络状态函数 当网络进行优化时， 某些节点虽然还有能量，
P success = N·P r［ 1 －
N －1 P success （ i） ］ ∑ i =1
（ 6）
i 式中： N 为邻居节点的个数； P success 为选择时隙 i 的 概率。
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江 南 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版） 因此， 在 CSMA 机制下网络节点消耗能量的期
第 11 卷
望为 E CSMA = E1hop （ l， d） + （ 1 / P success － 1 ） E busy （ 7 ）
网络的联合探测概率和剩余能量分布呈连续状 洞。 态， 则网络状态值分布也呈连续状态， 即网络状态 值较低点周围状态值也较低。 为保证覆盖质量， 在 状态值最低点放置虚拟节点， 再继续寻找下一目标 点， 直至达到满意的网络覆盖率或迭代次数达到设 定值。 图 1 为某次运行中网络修复前后状态对比图。 其中深色区域网络状态值较低， 修复后的网络覆盖 率明显提高。
第 11 卷第 4 期 2012 年 8 月
江 南 大 学 学 报（ 自 然 科 学 版） Journal of Jiangnan University（ Natural Science Edition）
Vol． 11 Aug．
No． 4 2012
混合无线传感器网络覆盖空洞修复策略
* 黄 月， 吴成东 ， 张云洲， 程 龙， 夏志佳
（ 东北大学 信息科学与工程学院， 辽宁 沈阳 110819 ） 要：针对混合无线传感器网络中的覆盖空洞问题 ， 提出了考虑能量的基于移动节点的无线传 采用概率感知模型建立联合探测概率密度函数 ， 通过探测概率和剩 感器网络覆盖空洞修复策略。 摘 余能量评价网络状态， 从而确定覆盖空洞。 提出了节点虚拟移动的空洞修复方法 ， 在得到每个空洞 ， 位置后放置一个虚拟节点直至计算结束后调整移动节点位置 节约了移动节点能量。 仿真结果表 明： 该方法可以有效探测并利用移动节点修复覆盖空洞 ， 消耗较小的网络能量， 提高了网络覆盖率 和网络生存时间。 关键词： 无线传感器网络； 移动节点； 概率感知； 覆盖空洞 中图分类号：TP 393 文献标识码： A 文章编号：1671 － 7147 （ 2012 ） 04 － 0418 － 05
收稿日期： 2012 － 04 － 15 ； 修订日期： 2012 － 05 － 20 。
感、 通信等各种服务质量得到改善
［13 ］
。
覆盖问题不仅反映了网络所能提供的“感知 ” 服务质量， 而且合理的覆盖控制还能使网络空间资 源得到优化， 降低网络的成本和功耗， 延长网络寿 命， 更好地完成环境感知、 信息获取和数据传输等 任务。 因此， 根据监测环境动态地实现无线传感网 络覆盖优化已成为无线传感网络性能优化的关键
［9 ］
径内， 则感知到的概率为 1 ； 若发生在感知半径之 外， 则感知到的概率为 0 。 实际上， 由于受到环境噪 信号强度的路径衰落等因素的影响， 传感器节 声、 点的感知能力会出现一定的不确定性， 故文中采用 传感器节点 s 到任一点 q 的探测概率 概率感知模型。 表示为 C q （ s） =
第4 期 问题之一
［45 ］
黄 月等： 混合无线传感器网络覆盖空洞修复策略 。
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目前， 大部分网络覆盖控制假设网络完全覆 事实上， 网络的随机部署方式和网络中某一节 盖。 点因其本身能量耗尽或恶劣的监控环境破坏而损 会导致网络原有覆盖区域缺失形成覆盖空洞。 毁， 针对无线传感器网络覆盖空洞的修复问题已有一 WANG X 等［6］ 提出一种基于微粒群算 些解决方案。 法的无线传感器网络布局优化方法， 能够有效实现 但微粒群算法致使搜索空间随被优 网络布局优化， WANG G L 等［7］ 提 化向量维度的增加呈指数扩大。 出了用 3 种不同的算法计算失败节点的具体位置， 然后用移动的传感器节点靠近失败节点并修复覆 该机制在一定时间内可以保证网络较好的 盖空洞， 覆盖率， 但移动传感器节点能量有限且消耗大易死 Bulusu N 等［8］ 提出了一种基于无线信标的自适 亡。 应节点部署策略， 通过添加无线信标修复覆盖空 但该算法未考虑信标的成本和检测区域的环境 洞， 王良民等 影响。
{
1 e 0
－ Baidu Nhomakorabeaα β
if
d（ s， q） ≤ （ R s － r e ） d（ s， q） ＞ （ R s + r e ） （ 1）
if （ Rs － re ） ＜ d（ s， q） ＜ （ Rs + r e ） if
其中， 参数 λ ， β 为与传感器节点硬件有关的参数； q） － （ R s － r e ） ， R s 为节点感知半径， re （ 0 ＜ α = d（ s， r e ＜ R s ） 用以表达传感器的非确定探测， d（ s，q） 为 y） 的距离。 传感器节点 s 到目标点 q（ x， 在存在多个传感器节点同时工作的情况下 ， 目 标区域被有效感知的概率是多个无线传感器节点 协同工作的结果。 联合概率 C q （ s） 定义为
在无线传感器网络中， 为了完成目标监测和信 息获取的任务， 必须保证无线传感器节点能够有效 覆盖被监测区域。 无线传感器网络的覆盖控制问 题， 可以视为在传感器网络节点能量、 无线网络通 信带宽、 网络计算处理能力等资源普遍受限情况 下， 通过传感器节点部署以及路由选择等手段， 最 终使网络资源得到优化分配， 进而使感知、 监视、 传
。 当节点传输单位 （ 3）
比特数据时， 传输能量可定义为 E tx = E ele + E amp 式中： E ele 为非发射设备（ 频率合成器、 混频器、 滤波 器等） 所消耗的能量； E amp 为发射设备所消耗的能 即 量， E amp = βR γ η amp （ 4）
1
1． 1
网络模型