无线传感网络部分覆盖技术研究展望

宋 刚，黄 科

(重庆城市管理职业学院，重庆 401331)

0 引言

无线传感网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是一种按空间分布的计算机无线网络，在网络终端是可以感知周围环境的传感器。它是由成千上万的传感器以自组织、混合、多跳的方式连接起来的。它实现了数据的采集、计算、通信、存储等操作。随着信息技术的飞速发展，无线传感器网络逐步由军事领域应用到民用领域。

覆盖范围是无线传感网络中最重要的问题之一。覆盖范围的定义，一般认为需要在监测区域内，每个信息节点位置需要用到多少个传感器，来保证节点范围能被至少一个传感器覆盖。覆盖问题反映了传感器网络对监测区域的监测范围的响应密度，也是从根本上评价整个网络服务质量的依据。在各传感器能量损耗、网络通信容量、计算处理能力等资源受到限制消耗的情况下，尽可能地优化传感节点的位置，进而获取优化的无线传感覆盖率。

在描述无线传感器网络覆盖模型中，一般分成确定性覆盖模型和随机性覆盖模型这两大类。在确定性覆盖中覆盖区域不随着时间发生变化，传感器的位置相对固定。而在随机性覆盖中，覆盖区域环境恶劣，人员难以进入，只能代以空投等方式布放传感器，形成随机性覆盖。

覆盖模型又可以按照覆盖程度，分为完全覆盖与部分覆盖。完全覆盖指的是对兴趣区域的监测需要100%的覆盖率，而部分覆盖指的是对兴趣区域的覆盖率大于0小于100%即可。

1 覆盖问题评估

覆盖评估就是对覆盖度的评价和估算。评价原则是以最少的传感器节点覆盖目标区域。在监视区域中，有效覆盖区域和监视区域的特定值称为网络覆盖率。网络覆盖率的意义是覆盖率越大，覆盖质量越好。

其中P是覆盖率，Area(S)表示监视区域面积，∪i=1,2,…,NSi是传感器节点的覆盖面积之和，Si是第i个传感器节点。

但当覆盖率大到超过有效监视区域的时候，就产生了有效覆盖率的概念。它是传感器节点有效面积与监视区域中传感器节点面积的比值。

1.1 全覆盖与部分覆盖定义

全覆盖定义为目标区域内每个监视区域至少被一个传感器节点覆盖。即监视区域要大于目标区域：

部分覆盖定义为目标区域内至少有一个监视区域没有被任何一个传感器节点覆盖。即监视区域与目标区域的交集小于目标区域：

1.2 国外部分覆盖技术研究展望

部分覆盖技术按拓扑形状分为热点覆盖、路径覆盖、陷阱覆盖。下面分别探究国外的研究进展。

在热点覆盖中，区域内某些节点会出现比其他节点更高的优先级应用，这就要求覆盖算法能灵活调度传感器的优先权。由Li等[1]提出了两个传感器覆盖调度算法：贪婪优先（GA）和贪婪-旋转-贪婪算法（GRG）。采用等边三角形布置传感器覆盖目标区域，在覆盖调度队列中以贪婪算法作为调度优先级，最大化保证热点区域的覆盖率，并给以最大的网络带宽资源。并且这两个算法对节点失效有一定的冗余措施，即使有少量传感器节点失效，仍能正常工作，整个网络突然完全失效的可能性很小。然而，该算法并没有保证目标区域各节点的最大覆盖半径。

当固定节点不能满足突发热点覆盖时，研究人员也在探索采用移动传感器节点位置去覆盖热点。例如，Falcon等[2]提出了利用无人载具搭载传感器去填补覆盖漏洞。他提出一种新的覆盖增强协议CBCA。该协议通过无人载具运输新的传感器节点到覆盖失效位置，顶替原先的传感器职责，从而修复覆盖漏洞。该协议需要预先安排部分传感器节点作为后备节点，其后备节点的多少会影响整个网络成本。

利用传感器的移动特性，还可以保证对已知位置的目标节点做连续覆盖。在R.Tan等[3]中，作者考虑到了传感器相应的滞后性，尽量移动节点位置来保证覆盖目标检测的即时性。提出了新的移动算法来减小传感器的时延。该算法的特点是将固定节点作为移动节点的后备，减小了后备移动节点的需求。不久，Mathew等[4]针对已知位置的静态目标，提出了新的谱线多间距覆盖算法。Mathew等[5]又区分了移动目标的覆盖与静态目标覆盖，并提出了动态谱线多间距覆盖算法。Liao等[6]提出了基于移动节点自主移动的覆盖算法。移动节点在有需求时，会自主根据算法移动到指定位置，提高覆盖度，填补覆盖漏洞。

在军事领域中，存在边界巡逻和入侵检测的应用。针对这种应用，路径覆盖中的栅栏覆盖能满足需求。在这类应用中，当一个无线传感网络按K-Barrier进行覆盖时，以未知路径行进的闯入者不论如何变换行进路径，当进入传感器覆盖区的带状(belt)区域时，都会被至少K个传感器发现。Kong等[7]探讨在带状区域是否为K-Barrier覆盖的问题，他们将区域内节点重迭覆盖的关系，重组成一个带有虚拟节点的覆盖图，将区域内覆盖问题等价为覆盖图上连通性是否存在的问题。此外，Cheng等[8]提出一个局限性的栅栏算法，在闯入者的行进路径宽度是有限的前提下，让一个节点判断其邻近区域是否具有局限覆盖特性，并可求出形成边界覆盖节点布设密度。

路径覆盖，它是由一个或数个具有移动能力的侦测节点所组成，这些节点会在侦测区域内来回移动，并在移动的过程中不断侦测区域内是否有目标物。Li等[9]提出POI兴趣点的概念。每一个POI是移动节点必须经过的点，POI重要性较低的点可容忍较长的等待时间等待移动节点的覆盖。而Xi等[10]对随机产生的动态兴趣点的扫描问题进行了分析。此外，Chu[11]提出让每个移动中的感测节点互相交换位置信息和来回时间，并由节点决定是否改变现有移动路径。Du等[12]提出了两个启发式算法：MinExpand和OSweep。在Gorain等[13]中作者提出缩短扫描点停留时间比增加移动速度能更有效地减少扫描时间。此外，Chang等[14]提出了基于时限目标扫描算法。该算法给每个兴趣点分配一个优先级，当扫描的时候，移动节点会按照兴趣点的优先程度扫描每个目标节点。该算法的主要缺点是当各点是不规则分布在监测区域内，移动节点会出现顺序先后的问题，性能受到巡逻路径的影响。为此，Chang等[15]还提出了Chang等[14]的另一个不足，移动节点所须经过的扫描点数量和扫描点之间的距离不相等，导致各移动节点在扫描时间上的不同会导致覆盖质量的差异。

部分覆盖中若存在一个覆盖范围上的空洞，则就是Balister等[16]提出的陷阱覆盖。当空洞直径不能超过一个预设的阈值时，则传感器网络可以稳定提供陷阱覆盖。Chen[17]则提出了一个优化的陷阱覆盖，核心是当网络冗余度较大，节点数量足够丰富的情况下，陷阱覆盖可以建立在全覆盖基础上。

2 文献分析

现在从覆盖度（1、K）、特性（集中、分布）、传感节点类型（移动、混合、机器人）以及网络拓扑（平坦、簇）方面分析现存的部分覆盖相关的文献工作，如表1所示。

3 结语

本文首先阐述了无线传感网络的覆盖问题的由来及其重要性，分析覆盖问题的评估方法以及分类方法，然后对国外近期无线传感网络的部分覆盖技术进展进行了分别讨论。对其中的技术特点和进行分析和比较。从中可以看出部分覆盖技术的发展方向应该是：在满足覆盖度的情况下，强调分布式、平坦的网络拓扑结构；传感器节点可以移动部署，对突发热点、兴趣点能保证及时覆盖；网络健壮性强，具备一定的冗余度等。综上所述，国外近期对无线传感网络中的部分覆盖问题提出了众多的解决办法，为我们的进一步研究提供了方向。