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1、.無線傳感器網絡覆蓋技術譚慧婷150400241.覆蓋技術理論基礎覆蓋問題是無線傳感器網絡配置首先要面對的基本問題,它反映了一個無線傳感器網絡某區(qū)域被檢測和跟蹤的狀況。現(xiàn)有的研究結果,很多都是致力于解決傳感器網絡的部署和檢測以及覆蓋與連接的關系等方面的問題。覆蓋問題可以表述成不同的理論模型,甚至在平面幾何里就能找到相應的解決方案。即使簡單地只從數(shù)學上來考慮,在部署傳感器節(jié)點的時候,我們必須知道怎樣用相同的節(jié)點數(shù)覆蓋盡可能大的區(qū)域。為了對網絡的覆蓋問題先有一個初步的認識,這里我們提出一個幾何問題-藝術館問題來理解。假設藝術館的主人想在場館內放置監(jiān)視器來防止盜竊。假定相機可以有360度的視角而且
2、可以極大速度旋轉,相機可以監(jiān)視任何位置,視線不受影響。關于實現(xiàn)這個想法存在兩個問題需要回答:首先就是到底需要多少臺相機;其次,這些相機應當放置在哪些地方才能保證館內每個點至少被一臺相機監(jiān)視到。..一個簡單的辦法就是將多邊形分成不重疊的三角形,每個三角形里面放置一個相機。通過這個方法,我們可以得到最佳分布應該如下圖,放置兩個相機相機足以覆蓋整個藝術館。相機1相機2我們可以知道無線傳感器網絡的覆蓋問題在本職上和上面的幾何問題是一致的:需要知道是否某個區(qū)域被充分覆蓋以及完全處于監(jiān)視之下。但我們也必須認識到,幾何研究的結果為理解傳感器覆蓋問題提供了一個理論背景,但這樣的求解辦法是無法直接應用到無線傳
3、感器網絡。因為:1.監(jiān)視器可以看到無窮遠的地方只要沒有障礙物阻擋,但是傳感器節(jié)點存在最大感應范圍;2.無線傳感器網路沒有類似監(jiān)視器之間固定的基礎設施,其拓撲結構可能隨時變化。2.覆蓋的感知模型在討論節(jié)點如何布置之前,需要先知道傳感器節(jié)點的感知模型。目前主要是兩種。..a.布爾感知模型布爾感知模型是以一個節(jié)點為圓心,以感知距離為半徑的圓形區(qū)域,只有落在該圓形區(qū)域內的點才能被該節(jié)點覆蓋,這種模型也被稱為0-1模型。其數(shù)學表達式為1,??(??,??)≤????????={0,??(??,??)>??b.概率感知模型概率感知模型中,目標被感知的概率不再是常數(shù),而是由目標到節(jié)點間距、節(jié)點物理特性等諸
4、多因素決定的變量。在節(jié)點i不存在鄰居節(jié)點的前提下,節(jié)點i對檢測區(qū)域內目標j的感知概率有以下三種定義形式:-????(??,??)??????=??1,??(??,??)≤??1-??[??(??,??)-??]??????={??,??1??21,??(??,??)≤????={[1+????(??,??)]??????0,??(??,??)>??其中??(??,??)為節(jié)點i到目標j之間的歐式距離,α和β是和傳感器物理特性有關的類型參數(shù)。從以上的3種形式可以看出,任一點的覆蓋概率是介于0和1之間的數(shù)。如果節(jié)點i存在N個鄰居節(jié)點,節(jié)點j落在
5、和相鄰節(jié)點交疊傳感區(qū)域內,節(jié)點j的感知概率便會受到節(jié)點i與相鄰節(jié)點共同影響。..假設節(jié)點i與相鄰節(jié)點感知區(qū)域的重疊區(qū)域為M,而且每個節(jié)點對目標的感知是相互獨立的,那么M中任意節(jié)點j的感知概率為3.覆蓋算法分類a.節(jié)點部署方式分類按照無線傳感器網絡節(jié)點的不同配置方式(即節(jié)點否需要知道自身位置信息),可以將無線傳感器網絡的覆蓋算法分為確定性覆蓋、隨機覆蓋兩大類。(1)確定性覆蓋這是已知節(jié)點位置的無線傳感器網絡要完成目標區(qū)域或目標點的覆蓋。(2)隨機覆蓋隨機覆蓋考慮在網絡中傳感器節(jié)點隨機分布且位置未知的條件下,完成對監(jiān)測區(qū)域的覆蓋任務。b.覆蓋目標分類根據無線傳感器網絡不同的應用,覆蓋需求通常不同
6、。根據覆蓋目標不同,目前覆蓋算法可以分為面覆蓋、點覆蓋及柵欄覆蓋。(1)面覆蓋目標是在大量冗余節(jié)點中尋找能覆蓋同樣區(qū)域大小并保證網絡..連通的最小節(jié)點集合。(2)點覆蓋覆蓋一些離散的目標點,并使每一個目標點至少能被一個節(jié)點覆蓋。(3)柵欄覆蓋目標是找出連接出發(fā)位置和離開位置的路徑,使這樣的路徑能在不同模型定義下提供對目標的不同傳感質量。根據目標穿越網絡時所用的不同模型,柵欄覆蓋可以分為‘最壞與最佳情況覆蓋’以及‘暴露覆蓋’。最壞情況是指考察所有路徑中不被傳感器節(jié)點檢測的概率最小情況;最佳情況是指考察所有路徑中被傳感器節(jié)點檢測的概率最大情況;暴露穿越同時考慮了目標暴露的時間因素和傳感器節(jié)點對于
7、目標的感應強度的因素,反映了運動目標穿越網路區(qū)域的時間增加而感應強度累加值增大的情況。4.經典覆蓋算法a.基于網格的覆蓋定位傳感器配置算法考慮傳感器節(jié)點及目標點都采用網格形式配置,節(jié)點采用布爾覆蓋模型,并使用能量矢量來表示格點的覆蓋。..如右圖,各格點都可至少被一個傳感器節(jié)點覆蓋,此時區(qū)域達到了完全覆蓋,例如格點位置8的能量矢量為(0,0,1,1,0,0)。當網絡資源受限無法達到格點完全覆蓋時,需要根據配置代