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1、(10)申请公布号 CN 102802164 A (43)申请公布日 2012.11.28 C N 1 0 2 8 0 2 1 6 4 A *CN102802164A* (21)申请号 201210315425.2 (22)申请日 2012.08.30 H04W 16/18(2009.01) H04W 84/18(2009.01) (71)申请人吴军 地址 610041 四川省成都市成都高新区高朋 大道5号A座4楼403室 (72)发明人吴军 张辉 徐宁 (54) 发明名称 无线传感器网络中覆盖控制理论与算法的优 化方法 (57) 摘要 本发明涉及无线传感器网络中覆盖控制理论 与算法的优化方法。
2、，具体步骤如下：a.对无线传 感器网络按照节点不同的配置方式进行覆盖控制 分类，将其按照配置方式分为：（1）确定性覆盖； （2）随机覆盖；b.对无线传感器网络按照不同的 应用属性进行覆盖控制分类，将其应用属性分为： （1）节能覆盖；（2）栅栏覆盖；（3）连通性覆盖； （4）目标定位覆盖；c.无线传感器覆盖控制后通 过无线传感器网络覆盖控制算法来进行对传感器 节点配置。本发明的无线传感器网络中覆盖控制 理论与算法的优化方法，采用配置方式和相关应 用属性两种分类控制方法，有助于网络节点能量 的有效控制、感知服务质量的提高和整体生存时 间的延长。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书5页 。
3、附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 1/1页 2 1.一种无线传感器网络中覆盖控制理论与算法的优化方法，其特征是具体步骤如下： a.对无线传感器网络按照节点不同的配置方式进行覆盖控制分类，将其按照配置方式 分为： （1）确定性覆盖：根据预先配置的节点位置确定网络拓扑情况或增加关键区域的传感 器节点密度； （2）随机覆盖：在网络情况不能预先确定且多数确定性覆盖模型会给网络带来对称性 与周期性特征,从而掩盖了某些网络拓扑的实际特性； b.对无线传感器网络按照不同的应用属性进行覆盖控制分类，将其应用属性分为： （1）。
4、节能覆盖：采用轮换活跃休眠节点的覆盖方式； （2）栅栏覆盖：找出连接出发位置和离开位置的一条或多条路径进行对不同模型提供 不同的传感监视质量； （3）连通性覆盖； （4）目标定位覆盖； c.无线传感器覆盖控制后通过无线传感器网络覆盖控制算法来进行对传感器节点配 置，其具体无线传感器网络覆盖控制算法为：基于网格的覆盖定位传感器配置算法；基于 轮换活跃休眠节点的覆盖协议的算法；基于最坏与最佳情况覆盖的算法；基于暴露穿越的 算法；基于圆周覆盖的算法；基于连通传感器覆盖的算法。 2.根据权利要求1所述的无线传感器网络中覆盖控制理论与算法的优化方法，其特征 是：a中确定性覆盖分为：确定性区域的点覆盖、基。
5、于网格的目标覆盖和确定性网络路径的 目标覆盖。 3.根据权利要求1所述的无线传感器网络中覆盖控制理论与算法的优化方法，其特征 是：a中随机覆盖分为：随机节点覆盖和动态网络覆盖。 4.根据权利要求1所述的无线传感器网络中覆盖控制理论与算法的优化方法，其特征 是：b中栅栏覆盖分为：最坏与最佳情况覆盖和暴露穿越。 5.根据权利要求1所述的无线传感器网络中覆盖控制理论与算法的优化方法，其特征 是：b中连通性覆盖分为：活跃节点集连通覆盖和连通路径覆盖。 权 利 要 求 书CN 102802164 A 1/5页 3 无线传感器网络中覆盖控制理论与算法的优化方法 技术领域 0001 本发明涉及无线传感器网络。
6、的领域，尤其是一种无线传感器网络中覆盖控制理论 与算法的优化方法。 背景技术 0002 近年来,随着微机电系统(micro-electro-mechanism system,简称MEMS)、无线 通信、信息网络与集成电路等技术的迅速发展,新兴的无线传感器网络(wireless sensor networks,简称WSN)应运而生。无线传感器网络中的传感器节点一般都具备数据处理和通 信能力,并通过无线链路或直接或间接地将收集到的信号转化为数据发送到一个指令中 心(sink)，这种协作分布式传感器网络的一种自然组织结构,就是在各传感器节点间以无 线多跳方式组成一个自组织网络，集成了网络技术、入式技。
7、术及传感器技术的无线传感器 网络将逻辑上的信息世界与真实的物理世界融合在一起,同时深刻改变了人与自然的交 互方式。 0003 无线传感器网络的的覆盖控制问题,可以看作是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,通过网络传感器节点放置以及路 由选择等手段,最终使无线传感器网络的各种资源得到优化分配,进而使感知、监视、传 感、通信等各种服务质量得到改善，这一点与传统传感器网络有很大的不同，如何根据不同 的应用环境需要,对无线传感器网络进行不同级别的覆盖控制就成了无线传感器网络中 一个基本但亟待解决的问题，给定一个传感器网络,覆盖控制也可以一般性地总结为通过 各。
8、个传感器节点协作而达到对监视区域的不同管理或感应效果。 发明内容 0004 本发明要解决的技术问题是：为了能够克服上述中存在的问题，提供一种无线传 感器网络中覆盖控制理论与算法的优化方法，其覆盖能力强、网络连通性强、较长的能量有 效性以及精确的算法。 0005 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无线传感器网络中覆盖控制理 论与算法的优化方法，具体步骤如下： 0006 a.对无线传感器网络按照节点不同的配置方式进行覆盖控制分类，将其按照配置 方式分为： 0007 （1）确定性覆盖：根据预先配置的节点位置确定网络拓扑情况或增加关键区域的 传感器节点密度； 0008 （2）随机覆盖：在网络。
9、情况不能预先确定且多数确定性覆盖模型会给网络带来对 称性与周期性特征,从而掩盖了某些网络拓扑的实际特性； 0009 b.对无线传感器网络按照不同的应用属性进行覆盖控制分类，将其应用属性分 为： 0010 （1）节能覆盖：由于无线传感器网络中传感器节点自身体积较小、电池能量资源有 说 明 书CN 102802164 A 2/5页 4 限，为了保证大规模网络环境下传感器节点能量的有效使用，采用轮换活跃休眠节点的覆 盖方式； 0011 （2）栅栏覆盖：找出连接出发位置和离开位置的一条或多条路径进行对不同模型 提供不同的传感监视质量，可以根据目标穿越无线传感器网络时所采用模型的不同； 0012 （3）。
10、连通性覆盖； 0013 （4）目标定位覆盖； 0014 c.无线传感器覆盖控制后通过无线传感器网络覆盖控制算法来进行对传感器节 点配置，其具体无线传感器网络覆盖控制算法为：基于网格的覆盖定位传感器配置算法； 基于轮换活跃休眠节点的覆盖协议的算法；基于最坏与最佳情况覆盖的算法；基于暴露穿 越的算法；基于圆周覆盖的算法；基于连通传感器覆盖的算法。 0015 a中确定性覆盖分为：确定性区域的点覆盖是指已知节点位置的无线传感器网络 要完成目标区域或目标点的覆盖；基于网格的目标覆盖是指当地理环境情况预先确定时, 使用二维(也可以为三维)的网格进行网络的建模,并选择在合适的格点配置传感器节点 来完成区域/。
11、目标的覆盖；确定性网络路径的目标覆盖是考虑无线传感器网络传感器节点 位置已知情况。 0016 a中随机覆盖分为：随机节点覆盖和动态网络覆盖。 0017 b中栅栏覆盖分为：最坏与最佳情况覆盖和暴露穿越。 0018 b中连通性覆盖分为：活跃节点集连通覆盖是针对采用活跃节点集轮换机制的情 况；连通路径覆盖是考虑通过选择可能的连通传感器节点路径来得到最大化的网络覆盖效 果。 0019 本发明的有益效果是，本发明的无线传感器网络中覆盖控制理论与算法的优化方 法，采用配置方式和相关应用属性两种分类控制方法，有助于网络节点能量的有效控制、感 知服务质量的提高和整体生存时间的延长；采用多种算法，能够提高覆盖能。
12、力、提高网络的 连通性、能量的有效性、提高算法精确性、算法复杂性。 附图说明 0020 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 0021 图1是本发明的无线传感器网络覆盖控制协议和算法分类的示意图； 0022 图2是本发明的区域完全覆盖的示意图； 0023 图3是本发明的网络中出现的盲点的示意图； 0024 图4是本发明的应用图和网格三角形的示意图； 0025 图5是本发明的传感器节点S圆周的覆盖情况的示意图； 0026 图6是本发明的连通传感器覆盖的贪婪算法的示意图。 具体实施方式 0027 现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以 示意方式说明本发明的基本结。
13、构，因此其仅显示与本发明有关的构成。 0028 如图1所示的无线传感器网络中覆盖控制理论与算法的优化方法，具体步骤如 下： 说 明 书CN 102802164 A 3/5页 5 0029 a.对无线传感器网络按照节点不同的配置方式进行覆盖控制分类，将其按照配置 方式分为：（1）确定性覆盖：确定性区域的点覆盖、基于网格的目标覆盖和确定性网络路径 的目标覆盖；（2）随机覆盖：随机节点覆盖和动态网络覆盖； 0030 b.对无线传感器网络按照不同的应用属性进行覆盖控制分类，将其应用属性分 为：（1）节能覆盖：采用轮换活跃休眠节点的覆盖方式；（2）栅栏覆盖：最坏与最佳情况覆 盖和暴露穿越；（3）连通性覆。
14、盖：活跃节点集连通覆盖；连通路径覆盖；（4）目标定位覆盖； 0031 c.无线传感器覆盖控制后通过无线传感器网络覆盖控制算法来进行对传感器节 点配置，其具体无线传感器网络覆盖控制算法为： 0032 如图2所示，基于网格的覆盖定位传感器配置算法是基于网格的目标覆盖类型中 的一种，同时也属于目标定位覆盖的内容，考虑网络传感器节点以及目标点都采用网格形 式配置,传感器节点采用0/1覆盖模型,并使用能量矢量来表示格点的覆盖.如图2所示, 网络中的各格点都可至少被一个传感器节点所覆盖(即该点能量矢量中至少一位为1),此 时区域达到了完全覆盖.例如,格点位置8的能量矢量为(0,0,1,1,0,0).在网络。
15、资源受 限而无法达到格点完全识别时,就需要考虑如何提高定位精度的问题.而错误距离是衡量 位置精度的一个最直接的标准,错误距离越小,则覆盖识别结果越优化； 0033 基于轮换活跃休眠节点的覆盖协议的算法采用轮换活跃和休眠节点的覆盖控 制协议可以有效延长网络生存时间，协议采用节点轮换周期工作机制,每个周期由一个 self-scheduling阶段和一个working阶段组成.在self-scheduling阶段:各节点首先 向传感半径内邻居节点广播通告消息,其中包括节点ID和位置(若传感半径不同则包括 发送节点传感半径)，节点检查自身传感任务是否可由邻居节点完成,可替代的节点返回 一条状态通告消息。
16、,之后进入“休眠状态” ,需要继续工作的节点执行传感任务.在判断 节点是否可以休眠时,如果相邻节点同时检查到自身的传感任务可由对方完成并同时进 入“休眠状态”,就会出现如图3所示的“盲点”，在图(a)中,节点e和f的整个传感区域 都可以被相邻的邻居节点代替覆盖，e和f节点满足进入“休眠状态”条件之后,将关闭自 身节点的传感单元进入“休眠状态”,但这时就出现了不能被WSN检测的区域即网络中出现 “盲点” ,如图3(b)所示.为了避免这种情况的发生,节点在self-scheduling阶段检查 之前执行一个退避机制:每个节点在一个随机产生的T d 时间之后再开始检查工作.此外, 退避时间还可以根据。
17、周围节点密度而计算,这样就可以有效地控制网络“活跃”节点的密 度.为了进一步避免“盲点”的出现,每个节点在进入“休眠状态”之前还将等待T w 时间来 监听邻居节点的状态更新.该协议是作为LEACH分簇协议的一个扩展来实现的,有关仿真 结果证明:WSN的平均网络生存时间较LEACH分簇协议延长了1.7倍； 0034 基于最坏与最佳情况覆盖的算法同时属于确定性网络路径/目标覆盖和栅栏覆 盖类型，算法考虑如何对穿越网络的目标或其所在路径上各点进行感应与追踪,体现了一 种网络的覆盖性质，“最大突破路径(maximal breach path)”和“最大支撑路径(maximal support path。
18、)”,分别使得路径上的点到周围最近传感器的最小距离最大化以及最大距离 最小化.显然,这两种路径分别代表了WSN最坏(不被检测概率最小)和最佳(被发现的概 率最大)的覆盖情况.文中分别采用计算几何中的Voronoi图与Delaunay三角形来完成最 大突破路径和最大支撑路径的构造和查找.其中,Voronoi图是由所有Delaunay三角形边 上的垂直平分线形成;而Delaunay三角形的各顶点为网络的传感器节点,并满足子三角 说 明 书CN 102802164 A 4/5页 6 形外接圆中不含其他节点,如图4所示，由于Voronoi图中的线段具有到最近的传感器节 点距离最大的性质,因此最大突破路。
19、径一定是由Voronoi图中的线段组成.最大突破路径 查找过程如下：(1)基于各节点的位置产生网络Voronoi图；（2）给每一条边赋予一个权重 来代表到最近传感器节点的距离；（3）在最小和最大的权重之间执行二进制查找算法:每 一步操作之前给出一个参考权重标准,然后进行宽度优先查找(breadth-first-search), 检查是否存在一条从S到D的路径,满足路径上线段的权重都比参考权重标准要大.如果 路径存在,则增加参考权重标准来缩小路径可选择的线段数目,否则就降低参考权重标 准；（4）最后得到一条从S到D的路径,也就是最大突破路径,图4中用P max_breach 表示，类 似地,由于。
20、Delaunay三角形是由所有到最近传感器节点距离最短的线段组成,因此最大 支撑路径必然由Delaunay三角形的线段构成.给每一条边赋予一个权重来代表路径上所 有到周围最近传感器节点的最大距离,查找算法同上.图4中用P max_support 表示了算法执行 后得到的一条最大支撑路径。 0035 基于暴露的算法同时属于随机节点覆盖和栅栏覆盖的类型.如前所述,“目标暴 露(target exposure)”覆盖模型同时考虑时间因素和节点对于目标的“感应强度”因素, 更为符合实际环境中,运动目标由于穿越网络时间增加而“感应强度”累加值增大的情 况.节点s的传感模型定义为 0036 0037 其中。
21、p为目标点,正常数和K均为网络经验参数.最小暴露路径代表了WSN 最坏的覆盖情况,而一个运动目标沿着路径p(t)在时间间隔t 1 ,t 2 内经过WSN监视区域 的暴露路径在文献11中被定义为 0038 0039 其中I(F，p(t)代表了在传感区域F中沿着路径p(t)运动时被相应传感器(有 最近距离传感器和全部传感器两种)感应的效果，我们提出了一种数值计算的近似方法来 找到连续的最小暴露路径:首先,将传感器网络区域进行网格划分,并假设暴露路径只 能由网格的边与对角线组成;之后,为每条线段赋予一定的暴露路径权重;最后,执行 Djikstra算法得到近似的最小暴露路径； 0040 基于圆周覆盖的。
22、算法将随机节点覆盖类型的圆周覆盖归纳为决策问题:目标区 域中配置一组传感器节点,看看该区域能否满足k覆盖,即目标区域中每个点都至少被 k个节点覆盖.我们考虑每个传感节点覆盖区域的圆周重叠情况,进而根据邻居节点信息 来确定是否一个给定传感器的圆周被完全覆盖,如图5所示，该算法可以用分布式方式实 现:传感器S首先确定圆周被邻居节点覆盖的情况,如图5(a)所示,3段圆周0,a,b， c,d，分别被S的3个邻居节点所覆盖.再将结果按照升序顺序记录在0,2区间, 如图5(b)所示,这样就可以得到节点S的圆周覆盖情况:0,b段为1,b，a段为2,a， d段为1,d，c段为2,c，段为1.文献24给出证明:。
23、“传感器节点圆周被充分覆 盖等价于整个区域被充分覆盖” .每个传感器节点收集本地信息来进行本节点圆周覆盖判 断,并且该算法还可以进一步扩展到不规则的传感区域中使用； 0041 基于连通传感器覆盖的算法通过选择连通的传感器节点路径来得到最大化的网 络覆盖效果,该算法同时属于连通性覆盖中的连通路径覆盖以及确定性区域/点覆盖类 说 明 书CN 102802164 A 5/5页 7 型.当指令中心向WSN发送一个感应区域查询消息时,连通传感器覆盖的目标是选择最小 的连通传感器节点集合并充分覆盖WSN区域.文献16分别设计了集中与分布式两种贪 婪算法.假设已选择的传感器节点集为M，剩余与M有相交传感区域。
24、的传感器节点称为候选 节点。集中式算法初始节点随机选择构成M之后,在所有从初始节点集合出发到候选节点 的路径中选择一条可以覆盖更多未覆盖子区域的路径.将该路径经过的节点加入M，算法 继续执行直到网络查询区域可以完全被更新后的M所覆盖。图6表示了该贪婪算法执行的 方式.在图6(a)中,贪婪算法会选择路径P 2 得到图6(b),这是由于在所有备选路径中选 择C 3 和C 4 组成的路径P 2 可以覆盖更多未覆盖子区域，连通传感器覆盖的分布式贪婪算法 执行过程是: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(CPS);收到CPS消息的节点判断自身是否为候选节点,如果是,则。
25、单播方式返回发 起者一个候选路径响应消息(CPR)；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。 0042 无线传感器网络将逻辑上的信息世界与真实的物理世界融合在一起,极大地提 高了人们认识和改造世界的能力，而网络覆盖控制作为WSN实施过程中的一个基本问题, 反映了网络所能提供的“感知”服务质量.本文立足于WSN的覆盖控制问题,对近年来提 出的各种覆盖控制问题的新思想和代表性研究成果进行归纳并加以介绍,随后结合WSN覆 盖控制评价标准进行了比较性总结,进而深入分析了目前WSN覆盖控制亟待解决的问题, 并展望了其未来可能的发展方向 0043 以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完 全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术 性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。 说 明 书CN 102802164 A 1/2页 8 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102802164 A 2/2页 9 图3 图4 图5 图6 说 明 书 附 图CN 102802164 A 。