坎香

摘要 无线传感器网络覆盖问题是在受到网络中资源限制的条件下，优化传感器节点的分布，实现网络覆盖范围的最大化，进而保证探测数据的精准性和有效性。根据无线传感器网络的不同应用，简述了几种常见的网络覆盖问题的分类。

【关键词】无线传感器 节点 覆盖

1 传感器节点结构

传感器节点是无线传感器网络的基石，虽然不同的无线传感器网络应用，传感器节点在设计上也会有所不同，但节点的基本结构是相同的。传感器节点由四个模块组成，即：传感器模块、信息处理模块、无线通信模块和能量供应模块。其中传感器模块由传感器和AlD转换器两部分组成，主要负责感知数据、收集数据并对数据转换操作。信息处理模块由存储器和CPU两部分构成，主要是负责对传感器节点操作的控制、对收集到的数据进行保存以及对收集到的数据进行处理，是整个传感器节点的核心部分。无线通信模块则由网络、MAC以及收发器组成，主要是保证能与其他节点进行无线通信，负责接收和发送信息。能量供应模块是整个网络能够正常运行的保障，由于传感器节点个体小，传感器节点采用电池供应能量，这样也导致整个网络的能源是有限的。

2 传感器节点感知模型

无线传感器网络的覆盖问题是网络应用的重点研究问题，而传感器节点的感知模型将关系到网络的探测及覆盖能力。目前，传感器节点的感知模型主要有二元感知模型和概率感知模型两种。

2.1 二元感知模型

假定无线传感器网络的监测区域A为二维平面，在二元感知模型中，认为监测区域A中传感器节点的感知范围是一个以节点坐标位置为圆心、节点半径r为其感知半径的圆形区域，该覆盖区域也称之为节点的感知区域。

2.2 概率感知模型

在二元感知模型中，传感器节点在感知区域中的感知能力是恒定的，但在实际应用中，由于受到环境中各种因素的影响，传感器节点的传感器模块会受到干扰，随着传输距离的增大信号强度会衰减，节点的感知能力也会变化，概率感知模型就体现了这种变化。

3 无线传感器网络覆盖问题概述

无线传感器网络的目标是完成探测任务，而探测数据的精确性和有效性与传感器网络的覆盖质量有着密切的关系。因此，如何根据实际应用，采用合适的覆盖控制策略来优化网络中有限的资源，使用最少的传感器节点实现网络覆盖范围的最大化，进而保证探测数据的精准性和有效性是目前无线传感器节点研究的热点。根据传感器网络的实际应用，传感器网络的覆盖问题也是形式多样的。根据传感器節点初始部署的方式，分为随机部署和确定性部署两类策略。无线传感器网络通常应用于恶劣的环境中，如生化试验区、原始森林、外太空星球等地区，由于人类无法直接到达这些区域，因此，在这些区域只能通过飞机随机播撒来进行节点布置，导致节点在监测区域中的位置是未知的、随机的，容易导致节点分布不均匀，出现某些区域节点过于密集，某些区域没有节点，从而形成覆盖区域的盲区和重叠区。因此，在传感器节点初始布置工作完成后，需要采用合适的网络覆盖控制策略调整节点的位置，保证探测数据的精确性和有效性。

针对一些特定的应用，如监测目标密集的区域，传感器节点传输的数据量大，节点能源消耗快，导致网络生存周期短。为了延长网络的寿命，必须在监测区域中投入比所需传感器节点多几倍的节点，并将这些节点划分成若干个无交点的节点集合，当然这些节点集合能完全无缝覆盖每个监测目标，在任意时刻，通过网络覆盖控制策略调度集合中的工作节点，使得只需集合中最少的部分节点处于工作状态，以保证网络的覆盖范围最大化和连通性，而集合中的其余节点则处于休眠状态，这样使得集合中的节点能够轮流得到休眠，节省了每个节点的能量消耗，延长了每个节点的生存时间，从而大大地延长了整个网络的寿命。

4 无线传感器网络覆盖类型

无线传感器网络是任务型网络，最终的目的是对监测区域进行探测并获取任务所需数据。为了实现探测到的数据的精确性和有效性，同时，最小化网络能源消耗，应保证监测区域的完全无缝覆盖以及冗余覆盖节点的最小化。根据无线传感器网络的不同应用，网络覆盖问题的分类也是多种的，以下是常见的覆盖问题分类：

4.1 按部署方式

针对不同的网络应用需求，传感器节点初始的部署方式也有所不同。根据初始的部署方式，无线传感器网络覆盖问题可以分为随机性覆盖和计划性覆盖。计划性覆盖是指如果能提前知道无线传感器网络的应用环境，则可以人为的、有计划的对该环境进行传感器节点的部署，从而确定整个网络的拓扑结构，进而形成了一种特殊的网络。随机覆盖是指如果无线传感器网络应用于一些人迹罕至或者环境恶劣的区域，如外太空星球、沙漠、火灾现场，在这些区域，节点的布置只能通过飞机随机投放来实现，节点在监测区域中的位置是未知的、随机的，从而导致覆盖是随机的，网络拓扑结构是变化的且比较复杂。

4.2 根据应用属性

无线传感器网络的优点是应用成本低、易于安装，因此，无线传感器网络具有非常广阔的应用前景。根据无线传感器网络的应用属性，可以分为目标定位覆盖、栅栏覆盖、节能覆盖和连通性覆盖。目标定位覆盖是指根据覆盖目标的节点情况获取该目标的位置。栅栏覆盖主要是关注传感器网络的安全性问题，一般应用于战场环境中。根据穿越网络目标所采用的不同模型，栅栏覆盖可以分为两类覆盖：分别是暴露穿越覆盖和最佳与最坏情况覆盖。节能覆盖是指受到无线传感器网络实际应用中成本问题的限制，在网络中投入的传感器节点是有限的，且节点自身能源供应的有限性，导致整个网络的能源是有限的，如何在保证服务质量的前提下，最小化工作节点，提高各节点的生存周期，使得整个网络的寿命得到尽可能地延长是无线传感器网络研究的热点。连通性覆盖是指传感器节点能通过其自身的无线通信模块与其他节点进行无线通信，从而确保传感器节点监视并收集到的数据能被成功地传输到用户终端，实现探测任务。所以网络的连通性影响了网络的实际应用价值，也是无线传感器网络重点研究的方向之一。

4.3 根据节点的移动性

在无线传感器网络的应用中，若网络中的传感器节点被初始部署好后，传感器网络因为部分节点的失效或者新节点的加入导致整个网络的拓扑结构发生变化，若此时网络中的传感器节点能动态调整自己的位置以实现网络的完全覆盖和连通，则称为动态覆盖;反之则是静态覆盖。

基于这些覆盖分类，在实际应用中，应根据实际的应用环境、实际的需求来确定传感器网络覆盖策略。

参考文献

[1]靳立忠，常桂然，贾杰，基于差分进化算法的移动传感器网络节点的分布优化[J].控制与决策，2010，25 （12）：1857-1860.

[2]王燕莉，安世全，无线传感器网络的覆盖问题研究[J].传感技术学报，2005， 18 （02）： 307-312.