史晶

摘 要：若要实现网络覆盖控制，需要优化传感器节点布置方式，实现经济成本最小化。文章分析了混合无线传感器网络覆盖控制的重要性，针对网络覆盖控制提出了混合网络双重漏洞修复算法，通过实验验证了算法的可行性和适用性。

关键词：网络覆盖;节点;双重漏洞修复算法

1 无线传感器网络覆盖概述

1.1 无线传感器网络

无线传感器网络就好比身体的皮肤，在皮肤上分布了大量的传感器，通过神经系统将这些传感器连接在一起组成了一个网络系统，通过传感器反馈来感知身体表面的温度变化和其他情况的变化。因为需求的关系，某些节点还有定位模块、运动或执行机构、电源再生模块等其他更强大的功能。

1.2 无线传感器网络覆盖技术

在实际工作中，为了保证信息的完整性和有效性，单个传感器节点往往满足不了庞大的工作，只有大规模的传感器节点互相协作才能实现对物理世界信息的获取。无线网络覆盖是通过对传感器节点分布和设置进行有效的调度和部署来实现，对工作区域的覆盖度是能否完成任务的重要因素。

在设计无线传感器网络时，为了达到对物理世界信息的获取，需要保证传感器网络的质量，所以在设置之初就要考虑在复杂情况下的不同应对措施。首先，要有对工作区域布置传感器节点的规划，但在实际操作时可能受到外界环境或者操作的影响造成与规划不符的情况，导致传感器网络节点覆盖不合理。其次，对于之前覆盖的节点进行合理调整。个别传感器节点可能存在损坏或者不在网络中，要对其进行修复和调整。再次，在网络运行之后，后台会对节点的部署进行运行反馈，如果传感器节点存在能量不足或者数量不够而陷入无法工作的状态，这时无线网络覆盖技术就会发挥作用，对接点进行覆盖控制。因此对于网络节点的覆盖控制性能和如何提高覆盖性能变得尤为重要。

1.3 无线传感器网络覆盖问题

工作区域实施覆盖控制的目的是通过对传感器节点的分布设置减少区域内的盲区和网络中冗余的节点布置，从而实现对检测区域或者对检测对象物理信息的获取和精确感知[1]。

1.3.1 节点类型分类

（1）静态覆盖。

通常情况下，传感器节点一旦被部署就不会改变其位置信息，这叫做静态部署。工作原理是通过唤醒其他位置上的节点，如果其他节点处于休眠，随即唤醒对应的工作节点集合，使休眠的节点对应非工作状态集合，实现两个集合动态变化，这样在网络覆盖连通性和节能之间取得平衡，其关键点就是找到两个集合不相交的集合点。

（2）动态覆盖。

动态覆盖存在的意义是，如果密集部署节点，各节点之间可以实现很好的连通性，但是当节点瘫痪时，由于静态节点只能修复相对较小的覆盖区域，此时问题的关键就是如何调节节点位置保证覆盖的连通性和避免漏洞。使用动态部署增加节点的数量实现增量式节点部署就是逐个的部署节点[2]。

1.4 无线传感网络覆盖性能评价指标

准确评价和衡量覆盖控制策略性能、可用性和有效性，从而使传感器节点的感知和服务质量提高，可以使节点能量有效发挥，去掉冗余的节点，使无线网络生存周期延长。可从以下几个方面判断：①覆盖能力;②网络连通性;③能量保障;④控制計算精确;⑤算法复杂程度;⑥算法策略实施;⑦网络扩展性;⑧网络动态和兼容性。

2   基于混合网络的覆盖漏洞双重修复算法

静态节点只能修复较小的区域，动态节点即如果苏醒节点探测到处于簇头状态的邻居节点大于3个，所组成的三角形集合的边大于R则进入簇头状态。

2.1 建立网络模型

假设将节点部署在二维平面上进行随机分布，设置S为多个阶段的集合，将任意节点设为Sk采用布尔感知模型。Sk的簇内节点，Sk的邻居节点、Sk的二跳邻居节点分别满足公式1，2，3。

2.2 混合网络的双重漏洞修复算法

2.2.1 静态节点修复

DRA算法针对漏洞修复的步骤是：①假设任意节点苏醒后发现簇头状态的邻居节点数少于3个，那么该节点将进入簇头状态;②如果苏醒节点探测到处于簇头状态的邻居节点大于3个，而且组成的三角形集合的边大于R则进入簇头状态;③如果苏醒节点探测到处于簇头状态的邻居节点大于3个，而且组成的三角形集合的边小于R则进入休眠状态;④如果以上3个条件据均不满足，选择任意3个簇头状态的邻居节点，根据公式判定节点是休眠还是簇头状态。三角形漏洞修复流程如图1所示。

2.2.2 动态节点修复

当某个节点失效或者覆盖面积较小时，可以利用静态节点三角理论进行漏洞修复，但是如果覆盖漏洞面积较大时就很难对其修复。这时就要借助Improved DRMC算法来判断是否是漏洞节点[3]。具体流程如图2所示。

2.2.3 利用IDRMC算法进行双重修复

如上文所述，因为节点状态不同，在漏洞修复算法上也要有区别。在静态节点状态时运用三角修复策略，动态节点采用IDRMC算法计算节点位置进行修复。

根据节点的特殊性，利用IDRMC算法得出的节点位置，节点如果超出了覆盖区域，此时不予修复漏洞;当孤立节点如果有二跳邻居点，选择两个节点中间位置部署移动节点，如果无二跳邻居节点，则需要添加一个移动节点与之相切。

如果静态节点较多，可以选择休眠机制进行三角修复。如果数量较少或节点瘫痪较多，先用EEHR对部分节点进行休眠，再利用IDRMC算法进行漏洞修复。

2.3 仿真实验与分析

本实验从系数部署的性能和密集部署的性能进行分析，利用布尔感知模型将节点布置在二维平面上，通过MATLAB 2012来实现。实验参数设置区域是150 m×150 m，感知半径RS=10 m，通信半径是Rt=2RS=20 m。

2.3.1 对稀疏部署性能的分析

从覆盖性能进行对比。通过实验数据分析和效果图呈现，当移动节点在稀疏部署节点时，其覆盖性能优于静态节点。但是当移动节点部署达到一定数量时，会出现节点重合现象，就失去了经济适用性。

从连通性进行对比。通过数据分析和连通图的对比，在稀疏部署时，移动节点的连通性和通信能力优于静态节点。

2.3.2 对密集部署的性能分析

实验中设置节点数量上选择相同的节点个数，通过实验数据和效果图对比，验证了在密集部署时静态节点通过三角形修复漏洞效果良好，就无需使用动态节点修复，大大节约了经济成本。

3 结语

通过分析了解到无线传感器网络覆盖存在的问题，提出解决算法既双重漏洞修复算法，利用仿真实验对覆盖性能进行有效分析并得出相应的结果，验证了双重漏洞修复算法的可行性。

[参考文献]

[1]郑鑫，程宗毛.无线传感器网络覆盖率优化算法[J].新型工业化.2020（7）：6-8.

[2]高亚玲.混合型无线传感器网络覆盖空洞修复算法研究分析[J].电子设计工程.2020（9）：121-125.

[3]坎香.无线传感网络及其覆盖问题[J].电子技术与软件工程.2018（22）：21-22.

（编辑 何 琳）