基于覆蓋控制的無線傳感器網絡節(jié)點調度機制研究

南陽醫(yī)學高等專科學校 田 肖

基于覆蓋控制的無線傳感器網絡節(jié)點調度機制研究

南陽醫(yī)學高等?？茖W校 田 肖

無線傳感器網絡是這幾年新興的一個熱門研究領域，它是由大量靜止或移動的傳感器節(jié)點以自組織和多跳的方式構成的無線網絡。目前，對無線傳感器網絡節(jié)點調度的研究偏向于網絡能耗和網絡性能折衷的WSN節(jié)點調度機制，因此，本文基于覆蓋控制，從覆蓋能力、網絡連通、能量消耗、能耗均衡等多方面綜合探索WSN節(jié)點調度。

無線傳感器網絡；網絡能耗；網絡性能；節(jié)點調度

1 引言

無線傳感器網絡實質是分布式系統(tǒng)，由于傳感器在感知區(qū)域中要作為網絡節(jié)點用來采集和處理感知到的數(shù)據，又要路由、發(fā)送這些數(shù)據信息，而且無線傳感器網絡功能單一、節(jié)點覆蓋范圍小、單個節(jié)點沒辦法獨立完成復雜任務，需多個節(jié)點協(xié)同工作。目前出現(xiàn)的節(jié)點調度機制按照約束條件側重點不同，有不同的實現(xiàn)方法。其中，基于覆蓋控制的節(jié)點調度機制，是以覆蓋性能為一個重要的約束條件，選擇節(jié)點以優(yōu)化的方式覆蓋監(jiān)測區(qū)域，保證監(jiān)測數(shù)據的全局有效性。因此，研究無線傳感器網絡節(jié)點調度機制對無線傳感器網絡的應用有重要的實際意義。

2 WSN中的節(jié)點調度機制分析

在多目標跟蹤下的節(jié)點調度機制中，WSN中隨機部署的傳感器節(jié)點數(shù)要遠大于完成任務所須的節(jié)點數(shù)，節(jié)點調度須依據規(guī)則在眾節(jié)點中找出執(zhí)行任務的節(jié)點，將余節(jié)點設定為休眠狀態(tài)，從而在完成感知任務的同時延長整個網絡的生命期。本文主要討論在節(jié)點位置信息未知的情況下選取工作節(jié)點完成區(qū)域覆蓋。主要從以下幾個方面探討節(jié)點覆蓋調度的機制。

2.1 覆蓋能力

WSN最基本功能是用節(jié)點監(jiān)測部署區(qū)域情況，收集數(shù)據，因而，網絡覆蓋能力是網絡服務質量的重要指標之一，它也是衡量WSN覆蓋調度是否優(yōu)劣的一個首要標準。

文獻[1]提出局部面向曝光的覆蓋和位置發(fā)現(xiàn)算法，提出3個移動傳感器從密集區(qū)域移動到稀疏區(qū)域的分布式協(xié)議，證明了協(xié)議的有效性。在多目標跟蹤過程中，不僅需要對跟蹤區(qū)域完全覆蓋，還須依據實際需要改變某些區(qū)域的覆蓋程度，這時覆蓋算法需根據要求作相應的調整。文獻[2]中的覆蓋調度，能夠自動地調節(jié)成與跟蹤問題相匹配的高程度的覆蓋。在現(xiàn)有多數(shù)文獻中，為實現(xiàn)好的監(jiān)測質量常采用完全覆蓋，完全覆蓋網絡需大量節(jié)點同時工作，會造成能源浪費。因此，不一樣的應用可采用不同程度覆蓋。且事實上，適度的覆蓋盲區(qū)是允許的。

2.2 網絡連通性

網絡連通性保證網絡自身以無線多跳自組織方式協(xié)同工作，決定了WSN 感知、監(jiān)視、傳感、通信各種服務質量，也是衡量節(jié)點覆蓋調度的標準。文獻[3]中，根據構造連通支配集(CDS)來選擇活動節(jié)點。采用CDS來選擇活動節(jié)點集，來確保網絡連通性。Gupta[4]通過選擇連通的傳感器節(jié)點路徑來得到最大化的網絡覆蓋效果，連通傳感器覆蓋的目標是：選擇最小的連通傳感器節(jié)點集合并充分覆蓋WSN區(qū)域。算法中節(jié)點傳感區(qū)域模型是任意凸形區(qū)域，更加符合實際環(huán)境。

當前，在確保網絡連通性的同時，需要增加額外的節(jié)點來維護網絡的覆蓋質量，從而使網絡能耗增加。因此，若把覆蓋程度和連通性同時考慮，會使得節(jié)點覆蓋更加完善。

2.3 能量有效性

由于傳感器節(jié)點能力有限、節(jié)點數(shù)量大且大多不允許節(jié)點電池更換，因此須采用控制算法減少節(jié)點的能量消耗，延長整體網絡的生存時間。

Gaurav S.Kasbekar[5]等人提出了分布式無坐標的調度機制，在保證完全覆蓋下，延長了網絡壽命。但文獻中的DLM算法有明顯不足，DLM算法探測到覆蓋空洞即告終止，即使大量的節(jié)點還有多的能量儲備。如果將有能量儲備的能量利用起來，必然會延長網絡的壽命。因此，為提高節(jié)點能量利用率，文獻[6]在DLM算法上進行了改進，提出一種調整感知半徑的節(jié)點調度算法ASR-DLM。設置小的感知半徑，對每個節(jié)點賦權。選取權值最大的感知半徑為最優(yōu)感知半徑，達到最小感知消耗和覆蓋最多交叉點的雙重目標。

通過分析可知,常采用合理組織網絡節(jié)點的工作狀態(tài)來降低整個網絡能量消耗，從而最小化能耗。

2.4 能耗負載平衡

在WSN中，若節(jié)點能耗負載過大導致節(jié)點過早死亡，使網絡監(jiān)控產生盲點，節(jié)點數(shù)據不能轉發(fā)到基站，因此節(jié)點能耗負載平衡也是覆蓋控制設計的目標之一。

袁煉勇等人[7]提出在高密度環(huán)境下能量均衡覆蓋控制算法。通過引入集合論思想，將傳感器節(jié)點分為若干個節(jié)點集合，每個節(jié)點集合都能單獨覆蓋整個傳感器網絡區(qū)域。根據各個集合當前平均能量設置一個調度權值β，保證任意時刻只有一個集合處于工作狀態(tài)，其余節(jié)點集合全處于休眠狀態(tài)，從而大大節(jié)省了節(jié)點能量，避免了不必要的沖突。

文獻[8]中采用能量平衡度作為進入睡眠的決策條件。通過收集到所有鄰居節(jié)點的能量值，計算出剩余能量方差D(Er)。根據D(Er)值大小來反映該節(jié)點所處區(qū)域的能量是否平衡。

目前，覆蓋調度算法常采用分簇來實現(xiàn)節(jié)點能耗均衡。每個簇所承擔的覆蓋和傳輸任務是不均衡的，離基站近的簇承受負載大，更容易先于離基站遠的簇死亡。

3 總結

根據對WSN中的節(jié)點調度機制分析研究，在下一步的工作中，作者擬對下列問題進行研究，集中體現(xiàn)在：(1)感知模型的完善。使用的節(jié)點感知模型沒考慮傳感器本身和物理環(huán)境的影響和傳感器節(jié)點協(xié)同合作給網絡帶來的團體力量，未反映網絡的實際感知能力，需進一步完善。

(2)選擇節(jié)點機制的改進。在隨機調度算法中，由于節(jié)點選擇工作時間段的隨機性而可能出現(xiàn)某個時間段內工作節(jié)點過于集中，必然會出現(xiàn)另一個時間段內節(jié)點過于分散，容易造成覆蓋漏洞增大，影響網絡整體覆蓋質量，因此，需進一步合理組織節(jié)點完成覆蓋。

能耗均衡算法改進。對于隨機分布節(jié)點，達到完全能耗均衡是不可能的，因此，擬將節(jié)點剩余能量加以考慮，使網絡達到次優(yōu)能耗均衡。

[1]Meguerdichian S,Slijepcevic S,Karayan V,et al.Localized algorithms in wireless Ad-hoc networks:location discovery and sensor exposure[A].In ACM Int’l Symp.on Mobile Ad Hoc Networking and Computing[C].2001:106-116.

[2]Li D,Wong K,Hu Y H,et al.Detection,classification and tracking of targets in distributed sensor networks[J].IEEE Signal Processing Magazine,2002,19(2):17-29.

[3]Wang Yu,WangWeizhao,Li Xiangyang.Efficient distributed low-cost backbone information for wireless networks[C].// Proceedings of the 6th ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing,2005:2-13.

[4]Gupta H,Das SR,Gu Q.Connected sensor cover:Self-Organization of sensor networks for efficient query execution.In:Gerla M,ed.Proc.of the ACM Int’l Symp.on Mobile Ad Hoc Networking and Computing(MobiHOC).New York:ACM Press,2003:189-200.

[5]Kasbekar G,Bejerano Y,Sarkar S.Lifetime and Coverage Guarantees Through Distributed Coordinate-Free Sensor Activation[C].//Proceeding of the 15th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking MobiCom 09.Beijing:ACM Press,2009:169-180.

[6]崔彥新等.無線傳感器網絡中一種延長壽命的覆蓋算法[J].傳感技術學報,2010(23)12:1772-1777.

[7]袁煉勇,武俊等.WSN中基于能量均衡的優(yōu)化覆蓋算法[J].計算機工程,2008,34(15):100-104.

[8]劉琳嵐,郭少華,陳宇斌.無線傳感器網絡中節(jié)點調度算法的能量平衡研究[J].計算機工程與應用,2010,46(18):97-99.

田肖，初級職稱，現(xiàn)供職于南陽醫(yī)學高等?？茖W校，研究方向：云計算。