无线传感网络中有向性传感节点的覆盖问题

摘 要:覆盖问题是无线传感网中最根本的问题之一，它在很大程度上影响到传感的质量。目前有关覆盖问题的研究大多集中于探讨全向性传感节点的覆盖问题，这些方法并不适用于如视频传感这类方向性的传感节点。提出了一个新的(k,ω)布薪歉哺俏侍猓探讨有向性的传感节点的覆盖问题，为了用最少的传感节点(k,ω)布薪歉哺撬有的目标，提出了一个贪心算法来解决这个问题。另外还提出了三个贡献度函数用于计算每个位置的贡献度，算法根据每个位置所提供的贡献度来决定传感节点的部署位置。仿真结果显示了算法的特性和性能的提升。

ス丶词:

无线传感网络；有向性传感器；贡献度；贪心算法

ブ型挤掷嗪: TP393.1 文献标志码:A

Abstract: Coverage problem is one of the most fundamental problems in Wireless Sensor Networks (WSN) since it reflects the sensing quality. The present studies mostly concentrate on omnidirectional sensors which is not suitable in many applications such as video surveillance systems consisting of directional video sensors. This paper proposed a new (k,ω)angle coverage problem which study directional sensors deployment. The goal was to deploy minimal number of sensors to kangle cover all the targets. It presented a greedy algorithm to solve this problem. For this algorithm, it defined three contribution functions to determine the location to deploy sensor. The proposed method greedily selected a maximal contribution location to deploy a sensor until the entire targets were kangle covered. The simulation results exhibit the characteristic and performance of this algorithm.

Key words: Wireless Sensor Network (WSN); directional sensor; contribution; greedy algorithm

0 引言

近年来由于半导体、微电子以及无线通信技术的飞速发展，无线传感网络成为研究热点。其中覆盖问题是重要的研究课题，因为它直接影响到传感质量和网络建造成本。目前已经提出了许多覆盖问题，如圆覆盖、区域覆盖、对象覆盖、节能覆盖、障碍覆盖等。

П疚奶教至艘桓鲂碌母哺俏侍猓称之为(k,ω)布薪歉哺俏侍狻U饫k是一个整数，ω是传感节点间的覆盖夹角。和以前的研究认为传感节点能覆盖360°角相比，这里假设每个传感节点仅能监控一个有特定角度的扇形区域。为了清晰地监控一个目标，必须同时安装至少k个传感节点以便从多个角度进行监控，而这些节点间需满足一定的夹角限制。オ

1 相关研究

г谖尴叽感网络中，覆盖被看作是对感知质量的一个度量。文献[1]定义了一个感知质量度量单位，使用Delaunay三角化和Voronoi图来决定最佳性能覆盖和最坏性能覆盖，提出了一个最优多项式时间算法解决这个问题。文献[2]把覆盖问题看做是一个判定问题，对于一定数量的传感节点，问题是确定感知区域内每个位置是否至少被k个传感节点覆盖。文献[3]研究了集合k哺哺俏侍猓把传感节点分成k个集合，让这些集合轮流覆盖感知区域以延长网络寿命，提出了一个随机分布式贪心算法和一个集中式贪心算法来解决这个问题。文献[4]提出了障碍覆盖问题，通过至少k个传感节点来探测穿越传感节点盲区的入侵者，提出了一个算法来决定一个区域是否是k舱习覆盖，并且提出了最优部署模式。文献[5]把传感节点随机分布在监控区域，问题是寻找一个方法来获得最大寿命和满足k哺哺窃际，提出了一个整数线性规划算法决定最大寿命。文献[6]提出了三种算法来重定位移动节点，以便基于由移动传感节点产生的Voronoi图来覆盖感知区域，传感节点用Voronoi图来探测覆盖漏洞，然后移动传感节点来填补这些漏洞，来达到整个区域的覆盖。所有这些研究都假设传感节点的感知范围是全向性的，实际应用并非都是如此，比如视频监控系统中传感节点就是有向性的。

最近也有一些研究开始讨论有向性传感节点的覆盖问题。这些研究工作假设一个传感节点的感知范围是一个扇形而非一个完整的圆，这样的感知模型更适合有向性传感节点。文献[7]通过计算确定随机部署的传感节点的方向来实现用最少传感节点实现最大覆盖，证明这个问题是NP完全问题，提出了一个整数线性规划公式和一个分布式近似算法来解决这个问题。文献[8]提出了有向性传感节点的连通性和区域覆盖问题，提出了一个贪心算法解决这个问题。虽然这些研究探讨的是方向性的传感节点，但并没有考虑传感节点间覆盖夹角对感知质量所造成的影响。例如，两个视频传感节点的夹角接近，它们感知的数据就会有很多重复的，如果增大夹角，两个传感节点能提供更多的信息。本文意在说明和探讨这种影响，并且提出一个贪心算法来利用这个特性提升网络的整体性能。

2 问题形式化定义

Ц定一个有l个传感节点的集合S={s1,s2,…,sl}，有m个目标的集合T={t1,t2,…,tm}，和有n个障碍物的集合O={o1,o2,…,on}，在二维区域A里，有q个虚拟网格点组成的集合P={p1,p2,…,pq}，传感节点和目标只能放在这些网格点上，目标和障碍物的位置已知。传感节点感知的范围是有向性的，每个传感节点只能覆盖一个2θ角的范围，每个传感节点si能旋转到任意方向αi∈［0,2π］，覆盖半径为ri夹角从αi-θ到αi+θ的扇形区域。如图1(a)所示，目标tj被si覆盖，但tk不被si覆盖。オ

当监控一个对象时，从多个角度来观察能更清晰准确地捕捉它的行为，图1(b)显示了从三个角度监控目标tj的情况。б蛭传感节点之间有合适的夹角，所以能从不同方向提取对象更完整的特征。

定理1 Ф杂谌魏si∈S和tj∈T，si和tj间距离用dis(si,tj)表示，si位置到tj位置的向量用sitj表示，sitj的方向用dir(sitj)表示，对于感知方向为αi的si，如果dis(si,tj)≤ri并且-θ≤dir(sitj)-αi≤θ，则称si夹角覆盖tj。