无线传感器网络覆盖控制技术综述

王广超　王振荣　杨军

【摘要】 覆盖控制是无线传感器网络的一个基本问题，可以使无线传感网络的空间资源得到优化分配，进而更好地完成环境感知、信息获取和有效传输的任务；覆盖控制决定了传感器网络对物理世界的监测性能，分析了网络覆盖技术在国内外研究的现状与发展，指出了传感器网络能量受限、规模大、动态性强，给覆盖控制的研究带来了巨大挑战。总结覆盖控制基本概念，最后提出当前亟待解决的问题，并对其未来的发展趋势进行展望。

【关键词】 无线传感器网络 覆盖控制 服务质量 覆盖度

引言

近年来，随着无线通信、传感技术、嵌入式应用和微电子技术的日趋成熟，孕育了一种新兴的信息获取技术——无线传感器网络[1]（Wireless Sensor Networks，WSN）。WSN是由部署在监测区域内大量传感器节点相互通信形成的多跳自组织网络系统，可以在任何时间、任何地点、任何环境条件下获取人们所需信息，它在军事、环境监测、智能家居、工业控制、城市交通和现代农业等方面都有重要的研究意义和使用价值。

覆盖控制作为传感器网络的一个基本问题，是衡量传感器网络监测性能的重要指标之一优化网络部署以提高覆盖对于合理分配网络的空间资源，保证服务质量（QoS， quality of service），更好地完成环境感知、信息获取以及延长网络的生存时间都具有重要的意义。

近年来，已有一些文章对WSN覆盖控制方面做过综述，但国内外学者对WSN优化覆盖控制取得新的进展。本文综述了近年来在这一领域取得的研究成果。

第1节简要回顾分析WSN的概述；在第2节中对现有覆盖控制技术国内外研究现状进行了详细分析；第3节中对覆盖控制技术基本概念阐述；第4节分析了WSN覆盖控制问题面临的挑战和该领域亟待解决的问题；第5节进行了总结和展望。

一、无线传感网络概述

無线传感器网络作为一个全新的研究领域，在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。无线传感器网络已经成为一个十分重要和非常热烈的新的研究领域。近年来，国内外开展了大量研究，取得了很多研究成果[2]。

无线传感器网络是指部署在监测区域里的大量微型传感器节点通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络，节点之间通过协作方式对网络覆盖区域内被监测对象的信息进行感知、采集和处理，并将有效数据发送到数据收集节点（sack node）或基站（ base station），最后，再传送到用户终端。从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。WSNs被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一[3]。

二、覆盖控制技术国内外研究现状

近年来，一些国内外学者开展了传感器网络覆盖控制方面的探索性研究，陆续在IEEE 系列会议（如INFOCOM，GLOBECOM，ICC，SECON 等）、ACM 传感器网络相关会议（MOBICOM，SENSYS 等）发表了一系列前沿的研究成果。根据不同的性质覆盖控制问题可以划分为不同的类型（如，静态覆盖和动态覆盖、确定性覆盖和随机性覆盖）。

覆盖控制技术是无线传感器网络中的关键技术，其本质就是在给定节点数目的前提下如何最大化物理环境覆盖感知区域或者如何用尽量少的节点达到预期给定的覆盖质量和要求。

Veltri等人在文献[4]中提出了覆盖控制算法NSS （Node Self-Scheduling），算法中通过轮换“活跃”和“睡眠”节点，可以有效地延长网络生存时问，该算法采用周期性节点轮换的工作机制，每个周期由状态调度阶段和工作阶段组成。

Zhang等人在文献[5]设计了一种分布式的最优地理密度控制算法OGDC （ Optimal Geographical Density Control ），讨论了如何使用最少数量的节点，来保持无线传感器网络的覆盖质量以及维持网络的连通性。算法给出了两个判定条件：首先给出了通信半径大于或等于2倍的覆盖半径RS（RC≥2RS）的条件下，只要保证完全覆盖就可以保证网络区域的连通性。其次，又给出了完全覆盖的最少节点数量的充要条件：网络中任意3个相邻节点都要构成一个以它们为顶点，边长为行的等边三角形。

Ye等人在文献[6]中提出了基于探测的密度控制算法PEAS （Probing Environment and Adaptive Sleeping）。 PEAS算法通过关闭冗余节点的方法来节省能量。它的显著优点是节点不需要保存任何相邻节点的信息，无须先获知节点的地理位置信息。体眠节点醒来后只需探测周围一定区域RP内是否存在工作节点来决定本节点是否需要工作。

Gupta等人在文献[7]中设计的CSCSO算法（Connected Sensor Cover Self Organization）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接路径覆盖及确定性区域/点覆盖类型。当管理端向无线传感器网络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网络区域。

任秀丽等人在文献[8]提出一个分布的、与节点位置无关的无线传感器网络覆盖控制算法（ a Location Independent Coverage Control Algorithm for Wireless Sensor Networks， LICA）。L ICA 采用基于节点分层成簇的思想，节点与邻居交换信息，并通过节点距离与覆盖模型找出覆盖节点。在保证覆盖性能的前提下，关闭覆盖节点的通信设备。LICA 算法不仅可以提供高质量的覆盖性能，而且具有良好的节能性能，特别适合低成本、资源缺乏、工作在恶劣环境中的分布式无线传感器网络。

王换招等人在文献[9]分析了实际环境中随机部署传感器网络的感知特性，给出了节点感知半径服从正态分布的无须地理位置信息的节点冗余度计算模型，以及保证网络覆盖质量所需要的最少工作节点数的计算模型。在此模型的基础上，提出了高效节能的无线传感器网络覆盖保持协议（energy efficient coverage conserving protocol，简称EECCP），实现了均衡节点能量消耗的分布式协作调度，该协议保留最少的工作节点以保证要求的覆盖质量，从而达到节约网络能量的目的。EECCP 不仅能够保证要求的覆盖质量，而且能够减少网络能量消耗，有效地延长了网络的有效寿命。

赵春江等人在文献[10]提出了一种基于Voronoi 有效覆盖区域的空洞侦测修复策略。该策略以满足一定网络区域覆盖质量为前提，在空洞区域内合理增加工作节点以提高网络覆盖率为优化目标，采用几何图形向量方法对节点感知范围和Voronoi 多边形的位置特性进行理论分析，力求较准确地计算出空洞面积，找寻最佳空洞修复位置，部署较少的工作节点保证整个网络的连通性。

该策略能有效地减少网络总节点个数和感知重叠区域，控制网络中冗余节点的存在，同时其收敛速度较快，能够获得比现有算法更高的目标区域空洞修复率，实现网络覆盖控制优化。

三、覆盖控制技术基本概念

覆盖控制技术通过传感器网络节点放置以及路由选择等手段使得部署在传感器网络中的各个节点相互协作，从而达到对目标监测区域的感知和管理，在达到预期覆盖要求的同时，尽可能地降低传感器节点的能量消耗，从而延长网络生存时间。

目前在传感器网络覆盖问题的研究中，经常涉及到邻居节点，覆盖度、覆盖重数、覆盖效率、覆盖时间等基本概念。

3.1邻居节点

在节点的传感范围内的节点，在传感范围内相邻的两个节点一般会相交或相切，即通过相邻的节点在传感范围内连接起来，这样才能完全覆盖被检测区域。

3.2覆盖度

节点覆盖的总面积与目标区域总面积的比值。其中節点覆盖的总面积取集合概念中的并集，所以覆盖程度一般是小于或等于1的。

其中P代表覆盖程度，Ai表示第i个节点的覆盖面积，N代表节点的数目，A表示整个目标区域的面积。

3.3覆盖重数

如果监测区域中的每一点至少被K个传感器所覆盖，则称为K重覆盖问题。覆盖重数表示某个区域的覆盖的冗余程度，如果这个区域在K个节点的传感覆盖范围之内，那么它的覆盖重数就是K。

，

这里KA表示A区域的覆盖重数，Ai节点i传感范围，Ki表示第i个节点传感范围是否覆盖A区域，覆盖时Ki为1，否则为0。

3.4覆盖效率

覆盖效率是衡量节点覆盖范围的利用率，用来反映整个网络能量的消耗情况。定义为所有节点的有效覆盖范围的并集与所有节点覆盖范围之和的比值。

其中CE代表覆盖效率，Ai表示第i个节点的覆盖面积，N代表节点的数目。

3.5覆盖时间

目标区域被完全覆盖或者跟踪时，所有工作节点从启动到就绪所需要的时间（在有移动节点的覆盖中是指移动节点移动到最终位置所需要的时间）。覆盖时间在营救或者突发事件监测中是一个很重要的节点覆盖衡量指标，可以通过算法优化和改进硬件设施来减少覆盖时间。

四、覆盖控制技术面临的问题与挑战

4.1感知模型种类改进

目前，己有的节点感知模型均为理想模型，并未考虑到实际应用中存在于无线通信信道中的信号干扰、障碍物以及监测区域内的天气影响等要素，因此针对无线传感器网络的实际应用需要对于节点感知模型的种类进行改进，达到更好的效果。

4.2提供移动性的支持

目前，传感器网络覆盖控制算法和协议大都假定传感节点是静态的。对于战场、救援等复杂应用场景，如何通过引入移动节点建立静态节点与移动节点、多个移动节点之间的协作感知，以及对热点区域或移动目标的持续性跟踪覆盖，仍将是今后关注的一个研究问题。

4.3三维空间的覆盖控制

目前，无线传感器网络覆盖控制的研究是针对二维空间展开的，然而，在实际应用中传感器节点的感知多数是在三维空间中进行的。因此，对于三维空间的无线传感器网络覆盖控制可以作为进一步的研究工作。

4.4存在障碍物的覆盖控制

目前的研究仅考虑到监测区域内存在的“热点区域”，没有考虑障碍物的存在对无线传感器网络覆盖控制的影响，这种假设是与实际应用有所偏差的。因此，对于区域内存在障碍物的网络覆盖控制是值得进一步研究的。

4.5大规模网络覆盖控制

在一些特定的应用场合，如军事侦查、生态环境监测等，节点通常是通过高空抛洒方式高密度、大面积的随机部署，因此会产生许多冗余节点。该问题可以通过加入部分可移动节点，节点布撒后，根据获取的地域信息，动态改变网络拓扑结构，同时结合现己有节点调度策略，实现大规模网络的覆盖控制算法更为复杂。

五、总结展望

覆盖控制作为体现传感器网络服务质量的主要指标之一，覆盖控制理论及方法的研究近年来得到国内外研究学者的广泛关注。本文综述了无线传感器网络覆盖控制领域积累的国内外新近的研究现状，并指出当前亟待解决的问题和进一步的研究方向，期望本文的介绍能够推动同行学者对这一领域的关注与研究。