无线传感器网络中基于“k−覆盖问题”的多项式时间算法

2018-01-08王骐肖正安王怀兴

电信科学 2017年12期

关键词：边界线分界线切点

王骐，肖正安，王怀兴

无线传感器网络中基于“−覆盖问题”的多项式时间算法

王骐，肖正安，王怀兴

（湖北第二师范学院物理与机电工程学院，湖北武汉 430205）

无线传感器网络；−覆盖问题；扩展圆盘；相邻分界线；多项式时间算法

1 引言

2 基于UDG的几何图形

2.1 问题的描述

图1 −违反值和−支持值示意

2.2 圆盘的扩展

图2 大于的“2−违反”路径

同理可得定理2。

3 解决方案——多项式时间算法

3.1 子区域及其分界线

图3 子区域及其分界线

由于这段弧是由两个相邻子区域相交的公共部分，分属的两个子区域的覆盖度可能不相同，所以根据定义5来计算这段弧的覆盖度就会产生矛盾[11]。为此特做以下定义。

图4 内弧和外弧

定义7 （相邻分界线）如果两段分界线（内弧、外弧或边界线）具有公共点，那么称这两段分界线为相邻分界线。

根据定义7，由于同一段弧的内弧和外弧具有无限多个共同点，因此它们互为相邻弧。当且仅当两段分界线具有相同交点或切点时，它们互为相邻分界线，如图3所示。由于子区域可看成是由若干相邻分界线形成的，因此，这些分界线具有和子区域相同的覆盖度。

Procedure:/*计算所有的分界线，并且判定两段分界线是否为相邻分界线

input: 传感器节点集{1,2,…, s}，圆半径

output: 分界线集{1,2,…, bor}

for1 to

计算disk和所有其他圆或边界线的交点或切点

for 圆周线上的每对相邻交点或切点

定义分界线bor

划分bor为内弧和外弧

for 平面边界线上的每对相邻交点或切点

定义分界线bor

/*计算每段分界线的覆盖度

for 每段分界线bor

switch（分界线类型）

casebor为边界线的一部分

选取点poi∈bor

计算点poi的范围内传感器节点数量

casebor为一段外弧

选取点poi∈bor

计算点poi的范围内传感器节点数量，不包括poi所属圆的中心节点

casebor为一段内弧

选取点poi∈bor

计算点poi的范围内传感器节点数量，包括poi所属圆的中心节点

/*判定两段分界线是否互为相邻分界线

set 所有分界线为非相邻分界线

for 每个交点或切点poi

ifpoi为bor和bor的端点

setbor和bor为相邻分界线

end

3.2 最差k−覆盖问题

input: 边界线集合{1,2,…,},∈,∈

output: 布尔变量结果值

if()≥或() ≥

= 0

return

取消所有分界线的标记

标记/*起始于

list=

tree=

while（非空）

从链表头选取分界线

从链表删除分界线

for相邻的每段分界线

if()

标记

在树上将作为的孩子

在链表尾增加

if被标记

= 1

return

else

= 0

return

end

set/*设定搜索空间的上限值

set/*设定搜索空间的下限值

set/*设定迭代次数

for= 1 to

= (+)2

{1,2,…,}=() /*调用函数(,)计算所有的分界线

if= 1

else

end

上限值和下限值可根据平面维度以及传感器节点的密度来设定。每次迭代将使搜索空间减半，例如，如果搜索空间（||）的值为1 000，经过10次迭代可得到结果，且误差小于1。一般情况下，10～20次迭代可足以确保结果的准确性[15]。

3.3 最佳k−覆盖问题

4 仿真结果

图5 k−违反的最大值

图6 k−支持的最小值

对比图5和图6，可得到以下结论。

• 当传感器节点数量相同时，−支持的最小值要远大于−违反的最大值。可以证明，任何情况下，−支持的最小值均不会小于−违反的最大值。

5 结束语

本文分别阐述了最差和最佳−覆盖问题，并基于扩展圆盘的几何图形提出了一系列的定义和定理，将−覆盖问题转化成了寻找相邻分界线的问题，提出了解决此问题的多项式时间算法。

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Polynomial time algorithm for solving-coverageproblem in wireless sensor networks

WANG Qi, XIAO Zheng’an, WANG Huaixing

School of Physics and Electromechanical Engineering, Hubei University of Education, Wuhan 430205, China

How to solve the-coverage problem, which was divided into worst-case and best-case, inside the two-dimensional target area in wireless sensor networks was explored, and a polynomial time algorithm for solving this problem was put forward. In this algorithm, a series of definitions and theorems were proposed based on the geometric graph of growing disks, and the-coverage problem was transformed into one of finding a series of adjacent borders. The simulation results show that the algorithm could compute the optimal-breach path and-support path in polynomial time, so as to avoid or select the network coverage reasonably.

wireless sensor network,-coverage problem, growing disk, adjacent border, polynomial time algorithm

TN918.91

10.11959/j.issn.1000−0801.2017287

2017−07−20；

2017−09−30

湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目（No.T201417）

Hubei Provincial Department of Education Research Program (No.T201417)

王骐（1970−），男，博士，湖北第二师范学院物理与机电工程学院副教授，主要研究方向为无线传感器网络安全、嵌入式系统应用。