基于覆盖控制的无线传感器网络节点调度机制研究

南阳医学高等专科学校 田 肖

基于覆盖控制的无线传感器网络节点调度机制研究

南阳医学高等专科学校 田 肖

无线传感器网络是这几年新兴的一个热门研究领域，它是由大量静止或移动的传感器节点以自组织和多跳的方式构成的无线网络。目前，对无线传感器网络节点调度的研究偏向于网络能耗和网络性能折衷的WSN节点调度机制，因此，本文基于覆盖控制，从覆盖能力、网络连通、能量消耗、能耗均衡等多方面综合探索WSN节点调度。

无线传感器网络；网络能耗；网络性能；节点调度

1 引言

无线传感器网络实质是分布式系统，由于传感器在感知区域中要作为网络节点用来采集和处理感知到的数据，又要路由、发送这些数据信息，而且无线传感器网络功能单一、节点覆盖范围小、单个节点没办法独立完成复杂任务，需多个节点协同工作。目前出现的节点调度机制按照约束条件侧重点不同，有不同的实现方法。其中，基于覆盖控制的节点调度机制，是以覆盖性能为一个重要的约束条件，选择节点以优化的方式覆盖监测区域，保证监测数据的全局有效性。因此，研究无线传感器网络节点调度机制对无线传感器网络的应用有重要的实际意义。

2 WSN中的节点调度机制分析

在多目标跟踪下的节点调度机制中，WSN中随机部署的传感器节点数要远大于完成任务所须的节点数，节点调度须依据规则在众节点中找出执行任务的节点，将余节点设定为休眠状态，从而在完成感知任务的同时延长整个网络的生命期。本文主要讨论在节点位置信息未知的情况下选取工作节点完成区域覆盖。主要从以下几个方面探讨节点覆盖调度的机制。

2.1 覆盖能力

WSN最基本功能是用节点监测部署区域情况，收集数据，因而，网络覆盖能力是网络服务质量的重要指标之一，它也是衡量WSN覆盖调度是否优劣的一个首要标准。

文献[1]提出局部面向曝光的覆盖和位置发现算法，提出3个移动传感器从密集区域移动到稀疏区域的分布式协议，证明了协议的有效性。在多目标跟踪过程中，不仅需要对跟踪区域完全覆盖，还须依据实际需要改变某些区域的覆盖程度，这时覆盖算法需根据要求作相应的调整。文献[2]中的覆盖调度，能够自动地调节成与跟踪问题相匹配的高程度的覆盖。在现有多数文献中，为实现好的监测质量常采用完全覆盖，完全覆盖网络需大量节点同时工作，会造成能源浪费。因此，不一样的应用可采用不同程度覆盖。且事实上，适度的覆盖盲区是允许的。

2.2 网络连通性

网络连通性保证网络自身以无线多跳自组织方式协同工作，决定了WSN 感知、监视、传感、通信各种服务质量，也是衡量节点覆盖调度的标准。文献[3]中，根据构造连通支配集(CDS)来选择活动节点。采用CDS来选择活动节点集，来确保网络连通性。Gupta[4]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，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WSN区域。算法中节点传感区域模型是任意凸形区域，更加符合实际环境。

当前，在确保网络连通性的同时，需要增加额外的节点来维护网络的覆盖质量，从而使网络能耗增加。因此，若把覆盖程度和连通性同时考虑，会使得节点覆盖更加完善。

2.3 能量有效性

由于传感器节点能力有限、节点数量大且大多不允许节点电池更换，因此须采用控制算法减少节点的能量消耗，延长整体网络的生存时间。

Gaurav S.Kasbekar[5]等人提出了分布式无坐标的调度机制，在保证完全覆盖下，延长了网络寿命。但文献中的DLM算法有明显不足，DLM算法探测到覆盖空洞即告终止，即使大量的节点还有多的能量储备。如果将有能量储备的能量利用起来，必然会延长网络的寿命。因此，为提高节点能量利用率，文献[6]在DLM算法上进行了改进，提出一种调整感知半径的节点调度算法ASR-DLM。设置小的感知半径，对每个节点赋权。选取权值最大的感知半径为最优感知半径，达到最小感知消耗和覆盖最多交叉点的双重目标。

通过分析可知,常采用合理组织网络节点的工作状态来降低整个网络能量消耗，从而最小化能耗。

2.4 能耗负载平衡

在WSN中，若节点能耗负载过大导致节点过早死亡，使网络监控产生盲点，节点数据不能转发到基站，因此节点能耗负载平衡也是覆盖控制设计的目标之一。

袁炼勇等人[7]提出在高密度环境下能量均衡覆盖控制算法。通过引入集合论思想，将传感器节点分为若干个节点集合，每个节点集合都能单独覆盖整个传感器网络区域。根据各个集合当前平均能量设置一个调度权值β，保证任意时刻只有一个集合处于工作状态，其余节点集合全处于休眠状态，从而大大节省了节点能量，避免了不必要的冲突。

文献[8]中采用能量平衡度作为进入睡眠的决策条件。通过收集到所有邻居节点的能量值，计算出剩余能量方差D(Er)。根据D(Er)值大小来反映该节点所处区域的能量是否平衡。

目前，覆盖调度算法常采用分簇来实现节点能耗均衡。每个簇所承担的覆盖和传输任务是不均衡的，离基站近的簇承受负载大，更容易先于离基站远的簇死亡。

3 总结

根据对WSN中的节点调度机制分析研究，在下一步的工作中，作者拟对下列问题进行研究，集中体现在：(1)感知模型的完善。使用的节点感知模型没考虑传感器本身和物理环境的影响和传感器节点协同合作给网络带来的团体力量，未反映网络的实际感知能力，需进一步完善。

(2)选择节点机制的改进。在随机调度算法中，由于节点选择工作时间段的随机性而可能出现某个时间段内工作节点过于集中，必然会出现另一个时间段内节点过于分散，容易造成覆盖漏洞增大，影响网络整体覆盖质量，因此，需进一步合理组织节点完成覆盖。

能耗均衡算法改进。对于随机分布节点，达到完全能耗均衡是不可能的，因此，拟将节点剩余能量加以考虑，使网络达到次优能耗均衡。

[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]崔彦新等.无线传感器网络中一种延长寿命的覆盖算法[J].传感技术学报,2010(23)12:1772-1777.

[7]袁炼勇,武俊等.WSN中基于能量均衡的优化覆盖算法[J].计算机工程,2008,34(15):100-104.

[8]刘琳岚,郭少华,陈宇斌.无线传感器网络中节点调度算法的能量平衡研究[J].计算机工程与应用,2010,46(18):97-99.

田肖，初级职称，现供职于南阳医学高等专科学校，研究方向：云计算。