0 引言

    目前，隨著無(wú)線通信、片上系統(tǒng)、嵌入式技術(shù)和信息處理技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。WSN是信息技術(shù)的一個(gè)新領(lǐng)域，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于智能交通、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。

    WSN由多個(gè)低功耗且能量有限的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都有感知能力^[1]。節(jié)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和感知環(huán)境信息，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理后再傳輸給用戶。為了能夠從環(huán)境中收集完整的數(shù)據(jù)，就必須考慮網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的問(wèn)題。

    網(wǎng)絡(luò)覆蓋率問(wèn)題是指用最少的傳感器節(jié)點(diǎn)最大化地感知區(qū)域。傳感器節(jié)點(diǎn)的覆蓋率決定了該節(jié)點(diǎn)能否對(duì)特定的環(huán)境進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。一個(gè)WSN能夠成功運(yùn)行，有效的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率是必須的。目前區(qū)域覆蓋^[2]是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)之一，是解決給定區(qū)域內(nèi)的全覆蓋監(jiān)測(cè)，該區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)點(diǎn)都應(yīng)該在至少一個(gè)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)的感知范圍內(nèi)。

1 相關(guān)研究

    在網(wǎng)絡(luò)生命周期內(nèi)，為了節(jié)省能量，活動(dòng)的傳感器節(jié)點(diǎn)要盡可能少；另外，覆蓋區(qū)域的重疊部分也應(yīng)該盡可能減小。在WSN中，由于需要確定哪些節(jié)點(diǎn)是活動(dòng)的，覆蓋率問(wèn)題變得有些復(fù)雜。有很多研究都在著力解決覆蓋率的問(wèn)題，研究者們?yōu)榇颂岢隽烁鞣N各樣的解決方法。

    有文章提出基于魚群算法^[3]、遺傳算法^[4]、蟻群算法^[5]等進(jìn)行覆蓋率的優(yōu)化，這些算法通過(guò)搜索的方式對(duì)覆蓋率問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，雖然搜索能力增強(qiáng)，但是存在求解過(guò)程比較復(fù)雜、收斂速度比較慢、未考慮節(jié)點(diǎn)能量損耗等缺點(diǎn)。也有文獻(xiàn)提出基于概率統(tǒng)計(jì)的算法，如ε覆蓋算法^[6]，根據(jù)兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)概率統(tǒng)計(jì)關(guān)系，將無(wú)限點(diǎn)的區(qū)域覆蓋轉(zhuǎn)為有限的點(diǎn)覆蓋，保證任意目標(biāo)點(diǎn)的覆蓋率不低于ε。但是算法沒(méi)有均衡節(jié)點(diǎn)間的能量損耗，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)生命周期短，節(jié)能性差。

2 基于能量感知的覆蓋算法

2.1 問(wèn)題描述

    在WSN中，傳感器節(jié)點(diǎn)需要完成從環(huán)境中感知數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)并跟其他節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)等多個(gè)任務(wù)，所有這些任務(wù)都需要消耗節(jié)點(diǎn)能量。因此，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量是算法中重點(diǎn)考慮的問(wèn)題^[7]。

    該算法將傳感器節(jié)點(diǎn)置于三種不同的模式：活動(dòng)、偵聽和睡眠。在活動(dòng)模式，節(jié)點(diǎn)需要執(zhí)行處理、感知和通信三種任務(wù)，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入活動(dòng)模式后，它的感知單元即上電了，然后傳感器節(jié)點(diǎn)開始正常工作。相應(yīng)的，處理單元和通信單元也都處于上電狀態(tài)。偵聽模式是傳感器節(jié)點(diǎn)被布設(shè)后的初始狀態(tài)，此時(shí)僅通信單元處于上電模式，感知和處理單元都被關(guān)閉，直到從簇頭接收到消息，才會(huì)轉(zhuǎn)換為其他模式。在睡眠模式中，不執(zhí)行任何任務(wù)，傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)關(guān)閉大部分功能單元，只有傳感器的傳輸模塊處于上電狀態(tài)，以便對(duì)從簇頭接收到的報(bào)文及時(shí)作出響應(yīng)。

    傳感器節(jié)點(diǎn)的大部分能量都是在活動(dòng)模式下消耗的；偵聽模式對(duì)能量的消耗比活動(dòng)模式要低；睡眠模式最節(jié)省能量。因此，為了使傳感器節(jié)點(diǎn)的生命周期最大化，節(jié)點(diǎn)應(yīng)該在大部分時(shí)間里處于睡眠模式。

    針對(duì)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，為了保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋率并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，提出一種基于能量感知的區(qū)域覆蓋算法。該算法中，簇頭根據(jù)覆蓋區(qū)域和各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量，在本簇中選定活動(dòng)節(jié)點(diǎn)，優(yōu)化活動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。

2.2 網(wǎng)絡(luò)模型

    假設(shè)一個(gè)分簇式WSN的監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)槎S平面，在該區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署M個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。所有傳感器節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)已知，都由一個(gè)ID進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)。

    假設(shè)節(jié)點(diǎn)感知域和通信域都是圓形的。以節(jié)點(diǎn)i為圓心，傳感器的感知半徑為r，通信半徑為R_c，此處取R_c=2r。對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)i和j，d(i，j)代表兩節(jié)點(diǎn)間的歐幾里得距離。當(dāng)d(i，j)≤2r時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)i和j為感知鄰節(jié)點(diǎn)。

    圖1為傳感器節(jié)點(diǎn)模型，實(shí)線圓代表傳感器節(jié)點(diǎn)的感知域，虛線圓代表通信域。對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)i和j，由于d(i，j)=r，滿足d(i，j)≤2r，因此i和j是感知鄰節(jié)點(diǎn)。類似的，k和l也是傳感器節(jié)點(diǎn)i的感知鄰節(jié)點(diǎn)，而m由于不滿足上述條件，不屬于其感知鄰節(jié)點(diǎn)。

    在一個(gè)簇中，節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)是由簇頭確定的^[8]。簇中的傳感器節(jié)點(diǎn)記為C_ch，其中的活動(dòng)節(jié)點(diǎn)記為A_ch。A_i表示節(jié)點(diǎn)i所覆蓋的區(qū)域面積，A_Ni表示未被節(jié)點(diǎn)i覆蓋的區(qū)域面積，A_ij表示節(jié)點(diǎn)i和j的重復(fù)區(qū)域。N_c表示網(wǎng)絡(luò)中總節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，N_a表示活動(dòng)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。E_i表示起始能量，E_c表示剩余能量。

    定義綜合指標(biāo)P：

2.3 覆蓋算法

    圖2為基于能量感知的區(qū)域覆蓋算法流程圖。算法步驟如下：

    (1)在起始階段，所有節(jié)點(diǎn)處于偵聽模式，A_ch為空。

    (2)若傳感器節(jié)點(diǎn)從多個(gè)簇頭接收到Hello報(bào)文，表明簇頭已經(jīng)可以從其他傳感器節(jié)點(diǎn)接收?qǐng)?bào)文，傳感器節(jié)點(diǎn)就會(huì)把自己的坐標(biāo)信息發(fā)給這些簇頭，并且保持當(dāng)前狀態(tài)不變，直到它再次從某個(gè)簇頭收到消息，這樣就成為了這個(gè)簇的一員。并且會(huì)根據(jù)收到的消息把自己的狀態(tài)設(shè)置為活動(dòng)或者睡眠模式。

    (3)接下來(lái)，簇頭會(huì)根據(jù)剩余能量和重疊區(qū)域來(lái)決定激活哪些傳感器節(jié)點(diǎn)。首先，根據(jù)式(1)計(jì)算區(qū)域內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的P值。簇頭會(huì)從中選擇P值最大的節(jié)點(diǎn)C_ch，并檢查此節(jié)點(diǎn)與其它節(jié)點(diǎn)的重疊區(qū)域A_ij是否足夠小(小于λ)。如果滿足，這個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)就被移入活動(dòng)集合A_ch。如果在第一輪檢測(cè)后，區(qū)域內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)都不能完全覆蓋簇頭的通信區(qū)域，就要啟動(dòng)下一輪的檢測(cè)，這時(shí)λ值動(dòng)態(tài)增加。

    (4)一旦選定了一個(gè)新的活動(dòng)節(jié)點(diǎn)，簇頭就會(huì)檢測(cè)它的通信區(qū)域是否已經(jīng)完全覆蓋。如果是，簇頭就會(huì)停止運(yùn)行以上算法。如果不是，簇頭會(huì)繼續(xù)添加新的活動(dòng)節(jié)點(diǎn)，直到通信區(qū)域被完全覆蓋。

3 仿真分析

3.1 仿真環(huán)境與參數(shù)設(shè)置

    本文所述算法以MATLAB為仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)在50 m×50 m的范圍內(nèi)隨機(jī)布設(shè)60到200個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。仿真時(shí)間是600 s。將60個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的初始分布圖和算法執(zhí)行后的分布圖進(jìn)行仿真；并在節(jié)點(diǎn)數(shù)目為60、80、100、120、140、160、180、200的8種情況下，分別對(duì)算法運(yùn)行10次，取實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值進(jìn)行對(duì)比。各項(xiàng)仿真參數(shù)如表1所示。

3.2 節(jié)點(diǎn)分布情況

    圖3為60個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)初始隨機(jī)分布圖，圖4為算法執(zhí)行后的節(jié)點(diǎn)分布圖。兩圖比較可以看出節(jié)點(diǎn)數(shù)有所減少，區(qū)域覆蓋率可以明顯提高。

3.3 算法比較

    對(duì)本算法與改進(jìn)的螢火蟲優(yōu)化算法(Improved Glowworm Swarm Optimizations Algorithm，IGSO)^[9]的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和網(wǎng)絡(luò)生命周期進(jìn)行了對(duì)比，如圖5和圖6所示。

    從圖5可以看出，就感知區(qū)域的覆蓋率來(lái)說(shuō)，算法比IGSO有提高。在IGSO中，每只螢火蟲的位置代表一種節(jié)點(diǎn)的分布方案，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是獨(dú)立的個(gè)體，因此節(jié)點(diǎn)間的協(xié)調(diào)能力較差，導(dǎo)致此算法很難達(dá)到一個(gè)最優(yōu)的覆蓋率，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋率基本在90%～95%之間。而在本算法中簇頭對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中管理，通過(guò)禁用某些節(jié)點(diǎn)以減少節(jié)點(diǎn)間的重疊區(qū)域，通過(guò)激活某些節(jié)點(diǎn)和控制這些節(jié)點(diǎn)的感知方向以達(dá)到最優(yōu)的覆蓋率，覆蓋率均在95%以上。簇頭在匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)以保證覆蓋率方面表現(xiàn)出了更好的性能。

    兩算法的生命周期如圖6所示。在IGSO中，雖然節(jié)點(diǎn)位置之間有連續(xù)變化的關(guān)系，但是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是獨(dú)立的個(gè)體，活動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇時(shí)沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量；而本算法基于剩余能量選擇活動(dòng)節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)間平衡能量的消耗，因此，與IGSO相比，本算法能夠獲得更長(zhǎng)的生命周期。

4 結(jié)論

    對(duì)于分簇式WSN，提出一種基于能量感知的區(qū)域覆蓋算法。本算法引入能量均衡的思想，綜合考慮節(jié)點(diǎn)間的重疊區(qū)域和節(jié)點(diǎn)的剩余能量，以此為依據(jù)選擇活動(dòng)節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)處于能量消耗很少的偵聽或睡眠模式，不必同時(shí)激活所有傳感器節(jié)點(diǎn)，就可以保持足夠的覆蓋率。算法基于能量信息來(lái)選擇活動(dòng)節(jié)點(diǎn)，可以在節(jié)點(diǎn)間平衡能量消耗，這樣就能夠延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。仿真結(jié)果表明，與其他算法相比，新算法能夠在保證高覆蓋率的同時(shí)，維持更長(zhǎng)的傳感器生命周期，從而使系統(tǒng)獲得良好的性能。

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