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第五章 无线传感器网络的部署

第一节 4.1 无线传感器网络节点部署概述

作为无线传感器网络的基础问题之一,节点部署问题(Deployment Problem)是无线传感器网络运行、应用实现的基础。网络环境中不仅存在着传感器节点,还可能存在我们要获取信息的目标区域(Preference Area,PA)和无法监测或妨碍监测的障碍区域(Obstacle Area,OA),一个良好的网络部署应该保证所有传感器节点的感应区域覆盖整个监控区域的各个角落,节点和节点之间相互连通,对目标区域 100%覆盖,对障碍区域不覆盖,同时传感器节点可进行信息的通信,灵活性强,具有容错性,具有自组织能力等。随着各种研究的深入,部署问题已经与传感器覆盖连通、目标跟踪和定位、路由管理、网络组织管理、节点能量等问题关联起来。
  在上述问题中,传感器部署直接影响整个网络的观测效果;定位问题更是节点进行有效数据采集和观测的前提,定位的精度和效果又往往和带定位节点(装备 GPS,可知自身坐标的节点)的物理分布密切相关;网络的覆盖和连通性是与传感器部署直接关联的;目标跟踪是传感器网络最典型的应用之一,实现对目标或环境的有效监测是传感器网络的主要功能之一。从统计意义上来说,传感器的数目越多,对目标或环境的探测效果越好,但由于成本等原因,传感器网络中的节点数量不可能无限增加。对于一定数量传感器节点所构成的网络而言,若节点的几何分布不同,监测精度可能会有很大差别,因此传感器的总体布局是传感器网络首先应该考虑的问题,它直接影响整个网络对感知区域的覆盖率。
  无线传感器网络的节点部署,即通过一定算法有效地布置散落在监测区域内的各种传感器节点,优化现有的网络资源,以期望网络在未来的应用中获得最大利用率或单个任务的最少消耗量。根据传感器节点的特性可将节点部署分为静态传感器网络部署和移动传感器网络部署。静态传感器网络部署是指传感器节点在布置到指定位置后不可移动,移动传感器网络部署是指传感器节点在布置到指定位置后可以移动。在大多数应用中,比如环境监测、生态保护区监测等,传感器节点能够通过人工方式布置到监测区域中去,这时静态配置传感器节点既能减少节点的配置成本,又能避免由于节点移动而耗费能量;然而在沙漠、战场等危险环境中,通常采用随机撒播方式,比如从飞机上将节点随机抛洒到监测区域中。由于随机部署过程中节点位置和节点状态的随机性,可能会出现节点电池断电或者某些节点会在坠落过程中被毁坏导致节点失效等情形,使得先前的部署可能出现覆盖空洞。为了进一步加强覆盖,可以考虑使用具有移动能力的传感器节点,即根据监测需要移动静态部署的传感器节点,但移动的范围很小,以保证传感器节点的能源有效,从而尽最大可能地减少覆盖盲区,使覆盖最大化。
  一般在对传感器节点进行初期放置时有以下几类方法:
  1)从飞行物上对目标区域将传感器节点进行投放,一般事前会设定使节点位置满足某种特定的函数分布。但由于地形、风向等自然因素的影响,监控区域内的节点位置并不会完全遵循该函数,只能是近似函数分布。
  2)通过发射设备(如大炮)进行散发,散发的传感器节点的位置也遵循某种函数分布,这往往取决于其发射动力的设置。这两类往往应用于偏远地区或环境条件恶劣的应用场景中。
  3)由人或机器人进行放置。这种放置可使得节点的位置摆放十分精确,但放置成本高、耗时费力,只适用于规模不大的无线传感器网络。
  一般来说,随着应用环境情况的不同,节点的部署方式也有所不同。在某些环境,网络可以预先确定并手工部署,部署也可能无法预先确定,比如通过飞机撒播。根据无线传感器网络节点是否可移动将节点部署方法分为静止节点部署、移动节点部署和混合节点部署三大类。
  4.1.1  覆盖控制的基本模型
  覆盖控制是无线传感器网络应用的一个基本问题,即在保证一定的服务质量条件下,如何达到网络覆盖范围最大化,提供可靠的监测和目标跟踪服务。对网络覆盖的测量能够使我们了解是否存在监测和通信盲区,了解被监测区域的无线传感器网络的覆盖情况,从而重新调整传感器节点分布或者在将来添加传感器节点时可采取相应的改进措施。可以通过调整网络覆盖的密度,对被监测区域中重要区域设置特质节点,部署更多的传感器节点,保证测量数据的可靠性。因此,网络覆盖有着很重要的意义,对网络性能有着直接的影响。
  1.基本覆盖模型
  设有一个面积为S的监控区域,每个传感器节点可以监测的范围是一个圆,圆的半径R即为探测距离,所有的传感器节点都独立地进行工作,如图4-1所示。

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