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无线传感器网络覆盖优化研究与开放问题
沙特国王大学沙特国王大学学报www.ksu.edu.sawww.sciencedirect.comJournal of King Saud University无线传感器网络Avinash Morea,*,Vijay Raisinghaniba印度孟买NMIMS技术管理与工程学院通信工程系b印度孟买NMIMS技术管理和工程学院信息技术系接收日期:2016年4月12日;修订日期:2016年8月24日;接受日期:2016年2016年9月4日摘要无线传感器网络(WSN)是用来监测一个区域的事件。无线传感器网络中的每个节点都有一个传感范围和一个通信范围。传感器节点的感知覆盖范围是由传感器节点的感知范围所确定的区域。网络的感知覆盖是指无线传感器网络中传感器节点的集体覆盖。需要部署足够数量的传感器节点以确保区域的充分覆盖。此外,由于传感器节点具有有限的电池寿命,因此减少能量消耗也是必要的。这将有助于提高网络寿命,从而提高覆盖寿命。为了减少无线传感器网络中的能量消耗,可以使用覆盖优化协议来关闭具有重叠感测区域的一些节点。在本文中,我们讨论了各种覆盖优化协议。这些协议被广泛地分类为集群和分布式协议。此外,这些协议基于所使用的感知模型的类型、节点位置信息以及用于确定相邻节点信息的机制(基于探测或计算几何)来分类在本文中,我们回顾了关键的覆盖优化协议,并提出了与节能覆盖相关的开放研究问题©2016作者。制作和主办由爱思唯尔B.V.代表沙特国王大学。这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。内容1.导言. 4292.秘书处4312.1.传感模型4312.1.1.确定性感测模型431*通讯作者。电子邮件地址:avinash. nmims.edu(A. More),rvijay@ieee.org(V. Raisinghani).沙特国王大学负责同行审查http://dx.doi.org/10.1016/j.jksuci.2016.08.0011319-1578© 2016作者制作和主办由爱思唯尔B.V.代表沙特国王大学。 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。制作和主办:Elsevier关键词无线传感器网络;确定性感知模型;概率感知模型;感知覆盖;无线电覆盖;能源效率无线传感器网络能量4292.1.2.概率感知模型4312.2.集中式/分布式算法4312.3.传感器节点部署策略4313.覆盖优化协议4323.1.位置未知分布式协议4323.1.1.探测环境和适应性睡眠4323.1.2.探索环境和协作适应性睡眠4333.1.3.受控层部署4343.1.4.随机退避睡眠协议4343.1.5.放电曲线回退睡眠协议4343.1.6.分布式覆盖计算算法4353.1.7.无线传感器网络3.1.8.连接的目标k覆盖4363.2.分布式、位置未知、确定性感知模型和基于探测的覆盖的比较分析 protocols协议4363.3.位置感知分布式协议4373.3.1.覆盖配置协议4383.3.2.增强型配置控制协议4383.3.3.最佳地理密度控制4393.3.4.概率覆盖协议4393.3.5.概率覆盖保留协议4393.3.6.平衡能量和覆盖保证协议4403.3.7.基于边缘的质心算法4403.4.分布式、位置感知、确定性感知模型、基于计算几何的覆盖协议的比较分析。.......................................................4413.5.位置感知集群协议4413.5.1.能量和覆盖感知分布式集群协议4413.5.2.关注领域4423.5.3.用于覆盖、连接和通信的能效协议4423.5.4.覆盖感知群集协议4433.6.集群、位置感知、确定性感知模型和基于探测的覆盖协议的比较分析444 4..............................................................未解决的问题和未来的研究方向4444.1.有限节点移动性4444.2.位置感知4454.3.有障碍的异构网络4454.4.休眠节点的优化唤醒率4454.5.节点故障概率4454.6.优化聚类技术4464.7.节点446的初始电池水平的非均匀分布4.8.覆盖度4465.结论446确认446参考文献4461. 介绍无线传感器网络(WSNs)已被广泛认为是21世纪最重要的 技 术 之 一 ( Zheng and Jamesour , 2009; ChongandSrikanta , 2003 ) 。 典 型 的 无 线 传 感 器 网 络 ( WSN )(Zheng和Jamaicour,2009;Chuan等人,2012;Raghavendra等人,2011; Akkaya和Younis,2005)由大量低成本、多功能的传感器节点组成,这些传感器节点典型地在有限的电池功率上操作,并且被部署为监测感兴趣的区域。这些传感器节点通常尺寸较小,具有内置的微控制器和无线电收发器。因此,传感器节点具有感测外部事件、处理感测到的数据并将其传输的能力。广泛用于环境状况监测、战场安全监视、野生动物栖息地监测等(Mulligan和Ammari,2010年)。WSN具有以下特点:密集节点部署:传感器节点通常密集地部署在要监测的区域中。传感器网络中传感器节点的数量通常高于MANET的数量(Chlamtac等人,2003; Hoebeke等人,2004年)。有限的能源:传感器节点通常由小型电池供电。在某些应用中,它们被部署在恶劣或敌对的环境中,在那里很难甚至不可能更换或充电节点电池。●●430A. More,V.Raisinghani¼节点的自配置和自动配置:传感器节点可以在没有仔细规划的情况下随机部署。一旦部署,传感器节点可以自主配置网络。应用特定节点:传感器网络通常是应用特定的。传感器节点是为特定应用而设计和部署的。因此,传感器网络的设计要求可以基于应用要求而改变。频繁的拓扑变化:在传感器网络中,由于节点失效、能量耗尽或信道衰落,拓扑可能频繁变化。覆盖区域和数据冗余:在大多数传感器网络应用中,传感器节点密集部署在感兴趣的区域。因此,可能存在多于一个传感器节点正在监视感测区域的可能性。因此,由多个传感器节点感测的数据可以具有一定量的相关性或冗余性。在 WSN 中 , 每 个 传 感 器 节 点 具 有 感 测 区 域 覆 盖(Mulligan和Ammari,2010; Akyildiz等人, 2002; Amit和Sajal,2008)基于其感测范围(Rs)。感测区域覆盖(或感测覆盖)是节点在其感测范围内可以观察或监视的区域,如图1所示。网络覆盖(Mulligan和Ammari,2010年;Akyildiz等人,2002; Amit和Sajal,2008)可以被解释为由WSN中的所有ACTIVE传感器节点的集体覆盖。此外,每个传感器节点具有无线电区域覆盖(或无线电覆盖 ) ( Mulligan 和 Ammari , 2010;Akyildiz 等 人 , 2002;Amit和Sajal,2008)基于其通信范围(Rc)。 无线电覆盖范围(见图) 1)以Rc为界,是ACTIVE传感器节点可以与至少一个其他传感器节点通信的区域或面积。感测覆盖确保在无线电覆盖的同时进行适当的事件监测(Mulligan和Ammari,2010; Akyildiz等人,2002;Amit和Sajal,2008)确保了图1所示的WSN内的正确数据传输。可以部署WSN中的传感器节点,使得多个节点可以监视区域。覆盖度(Coverage degree,Cd)是指在一个区域内主动监测的传感器节点的数量。Cd n表示n个传感器正在主动监视一个区域。然而,当没有传感器主动监测区域时,会出现感测空隙或孔。为了最大限度地延长网络寿命,必须最大限度地减少ACTIVE节点的数量,同时仍然实现最大可能的感知和无线电覆盖。传感覆盖和无线电覆盖可以是完全的或有限的,这取决于应用的需要(Winston和Paramasivan,2011)。(1)全传感和无线电覆盖:这是需要在现场的每个位置都需要至少一个传感器节点进行监控的应用。它被广泛应用于入侵检测、现场监控等。(2)有限的传感和无线电覆盖:一些应用需要有限的覆盖。例如,一个区域的温度监测。与完全覆盖相比,有限覆盖需要较少数量的传感器节点。(3)即时感测和无线电覆盖:一些应用要求覆盖使得在事件发生的瞬间完成事件的感测。因此,所需的传感器只需要在所需的时间点处于活动状态。其余时间,传感器可以进入睡眠状态。即时承保是相对于时间而言的,因此,即时承保可能是全额的,图1节点的感知和通信范围有限,取决于应用。因此,基于感测覆盖类型和网络覆盖寿命的要求,需要确定用于传感器节点的适当占空比。传感器网络寿命可以定义为网络能够执行感测活动并能够向基站或汇聚节点传输数据的持续时间。在此期间,某些节点可能由于硬件故障或能量耗尽而变得不可用。同时,可能存在部署额外节点以维持足够覆盖度(Cd)的可能性。在传感器网络中,如果多个传感器节点同时监测同一个传感区域,则可能存在不必要的覆盖冗余,从而导致能量的浪费。无线传感器节点具有有限的电池资源。因此,识别冗余的ACTIVE节点并将其关闭非常重要。节点的适当占空比将有助于减少或消除覆盖冗余,并导致电池的有效使用(Basagni等人,2013年,Knight等人,2008年)。有许多技术可以改善这种覆盖冗余。此外,原型需要检测何时区域的覆盖已经停止并且感测空隙已经发生。大多数覆盖协议旨在通过确定节点的适当占空比来确保节能覆盖(More和Raisinghani,2015)。一些覆盖协议建议移动节点或部署额外的节点来处理感测空隙(Le和MinJang,2015)。节点占空比可以是频繁的、周期性的和/或基于一些覆盖度量,识别可以进入睡眠状态的冗余节点。如果为冗余节点确定的休眠周期不准确,则可能存在休眠节点的频繁且不必要的唤醒,这可能导致能量浪费。然而,最佳占空比或唤醒速率取决于许多因素,并且解决方案将取决于应用的要求。为了确定睡眠节点的最佳唤醒率,我们必须考虑(a)哪些因素(电池,覆盖节点度,地形等)。每个节点是否应考虑确定其占空比?(b)每个节点应该在什么时候做出这样的决定?(i.e.该机制应该在何时被触发以及被触发多少次)以及(3)传感器节点应该保持在SLEEP或ACTIVE状态多长时间?在本文中,我们专注于节能覆盖协议,保持足够的覆盖范围,并确保更长的网络寿命。本文的其余部分组织如下。在第2节中,我们定义了一些与传感器网络相关的概念。在第3节中,我们讨论了各种传感覆盖优化,●●●●无线传感器网络能量4318>.¼ðÞSs联系我们>:协议.根据我们的分析,我们提出了开放的研究问题,在第4节。我们在第5提出我们的结论。2. 预赛在这一节中,我们描述了传感器网络中广泛使用的传感模型。在WSN中,可以基于应用需求使用不同的感测模型( Zhu 等 人 , 2 0 1 2 ; Hossain 等 人 , 2012; Sushil 和Lobiyal,2013;Bhowmik和Giri,2013)。传感器节点的灵敏度或感测能力S随着距点的距离而减小 兴趣增加。传感模型表示节点的灵敏度。在无线传感器网络中,传感模型可以分为确定性或概率性。例如,我们假设传感器节点i正在监测检测或观察到事件的点p2.1. 感知模型在无线传感器网络中,每个传感器节点都具有一定的感知能力来检测物理环境中的外部事件。节点的感知能力由于感知范围和精度而受到限制。因此,节点只能覆盖/感测环境的有限物理区域。因此,传感模型对无线传感器网络的区域覆盖,覆盖寿命和覆盖冗余度有影响。传感模型大致分为确定性或概率性。2.1.1. 确定性感知模型确定性感测模型也被称为二进制感测模型,其中节点仅能够感测位于其感测范围内的点处的事件,而不能感测位于其感测范围内的点处的事件。在传感范围之外的任何点。 每个节点的感知范围被假定为感知半径Rs的均匀圆。假设在节点(i)的感测范围内的点p处发生的事件以概率(S)1被检测到,而假设在该范围之外的任何事件以概率0被检测到(即,不能被检测到)。因此,在本发明中,S1如果RsPdi;p0 否则其中,d i;p 是i和p之间的欧氏距离。确定性感测模型也可以表示为可变半径圆形感测模型或可调谐感测模型(Soreanu和Mr.V.,2009; Wang和Medidi,2007;Cardei等人,2006年)。可调感知模型用于在满足覆盖率要求的前提下设置最少的活动节点数。因此,使用不同的感测半径用于不同的节点数(R16 R26R3)越少,传感区域覆盖越好,网络区域重叠越少。这有助于通过确保较低的活动节点密度来降低能耗。2.1.2. 概率感知模型概率感知模型是更现实的,因为节点的感知能力或灵敏度1,如果Rs-rPdi;p
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cpongm
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