无线传感器网络连通k覆盖问题及其解决方案综述

覆盖控制是无线传感器网络的一个基本问题,通过对网络空间资源的优化分配,来更好地完成环境感知和有效传输等任务。作为覆盖控制理论的研究热点之一,连通k覆盖问题研究如何从随机部署的大量传感器节点中选择一部分节点激活,使得任意监测目标都被至少k个不同的活跃节点同时覆盖,而且所有活跃节点都是通信连通的。本文分析了无线传感器网络中连通k覆盖问题的系统模型和算法评价指标,介绍了一些典型的近似算法并对其进行了分析和比较,最后进行了总结和展望。     

无线传感器网络连通忌覆盖问题及其解决方案综述

覆盖控制是无线传感器网络的一个基本问题,通过对网络空间资源的优化分配,来更好地完成环境感知和有效传输等任务。作为覆盖控制理论的研究热点之一,连通k覆盖问题研究如何从随机部署的大量传感器节点中选择一部分节点激活,使得任意监测目标都被至少k个不同的活跃节点同时覆盖,而且所有活跃节点都是通信连通的。本文分析了无线传感器网络中连通k覆盖问题的系统模型和算法评价指标,介绍了一些典型的近似算法并对其进行了分析和比较,最后进行了总结和展望。     

无线传感器网络的3连通多跳控制集

无线传感器网络的一个虚拟骨干是一个节点子集,虚拟骨干中的节点负责相关的路由任务。设计的虚拟骨干越小,网络的相关开销就越少,虚拟骨干的大小是衡量虚拟骨干质量的关键因素。通常,单位圆盘图被用来模拟一个无线传感器网络。在无线传感器网络中寻找最小虚拟骨干问题可以抽象为求单位圆盘图中的最小连通控制集问题。然而,求单位圆盘图中的最小连通控制集问题是NP难问题,许多工作都是致力于寻找最小连通控制集的近似算法。无线传感器网络中构造3连通多跳控制集可以有效地减小连通控制集的大小和节点间转发的信息总数,是寻找最小虚拟骨干的有效近似。为此提出了一个无线传感器网络中构造3连通多跳控制集的算法,获◢得一个大小不超过5（2r+2β+1）（r+1）β|U*△|-10（2+β）（r+1）-5r-12的3连通多跳控制集。最后通过仿◣真实验对提出的算法性能作了相应分析,实验结果符合算法的预期效果。     

网络异构性对前向传输传感网络渗流密度的影响

为保证前向传输定向传感器网络的覆盖与连通,探索连续渗流密度对定向传感网络覆盖与连通的影响,基于连续渗流理论构建了前向感知角度为2π的异构节点对连通覆盖模型来研究前向传输异构网络的连续渗流问题.该模型考虑了前向感知角度异构的节点对的协作传输路径,基于对异构覆盖模型排除区域的计算,研究了前向感知角度对异构定向传感网络的连续渗流密度λc的影响.仿真实验表明,在前向传输的异构定向传感网络中,前向感知角度的增大可减小连续渗流密度λc.     

有向传感器网络中基于概率感知模型的最小连通k覆盖集算法

无线传感器网络的基本问题之一是,网络节点如何利用有限的能量对人们所关注的物理世界进行满意的监测,这可抽象为最小连通k覆盖集问题。传统的最小连通k覆盖集问题是基于确定型全向感知模型的,该模型过于理想化,不能适用于复杂的应用环境,也不能应用于有向传感器网络中。针对上述局限,本文提出了有向传感器网络中基于概率感感知模型的最小连通k覆盖集问题（MCKS）,并指出这是NP难问题;设计了基于0-1整数规划和最小生成树的集中式近 BDA）,分别证明两种算法最终得到的是MCKS问题的可行解,并分析了算法的时间复杂度、性能比和通信复杂度。通过仿真实验并与ILP算法和BGA算法进行比较的结果表明： 在基于概率感知模型的条件下,IPA和CBDA能够有效实现有向传感器网络中的连通k覆盖,并且激活节点数目较少,网络寿命延长。     

随机通信时延下传感器连通覆盖保持算法研究

随机通信环境下传感网络节点信息传输随机性较强，导致传感器网络的连通覆盖难以保持。为此，提出基于模拟二维分析的传感器连通覆盖保持算法。标记传感器感知范围内任意一个节点形成的感知圆，以该圆作为传感器对该节点的初步覆盖范围，分别计算该节点、相邻节点端与传感器端间接收到能量的起始时间，构建不同时延量对节点实际覆盖度、覆盖面积以及覆盖概率的影响模型。获取单节点与整个区域的覆盖范围重叠部分，根据串联覆盖路径连通覆盖法约束传感器节点，实现连通及覆盖的保持。设置通信时延为5m/s和20m/s，设计仿真实验。实验结果验证了所提方法受到时延环境的影响较小，且耗时更短，适应能力强，连通覆盖保持的范围更广，该方法具有实际应用价值。     

无线传感器网络三维表面k覆盖多连通部署方法*

无线传感器网络中覆盖连通问题是基本且重要的问题,三维表面作为无线传感器网络中的一种特殊情形,对应于现实世界中的山体,为了解决这类与实际应用密切相关的问题,提出了三维表面k覆盖多连通部署方法。该方法结合三维表面的地形特征,首先在目标区域自由选择网格大小进行划分,接着在各网格之间建立多连通关系,再通过方向梯度概率感知模型在网格内先构造k覆盖集,然后利用最小生成树算法构造连通图,最后找出关节点构造双连通图。大量仿真实验表明,该方法能够对目标区域进行完全覆盖和连通,并且能保证网络的健壮性。     

异构无线传感器网络中覆盖度和连通度的研究

覆盖度和连通度研究是无线传感器网络中的关键问题。以往研究背景为同构无线传感器网络,这样可以简化问题,但随着问题的深入,不得不考虑异构节点覆盖。系统地对异构无线传感器网络进行了分类,提出了感知异构和通信异构结合的无线传感器网络下的异构节点感知模型,其次分析了两类异构节点之间的覆盖度的计算,最后分析了异构网络的单连通和重连通。此外实现了大量的仿真实验,得出了节点数量和单连通、重连通的概率曲线。     

无线传感网络中覆盖保持的K-连通子集构造算法

构造无线传感网络中具有连通覆盖特性的节点子集是实现网络休眠调度、延长网络生命周期的关键技术之一,具有重要的研究意义.已有的研究大多侧重于k覆盖节点子集构造问题,由于k覆盖子集在一定条件下便满足k连通,故人们对k连通子集的构造问题研究较少,但通过构造k覆盖节点子集来实现k连通会耗费过多的节点,代价较大.因此,本文提出一个直接构造k连通1覆盖节点子集的算法-CPC,能够用较少的节点构造出一个既能满足网络的覆盖特性又能够满足k-连通特性的节点子集,使得在任意k-1个节点发生故障时,网络能够仍然保持连通.本文还对算法的正确性进行了严格证明,并通过仿真实验与相关算法进行了性能比较.结果表明,与已有的k覆盖算法相比,CPC算法能够节省约55%的节点数.     

求解圆盘图中最小连通支配集的近似算法

针对无线传感器网络常用的拓扑模型单位圆盘图,提出了基于分布式贪心策略的近似算法DDT,在算法执行的每一轮中,根据一跳邻域范围内的权值和邻居的状态信息,选举出节点并和已确定的节点连接,逐步构造出网络图中的一个支配树。用概率方法研究了支配树中的节点度的性质,通过对极大独立集和最小连通支配集之间关系的分析,得到单位圆盘图中最小连通支配集问题一个新的近似比。计算结果表明,和相关的分布式算法相比,DDT产生的连通支配集在规模上更优。     

基于贪婪算法无线传感器网络中继节点布局的研究

为实现远距离的无线通信, 在网络中添加中继节点, 采用多跳路由传输数据。对于中继节点的布局问题, 依据线性结构使网络整体能量消耗最小的特征, 提出一种中继节点贪婪布局算法。该算法通过最近贪婪策略、中继节点通信容量、传感器节点数据转发跳数等约束方法限制中继节点的布局位置。理论分析和实验验证了该算法能够有效减少能量消耗, 延长网络寿命。     

Design of fault tolerant wireless sensor networks satisfying survivability and lifetime requirements

Sensor networks are deployed to accomplish certain specific missions over a period of time. It is essential that the network continues to operate, even if some of its nodes fail. It is also important that the network is able to support the mission for a minimum specified period of time. Hence, the design of a sensor network should not only provide some guarantees that all data from the sensor nodes are gathered at the base station, even in the presence of some faults, but should also allow the network to remain functional for a specified duration. This paper considers a two-tier, hierarchical sensor network architecture, where some relay nodes, provisioned with higher power and other capabilities, are used as cluster heads. Given a distribution of sensor nodes in a sensor network, finding the locations to place a minimum number of relay nodes such that, each sensor node is covered by at least one relay node, is known to be a computationally difficult problem. In addition, for successful and reliable data communication, the relay nodes network needs to be connected, as well as resilient to node failures. In this paper, a novel integrated Integer Linear Program (ILP) formulation is proposed, which, unlike existing techniques, not only finds a suitable placement strategy for the relay nodes, but also assigns the sensor nodes to the clusters and determines a load-balanced routing scheme. Therefore, in addition to the desired levels of fault tolerance for both the sensor nodes and the relay nodes, the proposed approach also meets specified performance guarantees with respect to network lifetime by limiting the maximum energy consumption of the relay nodes.     

基于能量收集技术的无线协作网络中继选择

针对目前能量收集技术能够收集到的可用能量受限,导致无线协作网络中继节点处易出现能量短板的问题,为了避免整个网络因中继节点大量死亡而瘫痪,提出了一种基于能量收集技术的无线协作网络中继选择方案,即联合最大能量和最大数据传输链路的中继选择方案。首先,基于节点的能量收集状况,选出每跳中能量最大的节点进行解码转发;然后,结合每连续两跳的链路传输状态,选出与源节点和目的节点之间的数据传输信道最优者作为中继节点。结合Nakagami-m信道衰落模型,将该方案与随机选择方案、最大数据链路信道增益(MaDs)方案和基于中继-窃听链路最小信道增益(BNBF)方案进行对比分析,结果表明:在满足收集的能量足够用于下一时隙能量收集和数据传输的前提下,用于能量收集的比例越小,网络中断概率越小;联合最大能量和最大数据传输链路的中继选择方案在网络中断性能方面优于其他方案,其中断概率随信噪比的增大而减小,特别是当平均信噪比为38dB时,网络中断概率降到10^-5。     

无线传感器网络最小覆盖集的贪婪近似算法

网络生命期是限制无线传感器网络发展的一个瓶颈.在保证网络监控性能的前提下,仅调度部分节点工作而让其余节点处于低功耗的休眠状态,可以有效节省能耗,延长网络生命期.节点调度的目标是寻找一个能够覆盖监控区域的最小节点集合,这是一个NP难问题,目前,其近似算法的性能较低.提出了一种基于贪婪法的最小覆盖集近似算法,在构造覆盖集的过程中,优先选择扩展面积最大的有效节点加入覆盖集.理论分析表明,该算法能够构造出较好的覆盖集,时间复杂度为O(n),其中,n为初始节点总数.实验数据表明,该算法的性能要优于现有算法,得到的覆盖集的平均大小比现有算法减小了14.2%左右,且执行时间要短于现有算法.当初始节点分布较密时,该算法得到的平均覆盖度小于1.75,近似比小于1.45.     

基于斯坦纳树和泰森多边形的连通恢复算法

针对无线传感器网络容易遭受恶劣环境破坏，连通恢复后各关键节点的能量损耗远大于其他节点从而导致网络断连的问题，提出基于斯坦纳树和泰森多边形的连通恢复算法（CRAST）。首先，将被分割的节点分区抽象为离散点，枚举出离散点区域内的所有非退化四边形，再使用四边形斯坦纳树结构对这些非退化四边形部署中继节点以达到连通恢复。然后，用关键节点构建Delaunay三角网，通过Delaunay三角网构建出整个无线传感器网络的泰森多边形拓扑结构。最后，在泰森多边形所有顶点部署可移动的备用中继节点，在关键节点损坏时通过比较备用节点所占关键节点对应的所有备用节点比重选择要移动的备用节点，移动备用中继节点替换损坏的关键节点。整个算法能使传感器网络以最少的代价实现连通恢复，并且拥有较强的高效性和健壮性。     

基于超级节点MAC中继的复域分布检测非正交网络编码

为解决正交通信过程存在的数据发送等待问题,提出一种基于超级节点多接入信道（MAC）中继的复域分布检测非正交网络编码策略。首先,对经典正交信道分布检测技术进行介绍,并针对其存在的问题,使用中继MAC无线传感器网络,把复数域网络编码技术应用在无线传感器网络中,有助于实现协同分集降低信道衰落不利影响。其次,针对中继MAC复数域网络编码正交信道分布检测技术,基于传感器的虚警率和检测概率,提出结合网络符号差错概率的最大似然（ML）最佳传感器标签选择算法,降低误差概率,同时通过超级节点近似,获得中继功率和总发射功率的公平分配。仿真结果显示,该算法在非正交网络编码检测中,检测率指标可达到91.3%,而错误率指标仅为25.1%。实验结果表明,该算法可以有效地提高非正交网络编码算法在实际应用中的检测性能。     

基于蜂窝结构的传感器网络覆盖问题求解算法

在无线传感器网络中,求解能够完全覆盖目标区域的最小覆盖集是个NP难问题.在传感器节点数目较多时,目前只能通过近似算法求解.蜂窝结构是覆盖二维平面的最佳拓扑结构,但不能直接用于求解无线传感器网络的覆盖问题.提出了一种基于蜂窝结构的覆盖问题求解算法,在该算法迭代求解过程的每一阶段,选出一个节点加入到初始为空的节点集合中,并使得该节点集合的拓扑结构接近于蜂窝结构,直至该节点集合成为覆盖集.该算法在最坏情况下的时间复杂度为O(n3),这里n为传感器节点总数.实验结果表明该算法可在很短的时间内执行完,在所得覆盖集的大小方面要优于现有的覆盖问题求解算法.     

Inline wireless mobile sensors and fog nodes placement for leakage detection in water distribution systems

Burst or leakage in drinkable water distribution system has occurred frequently in recent years, causing severe damages, economic loss, and long-lasting society impact. A viable solution is to use agile inline mobile sensors to detect and so as to mitigate the burst or leakage. Distinguishing from online fixed sensors, mobile sensors can swim freely along the piles in water distribution network, thus giving a more precise detection. To combat the low power, low computation, and low communication capability of mobile sensors, the newly emerged fog computing provides a promising means to gather and preprocess the sensing data. In practice, due to the budget limitation, we can deploy a limited number of sensors and fog nodes in the system. This introduces a challenging problem on how to deploy them in the system, ie, sensor and fog node placement. We first formulate mobile sensor placement (MSP) as a path cover problem and prove it as NP-complete, and then we propose a customized genetic algorithm and a mixed greedy algorithm to solve MSP and fog node placement, respectively. The correctness and efficiency of the proposed algorithm are illustrated by a comprehensive experiment. Moreover, some critical factors, eg, sensor battery lifetime and movement pattern, are all extensively investigated and the results show the coverage ratio is sensitive to these factors.     

保证覆盖的无线传感器网络梯度部署方法

在大规模随机部署的无线传感器网络中,数据通常逐跳汇聚到Sink节点,因而与Sink邻近的节点需要转发大量的数据,从而导致了Sink邻近区域内的节点因能量耗尽而引起网络失效。此时,外层区域的节点仍剩余大量的能量。本文首先提出了网络生存期最大化部署的问题,分析了无线传感器网络数据转发的特点,基于此特点给出了梯度的节点密 密度部署方法,以提高能量利用率,最小化剩余能量,最后通过理论和实验分析了梯度部署方法的性能。     

Relay node placement under budget constraint

The relay node placement problem in the wireless sensor network domain has been studied extensively. But under a fixed budget, it may be impossible to procure the minimum number of relay nodes needed to design a connected network of sensor and relay nodes. Nevertheless, one would still like to design a network with high level of connectedness, or low disconnectedness. In this paper, we introduce the notion of a measure of the “connectedness” of a disconnected graph. We study a family of problems whose goal is to design a network with “maximal connectedness” subject to a fixed budget constraint.