无线传感器网络最小连通覆盖集问题求解算法

降低能耗以延长网络生存时间是无线传感器网络设计中的一个重要挑战.在传感器节点高密度部署的环境中,在保证网络性能的前提下,仅将最少量的节点投入活跃工作状态,而将其余节点投入低功耗的睡眠状态,是一种节约系统能量的有效方法.如何计算同时满足"覆盖要求"(工作节点必须能够完全覆盖目标区域)和"连通性要求"(工作节点组成的通信网络必须是连通的)的最小节点集合,是一个NP难问题.设计了一种基于目标区域Voronoi划分的集中式近似算法(centralized Voronoi tessellation,简称CVT),用于计算完全覆盖目标区域所需要的近似最小节点集.当节点通信半径大于等于2倍感知半径时,CVT算法构造的节点集是连通的;当节点通信半径小于2倍感知半径时,设计了一种基于最小生成树(minimum spanning tree,简称MST)的连通算法来计算确保CVT算法构造的覆盖集连通所需的辅助节点.理论分析和实验数据表明,CVT(+MST)算法的性能在时间复杂性和连通覆盖集大小方面都优于已有的贪婪算法.     

连通性覆盖约束的WSN拓扑控制算法

本文从概率论角度分析了传感器网络平均节点度和通信丰径之间的关系,给出了网络满足连通性覆盖要求时所需的通信半径.在此基础上提出了一种基于本地平均算法LMA(Local Mean Algorithm) 新方案ILMA(Improved LMA).新方案的实施使得节点采用更低的功率工作,因此形成的网络拓扑的平均节点度大大减小,同时提高了网络的能量利用率.     

基于延迟唤醒的无线传感器网络的分布式区域覆盖算法

针对现有无线传感器网络中分布式区域覆盖算法中存在覆盖空洞现象、连通性和蚕食现象等问题,提出了一个保证区域全覆盖与网络全连通的临界条件,在此基础上,提出了一个基于延迟唤醒的分布式区域覆盖算法.该算法采用分轮机制,因此不需要预先了解网络的整体拓扑结构;基于延迟唤醒的活跃节点集选择机制在保证区域全覆盖、避免出现覆盖空洞现象的同时,减少了蚕食现象的发生.仿真实验表明,与现有分布式覆盖算法相比,该算法可在满足用户区域覆盖感知需求的基础上延长网络的生命周期.     

Ad Hoc网络区域最小覆盖方法研究

覆盖控制作为无线传感器网络中的一个基本问题,反映了网络所能提供的“感知”服务质量,可以使无线传感器网络的空间资源得到优化分配,进而更好地完成环境感知、信息获取和有效传输的任务.如何计算同时满足“覆盖要求”（工作节点必须能够完全覆盖目标区域）和“连通性要求”（工作节点组成的通信网络必须是连通的）的最小节点集合,是一个NP难问题.本文设计了一种基于目标区域Voronoi划分的改进集中式近似算法,用于计算完全覆盖目标区域所需要的近似最小节点集.     

与位置无关的无线传感器网络连通性覆盖协议

解决在没有节点位置信息的情况下,如何能量有效地保证网络连通性覆盖的问题.分析了节点覆盖与区域覆盖之间的关系,并给出了节点覆盖等于区域覆盖的充分必要条件.根据分析结果,基于构建连通支配集CDS(connected dominating set)的Rule K算法,提出了一种与节点位置无关网络连通性覆盖协议LICCP(location-independent connected coverage protocol).在LICCP协议中,每个节点根据本地节点密度选择合适的通信范围,利用Rule K算法选出的工作节点提供高质量的网络连通性覆盖.模拟实验结果表明,LICCP协议能够在较长时间内能量有效地提供高质量的网络覆盖,并保证网络的连通性.     

基于连通性的无线传感器网络覆盖优化算法

针对无线传感器网络(WSNs)的覆盖优化和连通性问题,提出了一种基于连通性的WSNs覆盖优化算法(CC-BCBS).在二维监测区域内,CC-BCBS以传感器节点间的通信半径作为限制条件,只对连通的传感器节点进行Voronoi图划分,根据节点对应泰森多边形的覆盖情况构造盲区图,将盲区重心作为候选优化位置,使节点尽可能最大化覆盖监测区域.节点通信半径影响着区域覆盖的冗余度,故针对划分时可能出现的3种不同连通情况,给出了相应措施.仿真结果表明:CC-BCBS在覆盖率,分布均匀性,平均连通个数与连通率方面相比BCBS等算法有明显优势.     

基于渗流理论的三维无线传感网络的渗流密度与覆盖节点密度研究

为保证无线传感器网络的覆盖与连通,探索通信半径和感知半径的比值对三维无线传感网络覆盖与连通的影响,基于渗流理论,得到三维无线传感器网络中协作传输路径的重叠体积函数。考虑到通信半径和感知半径的比值与重叠体积函数的关系,得到重叠体积函数与通信半径和感知半径的比值对三维无线传感器网络渗流密度的影响。在此基础上,当通信半径和感知半径相等时,将得到的渗流密度与覆盖的节点密度结合,得到指定的覆盖率与覆盖的节点密度的关系。仿真实验证明,在三维无线传感器网络中,重叠体积与渗流密度成正比;通信半径和感知半径的比值与渗流密度成反比;随着指定的覆盖率的增加,所得到的覆盖的节点密度也随着增加。     

无线传感器网络的连通性问题研究

无线传感器网络的初始配置最优可以减少传感器网络的拓扑变化和降低网络重置的能量消耗.对初始均匀随机分布的无线传感器网络的连通性进行了研究.运用覆盖理论给出了传感器节点的连通度概率分布模型,并在此模型基础上推导出传感器节点的通信半径与期望连通度概率最大之间的关系.仿真结果表明了结论的正确性.     

无线传感器网络覆盖控制算法研究

无线传感器网络(Wireless sensor network, WSN)覆盖控制通常采用基于二元感知模型的几何计算方法休眠冗余节点, 其算法在实际应用中受到局限, 不够精确. 针对此问题, 本文采用概率感知模型, 提出新的覆盖控制算法, 将提高能量利用效率作为重要指标, 采用节点轮换周期工作机制, 每个周期逐个唤醒部分节点, 组成满足网络覆盖要求的覆盖集, 实现降低能耗、均衡节点能量的目的. 概率感知模型描述网络的覆盖能力更精确, 算法不受感知模型的限制, 原理简单, 易实现, 仿真结果验证了本算法的有效性.     

基于免疫克隆选择机制的WSN节点调度算法

由于无线传感器网络节点分布不均匀,监测环境复杂等特点,远离Sink的节点由于能耗较大,并且容易导致网络覆盖面积不足.提出一种启发式的利用人工免疫克隆选择机制的节点调度优化算法(AICSO),将网络生命期划分为具体数量的迭代周期并生成中心节点的覆盖位图,利用节点间冗余进行有效地拓扑控制合理调度节点,以获得网络的最优连通性和最大面积的覆盖.仿真结果表明,上述算法能够有效利用网络节点的能量满足感知覆盖和连通性要求,延长了网络生命周期,降低了网络整体能耗,为网络优化节点调试提供了依据.     

无线传感器网络的任意覆盖率节点配置

研究了任意覆盖率下的无线传感器网络分布式节点自动配置问题. 首先, 针对正六边形拓扑架构下的网络覆盖, 给出了节点密集分布条件下的覆盖率与相邻工作节点间距的解析关系, 从而得到了理想条件下部分覆盖的最优节点配置. 考虑到实际系统中有限的节点密度和节点的随机分布, 进一步提出了一种可以在此条件下实现任意覆盖率的部分覆盖协同优化算法(Optimized collaborative partial coverage, OCPC). OCPC通过节点间的动态协同唤醒最接近于理想配置的工作节点并使其他节点睡眠以节省能量. 以尽可能少的工作节点达到网络的覆盖和连通需求并降低网络的能耗, 进而达到网络的感知任务和能量消耗的有效折衷. 仿真表明, OCPC可以有效地实现任意期望覆盖率下的网络配置并保持网络连通, 同时, 与经典覆盖算法PEAS (Probing environment and adaptive sleeping)和OGDC (Optimal geographic density control)相比, 在网络的节能方面也具有明显的优越性.     

一种无线传感器网络的概率覆盖增强算法

覆盖与连通问题是无线传感器网络的基本问题.研究考虑连通性的概率覆盖增强算法,构建覆盖空洞的修补半径,提出了移动距离和修补半径的关系模型.通过这个关系模型,移动节点在修补圆上选择保持连通的修补位置;根据这个移动距离和空洞面积,移动节点进一步创建空洞的优先级,选择优先级最高的空洞进行修补,节能而高效地实现覆盖增强.仿真结果表明,所提出的算法既能得到较高的覆盖率,又能保证整个网络的连通性.     

无线传感网络中部分覆盖与拟连通冗余节点的研究

随机部署的无线传感网络通常包含大量的覆盖与连通冗余节点,这些节点不仅造成大量的能源浪费,同时影响网络的性能。为此,需要对网络中的覆盖与连通冗余节点进行有效的调度配置。考虑到无线传感网络中覆盖与连通冗余节点识别算法的复杂性,提出了一个新的“部分覆盖与拟连通的冗余节点”概念,它对网络具有同覆盖与连通冗余节点类似的影响,与覆...     

A novel knowledge-guided evolutionary scheduling strategy for energy-efficient connected coverage optimization in WSNs

One of the most important challenges in designing wireless sensor network is how to construct full-connected network containing least active sensor nodes with satisfied quality of services, such as the coverage rate and energy consumption. This energy-efficiency full-connected coverage optimization problem is modeled as a single-objective optimization problem with constraint. To solve this problem, a knowledge-guided evolutionary scheduling strategy is proposed. Three highlights of this strategy are: (1) Knowledge is defined as the importance of sensor node, which depends on the distance between sensor node and sink node. (2) The genes of an individual correspond to senor nodes in descending order of their importance. (3) Considering sensor nodes’ importance and redundancy rate, knowledge-guided mutation operator and repair strategy are present. Simulation results show that the proposed method can find the optimal full-connected wireless sensor network containing least sensor nodes and consuming less energy for communication by less computation time. Though the coverage rate of the optimum is larger, it still satisfies the coverage constraint. Moreover, this strategy fits for the problems that the communication radius of sensor node is less than two times of its sensing radius.     

基于传感器网络节点配置优化仿真研究

研究无线传感网络节点配置覆盖优化问题。由于无线传感网络存在着热区问题,对网络的覆盖性能造成严重的影响,同时影响网络配置优化。为了有效的提高无线传感网络的覆盖率,提出了一种改进的粒子群算法优化无线网络节点覆盖。针对粒子群算法存在易陷入局部极值和早熟的缺陷,引入遗传算法中的交叉算子和变异算子,优化传感网络节点的混合粒子群算法,在严格确保无线传感器网络连通性的条件下,传感器节点配置数目达到要求的覆盖度,并进行仿真。仿真结果表明混合粒子群算法能快速收敛到更精确的解,使网络节点配置达到覆盖的优化要求。     

无线传感器网络连通性研究

为优化无线传感器网络的配置参数,减少网络拓扑结构变化次数,需对其组网算法和连通性问题进行研究。从概率论角度出发研究了网络参数之间的关系,在分析了节点连通度概率分布模型后,推导出了节点通信半径、节点个数、监测区域、连通度之间的关系,并在此基础上给出了一种连通性好且节能的无线传感器网络组网算法。通过仿真实验对算法进行验证,实验结果表明使用该方法组建的无线传感器网络连通性好,有很好的应用前景。     

一种移动无线视频传感器节点的覆盖算法

在现有的无线传感器网络覆盖算法的研究中,缺乏对移动节点路径规划的研究,而针对具有视频传感器节点的网络仍使用普通传感器圆形覆盖区域的测量方法来计算覆盖面积,并不完全符合实际情况.基于这两方面的原因,本文提出了一种适用于无线视频传感器节点的最大覆盖算法,并提出一种对于视频传感器节点覆盖面积的计量方法.该算法能够使节点在保证网络连通性的前提下,达到最大的有效监测范围.此外,本文建立了相应的仿真实验模型,对该算法的有效性和覆盖面积进行了实验与分析.结果表明,本算法的节点监测面积大约为使用随机运动算法的节点监测面积的1.5倍左右,并可以保证网络的连通性.     

平均度约束的无线传感器网络拓扑控制

拓扑控制是无线传感器网络中最重要的技术之一.大规模随机部署的无线传感器网络节点,在满足无线传感器网络拓扑连通性的前提下,如何保证网络结构的稀疏性是一个亟待解决的问题,目前已有的研究结果表明当节点密度较大时,得到的网络拓扑复杂,计算路由将严重消耗节点资源.文中提出了一种平均度约束的无线传感器网络拓扑控制,通过增加节点通信半径,约束节点的平均度来解决网络的连通性与网络拓扑的稀疏性之间的矛盾.数值模拟表明:通过平均度约束的无线传感器网络拓扑控制,可减少网络中选出的工作节点数,保证了网络的稀疏性,简化了路由的复杂度,从而延长了网络的生存周期.