基于全局貪心的有向傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋算法

摘要：針對(duì)分布式貪心算法(DGreedy)以傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量為優(yōu)先級(jí)，節(jié)點(diǎn)處理順序沒有考慮相鄰節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的影響，從而影響覆蓋率的不足，在此提出了一種新的有向傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋算法?；谌重澬牡脑瓌t，以節(jié)點(diǎn)一重覆蓋區(qū)域面積的大小為優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先確定一重覆蓋區(qū)域面積最大的傳感器節(jié)點(diǎn)方向，從而保證傳感器網(wǎng)絡(luò)的一重覆蓋區(qū)域面積更大，重疊覆蓋區(qū)域較少。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能有效提高覆蓋率。
關(guān)鍵詞：有向傳感器網(wǎng)絡(luò)；全局貪心；一重覆蓋；Matlab

0 引言
    覆蓋問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本問題，是近年來該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前多數(shù)覆蓋控制的研究成果都是基于滿足全向性感知模型的傳感器進(jìn)行的，但在實(shí)際應(yīng)用中，許多有向傳感器，如視頻傳感器，已被廣泛應(yīng)用于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中。與基于滿足全向性感知模型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，有向傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋問題更復(fù)雜，是該領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。
    Ma等首先提出了有向傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念，設(shè)計(jì)了一種有向傳感器感知模型，并研究了有向傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋完整性問題。文獻(xiàn)等都采用了基于虛擬勢場的思想進(jìn)行有向傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制。陶丹等在文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)了一種方向可調(diào)的感知模型，并以此為基礎(chǔ)首先提出了基于虛擬勢場的有向傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋增強(qiáng)算法，通過引入“質(zhì)心”的概念，將有向傳感器用質(zhì)心點(diǎn)代替，并將有向傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋問題轉(zhuǎn)化為質(zhì)心分布問題，質(zhì)心點(diǎn)在虛擬力的作用下運(yùn)動(dòng)，消除感知盲區(qū)和重疊區(qū)。傳統(tǒng)基于虛擬勢場的有向傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋增強(qiáng)算法只判斷和調(diào)整方向，節(jié)點(diǎn)的調(diào)整量為固定值，針對(duì)這一問題，黃帥等在文獻(xiàn)中利用虛擬力與角度調(diào)整量間的關(guān)系，根據(jù)虛擬力的大小改變節(jié)點(diǎn)的角度調(diào)整量，提高了網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整效率。但是，以上基于虛擬勢場思想的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋方法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均需計(jì)算多個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的合力，節(jié)點(diǎn)受力隨轉(zhuǎn)動(dòng)過程不斷變化，使得算法較復(fù)雜；且節(jié)點(diǎn)根據(jù)力矢量的大小和方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度取值過小會(huì)增加調(diào)整時(shí)間，取值過大則會(huì)引起頻繁的計(jì)算和傳感方向的反復(fù)調(diào)整，且因合力未必為0，可能導(dǎo)致調(diào)整過程中角度往復(fù)震蕩。文獻(xiàn)提出了一種分布式貪心算法(DGreedy)，以傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量為優(yōu)先級(jí)，每個(gè)傳感器基于局部貪心原則選擇工作方向，使傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋盡可能大的區(qū)域。但是，DGreedy算法受傳感器節(jié)點(diǎn)處理順序影響較大，以剩余能量為優(yōu)先級(jí)的方法沒有考慮節(jié)點(diǎn)問覆蓋區(qū)域的相互影響，從而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率。
    本文基于全局貪心原則，提出了一種有向傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋算法。以節(jié)點(diǎn)各方向下一重覆蓋區(qū)域的大小為優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先確定一重覆蓋區(qū)域面積最大的傳感器節(jié)點(diǎn)方向，保證了傳感器網(wǎng)絡(luò)的一重覆蓋區(qū)域面積更大，重疊覆蓋區(qū)域較少。對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文算法的有效性。

1 覆蓋算法
1．1 DGreedy算法
    分布式貪心算法DGreedy由程衛(wèi)芳等人提出，并應(yīng)用于有向傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋中。DGreedy假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)不同方向的感應(yīng)范圍互不重疊，4個(gè)可選方向的傳感器節(jié)點(diǎn)示例如圖1所示，圖中Si,j表示第i個(gè)傳感器的第j個(gè)方向。文中還假定所有傳感器節(jié)點(diǎn)具有相同的結(jié)構(gòu)。給每個(gè)傳感器分配一個(gè)彼此不同的優(yōu)先級(jí)，并定義Gi,j表示節(jié)點(diǎn)Si的第J個(gè)方向上，沒有被更高級(jí)的感應(yīng)鄰居所覆蓋的面積。

    DGreedy算法具體描述如下：
   
1．2 改進(jìn)的DGreedy算法
    DGreedy算法每個(gè)傳感器以局部貪心的原則確定工作方向，只要感應(yīng)鄰居間的覆蓋消息能準(zhǔn)確傳遞，就能在有限時(shí)間內(nèi)終止。但是，傳感器的決策順序，即優(yōu)先級(jí)對(duì)最終的覆蓋效果有極大的影響，文中以傳感器剩余能量為優(yōu)先級(jí)，但以剩余能量為優(yōu)先級(jí)的處理順序沒有考慮覆蓋區(qū)域面積的影響，因此并不一定能保證傳感器的覆蓋區(qū)域面積最大。同時(shí)，文中沒有考慮孤立傳感器或優(yōu)先級(jí)最高的傳感器的傳感方向，如圖2(a)所示S1～S5五個(gè)傳感器，假設(shè)它們的剩余能量，即優(yōu)先級(jí)從高到低，則S1的傳感方向最先被確定，由于S1的優(yōu)先級(jí)最高，其它傳感器的存在對(duì)它沒有影響，此時(shí)S1的傳感方向可以是4個(gè)可選方向中的任意一個(gè)；由于S1～S4四個(gè)節(jié)點(diǎn)互不為鄰居，且它們的優(yōu)先級(jí)均高于S5，同理S2～S4的傳感方向也可以是4個(gè)可選方向中的任意一個(gè)，若S1～S4最終選擇的方向如圖2(a)所示，此時(shí)S5的4個(gè)可選方向中，均存在重疊區(qū)域，顯然應(yīng)選擇重疊區(qū)域最小的S5,2方向。

    本文傳感器節(jié)點(diǎn)以全局貪心的思想確定工作方向，以傳感器節(jié)點(diǎn)的最大一重覆蓋區(qū)域面積大小為優(yōu)先級(jí)，最大一重覆蓋區(qū)域的定義與DGreedy算法中的Gi,j類似，即節(jié)點(diǎn)與鄰居間沒有重疊的區(qū)域，某一節(jié)點(diǎn)在某方向上的一重覆蓋區(qū)域面積越大，則該節(jié)點(diǎn)和方向越先被確定。如圖2(a)所示，S1～S4四個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)方向上與S5均有重疊覆蓋區(qū)域，以S1為例，S1存在一個(gè)方向?yàn)橥暌恢馗采w，因此擁有最高優(yōu)先級(jí)；同理，S2～S4擁有與S1相同的優(yōu)先級(jí)。因此S1～S4的傳感方向最先被確定，且選擇的方向均為完全一重覆蓋方向，如圖2(b)所示，此時(shí)S5的4個(gè)可選方向中，均為完全一重覆蓋，可依據(jù)固定順序或指向覆蓋區(qū)域中心等原則，選擇其中任一方向。顯然，圖2(b)的覆蓋效果好于圖2(a)。
    改進(jìn)的Greedy算法描述如下：

   

2 實(shí)驗(yàn)及分析
    下面通過模擬實(shí)驗(yàn)評(píng)估本文算法的性能，所有實(shí)驗(yàn)都用Matalb 7．4．0實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定監(jiān)測區(qū)域大小為邊長500 m的正方形，不同數(shù)目的有向傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域中，傳感器的覆蓋角度為α=90°，傳感器可選方向數(shù)為P=4，傳感半徑Rs=60 m。比較了本文算法、DGreedy算法及傳感器隨機(jī)選擇工作方向的隨機(jī)算法Random算法的性能。

    當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)N=50時(shí)，3種算法的覆蓋效果如圖3所示，圖中的圓形表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)的可能覆蓋范圍，灰色扇形表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際覆蓋區(qū)域，顏色越深，表示覆蓋重疊數(shù)越多。很顯然，Random算法的覆蓋結(jié)果中重疊覆蓋區(qū)域最多，因此覆蓋率最低，本文算法覆蓋率最高。不同傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目時(shí)，3種算法的覆蓋率如圖4所示。由于本文算法每次都取一重覆蓋區(qū)域面積最大的傳感器節(jié)點(diǎn)及其傳感方向，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的一重覆蓋率較高，多重覆蓋率較低；DGreedy算法以剩余能量為優(yōu)先級(jí)，選取一重覆蓋區(qū)域面積最大的方向，但優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)所選方向不一定是所有節(jié)點(diǎn)中一重覆蓋區(qū)域面積最大的方向，因此覆蓋率較本文算法有所降低；Random算法節(jié)點(diǎn)的覆蓋方向隨機(jī)產(chǎn)生，重疊覆蓋區(qū)域最多，因此覆蓋率最低。

3 結(jié)語
    有向傳感器由于傳感范圍有限，其覆蓋問題比基于全向感知模型的傳感器覆蓋更復(fù)雜。有向傳感器的覆蓋問題，就是按某種原則選擇每個(gè)傳感器的工作方向，以減少重疊覆蓋區(qū)域，增加一重覆蓋區(qū)域。本文以傳感器最大一重覆蓋區(qū)域面積作為優(yōu)先級(jí)，以全局貪心原則確定傳感器的工作方向，旨在調(diào)度傳感器的工作方向以覆蓋盡可能大的區(qū)域。通過仿真實(shí)驗(yàn)，與DGreedy算法和Random算法進(jìn)行比較，驗(yàn)證了本文有向傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋增強(qiáng)算法的有效性。