第二章 无线传感器网络覆盖与连接

无线传感器网络覆盖技术谭慧婷 150400241.覆盖技术理论基础覆盖问题是无线传感器网络配置首先要面对旳基本问题, 它反应了一种无线传感器网络某区域被检测和跟踪旳状况。

既有旳研究成果, 诸多都是致力于处理传感器网络旳布署和检测以及覆盖与连接旳关系等方面旳问题。

覆盖问题可以表述成不一样旳理论模型, 甚至在平面几何里就能找到对应旳处理方案。

虽然简朴地只从数学上来考虑, 在布署传感器节点旳时候, 我们必须懂得怎样用相似旳节点数覆盖尽量大旳区域。

为了对网络旳覆盖问题先有一种初步旳认识, 这里我们提出一种几何问题-艺术馆问题来理解。

假设艺术馆旳主人想在场馆内放置监视器来防止盗窃。

假定相机可以有360度旳视角并且可以极大速度旋转, 相机可以监视任何位置, 视线不受影响。

有关实现这个想法存在两个问题需要回答：首先就是究竟需要多少台相机；另一方面, 这些相机应当放置在哪些地方才能保证馆内每个点至少被一台相机监视到。

一种简朴旳措施就是将多边形提成不重叠旳三角形, 每个三角形里面放置一种相机。

通过这个措施, 我们可以得到最佳分布应当如下图, 放置两个相机相机足以覆盖整个艺术馆。

相机1我们可以懂得无线传感器网络旳覆盖问题在本职上和上面旳几何问题是一致旳: 需要懂得与否某个区域被充足覆盖以及完全处在监视之下。

但我们也必须认识到, 几何研究旳成果为理解传感器覆盖问题提供了一种理论背景, 但这样旳求解措施是无法直接应用到无线传感器网络。

由于：1.监视器可以看到无穷远旳地方只要没有障碍物阻挡, 不过传感器节点存在最大感应范围；2.无线传感器网路没有类似监视器之间固定旳基础设施，其拓扑构造也许随时变化。

2.覆盖旳感知模型在讨论节点怎样布置之前, 需要先懂得传感器节点旳感知模型。

目前重要是两种。

a.布尔感知模型布尔感知模型是以一种节点为圆心, 以感知距离为半径旳圆形区域, 只有落在该圆形区域内旳点才能被该节点覆盖, 这种模型也被称为0-1模型。

无线传感器网络知识点一、引言在当今科技飞速发展的时代，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）正逐渐成为一个热门的研究领域，并在众多领域得到了广泛的应用。

从环境监测到工业控制，从医疗保健到智能家居，无线传感器网络的身影无处不在。

那么，什么是无线传感器网络？它由哪些部分组成？又有哪些关键技术和应用场景呢？接下来，让我们一起深入了解无线传感器网络的相关知识点。

二、无线传感器网络的定义和组成（一）定义无线传感器网络是由大量的、廉价的、具有感知能力、计算能力和通信能力的传感器节点通过自组织的方式构成的无线网络。

这些传感器节点能够实时监测、感知和采集网络覆盖区域内的各种环境或监测对象的信息，并将这些信息通过无线通信的方式传输给用户。

（二）组成1、传感器节点传感器节点是无线传感器网络的基本组成单元，它通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块组成。

传感器模块负责感知监测对象的信息，处理器模块负责对感知到的数据进行处理和分析，无线通信模块负责与其他节点进行通信，电源模块则为节点提供能量。

2、汇聚节点汇聚节点也称为网关或基站，它的主要功能是接收传感器节点发送的数据，并将这些数据转发给用户或其他网络。

汇聚节点通常具有较强的处理能力和通信能力，能够与外部网络进行连接。

3、网络协议网络协议是无线传感器网络中节点之间进行通信和数据传输的规则和标准，它包括物理层协议、数据链路层协议、网络层协议、传输层协议和应用层协议等。

三、无线传感器网络的关键技术（一）传感器技术传感器是无线传感器网络的核心部件，它能够将被监测对象的物理量、化学量等转化为电信号。

目前，常用的传感器包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光照传感器、声音传感器等。

随着微机电系统（MEMS）技术的发展，传感器的体积越来越小、功耗越来越低、成本越来越低，为无线传感器网络的广泛应用提供了可能。

（二）低功耗技术由于传感器节点通常采用电池供电，而且电池的能量有限，因此低功耗技术是无线传感器网络中的关键技术之一。

无线传感器网络的组网与应用随着科技的不断发展和进步，无线传感器网络的应用已经渗透到了我们的生活中。

无线传感器网络是由一组互相连接的传感器节点组成的，它们能够通过无线通信方式进行数据传输和共享。

无线传感器网络的组网和应用是构建一个高效可靠的网络的重要一环。

本文将详细介绍无线传感器网络的组网步骤和应用方面，希望能够帮助读者更好地理解和应用无线传感器网络。

一、无线传感器网络的组网步骤：1. 确定网络拓扑结构：根据实际需求和传感器节点的布置情况，选择合适的网络拓扑结构，常见的有星型结构、树形结构和网状结构等。

不同的拓扑结构有不同的特点和适用场景。

2. 选择合适的传感器节点：根据应用需求选择合适的传感器节点，包括节点的功能、通信能力、能源消耗等方面的考虑。

同时需要考虑传感器节点的数量和节点之间的距离，以便保证网络的覆盖范围和传输质量。

3. 配置节点信息：对每个传感器节点进行配置，包括网络地址、通信协议、安全设置等。

同时还需要对传感器节点进行测试，确保其正常工作和互相通信。

4. 建立网络连接：通过无线通信方式，将传感器节点连接到一个无线网络中。

可以使用无线路由器或者基站作为网络的中心节点，将其他传感器节点连接到该中心节点上。

5. 网络调试和优化：在网络组建完成后，需要进行网络的调试和优化工作，确保数据的准确传输和网络的稳定性。

可以通过网络监测工具和数据分析等方式来进行调试和优化。

二、无线传感器网络的应用：1. 环境监测：无线传感器网络可以应用于环境监测领域，例如大气污染监测、水质监测和土壤湿度监测等。

传感器节点可以布置在不同的区域，通过收集环境参数的数据进行分析和预测，从而提供准确的环境监测服务。

2. 智能交通系统：无线传感器网络可以应用于智能交通系统中，例如交通流量监测、道路状况监测和交通信号控制等。

传感器节点可以安装在不同的道路上，通过监测车辆和行人的数量和流动情况，以及道路的状态和交通信号的变化，从而实现交通流畅和安全的控制。

无线传感器网络中覆盖问题的解决方案比较与优化概述无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由许多分布在广泛区域内的无线传感器节点组成的网络。

这些传感器节点能够自主地感知环境中的各种物理和环境条件，并将收集到的信息通过网络传输给基站或其他节点。

覆盖问题是WSN中一个关键的挑战，它指的是如何保证网络中的每个位置都能够被足够数量的传感器节点覆盖到。

基本概念在讨论覆盖问题之前，我们应该了解一些基本概念。

无线传感器网络通常由三个不同的要素组成：传感器节点、目标区域和覆盖范围。

传感器节点：是WSN中的基本构建单元，它负责感知和传输数据。

目标区域：是指需要覆盖的区域。

覆盖范围：是指传感器节点的感知范围，即节点能够覆盖的最大距离。

解决方案比较针对无线传感器网络中的覆盖问题，研究人员提出了许多不同的解决方案。

下面我们将比较一些常见的解决方案。

1. 基于贪心算法的解决方案贪心算法是一种常见的解决覆盖问题的方法。

该算法通过选择覆盖范围内拥有最高能量的节点来进行部署。

通过这种方法，可以减少节点之间的重叠区域，提高整个网络的能量效率。

然而，贪心算法容易产生局部最优解，导致覆盖不均匀或覆盖区域较小的问题。

2. 基于优化算法的解决方案由于贪心算法的局限性，研究人员提出了基于优化算法的解决方案。

这些算法通过设计合适的目标函数和约束条件来最小化无线传感器网络的总能量消耗，并同时保证节点的覆盖范围。

常见的优化算法有遗传算法、粒子群优化和蚁群算法等。

这些算法能够找到全局最优解，但计算复杂度较高。

3. 基于机器学习的解决方案近年来，随着机器学习技术的快速发展，研究人员将其应用于无线传感器网络中的覆盖问题。

通过收集大量的训练数据和使用适当的机器学习算法，可以建立模型来预测传感器节点的最佳位置和覆盖范围，从而优化网络的覆盖性能。

机器学习方法在一定程度上解决了问题的复杂性和计算效率的问题，但对于大规模网络仍面临一定的挑战。

无线传感器网络覆盖算法综述作者：陈晓东来源：《电脑知识与技术》2019年第06期摘要：无线传感器网络（WSN）是由大量微型，廉价和低功耗传感器节点组成的网络，这些节点之间通过无线通信多跳中继，相互协作完成应用程序任务并将感知数据转发到中央采集汇聚节点。

无线传感器广泛应用于环境检测，栖息地检测，精细农业甚至军事领域。

无线传感器网络一个很重要的问题是覆盖问题，覆盖问题主要分为三类，分别是区域覆盖，目标覆盖以及栅栏覆盖，下文分别对此三类覆盖方式做一个综述。

关键词：WSN；覆盖算法；节点调度中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）06-0023-021 无线传感器网络覆盖算法1.1 目标覆盖目标覆盖是针对监测区域内某些特定的目标进行监测，又称为点覆盖，如图1所示，为了保证覆盖质量，通常需要每一个监测对象被最少一个传感器节点所感知，目标覆盖的主要应用领域在于军事领域。

（1）Saint_Louis[1]提出了一种基于权重的遗传算法，该论文解决了传感器节点集合最大化问题，从文献中分析了一些经典算法，并且提出了一个全新的集中式的思路，新算法的名称称为基于权重的贪婪算法，通过将传感器节点分为多个集合，并且保证每个集合满足完全覆盖，基于权重的贪婪算法的目标是从分区中最大化集合个数从而延长整体的网络寿命。

但是算法的分区选择有些难度，并且由于算法是集中式的，扩展性不够好，并且时间复杂度有些高。

（2） Manju[2]提出了一种新的节能启发式方法，可以在不同时间段对传感器进行调度，不同非相交传感器节点集合有助于最大化网络生存周期。

首先，作者的启发式算法可以识别出所有关键目标也就是最少被覆盖的目标，以及关键节点，也就是覆盖关键目标的节点。

关键目标由最少的傳感器节点覆盖，将会是最先未被覆盖的，有效的利用关键节点将会延长网络寿命，作者尝试寻找使用最少的传感器数量来覆盖迷宫集合以至于关键目标可以被覆盖更长时间。

目录第一章绪论 (1)1.1无线传感器网络概述 (1)1.1.1无线传感器网络的定义 (1)1.1.2无线传感器网络的应用 (2)1.2课题背景及研究意义 (3)1.3论文的组织结构 (3)第二章无线传感器网络中覆盖问题的概述 (4)2.1基本知识介绍 (4)2.2无线传感器网络中覆盖算法分类 (4)2.2.1基于节点的移动能力的分类 (5)2.2.2基于节点部署策略的分类 (6)2.2.3基于节点类型的分类 (6)2.2.4基于覆盖度的分类 (7)2.2.5基于集中度的分类 (8)2.3覆盖问题与其他问题的结合 (8)2.3.1连通与覆盖 (8)2.3.2干扰与覆盖 (9)2.4本章小结 (9)第三章CWSC：连通的k-覆盖工作集的构造算法 (11)3.1引言 (11)3.2相关知识 (11)3.2.1相关定义 (11)3.2.2传感器节点和基站的结构 (12)3.2.3参数定义 (12)3.2.4消息描述 (13)3.2.5传感器节点的状态转变 (13)3.3CWSC算法 (14)3.3.1CWSC概述 (14)3.3.2CWSC算法详述 (14)3.4算法的性能分析 (17)3.5仿真结果与分析 (19)3.5.1仿真目的 (19)3.5.2仿真软件介绍 (19)3.5.3仿真实验分析 (19)3.5.3.1网络拓扑示例 (20)3.5.3.2覆盖度对覆盖百分比的影响 (21)3.5.3.3覆盖度，工作节点数和部署的节点数量的关系 (22)3.5.3.4网络寿命的比较 (23)3.6本章小结 (25)第四章将区域覆盖转换成点覆盖来维持覆盖和连通 (26)4.1前言 (26)4.2相关知识 (26)4.2.1转换阶段 (26)4.2.2生成覆盖集阶段 (28)4.3算法设计分析 (33)4.4仿真结果分析 (36)4.4.1与其他目标覆盖算法的比较 (36)4.4.2本算法的性能 (37)4.4.3与其他区域覆盖算法的比较 (38)4.5本章小结 (40)第五章总结和展望 (42)5.1工作总结 (42)5.2展望 (42)[参考文献] (44)在校期间发表的学术论文 (48)致谢 (49)第一章绪论1.1无线传感器网络概述1.1.1无线传感器网络的定义无线传感器网络[1,2]能够利用传感器实时感知和采集各种应用环境中的数据信息。

课程名称：无线传感器网络课程内容：无线传感器网络专业班级：姓名：学号：任课教师：成绩：无线传感器网络一、无线传感器网络概述无线传感器网络（wireless sensor network,)也即通常所说的WSN，就是由部署在检测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作的感知.采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息.并发送给观察者。

二、传感器，感知对象，观察者构成了传感器网络的三个要素。

三、传感器网络，塑料电子和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产业。

四、WSN背景和发展历程：早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。

随着相关学科的的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。

而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。

五、WSN的网络体系结构：1、网络结构结构入上图所示，传感器网络系统通常包括传感器节点（sensor node），汇聚节点（sink node），和管理节点。

大量传感器节点随机的部署在检测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。

传感其节点检测的数据沿着其它节点逐跳的进行传输，其传输过程可能经过多个节点处理，经过多跳后到达汇集节点，最后通过互联网和卫星达到管理节点，用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布检测任务以及收集检测数据。

2、传感器节点结构：从上图我们可以看到一个典型的传感器节点由传感器模块，处理模块，无线通信模块和能量供应模块四部分组成。

每一个模块的功能如下所示：1)传感其模块负责监视区域内信息的采集和数据转换2)处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据。

无线传感器网络如何应对网络覆盖范围不足随着科技的不断发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）在各个领域得到了广泛的应用。

然而，由于传感器节点的有限能量和通信范围，WSN在网络覆盖范围上存在一定的局限性。

本文将探讨WSN在网络覆盖范围不足的情况下，如何应对这一问题。

一、优化传感器节点的部署策略传感器节点的部署策略是影响网络覆盖范围的重要因素之一。

传统的部署方法往往是随机散布节点，这样容易导致网络覆盖范围不均匀。

因此，优化传感器节点的部署策略是解决网络覆盖范围不足的关键。

1. 节点密度控制通过合理控制传感器节点的密度，可以在一定程度上提高网络的覆盖范围。

在高密度区域增加节点的部署密度，而在低密度区域减少节点的部署密度，可以实现网络覆盖范围的均衡分布。

2. 路径优化通过优化传感器节点之间的通信路径，可以进一步扩大网络的覆盖范围。

例如，选择传感器节点之间的最短路径或最优路径，可以减少通信距离，提高网络的覆盖范围。

二、引入中继节点增强网络覆盖在传感器网络的边缘或网络覆盖不足的区域引入中继节点，可以有效地增强网络的覆盖范围。

中继节点可以接收来自传感器节点的数据，并将其转发到网络的其他部分。

通过中继节点的引入，可以实现网络覆盖范围的扩展，提高网络的可靠性和稳定性。

三、自适应调整传感器节点的功率传感器节点的功率控制是解决网络覆盖范围不足的另一种有效方法。

通过自适应调整传感器节点的功率，可以实现网络覆盖范围的优化。

1. 功率调整算法利用功率调整算法，可以根据网络的实时情况自动调整传感器节点的功率。

当网络覆盖不足时，增加节点的功率以扩大覆盖范围；当网络覆盖过剩时，降低节点的功率以节省能量。

2. 节能机制在功率调整的同时，还可以引入节能机制，以延长传感器节点的寿命。

例如，通过降低节点的工作频率、优化数据传输协议等方式，减少节点的能量消耗。

四、引入可移动节点增强网络覆盖除了中继节点外，引入可移动节点也是一种有效的方法来增强网络的覆盖范围。

无线传感器网络中的覆盖与联动控制无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是一种由大量分布在特定区域内的无线传感器节点组成的网络系统。

这些传感器节点能够感知周围环境的物理量，并将所获取的信息通过网络传输到中心节点或其他节点，以实现对环境的实时监测和数据采集。

在无线传感器网络中，覆盖与联动控制是两个重要的问题，对于网络的性能和能耗有着重要的影响。

覆盖问题是指如何选择一部分传感器节点，使得这些节点能够覆盖整个监测区域，并保证覆盖质量达到一定的要求。

在无线传感器网络中，传感器节点的能源是有限的，因此如何合理地选择节点进行覆盖是一个关键的问题。

传统的覆盖问题通常采用最大化覆盖范围或最小化传感器节点数量的方法，但这些方法往往无法兼顾覆盖质量和能耗的平衡。

近年来，研究者们提出了一些新的覆盖算法，例如基于连续覆盖、分簇覆盖和多目标优化等方法，以在保证覆盖质量的同时降低能耗。

连续覆盖是一种常用的覆盖模型，它要求传感器节点能够在时间和空间上连续地监测目标区域。

在连续覆盖模型中，传感器节点的布局和部署策略对于覆盖质量至关重要。

研究者们通过优化传感器节点的部署位置和密度，以最大化覆盖范围和覆盖质量。

例如，可以通过选择合适的传感器节点密度，使得传感器节点之间的覆盖重叠最小化，从而降低能耗和冗余。

此外，还可以通过考虑传感器节点的能量消耗和通信距离等因素，设计出更加高效的覆盖算法。

分簇覆盖是另一种常用的覆盖模型，它将传感器节点划分为若干个簇，并由每个簇中的一个节点负责监测整个簇的覆盖。

通过分簇覆盖，可以有效地减少传感器节点之间的通信开销，并降低能耗。

研究者们通过优化簇头节点的选择和簇的划分策略，以提高网络的能效和覆盖质量。

例如，可以通过选择具有较高能量的节点作为簇头节点，以延长网络的生命周期。

同时，还可以通过考虑传感器节点之间的距离和通信质量等因素，设计出更加高效的分簇覆盖算法。

除了覆盖问题外，联动控制也是无线传感器网络中的一个重要问题。