一种混合无线传感器网络内覆盖洞修补的分布式启发算法

类算法中的输出分派移动传感器的最大开销进行限制， 随后提出了一种分布式启发算法。该算 法将移动 传感器 和覆盖洞视为节点， 在节点和节点的邻居间通过有限数量消 息 实现匹配。 仿真结果显示， 算 法可实现最 高 达到 85% 的覆盖洞修补率以及较低的移动传感器最大移动开销， 使其更能适用于实际无线传感器网络环境。 关键词： 无线传感器网络; 分布式算法; 移动传感器重定位; 覆盖洞修补 中图分类号： TP393 文献标志码： A 文章编号： 1001-3695 ( 2013 ) 03-0861-05 doi： 10． 3969 / j． issn． 10013695． 2013． 03． 056
达的设备
［1 ］
。信息化技术的发展使得无线传感器网络在国防
环境监测和工业诊断等众多领域发挥了巨大作用 。早期 检查、 的无线传感器网络主要构建在友好环境之中， 且其规模较小， 因此便于实现无线传感器的最优确定性部署 助方式来实施部署（ 如利用飞机铺撒 从而形成覆盖洞 盖洞
［5 ］ ［4 ］ ［3 ］ ［2 ］
［2 ， 16 ］
。 然而集中式算法存在单点失效问
少的覆盖洞
。在覆盖洞修补的早期研究中， 科研人员主要
题， 当 sink 节点失效时算法无法运行， 因而覆盖洞难以得到修
［17 ］ 补。使用 Preis 的算法 可实现分布式的最小全部开销覆盖
通过激活网络中铺设的固定冗余传感器来进行填补 。然而， 这 种方法需要大量的冗余传感器支持， 并且随着网络规模的增 所需冗余传感器的数量快速增长 大，
［6 ］
移动消耗的能量远远高于通信和计算开销
， 因此移动传感
器分派算法通常只关注移动传感器可用于移动的剩余能量和 开销。按照算法是否由网络中的 sink 节点执行， 算法可分为 集中式和分布式算法两类 。 按照算法内移动传感器的移动开 销目标， 算法可分为最小全部开销和最小化最大开销算法 。 根据现有文献， 最小全部开销和最小化最大开销都存在相 应的集中式最优算法
0
引言
传感器是一种能够对物理刺激作出响应并进行数据化表
器的 使 用 数 量， 一种新型的覆盖洞修补方法是将移动传感 器
［8 ］
作为无线传感器网络中的冗余传感器， 通过分派算法将
移动传感器再定位至覆盖洞， 达到覆盖洞的修补目的 。 这种使用移动传感器进行覆盖洞修补的网络由于包含两
［9 ］ 种传感器（ 固定和移动） ， 通常称之为混合无线传感器网络 。
研究人员提出了多种在混合无线传感器网络中对覆盖洞进行 修补的移动传感器分派算法
［10 ～ 14 ］
。 然而随着网
。由于移动传感器进行物理
［15 ］
络规模的增大和应用环境的扩大， 无线传感器通常通过机械辅 等） 。 这种无线传感器 的非精确分布容易使得预定的监控区域上出现覆盖空白区域， 。 此外， 监控对象的活动、 气温环境的变 化、 传感器过度使用等也容易造成传感器失效， 从而也形成覆 。无线传感器网络的服务要求网络中不存在或只有极
a m2
图1
பைடு நூலகம்
移动传感器选择
2
网络模型和问题定义
本文假设存在一个初始时由固定传感器完全覆盖的混合
由于分布式算法目标为最小化移动传感器的最大移动开 销， 因此图 G sg 上的一个节点（ 一个移动传感器或一个覆盖洞） 需要在进行单独运算的情况下选择权值较小的边的另一端节 且不提高相邻节点选择匹配的边的权值 。在不知 点进行匹配， 节点需要通过通信协调完成这一 道相邻节点的有权边的情况， 任务。通过节点通信， 至少两个同类节点（ 两个节点同为移动 传感器或同为覆盖洞） 将各自匹配边的权值降低或不提高 。 根据这一特点， 可在分布式算法中只使用一类节点进行主动的 匹配选择。由于混合传感器网络中移动传感器的数量通常不 这里使用覆盖洞发起对移动传感器的选择 。 少于覆盖洞数量， 以图 1 为例进行分布式算法流程分析 。假设 d ＜ c ＜ a ＜ b， 覆盖 洞 h1 必须选择移动传感器 m2 进行匹配， 从而降低这两对移动 传感器和覆盖洞的分配中移动传感器的最大移动开销 。 将诸 如 h1 的这类覆盖洞记为特权空位 。一个特权空位对移动传感 器的选择定义了一组移动传感器在覆盖洞修补中的最大移动 开销。称特权覆盖洞选择的能够降低最大移动开销的移动传 感器为关键移动传感器 。 一个普通覆盖洞对特权覆盖洞的关 键移动传感器的抢夺可能会提高所有覆盖洞修补中移动传感 器的最大移动开销。例如， 图 1 中覆盖洞 h2 占用移动传感器 m2 ， 则迫使覆盖洞 h1 选择移动传感器 m1 ， 将这组覆盖洞修补 中移动传感器的最大移动开销提高至 b。因此， 为了确保特权 覆盖洞能够选择到关键移动传感器， 假设通过节点间的通信， 特权覆盖洞能够以 ε （ ε →0 ） s 的时间提前其他覆盖洞选择移 动传感器。 现在扩大图 G sg 的规模， 引入更多的移动传感器和覆盖洞
Abstract： Accordingly， this paper first conducted a detailed analysis of the design for a distribute algorithm， then proposed a new distributed heuristic algorithm for healing coverage holes． This distributed algorithm treated mobile sensors and coverage holes as nodes，and these mobile sensors were relocated by limited messages send among nodes and their individual neighbors． Simulation results show that the distributed heuristic algorithm can heal the coverage holes under a high ratio up to 85% at an life enviacceptable low maximum movement cost of the mobile sensors，resulting in it be a more applicable algorithm in realronment of wireless sensor networks． Key words： wireless sensor network； distributed algorithm； mobile sensor’ s relocation； coverage hole
［7 ］
洞修补， 但最小全部开销算法中移动传感器的最大移动开销较 容易剥夺单个移动传感器的剩余能量 。 Nguyen 等人 大，
［10 ］
。 为了降低冗余传感
提
收稿日期： 2012-07-20 ; 修回日期： 2012-08-23
基金项目： 国家自然科学基金资助项目( 61133016 )
作者简介： 卫琳娜( 1984-) ， 女， 安徽马鞍山人， 博士， 主要研究方向为协议分析、 对等网络、 无线传感器网络( vanilla@ uestc． edu． cn ) ; 张玉宏 ( 1980-) ， 男， 河南罗山人， 博士， 主要研究方向为信息安全 、 高性能计算、 无线传感器网络; 秦志光( 1956-) ， 男， 教授， 博士， 主要研究方向为计算机 ITS( 智能交通) 、 开放系统与网络安全性 、 信息系统安全、 电子商务．
（ 1）
C 可通过移动传感器和覆盖洞二分图内 在集中式算法中， 边顺序排序后进行二分检索发现
［10 ］
。而当无线传感器的通信
1
相关工作
11］ 文献［ 提出了分别基于竞争和基于模式的两种移动传
［18 ］ 距离较小时， 分布式排序是一个 NP 问题 。 假设现有一个
该网络中移动传感器 无线传感器数量很少的混合传感器网络， 和覆盖洞可分别视为移动传感器节点和覆盖洞节点 。 若一个 移动传感器和一个覆盖洞可发生通信（ 通过覆盖洞的代理） ， 则在二者之间添加连线， 构成一个有权图 G sg 。 在有权图 G sg 上， 一条边的权值为其一端的移动传感器移动至另一端的覆盖 洞的移动开销。 m2 及覆盖洞 h1 、 假设图 G sg 只包括两对移动传感器 m1 、 h2 ， 移动传感器和覆盖洞之间的移动关系如图 1 所示。 移动传 感器 m1 修补覆盖洞 h1 的移动开销为 b； 若修补 h2 ， 则移动开 销为 c。移动传感器 m2 修补覆盖洞 h1 的开销为 a； 若修补 h2 ， c ｝ ＜ max ｛ b， d ｝ 时， 则移动开销为 d。当 max ｛ a， 基于覆盖洞修 补的分布式移动传感器分派算法应按图 1 中的实线方式对移 否则应按虚线方式分派 。 动传感器进行分派，
Heuristic distributed coverage hole healing algorithm in hybrid wireless sensor networks
WEI Linna1 ，ZHANG Yuhong2 ，QIN Zhiguang1
（ 1 ． School of Computer Science ＆ Engineering，University of Electronic Science ＆ Technology of China，Chengdu 611731 ，China； 2 ． College of Information Science ＆ Technology，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001 ，China）
第 30 卷第 3 期 2013 年 3 月
计 算 机 应 用 研 究 Application Research of Computers