郝占軍,徐宏文,黨小超,段 渝

(1.西北師范大學 計算機科學與工程學院,蘭州 730070; 2.甘肅省物聯(lián)網(wǎng)工程研究中心,蘭州 730070)

0 概述

無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network,WSN)是一種具有自組織性、可靠性、可移動性且節(jié)點間可以相互通信的無線覆蓋網(wǎng)絡[1]。目前,關于二維平面覆蓋策略的研究已經(jīng)取得較多成果,應用于實際場景的三維空間覆蓋策略也逐漸引起學者們的關注。研究三維環(huán)境下的空間覆蓋策略的目的是解決現(xiàn)實生活中如安防部署、森林火災檢測以及水下動態(tài)檢測等問題[2-3]。

在部署無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點時,由于外部因素的限制,難以在目標區(qū)域中對初始節(jié)點進行均勻部署,會出現(xiàn)很多的覆蓋空洞從而導致通信受阻。為了提高整體網(wǎng)絡覆蓋和通信能力,針對不同類型的覆蓋空洞,需要利用移動節(jié)點對其進行修補[4]。文獻[5]在混合傳感器網(wǎng)絡中針對部分節(jié)點失效導致的覆蓋空洞問題,提出一種魯棒的空洞修復算法。該算法模擬魚群運動模式,利用移動節(jié)點完成覆蓋空洞修補,提高了網(wǎng)絡覆蓋率。文獻[6]為了避免網(wǎng)絡覆蓋空洞對網(wǎng)絡性能的影響,提出一種基于移動節(jié)點的覆蓋空洞修補算法,并驗證了該算法的高覆蓋率和低冗余度。文獻[7]針對網(wǎng)絡中存在大量冗余移動節(jié)點,提出一種移動節(jié)點補償方法(DAVM),其充分利用冗余資源實現(xiàn)網(wǎng)絡全覆蓋,但該方法不適用于網(wǎng)絡中存在少量移動節(jié)點的情況。文獻[8-10]分析移動節(jié)點部署問題,最小化移動節(jié)點移動距離從而完成目標覆蓋和網(wǎng)絡連通。以上文獻主要針對二維平面覆蓋進行了深入研究。文獻[11]為了實現(xiàn)三維空間目標最大化覆蓋,提出一種三維空間目標自主覆蓋算法,其使用虛擬力來減少重疊覆蓋并修復覆蓋空洞。文獻[12]為了加強網(wǎng)絡服務質(zhì)量,建立新的三維感知模型,提出一種三維覆蓋增強算法,該算法通過優(yōu)化調(diào)節(jié)使冗余節(jié)點均勻分布在監(jiān)測區(qū)域,提高了對監(jiān)測區(qū)域的覆蓋率。

近年來,為了提高網(wǎng)絡覆蓋率,較多學者在覆蓋控制研究中引入移動節(jié)點,將其與靜態(tài)節(jié)點一起部署,形成一種混合節(jié)點部署的傳感器網(wǎng)絡。本文提出一種三維覆蓋空洞動態(tài)檢測與修復算法,建立三維感知模型對網(wǎng)絡中存在的覆蓋空洞進行檢測,當檢測到覆蓋空洞時,選擇覆蓋空洞周圍的冗余移動節(jié)點完成覆蓋空洞修復,從而提高整體網(wǎng)絡覆蓋率。

1 三維空間覆蓋模型及相關定義

1.1 三維空間覆蓋的優(yōu)化問題描述

在對三維空間目標區(qū)域進行覆蓋時,將普通節(jié)點和移動節(jié)點混合后隨機部署在目標區(qū)域,但隨機部署會出現(xiàn)節(jié)點分布不均勻的問題。為了達到三維空間目標區(qū)域的覆蓋要求,需要對傳感器網(wǎng)絡中存在的覆蓋空洞進行動態(tài)檢測與修復,以提高網(wǎng)絡覆蓋率,實現(xiàn)對三維空間目標區(qū)域的有效監(jiān)測。

對目標區(qū)域進行網(wǎng)格劃分是二維區(qū)域覆蓋部署研究中的常用方法,其原理是將目標覆蓋區(qū)域按一定的形狀進行劃分,得到若干小規(guī)模的網(wǎng)格區(qū)域,通過劃分的方法可以更好地提高覆蓋率并降低能耗。受二維平面覆蓋網(wǎng)格劃分的啟發(fā),本文將網(wǎng)格劃分拓展到三維空間,設定覆蓋目標區(qū)域D是一個三維立體空間,先對其進行立方體網(wǎng)格劃分,如圖1(a)所示,再在該三維空間目標區(qū)域內(nèi)隨機拋灑N個混合傳感器節(jié)點以進行覆蓋部署,如圖1(b)所示。

圖1 三維覆蓋區(qū)域劃分示意圖

針對本文算法建立三維空間理論覆蓋模型,假設如下:

1)靜態(tài)節(jié)點和移動節(jié)點構成混合傳感器網(wǎng)絡。

3)傳感器節(jié)點具有相同通信半徑R和感知半徑r,且R≥2r。

1.2 三維空間覆蓋模型建立

常見的感知模型主要應用于二維平面覆蓋,為了滿足實際場景的需求,本文構建三維覆蓋模型,采用基于誤警率的感知模型。設網(wǎng)絡中移動節(jié)點si的位置坐標為(xi,yi,zi),將被監(jiān)測目標區(qū)域D劃分成m×n×w個立方體網(wǎng)格,其中,用P表示立方體內(nèi)的一點,且點P的位置坐標為(x,y,z),則點P與傳感器節(jié)點si之間的距離為:

(1)

假定整個環(huán)境網(wǎng)絡具有高斯白噪聲,信號在傳播過程中按固定的損耗因子γ和傳播因子衰減,信號傳播損耗與1/rγ成比例關系,γ的值由環(huán)境因素決定[13]。信號在室內(nèi)自由傳播時,γ通常為2或4。假設所有節(jié)點均具有相同的能量etr,對于節(jié)點i,從目標節(jié)點所接收的能量為:

(2)

其中,M1和M0分別表示目標在位和目標缺失的情況,Dti為目標(xt,yt,zt)與傳感器節(jié)點(xi,yi,zi)之間的距離,ni是均值為0、方差為σ2的高斯噪聲,β定義為:

(3)

在M1狀態(tài)下,目標經(jīng)過的行程2r=2Dti。因此,對于第i個傳感器,M1狀態(tài)下的探測概率為:

(4)

同理,在M0狀態(tài)下的探測概率為:

(5)

Neyman-Person準則追求誤警率PF最小而探測概率PD最大。設定可以接受的誤警率為PF=α,則可得到:

(6)

式(6)即為支持誤警率的Neyman-Person概率探測模型。其中,φ( · )為標準高斯累積分布函數(shù)。

定義1(三維覆蓋率) 被節(jié)點完全覆蓋的空間區(qū)域大小與總的需要覆蓋的目標空間區(qū)域大小的比值稱為三維覆蓋率。本文三維空間覆蓋率的計算借助網(wǎng)格劃分的方法,將被監(jiān)測的覆蓋空間區(qū)域劃分成大小相等的立方體網(wǎng)格,計算每個立方體網(wǎng)格受到的覆蓋率,累加每個立方體的覆蓋率可以求得總的三維空間覆蓋率。

定義2(三維聯(lián)合探測概率) 在三維空間目標監(jiān)測區(qū)域中,任意一個立方體網(wǎng)格被有效覆蓋的概率是多個傳感器節(jié)點共同作用的效果,因此,整個網(wǎng)絡對任意一個立方體網(wǎng)格的聯(lián)合探測概率Uk(P)可定義為:

(7)

其中,Pi為任意傳感器節(jié)點i的探測概率,φ表示滿足條件的節(jié)點集合,dk,i為監(jiān)測點k與節(jié)點i之間的距離,dc為節(jié)點之間的通信距離。本文通過聯(lián)合探測概率的定義計算監(jiān)測區(qū)域內(nèi)每個立方體網(wǎng)格的三維聯(lián)合探測概率,以確定目標空間的覆蓋率并判定其是否滿足三維覆蓋要求。

定義3(節(jié)點移動最短距離) 在無線傳感器網(wǎng)絡中利用冗余移動節(jié)點修復覆蓋空洞,移動節(jié)點的移動距離與整個網(wǎng)絡的總能耗成正比,為了降低整體網(wǎng)絡能耗,需要根據(jù)式(12)～式(15)計算移動節(jié)點的最短移動距離。

定義4(冗余節(jié)點) 在三維空間覆蓋目標區(qū)域隨機部署傳感器節(jié)點時,由于節(jié)點分布不均,同一個目標節(jié)點同時被多個節(jié)點監(jiān)測,且某個節(jié)點監(jiān)測區(qū)域可以由其他幾個節(jié)點代替,則稱該節(jié)點為冗余節(jié)點。通過整體覆蓋網(wǎng)絡中節(jié)點間的互相通信可以判斷該節(jié)點是否為冗余節(jié)點。

定義5(移動節(jié)點利用率) 在隨機部署的混合傳感器網(wǎng)絡中,靜態(tài)節(jié)點和移動節(jié)點按一定比例混合,其中移動節(jié)點具有移動性,其主要作用是用來修復網(wǎng)絡的覆蓋空洞,但部分移動節(jié)點也會充當靜態(tài)節(jié)點。修復覆蓋空洞的移動節(jié)點數(shù)與總移動節(jié)點數(shù)的比值稱為移動節(jié)點利用率。

2 三維覆蓋空洞的動態(tài)檢測與修復算法

2.1 三維空間覆蓋空洞描述

在三維立體空間隨機部署節(jié)點時,由于外部因素的限制,網(wǎng)絡中會出現(xiàn)覆蓋空洞[14]?？斩词怯芍車鄠€節(jié)點形成的一個閉合空間,如圖2所示,周圍節(jié)點之間也存在覆蓋冗余。感知節(jié)點1與覆蓋空洞有2個邊界端點W和S,即覆蓋空洞邊緣端點。設覆蓋空洞周圍有n個邊緣節(jié)點,Vi表示節(jié)點i感知范圍的體積大小,Vh表示覆蓋空洞的體積大小。

圖2 三維空間覆蓋空洞示意圖

2.2 三維空間覆蓋空洞動態(tài)檢測

針對覆蓋空洞檢測問題,本文建立三維空間覆蓋模型,提出一種三維覆蓋空洞動態(tài)檢測與修復算法。假設立方體網(wǎng)格中任意一個節(jié)點M是覆蓋空洞的邊緣節(jié)點,為了檢測該覆蓋空洞,需要根據(jù)邊緣節(jié)點M找到構成該覆蓋空洞的所有邊緣節(jié)點,并計算覆蓋空洞的邊緣弧和邊緣端點[15]。隨機選取2個相鄰節(jié)點N和M,節(jié)點M與節(jié)點N的坐標分別為(xM,yM,zM)、(xN,yN,zN),兩者距離為d(M,N),則節(jié)點N和節(jié)點M的方向角αNM由式(8)表示:

(8)

節(jié)點N與節(jié)點M重疊部分之間所形成的夾角θNM由式(9)表示:

(9)

節(jié)點N與節(jié)點M對應的邊緣端點由式(10)表示:

(10)

檢測覆蓋空洞需要找到任意傳感器節(jié)點M的所有鄰居節(jié)點集合S={A,B,C,D,…},相對應的覆蓋方向夾角集合為K={θAM,θBM,θCM,θDM,…},則方向夾角集合K所對應的弧都不是邊緣弧,可以根據(jù)其補集求出對應的空洞角。根據(jù)式(8)～式(10),由每個邊緣節(jié)點的空洞角、邊緣弧和邊緣端點就可以找出該覆蓋空洞。循環(huán)執(zhí)行上述方法,直至檢測出所有的覆蓋空洞[16-17]。

當檢測到立方體網(wǎng)格中存在覆蓋空洞時,算法調(diào)用覆蓋空洞周圍的冗余移動節(jié)點修復覆蓋空洞。根據(jù)計算所得的移動方向和移動距離在三維空間中移動節(jié)點。首先確定移動節(jié)點的移動方向,在被檢測到的覆蓋空洞周圍冗余節(jié)點中隨機選擇一個移動節(jié)點,并標記為P,該移動節(jié)點P與覆蓋空洞邊緣所形成的關聯(lián)點為Pa和Pb,其中,節(jié)點P、關聯(lián)點Pa和Pb的坐標分別為(x,y,z)、(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)。

通過構造三維空間坐標向量來確定移動節(jié)點P的移動方向,如式(11)所示:

(11)

由三維空間向量公式可知,通過構造三維空間向量的方法就可以確定所選移動節(jié)點P的移動方向。在構造向量Vr的過程中,會出現(xiàn)圖3所示的2種情況,即假設向量Va和Vb的夾角為θ,則θ存在2種可能:θ<π和θ>π。當θ<π時,節(jié)點移動的方向為正確方向;當θ>π時,節(jié)點移動的方向為向量Vr的反方向;當θ=π時,節(jié)點不發(fā)生移動。

圖3 節(jié)點移動方向判斷示例

為了使所選移動節(jié)點完成對覆蓋空洞的修復,首先確定移動節(jié)點的移動方向,然后通過節(jié)點移動后的位置與先前鄰居節(jié)點的距離來確定節(jié)點的移動距離。同時,當節(jié)點移動到最優(yōu)位置時需要考慮2個問題,一是保證移動節(jié)點移動后不會造成新的覆蓋空洞,二是適當?shù)剡x擇移動節(jié)點的個數(shù)以免造成過度的覆蓋冗余[18]。

在計算移動節(jié)點的移動距離時,假設節(jié)點的移動距離為d,向量Vr和VMC的夾角為θ1,當NC=RC時,覆蓋率取得最大值,節(jié)點C的坐標記為(x3,y3,z3),節(jié)點M與節(jié)點C的距離由式(12)表示:

(12)

向量VMC的計算如式(13)所示:

VMC=(x3-x)i+(y3-y)j+(z3-z)k

(13)

夾角θ1的計算如式(14)所示:

(14)

如圖4所示,根據(jù)三角形性質(zhì)可得|MC|=d1,|MN|表示移動距離為d,NC=RC,則移動距離的計算如式(15)所示:

(15)

圖4 移動距離計算示意圖

通過以上步驟即可得到隨機選取的移動節(jié)點P的移動方向Vr和移動距離d。在移動節(jié)點移動到覆蓋空洞位置后,整體更新覆蓋空洞修復信息,繼續(xù)在覆蓋空洞周圍尋找新的冗余移動節(jié)點P′,重新初始化相關參數(shù),再次執(zhí)行上述方法進行覆蓋空洞的修復。經(jīng)過數(shù)次迭代后,當找不到合適的移動節(jié)點或所有覆蓋空洞已被修復,結束覆蓋空洞修復過程。

2.3 算法描述

本文三維覆蓋空洞動態(tài)檢測與修復算法流程如圖5所示。

圖5 三維覆蓋空洞動態(tài)檢測與修復算法流程

算法步驟具體如下:

步驟1初始化N個混合傳感器節(jié)點,并對三維空間目標區(qū)域進行立方體網(wǎng)格劃分。

步驟2設置感知模型的誤警率參數(shù),采用聯(lián)合探測概率模型探測每個立方體網(wǎng)格的覆蓋率。

步驟3在每個立方體網(wǎng)格中隨機選擇一個傳感器節(jié)點X,其坐標為(x,y,z),找出節(jié)點X的所有鄰居節(jié)點,構成集合N={n1,n2,…,nx}。

步驟4根據(jù)覆蓋空洞動態(tài)檢測算法計算出選定節(jié)點X的邊緣節(jié)點、邊緣弧和空洞角,從節(jié)點X的所有鄰居節(jié)點集合N中找出該覆蓋空洞的邊緣節(jié)點。對這些邊緣節(jié)點繼續(xù)計算其邊緣端點、邊緣弧和空洞角,以檢測覆蓋空洞。

步驟5當檢測到覆蓋空洞后,選擇空洞周圍冗余移動節(jié)點,根據(jù)移動方向和移動距離逐個修復覆蓋空洞。

步驟6重復步驟4和步驟5,循環(huán)至覆蓋空洞完全修復。

步驟7依據(jù)目標區(qū)域信息監(jiān)測要求,判斷整體覆蓋率是否達標,若是,轉步驟8;否則轉步驟4。

步驟8結束算法。

2.4 算法分析

2.4.1 三維覆蓋率分析

本文目的是通過修復三維空間目標區(qū)域覆蓋空洞,提高整體網(wǎng)絡覆蓋率。網(wǎng)絡覆蓋率可由式(16)計算得到:

(16)

其中,C(A)為三維空間整體網(wǎng)絡覆蓋率,P為立方體網(wǎng)格中的任意點,m為所有節(jié)點個數(shù),n為探測點的個數(shù),d(si,P)表示節(jié)點si到節(jié)點P的距離,ci(A)為三維空間中任意節(jié)點在整個網(wǎng)絡中的覆蓋率,cP(si)表示點P處的覆蓋率,0≤cP(si)≤1。在檢測到覆蓋空洞后,移動節(jié)點根據(jù)計算出的移動方向和移動距離進行覆蓋空洞修復。移動節(jié)點si與覆蓋空洞中心k之間的距離為:

(17)

在實際移動過程中,移動節(jié)點si到覆蓋空洞中心k的距離也會發(fā)生變化,具體如下:

d(si,k)′=d(si,k)+diri

(18)

由式(18)減去式(17)得到:

(19)

2.4.2 能耗分析

本文算法整體能耗由檢測網(wǎng)絡覆蓋空洞、收發(fā)信息和節(jié)點移動的能耗組成。設E1為動態(tài)檢測覆蓋空洞的能耗,E2為節(jié)點收發(fā)信息的能耗,E3為節(jié)點移動的能耗,則整體網(wǎng)絡能耗E的計算公式為:

E=E1+E2+E3

(20)

設Ei表示移動節(jié)點i移動單位距離的能耗,移動總能耗E3為:

(21)

3 實驗結果與分析

3.1 仿真環(huán)境與參數(shù)設置

為驗證本文三維覆蓋空洞動態(tài)檢測與修復算法在覆蓋效果和能量消耗等方面的性能[20],采用MATLAB2015b軟件進行仿真。無線傳感器網(wǎng)絡的部署環(huán)境是100 m×100 m×100 m的立方體區(qū)域,初始條件下傳感器節(jié)點隨機部署,各仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設置

3.2 性能分析

對本文算法的主要性能進行驗證分析,在算法運行不同次數(shù)時,覆蓋空洞檢測率隨節(jié)點個數(shù)變化的曲線關系如圖6所示。

圖6 覆蓋空洞檢測率隨節(jié)點個數(shù)的變化曲線

由圖6可知,當傳感器節(jié)點個數(shù)在0～90內(nèi)變化時,算法執(zhí)行不同迭代次數(shù)時覆蓋空洞檢測率相同;當節(jié)點個數(shù)在90～210內(nèi)變化時,算法迭代次數(shù)不同,覆蓋空洞的檢測率發(fā)生很大變化,迭代次數(shù)為120次和150次時的覆蓋空洞檢測率明顯高于迭代次數(shù)為100次時的檢測率;當節(jié)點個數(shù)在210～300內(nèi)變化時,3種迭代次數(shù)的空洞檢測率都在逐步增大。通過實驗結果可以看出,當節(jié)點個數(shù)為300個、迭代次數(shù)為150次時,覆蓋空洞檢測率達到92%以上,滿足了整體覆蓋空洞檢測率要求。

在調(diào)用移動節(jié)點對覆蓋空洞進行修復時,覆蓋空洞修復率隨算法迭代次數(shù)的變化曲線如圖7所示。

圖7 覆蓋空洞修復率隨迭代次數(shù)的變化曲線

由圖7可知,在前60次算法迭代時,由于存在大量的冗余節(jié)點,3種情況的覆蓋空洞修復率都在平緩上升,變化幅度不大,其中,移動節(jié)點數(shù)目為90個時空洞修復率略高于其他2種情況;在60次～110次迭代時,移動節(jié)點個數(shù)越多,覆蓋空洞修復率增長得越快;在110次～150次迭代時,3種情況的修復率穩(wěn)定增長。通過實驗對比可以看出,當算法迭代150次、移動節(jié)點數(shù)目為90個時,可以很好地完成覆蓋空洞修復,從而達到整體網(wǎng)絡覆蓋空洞修復要求。

為了達到覆蓋要求且節(jié)省成本,需要傳感器網(wǎng)絡靜態(tài)節(jié)點與動態(tài)節(jié)點比例適中。不同移動節(jié)點比例時三維覆蓋率隨節(jié)點個數(shù)的變化關系如圖8所示。由圖8可知,當傳感器節(jié)點個數(shù)在200個以內(nèi)時,隨著節(jié)點個數(shù)的增加,三維覆蓋率也逐漸增加,但移動節(jié)點所占比例對覆蓋率的影響不夠明顯;當節(jié)點個數(shù)從200個增加到300個時,移動節(jié)點占比越高,覆蓋率增加得越快;當節(jié)點個數(shù)為300個、移動節(jié)點占比為30%時,三維覆蓋率達到95%,完成了對三維目標區(qū)域的覆蓋。

圖8 三維覆蓋率隨傳感器節(jié)點個數(shù)的變化曲線

在整個網(wǎng)絡能耗中,最主要的是移動節(jié)點的移動能耗。在不同移動節(jié)點個數(shù)情況下,每個移動節(jié)點的能耗隨算法迭代次數(shù)的變化曲線如圖9所示。

圖9 節(jié)點能耗隨算法迭代次數(shù)的關系曲線

由圖9可知,算法迭代前60次時,調(diào)用覆蓋空洞周圍冗余移動節(jié)點修復覆蓋空洞,節(jié)點移動距離大致相同,因此,移動節(jié)點的個數(shù)對節(jié)點能耗影響不大。隨著算法迭代次數(shù)的增加,越來越多的空洞被檢測到,在修復這些空洞時,需要大量的移動節(jié)點移動較遠的距離,因此,每個節(jié)點能耗增大。通過實驗對比可以看出,當移動節(jié)點個數(shù)為90個時,既可以滿足覆蓋要求又可以最大程度地節(jié)省能耗。

3.3 本文算法與相似算法的對比

為了進一步驗證本文算法的性能,經(jīng)對比分析后,選擇三維覆蓋中常用的經(jīng)典粒子群算法(PSO)和文獻[21]中提出的二維平面CPA算法,與本文算法在覆蓋率、移動節(jié)點利用率和移動能耗等方面進行對比分析。3種算法較為相似,目的都是使用移動傳感器節(jié)點對覆蓋空洞進行修復,提高整體網(wǎng)絡的覆蓋率和連通性,從而更有效地監(jiān)測目標區(qū)域。

圖10所示為3種算法移動節(jié)點利用率隨移動節(jié)點個數(shù)的變化關系曲線。從圖10可以看出,在初始階段,隨著移動節(jié)點數(shù)量的增加,逐漸出現(xiàn)節(jié)點冗余現(xiàn)象,3種算法節(jié)點利用率都呈平緩的下降趨勢;當移動節(jié)點數(shù)量大于25時,PSO算法和CPA算法移動節(jié)點利用率出現(xiàn)了大幅下降,而本文算法的節(jié)點利用率則下降比較緩慢;當移動節(jié)點數(shù)量大于45時,3種算法的移動節(jié)點利用率又出現(xiàn)了平穩(wěn)的下降現(xiàn)象;當移動節(jié)點個數(shù)為90個時,完成了對目標覆蓋空洞的最大化覆蓋。本文算法總體的移動節(jié)點利用率高于PSO算法和CPA算法,其總體使用節(jié)點更少。

圖10 移動節(jié)點利用率隨移動節(jié)點個數(shù)的變化曲線

圖11所示為3種算法覆蓋率隨迭代次數(shù)的變化曲線關系。從圖11可以看出,在初始階段,隨著算法迭代次數(shù)逐漸增加,覆蓋率也在穩(wěn)步增大,PSO算法的覆蓋率一直略高于其他2種算法;當?shù)螖?shù)在50次～70次之間時,3種算法的覆蓋率都出現(xiàn)了明顯的上升波動,本文算法的覆蓋率超過了其他2種算法;當?shù)螖?shù)在70次～120次之間時,隨著迭代次數(shù)的增加,3種算法的覆蓋率都在穩(wěn)步大幅增加;當?shù)螖?shù)達到150次時,本文算法率先達到了網(wǎng)絡整體覆蓋率要求。通過對比實驗可以看出,本文算法在相同迭代次數(shù)下可以更快地達到覆蓋率要求,從而節(jié)省算法運行的時間。

圖11 覆蓋率隨迭代次數(shù)的變化曲線

在整個無線傳感器網(wǎng)絡中,不僅要達到覆蓋要求,還要節(jié)省網(wǎng)絡能耗[22]。3種算法的移動能耗率隨移動節(jié)點個數(shù)的變化曲線如圖12所示。從圖12可以看出,在0～30個移動節(jié)點范圍內(nèi),移動節(jié)點的移動距離短,3種算法的移動能耗都較小;當節(jié)點個數(shù)在30個～60個內(nèi)時,節(jié)點個數(shù)增加的同時移動距離也在逐漸增多,3種算法的節(jié)點能耗都在增加,但本文算法的節(jié)點能耗明顯低于其他2種算法;當節(jié)點個數(shù)從60個增加到90個時,PSO算法節(jié)點移動能耗率大幅升高,CPA算法節(jié)點移動能耗率次之,本文算法移動能耗率較低。因此,本文算法移動節(jié)點能耗率相對較低,其網(wǎng)絡壽命更長。

圖12 移動能耗率隨移動節(jié)點個數(shù)的變化曲線

4 結束語

為了對三維空間目標區(qū)域進行有效監(jiān)測,本文提出一種三維覆蓋空洞動態(tài)檢測與修復算法。通過采用基于誤警率的聯(lián)合探測概率模型檢測每個立方體網(wǎng)格的覆蓋率,動態(tài)檢測三維部署區(qū)域所有覆蓋空洞并移動覆蓋空洞周圍的冗余移動節(jié)點以修復覆蓋空洞,從而使目標區(qū)域網(wǎng)絡連通。實驗結果表明,本文算法可以達到整體網(wǎng)絡覆蓋要求,其節(jié)點利用率和覆蓋率等性能優(yōu)于PSO和CPA算法,整體網(wǎng)絡能耗較低。但本文算法存在移動能耗過高和靈活性較低等不足,下一步將優(yōu)化算法性能以解決移動能耗問題。