[论文解读] Distributed Area Coverage by Connected Set Cover Partitioning in Wireless Sensor Networks

Dibakar Saha, Nabanita Das|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2014

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 13被引用 12

一句话总结

该论文提出了一种分布式算法，用于最大化无线传感器网络中连通且100%覆盖的传感器节点分区数量，从而通过轮询激活机制延长网络寿命。该方法仅在初始化阶段使用局部协调，无需节点位置信息，其性能与集中式O(n³)优化方法相当，同时显著降低了消息开销，并相比以往的动态或静态方案提升了网络寿命。

ABSTRACT

Assuming a random uniform distribution of n sensor nodes over a virtual grid, this paper addresses the problem of finding the maximum number of connected set covers each ensuring 100% coverage of the query region. The connected sets remain active one after another in a round robin fashion such that if there are P such set covers, it can enhance the network lifetime P-fold. From graph-theoretic point of view, a centralized O(n3) heuristic is proposed here to maximize P. Next, for large self-organized sensor networks, a distributed algorithm is developed. The proposed algorithm is to be executed just once, during the initialization of the network. In case of failure, a distributed recovery algorithm is executed to rearrange the partitions. Simulation studies show that the performance of the proposed distributed algorithm is comparable with that of the centralized algorithm in terms of number of partitions. Also, comparison with earlier works shows significant improvement in terms of number of partitions, message complexity and network lifetime.

研究动机与目标

• 最大化连通且100%覆盖的传感器节点分区数量，以延长无线传感器网络（WSN）寿命。
• 设计一种仅在网路初始化时运行的分布式算法，避免持续的邻近探测，减少能量浪费。
• 确保每个分区保持连通且完全覆盖查询区域，且无需精确的节点位置信息。
• 设计一种故障恢复机制，确保节点故障后仍能维持分区的连通性和覆盖性。
• 在分区数量、活跃节点比例、消息复杂度和网络寿命方面优于现有的集中式与分布式方法。

提出的方法

• 将查询区域建模为虚拟网格块（例如，2×2、3×3、4×4），每个传感器根据其位置覆盖一组块。
• 提出一种集中式O(n³)启发式算法，用于计算最大数量的互不相交连通集合覆盖。
• 开发一种分布式算法（DCSP），使节点在初始化阶段通过本地邻居通信实现自我组织，形成连通分区。
• 采用基于领导者的分区机制，每个节点交换块覆盖信息，并通过父子关系形成连通簇。
• 实现一种分布式恢复协议，将空闲节点重新分配以修复故障分区，确保连通性和完全覆盖。
• 通过依赖块级覆盖和连通性而非精确节点坐标，避免了对精确节点坐标的依赖，从而降低内存和计算开销。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够通过一种分布式算法，在无需全局知识或节点位置信息的情况下，实现接近最优的传感器节点连通且完全覆盖的分区？
• RQ2 所提出的分布式算法生成的连通集合覆盖数量与集中式O(n³)启发式算法相比如何？
• RQ3 与动态调度和先前静态分区方法相比，所提算法对网络寿命、消息复杂度和活跃节点比例有何影响？
• RQ4 所提出的分布式故障恢复机制在节点故障后恢复分区连通性和覆盖性的有效性如何？
• RQ5 与动态协议相比，该方法是否显著降低了持续邻近探测带来的能量消耗？

主要发现

• 所提出的分布式DCSP算法生成的分区数量几乎与集中式O(n³)启发式算法相同，尤其在块尺寸较大时表现更优。
• 在150个节点的情况下，所提算法生成的分区数量几乎是文献[10]中先前分布式方法的两倍。
• 每轮的活跃节点比例显著高于文献[2]中的动态AO协议，表明其具有更高的能量效率。
• 与文献[2]中的动态调度方法相比，网络寿命得到显著提升，提升幅度与分区数量成正比。
• 由于消除了持续的邻近探测，与文献[2]中的动态协议相比，该算法每轮每节点的消息开销减少了50%以上。
• 故障恢复机制在最坏情况下以O(D²)条消息完成恢复，其中D为最大节点度数。