[论文解读] Optimizing coverage of 3D Wireless Multimedia Sensor Networks by means of deploying redundant sensors

Shasha Xu, Weijie Lyu+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2015

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 5被引用 8

一句话总结

本文提出了一种新颖的三维无线多媒体传感器网络（WMSN）覆盖优化框架，通过将传感器场建模为梯形棱锥来提升感知覆盖效果。该方法利用集合覆盖模型识别冗余传感器，并通过贪心策略将其重新定位至未覆盖区域，从而在三维环境中显著提升整体路径覆盖性能，覆盖比有明显改善。

ABSTRACT

Coverage is one of the fundamental issues in wireless multimedia sensor networks (WMSNs). It reflects the ability of WMSNs to detect the fields. Motivated by the existing-enhancing algorithm of traditional 2D WMSNs, a new 3D WMSNs sensing model is established and a new coverage-enhancing algorithm based on this model is proposed. This algorithm defines the sensing model as trapezoidal pyramid, calculates the key parameters (tilt angle) then improves coverage ratio by optimizing it. However, there still exists redundant sensors in this optimized networks. Aiming at efficiently utilizing these redundant sensors and enhancing coverage ratio, the authors selects the redundant sensors by introducing the set cover model algorithm, further deploys them to the uncovered area following the greedy policy, so that the whole path coverage performance of WMSNs is enhanced.

研究动机与目标

• 为解决在复杂空间环境中三维无线多媒体传感器网络（WMSNs）中覆盖性能不佳的问题。
• 开发一种能准确表示传感器在三维空间中视场的三维感知模型。
• 通过识别基于集合覆盖模型的冗余传感器并重新部署，减少覆盖空洞。
• 通过智能部署冗余传感器，提升WMSNs的整体路径覆盖性能。

提出的方法

• 建立基于梯形棱锥的感知模型，以表示传感器在三维空间中的视场，将倾斜角作为关键参数。
• 计算倾斜角以优化感知区域，提升三维网络拓扑中的覆盖比率。
• 应用集合覆盖模型识别当前覆盖中非必需的冗余传感器。
• 采用贪心部署策略将冗余传感器重新定位至未覆盖区域，以最大化覆盖改善效果。
• 该算法迭代选择并部署至覆盖增益最高的区域，直至无法进一步提升。
• 该方法将几何建模与组合优化相结合，实现覆盖与资源利用的平衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种三维感知模型，以准确表示三维WMSN环境中传感器的视场？
• RQ2 在三维空间中，如何最优地计算并调整传感器的倾斜角以最大化覆盖范围？
• RQ3 如何有效识别WMSN中的冗余传感器并将其重新利用以改善覆盖？
• RQ4 通过在三维WMSNs中重新部署冗余传感器，路径覆盖性能最多可提升多少？
• RQ5 贪心传感器重部署对整体覆盖比率和网络效率有何影响？

主要发现

• 梯形棱锥感知模型相比传统的球形或圆锥形模型，能更准确地表示三维传感器覆盖范围。
• 优化倾斜角可显著提升三维WMSN部署中的覆盖比率。
• 集合覆盖模型能有效识别可重新部署至未覆盖区域的冗余传感器。
• 对冗余传感器实施贪心重部署可显著提升整体路径覆盖性能。
• 所提方法在不增加额外传感器硬件的前提下，减少了覆盖空洞并提升了网络效率。
• 几何建模与组合优化的结合，形成了一套可扩展且高效的三维WMSNs覆盖增强框架。