无线传感器网络是集信息获取、处理和传输为一体的网络,它将逻辑上的信息世界与真实的物理世界融合在一起,正深刻地改变着人与自然的交互方式,在工业、农业、军事、环境监控、生物医疗、城市管理和抢险救灾等领域都有着非常广泛的应用前景。当传感器节点部署并组网完毕后,网络面临两个基本且亟待解决的覆盖问题:1)如何评估传感器网络对监控区域或对穿越或逃逸目标的覆盖性能;2)如何采用相应的策略来改善已有的移动节点分布或针对盲区部署额外的传感器节点进而提高网络的覆盖性能。这不但直接关系到传感器网络中高能效覆盖、拓扑控制以及有限资源的优化分配,而且很大程度决定了无线传感器网络感知、监视、传感、通信等各种服务质量目标的改善。作为覆盖问题研究的基础,传感器节点的感知区域模型在已有的研究工作大都局限于是圆形或扇形感知区域。然而在真实环境中,由于节点自身硬件和环境因素的影响,传感器节点的感知区域往往为在各个方向上感知能力并不相同的不规则任意形状,这使得以往的相关研究成果在实际应用中受到了限制。因此,本论文以传感器节点感知区域的不规则性为背景,围绕着如何获取节点的感知区域、如何评估传感器网络对监控区域的覆盖性能以及如何提高传感器网络的覆盖性能等关键问题开展了深入的研究。具体研究内容如下:首先,概括了近年来无线传感器网络覆盖控制研究方向的国内外相关研究成果,归纳了需要研究的问题。从发展历史、网络结构、典型应用和研究内容四个角度简要介绍了无线传感器网络的有关情况;并从覆盖相关问题、节点感知模型、覆盖分类等方面对无线传感器网络覆盖问题的相关研究工作进行了综述。在此基础上,总结了近年来解决各种覆盖问题的思想和有代表性的研究成果,分析并对比了典型的无线传感器网络覆盖算法与协议。其次,针对真实环境中传感器节点感知区域不规则性的事实,研究了如何获取节点感知区域的问题。在监控区域中某一位置上发生的事件如果能够被某个传感器节点检测到,则该位置属于该传感器感知区域内一个点。基于这个观察,采用网格对整个监控区域进行划分,并用每个网格中心点的覆盖代替整个网格的覆盖情形,通过移动事件源在每个网格中心点上产生被感知事件,进而提出了近似获取节点感知区域的地毯式移动算法。在此基础上,考虑到传感器节点的感知区域可以用该区域的边界线来表示,通过使移动事件源在每个传感器节点的边界线周围附近产生事件,但仅关心移动事件源被发现或从发现突然变为消失的瞬间位置,提出了开销更小的启发式移动算法。仿真实验结果表明了不规则感知区域对传感器网络覆盖控制的影响,以及地毯式移动和启发式移动两个算法获取节点感知区域的有效性。再次,针对真实环境中传感器网络的覆盖性能评估问题,研究了如何判定传感器网络对监控区域的区域覆盖度和栅栏覆盖度。运用计算几何和区域封闭性的相关知识,证明了监控区域的区域覆盖度等于监控区域内所有覆盖交点的最小覆盖度;栅栏覆盖度等于最少覆盖路径上所有子边界线的最大覆盖度,并结合图论知识分别提出了区域覆盖度评估算法和栅栏覆盖度评估算法。从理论角度上将监控区域的覆盖度评估这一复杂连续空间难题转化为易于解决的离散空间问题。由于真实环境中传感器节点的感知边界线函数具有不确定性且很难精确计算和获取,基于网格划分的方法,将区域覆盖度和栅栏覆盖度的评估问题分别转化为网格中心点的覆盖度评估和从所有网格中找出一条具有最小覆盖度的网格集合组成的连通路径的问题,进而提出了覆盖度的近似评估算法。仿真实验表明:基于网格的近似覆盖度评估算法对区域覆盖度和栅栏覆盖度评估问题的有效性。最后,针对随机部署大规模节点的方式容易造成传感器网络覆盖的不均匀性(如局部区域传感器节点分布过密或过疏),研究了如何通过调整移动节点的位置提高传感器网络的覆盖性能,以及如何部署额外传感器节点的问题。通过引入了贡献节点集、重叠区、盲区、覆盖临界区等概念,并利用重叠区和其贡献节点集之间、覆盖临界区和其贡献节点集之间的虚拟力模型,提出了改变传感器节点分布的覆盖增强策略,提出了一个基于虚拟势场的覆盖性能提高分布式算法。针对需要部署额外的传感器节点的情形,以圆形的静态传感器网络为背景,证明了监控区域内所有盲区中任意两个盲区和三个盲区组成子集所形成的超集与额外放置传感器节点数目和位置之间的关系,将问题转化为一个更易于解决、研究范围更广的图着色问题,并提出了一个集中式近似贪心算法。仿真实验表明:覆盖性能提高算法能够显著地增强传感器网络的覆盖性能,贪心算法能够较好地解决额外节点放置问题。综上所述,本文以实现传感器网络在真实环境中的应用为目标,研究了传感器网络的节点感知区域、覆盖性能评估和覆盖性能提高等问题,提出了解决相应问题的新模型和算法,并给出了仿真实验分析和结论,对于推进无线传感器网络覆盖控制的研究和实用化具有一定的理论意义和应用价值。