無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制優(yōu)化算法研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種集信息感知、采集、處理和傳輸為一體的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它將邏輯上的信息世界和客觀上的物理世界聯(lián)系在一起，正深刻地改變著人與自然的交互方式，因而被廣泛地應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和搶險救災(zāi)等領(lǐng)域。覆蓋控制是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所提供服務(wù)質(zhì)量的基本問題之一，其目的是利用部署的傳感器節(jié)點來感知目標(biāo)區(qū)域或目標(biāo)對象，并達(dá)到所獲取信息的有效性和完整性。覆蓋控制決定了傳感器網(wǎng)絡(luò)對物理世界的感知能力，是推動傳感器網(wǎng)絡(luò)從理論走向應(yīng)用的必經(jīng)之路。<

2、br>　　本文研究的目的是針對以隨機方式部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計具有節(jié)能特征的網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化算法和協(xié)議。主要是從覆蓋率控制模型、多屬性目標(biāo)覆蓋、網(wǎng)絡(luò)多重覆蓋以及移動目標(biāo)的動態(tài)覆蓋等方面展開研究，遵循提高網(wǎng)絡(luò)的能量利用效率的設(shè)計準(zhǔn)則，以達(dá)到實現(xiàn)一個能量高效的網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制優(yōu)化方案目的。
　　本文的主要工作包括以下四個方面:
　　(1)針對隨機分布的網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制問題研究，提出了基于概率的網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制模型PCCM。考慮到網(wǎng)絡(luò)邊界效應(yīng)影

3、響，模型首先計算傳感器節(jié)點位于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部及其邊界兩種情況下覆蓋面積的期望值，進(jìn)而得到節(jié)點總覆蓋面積的期望值;根據(jù)用戶對覆蓋率的要求，依據(jù)條件概率分布函數(shù)計算得到所需要部署節(jié)點的數(shù)量。模型反映了網(wǎng)絡(luò)覆蓋率與部署節(jié)點數(shù)量、節(jié)點感知半徑與監(jiān)測區(qū)域面積之間的函數(shù)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)隨機圖理論推導(dǎo)得到網(wǎng)絡(luò)連通性的概率模型。PCCM模型可以指導(dǎo)用戶對網(wǎng)絡(luò)覆蓋率及連通率等網(wǎng)絡(luò)屬性的控制。
　　(2)針對異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的多屬性目標(biāo)覆蓋研究，利用線

4、性規(guī)劃工具將其建模為最優(yōu)值覆蓋集求解問題，提出了一種基于分簇結(jié)構(gòu)的目標(biāo)覆蓋算法CTCA。其核心思想是依據(jù)節(jié)點的剩余能量的多少及感應(yīng)能力的高低，在每個簇結(jié)構(gòu)內(nèi)求解局部最優(yōu)覆蓋集，然后在此基礎(chǔ)上得到接近于最優(yōu)解的全局覆蓋集，最后調(diào)度節(jié)點相應(yīng)的感應(yīng)模塊去覆蓋其感知范圍內(nèi)同屬性的目標(biāo)。實驗結(jié)果表明所提出的算法能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量利用效率，延長網(wǎng)絡(luò)生存期。
　　(3)針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多重覆蓋算法研究，借助于勒洛三角形的幾何特征提出判

5、斷區(qū)域覆蓋度的定理，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計了一個基于勒洛三角形的多重覆蓋算法RTC。算法的核心思想是利用節(jié)點局部位置信息，通過在節(jié)點感應(yīng)圓周上構(gòu)造勒洛三角形和所提出的覆蓋定理來判斷網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的剩余能量的高低進(jìn)行節(jié)點狀態(tài)調(diào)度。實驗數(shù)據(jù)分析表明RTC算法在確保網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量的條件下能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)中冗余節(jié)點的數(shù)量，從而提高網(wǎng)絡(luò)能量利用效率。
　　(4)針對移動目標(biāo)的實時監(jiān)測協(xié)議研究，提出了一個自適應(yīng)移動目標(biāo)動態(tài)覆蓋協(xié)議。協(xié)議

6、的主要思想是首先對移動目標(biāo)周圍的節(jié)點，利用競爭機制構(gòu)造出一個動態(tài)覆蓋組對目標(biāo)定位與實時監(jiān)測;然后利用所提出的目標(biāo)移動位置預(yù)測模型及節(jié)點狀態(tài)調(diào)度策略來更新該動態(tài)覆蓋組，這樣可以有效提高節(jié)點對目標(biāo)實時監(jiān)測的時效性和能量利用效率。最后，借助于節(jié)點自適應(yīng)數(shù)據(jù)報告頻率自調(diào)整機制而實現(xiàn)降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間通信量的目的。實驗數(shù)據(jù)分析表明所提出的協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)能量利用效率、目標(biāo)定位精度等方面具有很好的性能表現(xiàn)。
　　綜上所述，本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點