無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中幾個關(guān)鍵問題的優(yōu)化建模與算法研究.pdf

1、無線傳感器是一種能感知或檢測物理環(huán)境的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)之間通過無線連接方式進(jìn)行通信，它在諸如目標(biāo)跟蹤和監(jiān)測、自然界災(zāi)害預(yù)報(bào)、健康監(jiān)測、危險環(huán)境勘探和地震感應(yīng)等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，已經(jīng)成為信息技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的正確定位問題、網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量度量問題和網(wǎng)絡(luò)覆蓋空洞修復(fù)問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的三個重要問題，本論文對這三個問題進(jìn)行了深入研究，建立了一些新的優(yōu)化模型并設(shè)計(jì)了新的算法，主要研究成果如下：
　　1.無線

2、傳感器節(jié)點(diǎn)正確定位對整個網(wǎng)絡(luò)起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)暴露在惡意危險環(huán)境中時，攻擊者會攻擊節(jié)點(diǎn)定位的過程，使其定位到錯誤位置，從而導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用完全失效。基于最大似然估計(jì)的傳感器定位概率模型是一種常用的定位模型，但是它有兩個缺點(diǎn)：一是定位精度低。它通常將RSS(接收信號強(qiáng)度)信號標(biāo)準(zhǔn)差看成常數(shù)，影響了定位精度；二是安全性差，在有惡意節(jié)點(diǎn)攻擊時模型常常會定位失效。本文通過擬合測試數(shù)據(jù)歸納出了RSSI信號標(biāo)準(zhǔn)差隨距離變化的函數(shù)關(guān)

3、系，提高了定位精度。針對第二個問題，在分析其受攻擊時定位失敗的具體原因后，對節(jié)點(diǎn)定位的概率計(jì)算公式進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新的基于變方差特征的傳感器節(jié)點(diǎn)定位概率模型，提高了安全性。但該模型是一個高度非線性全局優(yōu)化問題，求解難度大。本文對其設(shè)計(jì)了一個新的高效進(jìn)化算法，并證明了該算法的全局收斂性。
　　2.“最小暴露路徑”的暴露度是衡量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，它反映了給定的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所能提供的感知和監(jiān)視能力。已有求最小

4、暴露路徑的常用方法（網(wǎng)格法和Voronoi圖方法）具有精度不好控制、計(jì)算復(fù)雜以及不適合異構(gòu)節(jié)點(diǎn)和大規(guī)模傳感器節(jié)點(diǎn)問題等缺點(diǎn)。本文基于泛函分析理論建立了傳感器網(wǎng)絡(luò)最小暴露路徑的數(shù)值泛函極值模型，具有很好的精度且適合大規(guī)模問題，但該模型是一個高維高度非線性優(yōu)化問題，常用的優(yōu)化方法難以適用。為解決這一問題，本文結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題的背景特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出獨(dú)特高效的交叉算子、變異算子、局部搜素算子和翻轉(zhuǎn)算子，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新的智能優(yōu)化方法，

5、并證明了其全局收斂性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了模型的先進(jìn)性和算法的有效性.
　　3.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的最小暴露路徑問題通常不考慮對路徑的實(shí)際限制條件。本文研究一種要求經(jīng)過某一特別保護(hù)區(qū)域部分邊界的最小暴露路徑問題。這個問題由于無法建立相應(yīng)的圖模型，已有求解最小暴露路徑問題的常用方法（網(wǎng)格法和維諾圖法）對這個問題無法應(yīng)用。為解決此問題，本文將該問題先轉(zhuǎn)化成帶約束條件的非線性優(yōu)化問題，然后結(jié)合問題實(shí)際背景知識設(shè)計(jì)了一個混合人工蜂群算法。通過多

6、種情況下的仿真實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的帶約束條件優(yōu)化模型和混合人工蜂群求解算法能有效解決帶約束的最小暴露路徑問題。
　　4.由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限而最終會耗盡，出現(xiàn)有些節(jié)點(diǎn)失效，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)覆蓋空洞問題。這是一個十分重要而困難的問題。首先，本文設(shè)計(jì)了一種基于多移動節(jié)點(diǎn)的路徑規(guī)劃模型，然后，利用遺傳算法求出移動節(jié)點(diǎn)的合理移動路徑，進(jìn)一步，沿著求出的合理移動路徑對傳感器網(wǎng)絡(luò)可能失效節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)。利用該策略可以最大可能的對可能失