無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能覆蓋.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量無處不在的、具有無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點構(gòu)成的自組織分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的智能系統(tǒng)；是隨著無線通信和嵌入式計算技術(shù)、傳感器技術(shù)、微機電技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一種新興信息獲取技術(shù)，改變了人類與自然界的交互方式；在軍事、環(huán)境監(jiān)測、空間探索、反恐防暴、災(zāi)難援救、醫(yī)療衛(wèi)生、智能家居等方面顯示了潛在的巨大應(yīng)用價值。 網(wǎng)絡(luò)覆蓋是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究和應(yīng)用的關(guān)鍵性基礎(chǔ)問題，是其他網(wǎng)絡(luò)研究的

2、基礎(chǔ)，直接影響著網(wǎng)絡(luò)的使用性能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)超大規(guī)模，節(jié)點自由密集分布、能量受限、通信能力受限、計算和存儲能力受限的特點和無人職守、惡劣的應(yīng)用環(huán)境給網(wǎng)絡(luò)覆蓋帶來了很大的挑戰(zhàn)。本文從自由分布節(jié)點覆蓋效率最大化、節(jié)點協(xié)同覆蓋、多目標關(guān)聯(lián)覆蓋和適應(yīng)被監(jiān)測區(qū)域物理量分布特性的網(wǎng)絡(luò)覆蓋四個方面研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋問題。論文主要的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點包括以下幾個方面。 (1)綜述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋現(xiàn)有的研究成果。分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆

3、蓋面臨的問題，系統(tǒng)的提出了網(wǎng)絡(luò)覆蓋的評價體系，歸納了網(wǎng)絡(luò)覆蓋設(shè)計中需要注意的問題，為后面的研究做了準備。 (2)針對移動節(jié)點自由分布網(wǎng)絡(luò)覆蓋中，覆蓋效率低下的問題，研究了理想狀態(tài)下的覆蓋效率最優(yōu)節(jié)點分布問題，推導(dǎo)出同構(gòu)節(jié)點的最優(yōu)分布；以理論研究結(jié)果為指導(dǎo)，考慮無效移動、邊界效應(yīng)和最佳移動距離等因素，改進了虛擬力算法VFA，提出了高能效的虛擬力算法CEVFA。 (3)為滿足被監(jiān)測區(qū)域多個目標不同覆蓋質(zhì)量的需求，在CEVFA

4、的基礎(chǔ)上，提出了特殊區(qū)域優(yōu)先覆蓋的目標多重覆蓋算法WMCA；該算法在保證區(qū)域完整監(jiān)測的情況下能夠滿足對特殊關(guān)注點的覆蓋重數(shù)要求，而且能量消耗量少；算法計算量小，適合資源有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；是目前為解決區(qū)域中特殊目標點多重覆蓋而提出的第一個節(jié)點覆蓋算法。 (4)考慮到某些應(yīng)用中，單個節(jié)點難以獨立完成對目標對象的覆蓋，我們提出了節(jié)點協(xié)同覆蓋的思想；詳細推導(dǎo)并分析了協(xié)同覆蓋概率、節(jié)點數(shù)目、節(jié)點參與協(xié)同覆蓋的最低覆蓋概率之間的關(guān)系；分

5、析了協(xié)同覆蓋算法在不同節(jié)點分布情況下的性能；該方法可以有效利用網(wǎng)絡(luò)資源提高感知質(zhì)量；在協(xié)同覆蓋模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了能量自適應(yīng)的協(xié)同覆蓋優(yōu)化算法CTCO；仿真結(jié)果表明，該算法在改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋概率的同時，延長了網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。 (5)通過分析能量受限節(jié)點和障礙造成的節(jié)點協(xié)同工作瓶頸問題，研究建立了節(jié)點能耗與網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量之間的關(guān)系，節(jié)點協(xié)同覆蓋質(zhì)量和移動、監(jiān)測能量消耗的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，并且進行了求解和仿真分析，提出了移動節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)同目

6、標覆蓋優(yōu)化算法CTCOMSN；對靜止節(jié)點難以完成覆蓋任務(wù)和被監(jiān)測區(qū)域存在障礙的應(yīng)用場景進行了算法仿真，結(jié)果顯示移動節(jié)點的協(xié)同覆蓋優(yōu)化算法不僅可以提高覆蓋效率，而且對于延長網(wǎng)絡(luò)使用壽命也是很有效的；該算法也可以應(yīng)用在一般的網(wǎng)絡(luò)覆蓋中。 (6)在多目標監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)覆蓋中，一個目標處于多個傳感器節(jié)點的感知范圍內(nèi)，而一個傳感器節(jié)點有時也會同時覆蓋多個目標，這樣目標與目標之間，節(jié)點與節(jié)點之間，存在著一定的關(guān)聯(lián)。從這些關(guān)聯(lián)入手，設(shè)計了多目標關(guān)

7、聯(lián)覆蓋算法MTACA，利用數(shù)據(jù)挖掘中的關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘方法確定目標集合和傳感器節(jié)點集合，通過節(jié)點集合的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換完成目標的完全覆蓋，并且達到延長網(wǎng)絡(luò)使用壽命的目的；對算法進行了仿真，并與改進的目標覆蓋PEAS算法進行了比較；結(jié)果表明MTACA算法在目標完全覆蓋能力和網(wǎng)絡(luò)使用壽命上明顯優(yōu)于改進PEAS算法。本章的另外一個重大貢獻是首次從目標和節(jié)點的關(guān)聯(lián)關(guān)系入手研究網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題，對以后網(wǎng)絡(luò)覆蓋及其它研究是一個很大的啟示。 (7)在大規(guī)

8、模的環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中，考慮被監(jiān)測區(qū)域物理量場分布特性和傳感器節(jié)點的位置關(guān)系，將計算流體力學(xué)中的嵌套網(wǎng)格技術(shù)引入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的算法設(shè)計中，提出適應(yīng)物理量分布的嵌套網(wǎng)格覆蓋方法NGECA：這也是在首次從被監(jiān)測物理量分布的角度設(shè)計網(wǎng)絡(luò)覆蓋方法，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)其他方面的研究有很大的指導(dǎo)意義；通過仿真研究了空間步長、物理梯度等參數(shù)對算法性能的影響；同時設(shè)計了二維應(yīng)用環(huán)境中嵌套網(wǎng)格覆蓋算法，仿真結(jié)果顯示NGECA算法可以利用較少的傳感器節(jié)點