無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋與拓撲控制關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由低成本、低功耗、具備感知和數(shù)據(jù)處理、存儲與無線通信能力的微型傳感器節(jié)點通過自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò)，在軍事與民用領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，已引起廣泛的關(guān)注。覆蓋控制與拓撲控制同屬于傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)支撐技術(shù)，直接影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對周圍物理世界的監(jiān)測質(zhì)量，是開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時首要考慮的問題。有效的覆蓋控制與拓撲控制算法也是傳感器網(wǎng)絡(luò)其它工作順利開展的重要保證。本文以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗、提高網(wǎng)絡(luò)生存時間為目標，圍繞無線傳感器

2、網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制和拓撲控制兩方面內(nèi)容展開了深入研究，取得了如下創(chuàng)新性的研究成果。
　　(1)提出了一種基于差分進化算法的移動傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布優(yōu)化機制。利用移動傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的移動性，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點以及傳感器節(jié)點的固有約束，給出了傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點覆蓋模型和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋評價的詳細計算方法。將傳感器節(jié)點分布優(yōu)化目標作為差分進化算法的適應(yīng)度函數(shù)，根據(jù)生成的適應(yīng)度函數(shù)進行進化操作，優(yōu)化以隨機部署方式分布的傳感器節(jié)點的位置

3、。仿真實驗結(jié)果表明，上述算法能以相對較小的代價快速完成移動傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分布優(yōu)化，有效減少工作狀態(tài)節(jié)點數(shù)目，提高網(wǎng)絡(luò)的有效覆蓋率，實現(xiàn)移動傳感器網(wǎng)絡(luò)布局的全局優(yōu)化。
　　(2)提出了一種基于多目標優(yōu)化的移動傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布優(yōu)化機制。該機制為進一步提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能，針對移動傳感器網(wǎng)絡(luò)感知節(jié)點的分布優(yōu)化問題，將多目標優(yōu)化理論引入到傳感器節(jié)點分布中，利用節(jié)點的移動性優(yōu)化節(jié)點分布，并給出了覆蓋性能評價的Pareto標準。一系列仿真實驗

4、結(jié)果表明，該優(yōu)化機制能快速收斂于網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和網(wǎng)絡(luò)感知能耗的折中點，提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，降低網(wǎng)絡(luò)感知能耗，從而延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。
　　(3)提出了一種基于最小冗余覆蓋的移動傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布優(yōu)化機制。在戰(zhàn)場等惡劣的環(huán)境中，為了增強無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測質(zhì)量和提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，通常采用隨機部署的方式將節(jié)點高密度地部署在目標區(qū)域內(nèi)。這就導(dǎo)致大量節(jié)點的覆蓋區(qū)域相互交迭，最終產(chǎn)生大量網(wǎng)絡(luò)冗余覆蓋，進而引發(fā)數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)娜哂?，從而產(chǎn)生不必要的能量消

5、耗，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量消耗過快而失效。目前大部分覆蓋控制算法僅以提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，最大化網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋面積為目標。本文提出的方法系統(tǒng)地分析了移動傳感器網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)覆蓋率、網(wǎng)絡(luò)冗余覆蓋和移動傳感器節(jié)點的位移之間的關(guān)系，并構(gòu)建相應(yīng)的子目標函數(shù)，通過加權(quán)作為上述優(yōu)化機制的適應(yīng)度函數(shù)。通過仿真實驗驗證了所提算法的收斂性和有效性，結(jié)果表明該機制在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋的前提下，可以減少網(wǎng)絡(luò)冗余覆蓋，有效地延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間，為移動傳感器網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化提供可靠的方案。

6、
　　(4)提出了一種基于Voronoi圖的覆蓋盲區(qū)發(fā)現(xiàn)策略和一種基于蟻群算法的覆蓋盲區(qū)的動態(tài)修復(fù)機制。由于隨機的初始部署使得傳感器節(jié)點未能完全覆蓋目標監(jiān)測區(qū)域，或者由于節(jié)點故障、能量耗盡等原因?qū)е聜鞲衅鞴?jié)點失效，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)覆蓋盲區(qū)，在實際應(yīng)用中，這些未能被覆蓋的區(qū)域會使監(jiān)測的數(shù)據(jù)不完整，從而影響了整個網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，可能會對最后的決策產(chǎn)生影響。上述發(fā)現(xiàn)策略可以發(fā)現(xiàn)和確定網(wǎng)絡(luò)中覆蓋盲區(qū)的位置，進而通過上述覆蓋盲區(qū)修復(fù)機制對

7、網(wǎng)絡(luò)中的覆蓋盲區(qū)進行修復(fù)，使網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常工作。通過仿真實驗分析了移動節(jié)點利用率、節(jié)點平均移動距離兩個性能指標，與完全使用靜止節(jié)點相比，上述方法使節(jié)點部署更加均勻，提高了網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，驗證了蟻群算法修復(fù)盲區(qū)策略的可行性和有效性。
　　(5)提出了一種基于最優(yōu)簇首的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次拓撲控制算法。該算法通過分簇策略將網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點分為簇頭節(jié)點和簇內(nèi)節(jié)點兩類。簇內(nèi)節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給其所在簇的簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點負責協(xié)調(diào)和管