無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位與覆蓋控制技術(shù)研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低成本、容錯(cuò)性好、快速部署、無需固定網(wǎng)絡(luò)支持、可長(zhǎng)期執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)等特點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事以及商業(yè)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。作為一項(xiàng)全新的技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為科技工作者提出了許多具有挑戰(zhàn)性的研究課題，其中，節(jié)點(diǎn)定位與覆蓋控制問題的研究對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論與支撐技術(shù)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用具有十分重要的意義。
　　本文系統(tǒng)的介紹了節(jié)點(diǎn)定位與覆蓋控制技術(shù)的基本原理，深入的研究了節(jié)點(diǎn)定位與覆蓋控制算法。

2、針對(duì)基于監(jiān)測(cè)應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所亟需解決的節(jié)點(diǎn)定位與覆蓋控制問題，提出了精確、靈活的節(jié)點(diǎn)定位機(jī)制，以及集中式與分布式的節(jié)能、高效的覆蓋控制算法。
　　部署于監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)需要靈活高效地進(jìn)行節(jié)點(diǎn)自定位，從而為監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供位置信息。由于反射、非視距等因素影響，利用RSSI測(cè)距的傳統(tǒng)定位方法誤差較大?？紤]到以上問題，針對(duì)基于監(jiān)測(cè)應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，提出了一種基于RSSI的圓環(huán)重疊定位機(jī)制(ROBRSSI)，利用未知節(jié)點(diǎn)與其二

3、跳內(nèi)距其較近信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的協(xié)作關(guān)系進(jìn)行定位設(shè)計(jì)，降低了傳統(tǒng)算法對(duì)節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間相對(duì)位置的要求，同時(shí)，結(jié)合圓環(huán)重疊思想，設(shè)計(jì)了誤差轉(zhuǎn)換處理模型、定位求精及定位驗(yàn)證處理，有效抑制了傳統(tǒng)算法中RSSI測(cè)量誤差對(duì)定位精度的影響。網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點(diǎn)由于連續(xù)工作或遭受攻擊而失效，需要加入新的節(jié)點(diǎn)并及時(shí)獲得新節(jié)點(diǎn)的位置信息。針對(duì)該需求，在ROBRSSI定位機(jī)制基礎(chǔ)上，提出了靈活性、適應(yīng)性強(qiáng)的新加入節(jié)點(diǎn)定位算法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，定位算法較傳統(tǒng)算法獲得的定位

4、更精確、覆蓋率更高。且新加入節(jié)點(diǎn)定位算法定位精確、適應(yīng)性強(qiáng)。
　　針對(duì)節(jié)點(diǎn)高密度部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，考慮能量問題，提出了一種基于遺傳優(yōu)化的動(dòng)態(tài)覆蓋控制策略。該策略設(shè)計(jì)了密度檢測(cè)機(jī)制優(yōu)化遺傳算法的初始種群，從而保證種群質(zhì)量。此外，引入禁忌思想，給出兩種禁忌操作，實(shí)現(xiàn)了局部有效搜索，并優(yōu)化全局搜索。在此之上，研究了基于能量觸發(fā)的節(jié)點(diǎn)集輪換方法，從而均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗，進(jìn)一步延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。該策略能夠有效地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化工作節(jié)點(diǎn)集的選取與輪

5、換，獲得的工作節(jié)點(diǎn)集具有節(jié)點(diǎn)數(shù)目少、覆蓋率高、能耗均衡的優(yōu)點(diǎn)，從而在較高覆蓋質(zhì)量的條件下充分休眠冗余節(jié)點(diǎn)，有效地延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明算法能夠在較少迭代次數(shù)獲得較好的性能。
　　由于傳感器節(jié)點(diǎn)能耗的不均衡導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)感知半徑的不同，因而影響冗余節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法的性能。針對(duì)這種復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用，提出了一種保持網(wǎng)絡(luò)K覆蓋的冗余節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法。首先，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的冗余分布特性實(shí)現(xiàn)有效覆蓋鄰居選取，從而大大降低了節(jié)點(diǎn)執(zhí)行冗余計(jì)算的時(shí)間。在

6、此之上，考慮邊界效應(yīng)的影響，給出二元感知模型下的冗余節(jié)點(diǎn)檢測(cè)準(zhǔn)則。另外，考慮到感知距離的衰減，進(jìn)一步給出概率感知模型下的冗余節(jié)點(diǎn)檢測(cè)準(zhǔn)則，并對(duì)以上準(zhǔn)則的合理性進(jìn)行了理論分析。在復(fù)雜環(huán)境中二元感知模型下，當(dāng)節(jié)點(diǎn)感知半徑相同時(shí)，該算法激活的工作節(jié)點(diǎn)數(shù)目少，冗余檢測(cè)完整。感知半徑不同時(shí)，算法仍能充分、有效地檢測(cè)冗余節(jié)點(diǎn);概率感知模型下算法較網(wǎng)格化方法檢測(cè)更簡(jiǎn)單、更精確，冗余檢測(cè)徹底。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與典型算法相比，所提算法運(yùn)行效率更高，冗余

7、檢測(cè)更徹底，適用性更強(qiáng)。
　　在周期性全局冗余節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法中，控制信息交換以及節(jié)點(diǎn)喚醒射頻通信模塊開啟監(jiān)聽所消耗的大量能量都是不必要的。同時(shí)，當(dāng)工作節(jié)點(diǎn)能量耗盡事件發(fā)生在兩個(gè)調(diào)度周期之間時(shí)，休眠節(jié)點(diǎn)不能夠被及時(shí)喚醒調(diào)整狀態(tài)，覆蓋質(zhì)量受到影響。針對(duì)以上問題提出了基于能量觸發(fā)的節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法ETCPS。主要包括初始調(diào)度與喚醒后的局部調(diào)度，初始調(diào)度結(jié)束后，能量達(dá)到門限值節(jié)點(diǎn)更新觸發(fā)門限并產(chǎn)生觸發(fā)事件，從而及時(shí)喚醒事件點(diǎn)相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部的調(diào)