收發(fā)分置雷達(dá)傳感器網(wǎng)絡(luò)中柵欄覆蓋問題研究.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)覆蓋是衡量一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本問題，覆蓋問題一直是眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。依據(jù)覆蓋對(duì)象的不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中覆蓋問題可分為點(diǎn)覆蓋、區(qū)域覆蓋和柵欄覆蓋。其中，柵欄覆蓋是指部署在區(qū)域內(nèi)的傳感器可以監(jiān)測到所有穿越該區(qū)域的動(dòng)態(tài)入侵，它在國土安全和關(guān)鍵區(qū)域監(jiān)控等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。
　　解決各類覆蓋問題的首要問題是先確定傳感器節(jié)點(diǎn)的覆蓋模型。節(jié)點(diǎn)覆蓋模型是通過空間點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)部署位置之間的

2、關(guān)系來衡量一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的感知能力。傳感器的覆蓋模型主要取決于傳感器的類型。當(dāng)前柵欄覆蓋算法研究大多基于由被動(dòng)傳感器構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而這些被動(dòng)傳感器大部分都是基于二進(jìn)制圓盤覆蓋模型或是扇形覆蓋模型，即傳感器節(jié)點(diǎn)的覆蓋區(qū)域是一個(gè)以傳感器位置為圓心的圓盤區(qū)域或是扇形區(qū)域。像收發(fā)分置雷達(dá)傳感器這樣的主動(dòng)傳感器在物體探測性能上要優(yōu)于普通的被動(dòng)傳感器，并且隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷成熟，其在目標(biāo)探測上的優(yōu)勢越來越明顯。然而由于收發(fā)分置雷達(dá)的覆蓋模型

3、和傳統(tǒng)被動(dòng)傳感器覆蓋模型完全不同，已有的基于被動(dòng)傳感器的柵欄覆蓋算法并不適用于由收發(fā)分置雷達(dá)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。
　　針對(duì)基于卡西尼曲線覆蓋模型的收發(fā)分置雷達(dá)傳感器網(wǎng)絡(luò)，本文重點(diǎn)研究收發(fā)分置雷達(dá)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的柵欄覆蓋問題。主要內(nèi)容包括：
　　本文首先研究滿足圓周柵欄覆蓋的節(jié)點(diǎn)部署問題。在各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景中，圓周柵欄覆蓋具有非常廣泛的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)圓周柵欄覆蓋，需要將傳感器部署在包圍整個(gè)關(guān)鍵區(qū)域的曲線上，用于監(jiān)控進(jìn)出關(guān)鍵區(qū)

4、域的所有入侵者?；谑瞻l(fā)分置雷達(dá)傳感器網(wǎng)絡(luò)，本文研究如何用收發(fā)分置雷達(dá)傳感器創(chuàng)建圓周柵欄覆蓋問題。首先研究了傳感器節(jié)點(diǎn)最佳部署問題：當(dāng)所有的節(jié)點(diǎn)都可以確定地部署在圓周曲線的情況，設(shè)計(jì)了一種算法用于確定網(wǎng)絡(luò)中需要的發(fā)射器和接收器的數(shù)目以及這些節(jié)點(diǎn)在圓周曲線上的最優(yōu)部署位置，使得在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求的同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的總部署費(fèi)用最小。其次研究了如何用移動(dòng)的收發(fā)分置雷達(dá)創(chuàng)建圓周柵欄覆蓋問題。該問題的解決方案包含兩個(gè)步驟：第一步提出了兩種算法用于確定移

5、動(dòng)節(jié)點(diǎn)在圓周曲線上的目標(biāo)位置；第二步通過構(gòu)建二分圖的方法來描述移動(dòng)節(jié)點(diǎn)初始位置和目標(biāo)位置之間的關(guān)系，并通過求解二分圖最優(yōu)匹配和最大流的方法來移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)，使得節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過程中總移動(dòng)距離最小，或是最大移動(dòng)距離最小，以節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)的能源。提出算法的有效性還通過仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證。
　　其次研究了滿足帶狀區(qū)域柵欄覆蓋的最優(yōu)節(jié)點(diǎn)部署問題。為了提高柵欄覆蓋中的入侵檢測概率，本文研究如何部署收發(fā)分置雷達(dá)用于創(chuàng)建柵欄寬度不小于給定閾值的帶狀柵

6、欄覆蓋，并提出了基于等分直線的部署策略來解決這個(gè)問題，即將傳感器節(jié)點(diǎn)部署在平行于被保護(hù)區(qū)域長邊的多條直線上。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的要求，提出了一種算法確定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中需要的節(jié)點(diǎn)部署直線條數(shù)、每條部署線上發(fā)射器和接收器的數(shù)目以及這些節(jié)點(diǎn)在每條部署直線上的最優(yōu)部署策略，使得網(wǎng)絡(luò)在滿足覆蓋要求的同時(shí)，節(jié)點(diǎn)部署總費(fèi)用最小。仿真結(jié)果表明，提出的算法能根據(jù)單個(gè)發(fā)射器和接收器費(fèi)用的不同確定網(wǎng)絡(luò)中發(fā)射器和接收器的數(shù)目，并降低網(wǎng)絡(luò)的總部署費(fèi)用。
　　最后研究

7、了滿足柵欄覆蓋的隨機(jī)部署網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)調(diào)度問題。針對(duì)隨機(jī)部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在較多冗余節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了兩種方案利用隨機(jī)部署網(wǎng)絡(luò)中的冗余節(jié)點(diǎn)來延長網(wǎng)絡(luò)覆蓋壽命，即節(jié)點(diǎn)相交柵欄解決方案和節(jié)點(diǎn)不相交柵欄解決方案。其中在節(jié)點(diǎn)相交解決方案中考慮了由傳感器先關(guān)后開過程導(dǎo)致的能源損耗。本文首先構(gòu)建一個(gè)柵欄覆蓋圖用于描述網(wǎng)絡(luò)中不同收發(fā)分置雷達(dá)傳感器覆蓋區(qū)域之間的關(guān)系?；跂艡诟采w圖，在節(jié)點(diǎn)相交柵欄解決方案中設(shè)計(jì)了一種算法用于尋找網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)相交

8、柵欄，接著用線性規(guī)劃的方法確定每條柵欄的運(yùn)行時(shí)間，使得網(wǎng)絡(luò)柵欄覆蓋壽命最大。而在節(jié)點(diǎn)不相交柵欄解決方案中提出了一種算法從節(jié)點(diǎn)相交柵欄集合中找出節(jié)點(diǎn)不相交柵欄，使得找出的不相交柵欄總壽命最長。為了滿足大型網(wǎng)絡(luò)的需要，文中還針對(duì)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)提出了兩種啟發(fā)式算法：貪婪算法和隨機(jī)算法，算法的核心思想是一次只找出一條柵欄并將該柵欄激活一定時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)最大化網(wǎng)絡(luò)柵欄覆蓋壽命。仿真結(jié)果表明提出的算法能有效地提高柵欄覆蓋壽命，并且線性規(guī)劃方法要優(yōu)于啟發(fā)式