災害環(huán)境多飛艇WSN大規(guī)模覆蓋空洞修復相關(guān)問題研究.pdf

1、作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)通常被視為對無人值守、難以到達，甚至災害環(huán)境進行監(jiān)控的有效解決方案。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增長、監(jiān)測環(huán)境的危險化和復雜化，WSN中同時出現(xiàn)多個大規(guī)模覆蓋空洞不可避免。在這種情況下，WSN趨于自組織形成多個互不連通的網(wǎng)絡(luò)孤島，導致上層網(wǎng)絡(luò)無法感知受損后的網(wǎng)絡(luò)拓撲，WSN自身修復機制無法有效運行，網(wǎng)絡(luò)正常功能受到破壞。因此，如何在災害受損的WSN中

2、實現(xiàn)大規(guī)模覆蓋空洞修復成為亟待解決的問題。本文以飛艇為主要空中移動節(jié)點，針對災害環(huán)境中受損WSN的多孤島、多大規(guī)模覆蓋空洞狀況，建立多飛艇單孤島數(shù)據(jù)收集和大規(guī)模覆蓋空洞邊界檢測方法，形成單孤島大規(guī)模覆蓋空洞邊界，并在此基礎(chǔ)上探討多飛艇多孤島同時搜索與結(jié)盟方法，形成受損WSN的全局大規(guī)模覆蓋空洞邊界，以此展開多飛艇大規(guī)模覆蓋空洞修復研究。
　　首先，針對已有WSN移動數(shù)據(jù)收集方法在單孤島數(shù)據(jù)收集過程中效率低、硬件開銷大的缺點，提出了

3、一種基于動態(tài)分簇的多飛艇單孤島數(shù)據(jù)收集方法。在網(wǎng)絡(luò)模型和拓撲描述的基礎(chǔ)上，給出基于動態(tài)分簇的多飛艇單孤島數(shù)據(jù)收集問題定義，并結(jié)合最優(yōu)化理論和動態(tài)分簇技術(shù)，構(gòu)建整數(shù)線性規(guī)劃模型；利用圖論和多機器人任務(wù)分配策略，設(shè)計一種分布式的啟發(fā)性數(shù)據(jù)收集算法，并通過對比仿真實驗，驗證該算法的有效性。
　　其次，針對已有覆蓋空洞邊界檢測方法不能快速而高效地檢測到單孤島中大規(guī)模覆蓋空洞邊界的問題，提出一種基于最小臨界閾值的單孤島大規(guī)模覆蓋空洞邊界檢測

4、方法。闡述最小臨界閾值優(yōu)化問題，并基于概率感知模型將其公式化，在此基礎(chǔ)上，利用分布式梯度信息進行近似求解；在提出的多飛艇單孤島數(shù)據(jù)收集方法基礎(chǔ)上，參照堵塞流理論，給出融入最小臨界閾值的局部大規(guī)模粗糙邊界檢測及其細化迭代兩個算法，并通過理論分析和對比仿真實驗，驗證算法執(zhí)行效率和有效性。
　　再次，針對已有孤島結(jié)盟方法對兩種非理想假設(shè)——不確定性孤島分布和有限中繼節(jié)點帶寬的自適應能力差的不足，提出一種多飛艇WSN孤島同時搜索與帶寬感知

5、中繼結(jié)盟方法。在相關(guān)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，闡述多飛艇WSN孤島同時搜索與帶寬感知中繼結(jié)盟優(yōu)化問題，并利用局部啟發(fā)式迭代搜索，將該問題分解為搜索部署和具有路由路徑選擇的中繼節(jié)點部署兩個子優(yōu)化問題；在提出的單孤島大規(guī)模覆蓋空洞邊界檢測方法基礎(chǔ)上，利用譜圖和網(wǎng)絡(luò)流相關(guān)理論，分別給出連通重疊感知搜索和帶寬感知分簇中繼節(jié)點部署兩個近似求解算法，并通過對比仿真實驗，驗證算法的有效性。
　　最后，針對已有基于中繼節(jié)點部署的覆蓋空洞修復方法在修復災害

6、環(huán)境WSN大規(guī)模覆蓋空洞過程中效率低的問題，從WSN最優(yōu)中繼節(jié)點位置求解的消息開銷和分布均勻性角度出發(fā)，提出一種基于同調(diào)理論的多飛艇WSN大規(guī)模覆蓋空洞修復方法。該方法以多孤島結(jié)盟后網(wǎng)絡(luò)中剩余大規(guī)模覆蓋空洞為部署區(qū)域，在同調(diào)理論的基礎(chǔ)上，利用Halton序列，以逐次遞增的方式，產(chǎn)生一組分布均勻的候選中繼節(jié)點部署位置；引入單純復形度及其索引值的定義，結(jié)合Cech復形相關(guān)性質(zhì)，剔除冗余候選中繼節(jié)點，產(chǎn)生最優(yōu)中繼節(jié)點部署位置，并通過對比仿真實