無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋與拓?fù)淇刂脐P(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、無(wú)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(chǔ)與無(wú)線通信能力的微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)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?fù)淇刂仆瑢儆趥鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)支撐技術(shù)，直接影響無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)周圍物理世界的監(jiān)測(cè)質(zhì)量，是開展無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時(shí)首要考慮的問(wèn)題。有效的覆蓋控制與拓?fù)淇刂扑惴ㄒ彩莻鞲衅骶W(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(shí)間為目標(biāo)，圍繞無(wú)線傳感器

2、網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制和拓?fù)淇刂苾煞矫鎯?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(jìn)化算法的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布優(yōu)化機(jī)制。利用移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)以及傳感器節(jié)點(diǎn)的固有約束，給出了傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)覆蓋模型和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋評(píng)價(jià)的詳細(xì)計(jì)算方法。將傳感器節(jié)點(diǎn)分布優(yōu)化目標(biāo)作為差分進(jìn)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(jìn)行進(jìn)化操作，優(yōu)化以隨機(jī)部署方式分布的傳感器節(jié)點(diǎn)的位置

3、。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上述算法能以相對(duì)較小的代價(jià)快速完成移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分布優(yōu)化，有效減少工作狀態(tài)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，提高網(wǎng)絡(luò)的有效覆蓋率，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)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(biāo)優(yōu)化的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布優(yōu)化機(jī)制。該機(jī)制為進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能，針對(duì)移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)感知節(jié)點(diǎn)的分布優(yōu)化問(wèn)題，將多目標(biāo)優(yōu)化理論引入到傳感器節(jié)點(diǎn)分布中，利用節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性優(yōu)化節(jié)點(diǎn)分布，并給出了覆蓋性能評(píng)價(jià)的Pareto標(biāo)準(zhǔn)。一系列仿真實(shí)驗(yàn)

4、結(jié)果表明，該優(yōu)化機(jī)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(diǎn)，提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，降低網(wǎng)絡(luò)感知能耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。
　　(3)提出了一種基于最小冗余覆蓋的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布優(yōu)化機(jī)制。在戰(zhàn)場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中，為了增強(qiáng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)質(zhì)量和提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，通常采用隨機(jī)部署的方式將節(jié)點(diǎn)高密度地部署在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)。這就導(dǎo)致大量節(jié)點(diǎn)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(jìn)而引發(fā)數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)娜哂啵瑥亩a(chǎn)生不必要的能量消

5、耗，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗過(guò)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(biāo)。本文提出的方法系統(tǒng)地分析了移動(dòng)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(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)的位移之間的關(guān)系，并構(gòu)建相應(yīng)的子目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)加權(quán)作為上述優(yōu)化機(jī)制的適應(yīng)度函數(shù)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提算法的收斂性和有效性，結(jié)果表明該機(jī)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(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，為移動(dòng)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(dòng)態(tài)修復(fù)機(jī)制。由于隨機(jī)的初始部署使得傳感器節(jié)點(diǎn)未能完全覆蓋目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域，或者由于節(jié)點(diǎn)故障、能量耗盡等原因?qū)е聜鞲衅鞴?jié)點(diǎn)失效，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)覆蓋盲區(qū)，在實(shí)際應(yīng)用中，這些未能被覆蓋的區(qū)域會(huì)使監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)不完整，從而影響了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，可能會(huì)對(duì)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(jìn)而通過(guò)上述覆蓋盲區(qū)修復(fù)機(jī)制對(duì)

7、網(wǎng)絡(luò)中的覆蓋盲區(qū)進(jìn)行修復(fù)，使網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常工作。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)利用率、節(jié)點(diǎn)平均移動(dòng)距離兩個(gè)性能指標(biāo)，與完全使用靜止節(jié)點(diǎn)相比，上述方法使節(jié)點(diǎn)部署更加均勻，提高了網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，驗(yàn)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次拓?fù)淇刂扑惴āＴ撍惴ㄍㄟ^(guò)分簇策略將網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)分為簇頭節(jié)點(diǎn)和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)兩類。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管