基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有效的目標(biāo)探測(cè)、定位與跟蹤技術(shù)研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由密集部署在監(jiān)視區(qū)域內(nèi)大量廉價(jià)微型的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信方式自組織構(gòu)成的多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具備有限的電量、感知能力、計(jì)算能力和通信能力。作為一種新興的信息獲取技術(shù)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍用和民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，其中許多應(yīng)用可以抽象成目標(biāo)探測(cè)、定位或跟蹤等問(wèn)題。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的電池能量有限且在通常情況下不可充電或更換，高效使用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電池電量以延長(zhǎng)整體網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間成為傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要考慮。

2、本論文研究能量有效的目標(biāo)探測(cè)、定位與跟蹤技術(shù)。首先研究了基于合理設(shè)定探測(cè)參數(shù)的能量有效的目標(biāo)探測(cè)技術(shù)，然后研究了基于降低計(jì)算量、通信量以及參與節(jié)點(diǎn)數(shù)目的能量有效的目標(biāo)定位技術(shù)，最后研究了基于動(dòng)態(tài)簇的目標(biāo)跟蹤技術(shù)和基于跟蹤鏈的目標(biāo)查詢技術(shù)。主要工作歸納如下： 1.能量有效的目標(biāo)探測(cè)技術(shù)研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化探測(cè)能耗的主要方式是調(diào)度網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)或者探測(cè)參數(shù)。本論文研究了如何合理設(shè)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的探測(cè)參數(shù)－探測(cè)間隔和探測(cè)距離，使得傳

3、感器網(wǎng)絡(luò)在滿足一定目標(biāo)探測(cè)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，消耗最少的能量。 在設(shè)定探測(cè)間隔時(shí)，選用目標(biāo)最小路徑暴露作為網(wǎng)絡(luò)探測(cè)質(zhì)量的衡量指標(biāo)，將能量有效的探測(cè)間隔的設(shè)定問(wèn)題轉(zhuǎn)化成帶約束條件的優(yōu)化問(wèn)題－最小化網(wǎng)絡(luò)能量消耗，同時(shí)滿足目標(biāo)最小路徑暴露的要求。然后，給出了優(yōu)化模型的求解方法，其中著重研究了目標(biāo)最小路徑暴露的改進(jìn)的求解方法。最后，仿真分析了影響探測(cè)間隔設(shè)定的各種因素。 在設(shè)定探測(cè)距離時(shí)，選用目標(biāo)區(qū)域覆蓋重?cái)?shù)作為網(wǎng)絡(luò)探測(cè)質(zhì)量的衡量指標(biāo)

4、，將能量有效的探測(cè)距離的設(shè)定問(wèn)題轉(zhuǎn)化成帶約束條件的優(yōu)化問(wèn)題－最小化網(wǎng)絡(luò)能量消耗，同時(shí)滿足目標(biāo)區(qū)域覆蓋重?cái)?shù)的要求。然后，給出了優(yōu)化模型的最優(yōu)和次優(yōu)求解方法，其中著重研究了目標(biāo)區(qū)域覆蓋重?cái)?shù)的改進(jìn)的求解方法。最后，仿真驗(yàn)證了本文方法的能量有效性。 2.能量有效的目標(biāo)定位技術(shù)研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位目標(biāo)時(shí)的能量消耗分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等幾個(gè)方面。本論文針對(duì)三種傳統(tǒng)的目標(biāo)定位算法，在不影響定位精度的前提下，研究了降低目標(biāo)估計(jì)的計(jì)

5、算量、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信量以及參與目標(biāo)定位的節(jié)點(diǎn)數(shù)目的方法。 傳統(tǒng)基于目標(biāo)能量測(cè)量的定位算法是根據(jù)目標(biāo)所在的球面或平面，利用最小二乘方法確定目標(biāo)的位置。本論文根據(jù)測(cè)量噪聲為目標(biāo)球面或平面附上合理的權(quán)值，推出了目標(biāo)位置估計(jì)的加權(quán)最小二乘求解算法。該算法可以根據(jù)權(quán)值選擇少部分重要的目標(biāo)球面或平面參與目標(biāo)位置估計(jì)，從而在不影響定位精度的前提下，有效降低了目標(biāo)定位的計(jì)算量。 針對(duì)傳統(tǒng)基于目標(biāo)角度測(cè)量的定位算法，提出了節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)存在誤差

6、情況下的節(jié)點(diǎn)選擇方案。該方案根據(jù)目標(biāo)預(yù)測(cè)位置預(yù)測(cè)目標(biāo)定位誤差，并以此作為優(yōu)化指標(biāo)選擇參與目標(biāo)定位的節(jié)點(diǎn)組合，在不影響定位精度的前提下，減少了參與定位的節(jié)點(diǎn)數(shù)目。作為延伸工作，提出了基于目標(biāo)定位的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)校正算法。 質(zhì)心定位算法的本質(zhì)是均值計(jì)算問(wèn)題。本論文針對(duì)質(zhì)心定位算法，提出了基于脈沖耦合振蕩器模型的分布式均值計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方案。該方案中，傳感器節(jié)點(diǎn)按照脈沖耦合振蕩器模型運(yùn)行，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)調(diào)制在振蕩器的脈沖信號(hào)發(fā)射時(shí)間上，鄰居節(jié)點(diǎn)通

7、過(guò)脈沖耦合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和本地運(yùn)算。由于節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)寄托于可由1比特0-1碼表示的脈沖信號(hào)，該方案的通信量大大低于傳統(tǒng)基于數(shù)據(jù)包通信的實(shí)現(xiàn)方案。 3.能量有效的目標(biāo)跟蹤技術(shù)研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤時(shí)，重點(diǎn)在于如何組建合理的目標(biāo)跟蹤結(jié)構(gòu)，完成目標(biāo)跟蹤的同時(shí)，盡量降低能量消耗以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。從該角度出發(fā)，本論文研究了基于動(dòng)態(tài)簇的目標(biāo)跟蹤結(jié)構(gòu)和基于跟蹤鏈的目標(biāo)查詢結(jié)構(gòu)。 首先，研究了基于動(dòng)態(tài)簇的目標(biāo)跟蹤方法。在動(dòng)態(tài)

8、簇組建方面，提出了綜合考慮節(jié)點(diǎn)感應(yīng)信息和節(jié)點(diǎn)電量的簇頭競(jìng)選方案；在目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)方面，提出了基于最近點(diǎn)事件的新型估計(jì)算法。結(jié)合這兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，給出了基于動(dòng)態(tài)簇的目標(biāo)跟蹤過(guò)程。仿真結(jié)果表明該跟蹤方法具有失效概率低、網(wǎng)絡(luò)壽命長(zhǎng)和跟蹤精度高等優(yōu)點(diǎn)。 然后，研究了基于跟蹤鏈的目標(biāo)查詢方法。首次提出了目標(biāo)跟蹤鏈的概念；給出了目標(biāo)跟蹤鏈的構(gòu)建方法和基于跟蹤鏈的目標(biāo)查詢過(guò)程；理論分析了基于跟蹤鏈的目標(biāo)查詢的能量消耗。仿真結(jié)果表明該查詢方法在目標(biāo)