無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗路由與節(jié)點(diǎn)目標(biāo)跟蹤定位研究.pdf

1、近年來，作為新興的測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)--無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless SensorNetworks，WSN)，伴隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、通信、自動控制和人工智能等學(xué)科獲得了飛速的發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)將大量具有通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)投放于監(jiān)測區(qū)域，實(shí)時感知、采集并處理監(jiān)測對象的信息，并且采用自組織、自適應(yīng)和多跳協(xié)作的通信方式實(shí)現(xiàn)了將自然界的物理信息與邏輯世界信息的完美融合，改變了人類傳統(tǒng)的生活方式。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因獨(dú)具低功耗、易投放、高容

2、錯以及高精度測量的優(yōu)點(diǎn)，使其在軍事、商業(yè)和民用等領(lǐng)域都得到極其廣泛的應(yīng)用。
　　 本論文根據(jù)前人的研究工作，分別從網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，展開了對路由實(shí)現(xiàn)、傳感器節(jié)點(diǎn)投放區(qū)域的通信覆蓋以及傳感器網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)跟蹤定位技術(shù)的深入研究。在上述問題的研究中，針對不同的應(yīng)用需求，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載平衡、簇首節(jié)點(diǎn)優(yōu)化選擇、傳感器節(jié)點(diǎn)優(yōu)化投放分布以及對運(yùn)動目標(biāo)的高精度跟蹤定位等方面提出了具有實(shí)際應(yīng)用價值的改進(jìn)算法，并通過計(jì)算機(jī)仿真對性能進(jìn)行驗(yàn)證和評

3、估。
　　 具體的創(chuàng)新研究內(nèi)容有：
　　 (1)根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中因節(jié)點(diǎn)有效傳輸半徑對路由選擇的制約，改進(jìn)基于最小生成樹的分簇多跳路由算法，改善因路由選擇對網(wǎng)絡(luò)能耗的影響。該算法利用Voronoi圖的泊松過程特性優(yōu)化簇首節(jié)點(diǎn)數(shù)，并結(jié)合最小生成樹動態(tài)調(diào)整簇內(nèi)外節(jié)點(diǎn)的路由發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化。仿真結(jié)果表明該算法在開銷容忍的前提下，網(wǎng)絡(luò)均衡負(fù)載，并與相同仿真條件下的基于LEACH的分層多跳路由算法相比，更有效地延長了網(wǎng)絡(luò)壽命

4、，同時降低了計(jì)算時間復(fù)雜度。
　　 (2)針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)投放分布對投放區(qū)域有效通信信號覆蓋的影響，改進(jìn)了一種基于通信覆蓋的分布式投放概率覆蓋算法。在保證投放精度的前提下，該算法根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)在投放區(qū)域中位置的不確定性以及信號衰減特性，建立信號覆蓋模型，并通過信號覆蓋率計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)預(yù)定投放位置，由傳感器節(jié)點(diǎn)的自定位算法獲取定位信息為前提，獲取節(jié)點(diǎn)的投放位置和投放數(shù)目。在改善區(qū)域通信覆蓋的同時，提高了節(jié)點(diǎn)分布效率，達(dá)

5、到節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源的目的。通過仿真比較了在不同定位投放方法下的各相關(guān)性數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該算法可實(shí)現(xiàn)高效投放的優(yōu)越性能。
　　 (3)在關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面，提出了在實(shí)現(xiàn)投放區(qū)域有效通信信號覆蓋的基礎(chǔ)上保證局部能量有效損耗的路由設(shè)計(jì)要求，由此提出了基于多跳路徑劃分子空間的分簇路由算法。該路由算法在獲得相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)拓?fù)浞植嫉那疤嵯聦?shí)現(xiàn)了能量平均損耗，而節(jié)點(diǎn)拓?fù)涞墨@取則通過采用高斯分布的定位誤差模型與馬爾可夫鏈性質(zhì)相結(jié)合，改進(jìn)了以前算法對

6、于傳感器節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的獲取。通過對整個算法的仿真，得到的相關(guān)數(shù)據(jù)證明了算法在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)硬件資源優(yōu)化和能量有效損耗方面所具有的較好的性能。
　　 (4)在對運(yùn)動目標(biāo)跟蹤定位的研究中，對于無法得知目標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài)方程和觀測噪聲的概率密度分布的情況時，提出基于粒子濾波和曲線準(zhǔn)線性優(yōu)化的目標(biāo)跟蹤算法。算法利用傳感器節(jié)點(diǎn)的感知圓的幾何特性確定目標(biāo)的運(yùn)動區(qū)域的邊界限制，借鑒cost reference粒子濾波算法，估計(jì)出目標(biāo)的運(yùn)動軌跡，隨后通過