無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作的能量高效的目標(biāo)跟蹤協(xié)議研究.pdf

1、隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，在變化的環(huán)境中利用傳感器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤、分析變得更加可行。目標(biāo)跟蹤是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，在此過(guò)程中計(jì)算量大、能量有限、實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)。網(wǎng)絡(luò)生命期的長(zhǎng)短在很大程度上取決于降低發(fā)射功率、發(fā)送消息數(shù)目、發(fā)現(xiàn)鄰居的時(shí)間，以及一定時(shí)間內(nèi)選擇的參與跟蹤的傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。對(duì)于上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外已有很多文獻(xiàn)進(jìn)行了研究。本論文提出了一種協(xié)作的能量高效的目標(biāo)跟蹤協(xié)議（Cooperative and ene

2、rgy-efficient target tracking protocol in wireless sensor networks，CET），通過(guò)減少感應(yīng)和通信能量來(lái)達(dá)到節(jié)省網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)跟蹤能量消耗的目的。 跟蹤目標(biāo)的對(duì)象稱為跟蹤者，如走動(dòng)的人等。目標(biāo)可能是任何移動(dòng)對(duì)象如敵方車輛、入侵者或運(yùn)動(dòng)中的消防戰(zhàn)士。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能進(jìn)行監(jiān)測(cè)、通訊、計(jì)算，其中一個(gè)處于活躍狀態(tài)和工作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)被當(dāng)作信標(biāo)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)，另外一個(gè)處于同樣狀態(tài)的

3、節(jié)點(diǎn)作為該節(jié)點(diǎn)的備份以提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性。一旦信標(biāo)節(jié)點(diǎn)因?yàn)槟承﹩?wèn)題而發(fā)生錯(cuò)誤，備份節(jié)點(diǎn)將承擔(dān)監(jiān)測(cè)的任務(wù)，監(jiān)測(cè)將會(huì)根據(jù)跟蹤者的要求而工作。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都具有計(jì)算能力，當(dāng)任務(wù)完成后，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為非活動(dòng)狀態(tài)。為了進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，本論文設(shè)計(jì)了一個(gè)專門(mén)的節(jié)點(diǎn)喚醒機(jī)制，通過(guò)使用這種機(jī)制，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)相繼處于活動(dòng)狀態(tài)，而其它節(jié)點(diǎn)則周期性地處于睡眠和喚醒狀態(tài)，以充分利用網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能特征，達(dá)到很好的節(jié)能效果。 本論文的研究基于鄰居合作的面感知路由

4、，并且假設(shè)網(wǎng)絡(luò)模型是圓盤(pán)模型，所有節(jié)點(diǎn)都部署在二維平面上。面感知路由是由相鄰圖（RNG）和Gabriel圖（GG）來(lái)描述的，而相鄰圖和Gabriel圖都是平面G上的有限點(diǎn)集。目標(biāo)跟蹤過(guò)程可以分為5個(gè)步驟：即網(wǎng)絡(luò)初始化、目標(biāo)監(jiān)測(cè)、跟蹤者移動(dòng)判斷、定位和目標(biāo)移動(dòng)方向估計(jì)，以及信標(biāo)及備用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)選舉。 本論文主要研究如何縮短節(jié)點(diǎn)捕獲目標(biāo)的時(shí)間，防止由于節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤、路由失敗、跟蹤失敗而導(dǎo)致的目標(biāo)跟蹤丟失。在實(shí)際的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤

5、、鏈接錯(cuò)誤是經(jīng)常發(fā)生的。本論文提出了一種合作的、能量高效的目標(biāo)跟蹤協(xié)議（CET），該協(xié)議利用節(jié)點(diǎn)之間相互合作來(lái)避免不可預(yù)見(jiàn)的錯(cuò)誤。特別地，如果有目標(biāo)在跟蹤過(guò)程中丟失或發(fā)生錯(cuò)誤，允許靠近信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的同一個(gè)面內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。即使在這種狀態(tài)下，如果沒(méi)有監(jiān)測(cè)到目標(biāo)，面內(nèi)所有的鄰居節(jié)點(diǎn)都會(huì)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行重新定位。如果目標(biāo)還沒(méi)有監(jiān)測(cè)到，附近面內(nèi)的所有鄰居節(jié)點(diǎn)都會(huì)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行重新定位。如果監(jiān)測(cè)都失敗，則算法會(huì)重新初始化。 CET協(xié)議使用一種基

6、于預(yù)測(cè)的能量高效方法來(lái)估計(jì)目標(biāo)的位置和方向，利用二維高斯分布來(lái)預(yù)測(cè)目標(biāo)的下一個(gè)位置。一旦獲得目標(biāo)的下一個(gè)位置，就重新選出一個(gè)新的信標(biāo)和備份信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。在CET協(xié)議中，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠局部地估計(jì)節(jié)點(diǎn)感應(yīng)、數(shù)據(jù)處理、與鄰居節(jié)點(diǎn)通信所消耗的能量。 本論文利用OMNET++平臺(tái)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展了廣泛的模擬實(shí)驗(yàn)和深入研究，并進(jìn)行了必要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集。實(shí)驗(yàn)主要依據(jù)以下四個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)估所提出的協(xié)議：丟失率；首次捕獲時(shí)間；預(yù)測(cè)誤差；平均能