災(zāi)害環(huán)境多飛艇WSN大規(guī)模覆蓋空洞修復(fù)相關(guān)問(wèn)題研究.pdf

1、作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)通常被視為對(duì)無(wú)人值守、難以到達(dá)，甚至災(zāi)害環(huán)境進(jìn)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(zhǎng)、監(jiān)測(cè)環(huán)境的危險(xiǎn)化和復(fù)雜化，WSN中同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)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(gè)互不連通的網(wǎng)絡(luò)孤島，導(dǎo)致上層網(wǎng)絡(luò)無(wú)法感知受損后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌琖SN自身修復(fù)機(jī)制無(wú)法有效運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)正常功能受到破壞。因此，如何在災(zāi)害受損的WSN中

2、實(shí)現(xiàn)大規(guī)模覆蓋空洞修復(fù)成為亟待解決的問(wèn)題。本文以飛艇為主要空中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，針對(duì)災(zāi)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(cè)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(shí)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(kāi)多飛艇大規(guī)模覆蓋空洞修復(fù)研究。
　　首先，針對(duì)已有WSN移動(dòng)數(shù)據(jù)收集方法在單孤島數(shù)據(jù)收集過(guò)程中效率低、硬件開(kāi)銷大的缺點(diǎn)，提出了

3、一種基于動(dòng)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?fù)涿枋龅幕A(chǔ)上，給出基于動(dòng)態(tài)分簇的多飛艇單孤島數(shù)據(jù)收集問(wèn)題定義，并結(jié)合最優(yōu)化理論和動(dòng)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(jī)器人任務(wù)分配策略，設(shè)計(jì)一種分布式的啟發(fā)性數(shù)據(jù)收集算法，并通過(guò)對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該算法的有效性。
　　其次，針對(duì)已有覆蓋空洞邊界檢測(cè)方法不能快速而高效地檢測(cè)到單孤島中大規(guī)模覆蓋空洞邊界的問(wèn)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(cè)

4、方法。闡述最小臨界閾值優(yōu)化問(wèn)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(jìn)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(cè)及其細(xì)化迭代兩個(gè)算法，并通過(guò)理論分析和對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證算法執(zhí)行效率和有效性。
　　再次，針對(duì)已有孤島結(jié)盟方法對(duì)兩種非理想假設(shè)——不確定性孤島分布和有限中繼節(jié)點(diǎn)帶寬的自適應(yīng)能力差的不足，提出一種多飛艇WSN孤島同時(shí)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(shí)搜索與帶寬感知中繼結(jié)盟優(yōu)化問(wèn)題，并利用局部啟發(fā)式迭代搜索，將該問(wèn)題分解為搜索部署和具有路由路徑選擇的中繼節(jié)點(diǎn)部署兩個(gè)子優(yōu)化問(wèn)題；在提出的單孤島大規(guī)模覆蓋空洞邊界檢測(cè)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(diǎn)部署兩個(gè)近似求解算法，并通過(guò)對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證算法的有效性。
　　最后，針對(duì)已有基于中繼節(jié)點(diǎn)部署的覆蓋空洞修復(fù)方法在修復(fù)災(zāi)害

6、環(huán)境WSN大規(guī)模覆蓋空洞過(guò)程中效率低的問(wèn)題，從WSN最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)位置求解的消息開(kāi)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(fù)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(diǎn)部署位置；引入單純復(fù)形度及其索引值的定義，結(jié)合Cech復(fù)形相關(guān)性質(zhì)，剔除冗余候選中繼節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)部署位置，并通過(guò)對(duì)比仿真實(shí)