無線傳感器網絡有效覆蓋與拓撲控制關鍵技術研究.pdf

1、無線傳感器網絡是由低成本、低功耗、具備感知和數(shù)據處理、存儲與無線通信能力的微型傳感器節(jié)點通過自組織方式形成的網絡，在軍事與民用領域有著廣闊的應用前景，已引起廣泛的關注。覆蓋控制與拓撲控制同屬于傳感器網絡的重要基礎支撐技術，直接影響無線傳感器網絡對周圍物理世界的監(jiān)測質量，是開展無線傳感器網絡應用時首要考慮的問題。有效的覆蓋控制與拓撲控制算法也是傳感器網絡其它工作順利開展的重要保證。本文以節(jié)省網絡能耗、提高網絡生存時間為目標，圍繞無線傳感器

2、網絡覆蓋控制和拓撲控制兩方面內容展開了深入研究，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化算法的移動傳感器網絡節(jié)點分布優(yōu)化機制。利用移動傳感器網絡中傳感器節(jié)點的移動性，針對無線傳感器網絡的特點以及傳感器節(jié)點的固有約束，給出了傳感器網絡節(jié)點覆蓋模型和無線傳感器網絡覆蓋評價的詳細計算方法。將傳感器節(jié)點分布優(yōu)化目標作為差分進化算法的適應度函數(shù)，根據生成的適應度函數(shù)進行進化操作，優(yōu)化以隨機部署方式分布的傳感器節(jié)點的位置

3、。仿真實驗結果表明，上述算法能以相對較小的代價快速完成移動傳感器網絡節(jié)點的分布優(yōu)化，有效減少工作狀態(tài)節(jié)點數(shù)目，提高網絡的有效覆蓋率，實現(xiàn)移動傳感器網絡布局的全局優(yōu)化。
　　(2)提出了一種基于多目標優(yōu)化的移動傳感器網絡節(jié)點分布優(yōu)化機制。該機制為進一步提高網絡覆蓋性能，針對移動傳感器網絡感知節(jié)點的分布優(yōu)化問題，將多目標優(yōu)化理論引入到傳感器節(jié)點分布中，利用節(jié)點的移動性優(yōu)化節(jié)點分布，并給出了覆蓋性能評價的Pareto標準。一系列仿真實驗

4、結果表明，該優(yōu)化機制能快速收斂于網絡覆蓋率和網絡感知能耗的折中點，提高網絡覆蓋率，降低網絡感知能耗，從而延長網絡生存時間。
　　(3)提出了一種基于最小冗余覆蓋的移動傳感器網絡節(jié)點分布優(yōu)化機制。在戰(zhàn)場等惡劣的環(huán)境中，為了增強無線傳感器網絡的監(jiān)測質量和提高網絡可靠性，通常采用隨機部署的方式將節(jié)點高密度地部署在目標區(qū)域內。這就導致大量節(jié)點的覆蓋區(qū)域相互交迭，最終產生大量網絡冗余覆蓋，進而引發(fā)數(shù)據采集、傳輸?shù)娜哂?，從而產生不必要的能量消

5、耗，導致網絡節(jié)點能量消耗過快而失效。目前大部分覆蓋控制算法僅以提高網絡覆蓋率，最大化網絡有效覆蓋面積為目標。本文提出的方法系統(tǒng)地分析了移動傳感器網絡中網絡覆蓋率、網絡冗余覆蓋和移動傳感器節(jié)點的位移之間的關系，并構建相應的子目標函數(shù)，通過加權作為上述優(yōu)化機制的適應度函數(shù)。通過仿真實驗驗證了所提算法的收斂性和有效性，結果表明該機制在滿足網絡覆蓋的前提下，可以減少網絡冗余覆蓋，有效地延長網絡的生存時間，為移動傳感器網絡布局優(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)的動態(tài)修復機制。由于隨機的初始部署使得傳感器節(jié)點未能完全覆蓋目標監(jiān)測區(qū)域，或者由于節(jié)點故障、能量耗盡等原因導致傳感器節(jié)點失效，使得傳感器網絡出現(xiàn)覆蓋盲區(qū)，在實際應用中，這些未能被覆蓋的區(qū)域會使監(jiān)測的數(shù)據不完整，從而影響了整個網絡的服務質量，可能會對最后的決策產生影響。上述發(fā)現(xiàn)策略可以發(fā)現(xiàn)和確定網絡中覆蓋盲區(qū)的位置，進而通過上述覆蓋盲區(qū)修復機制對

7、網絡中的覆蓋盲區(qū)進行修復，使網絡恢復正常工作。通過仿真實驗分析了移動節(jié)點利用率、節(jié)點平均移動距離兩個性能指標，與完全使用靜止節(jié)點相比，上述方法使節(jié)點部署更加均勻，提高了網絡的服務質量，驗證了蟻群算法修復盲區(qū)策略的可行性和有效性。
　　(5)提出了一種基于最優(yōu)簇首的無線傳感器網絡層次拓撲控制算法。該算法通過分簇策略將網絡中的傳感器節(jié)點分為簇頭節(jié)點和簇內節(jié)點兩類。簇內節(jié)點將采集到的數(shù)據信息發(fā)送給其所在簇的簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點負責協(xié)調和管