【摘要】：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSNs)是當(dāng)前學(xué)術(shù)重點(diǎn)研究對(duì)象之一,涉及前沿的通信、傳感和電子等相關(guān)的領(lǐng)域。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)逐步成熟,大規(guī)模的制造和使用傳感器節(jié)點(diǎn)的方案變得更廉價(jià)更高效。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來(lái)越廣,已由原來(lái)的軍事領(lǐng)域擴(kuò)展到其他各領(lǐng)域。在城市的交通控制管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安防系統(tǒng)、國(guó)防安全、空間探測(cè)和物聯(lián)網(wǎng)等諸多領(lǐng)域都有重要的科研和應(yīng)用價(jià)值。在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)應(yīng)用中,隨機(jī)部署節(jié)點(diǎn)容易造成分布不均的問(wèn)題,從而影響網(wǎng)絡(luò)的連通性及覆蓋率。針對(duì)大規(guī)模的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò),如何高效節(jié)能地實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)部署,形成有效的蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋,是解決此問(wèn)題的關(guān)鍵手段。其中,采用基于虛擬力或虛擬勢(shì)能場(chǎng)的優(yōu)化算法已成為無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)部署的研究重點(diǎn)之一。本文首先以塵埃等離子體物理中湯川勢(shì)的粒子結(jié)晶模型為理論基礎(chǔ),提出了基于等離子體湯川勢(shì)模型的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署的虛擬力算法。為了進(jìn)一步討論該虛擬力算法的節(jié)點(diǎn)部署效果,我們將Delaunay三角剖分算法應(yīng)用至模型中,對(duì)計(jì)算規(guī)模進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)和仔細(xì)研究,使得其能夠進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié),以適應(yīng)WSNs中的實(shí)際需要。通過(guò)模擬仿真,驗(yàn)證了算法中湯川勢(shì)的有效性,對(duì)計(jì)算規(guī)模和屏蔽長(zhǎng)度兩個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行了針對(duì)性地分析討論。仿真結(jié)果表明,在固定屏蔽長(zhǎng)度時(shí),隨著計(jì)算規(guī)模的增加,網(wǎng)絡(luò)的均勻性變好,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加接近于正六邊形拓?fù)?但運(yùn)行時(shí)間也相應(yīng)增加。當(dāng)保持計(jì)算規(guī)模不變,伴隨著屏蔽長(zhǎng)度值的增加,傳感器網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋面積增大,但整體網(wǎng)絡(luò)均勻性變差,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也逐漸趨于不理想。實(shí)驗(yàn)表明,該算法可以針對(duì)大規(guī)模無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)形成有效覆蓋的(Hexagon)六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu),使用最少的節(jié)點(diǎn)覆蓋最大的面積,并具有較快的網(wǎng)絡(luò)收斂性。其次,基于上述等離子體湯川勢(shì)虛擬力算法可以提供穩(wěn)定的算法收斂性和有效的蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),我們將其作為混合優(yōu)化算法的基礎(chǔ),與另一種基于粒子間交換力的虛擬力算法進(jìn)行結(jié)合,初步實(shí)現(xiàn)了基于兩種不同物理系統(tǒng)虛擬力算法的自適應(yīng)融合,來(lái)進(jìn)一步提高大規(guī)模傳感器節(jié)點(diǎn)部署算法的仿真精確度、減少節(jié)點(diǎn)部署時(shí)間等�；诘入x子體湯川勢(shì)模型的虛擬力算法(VFA_YP)有更好覆蓋率和較高網(wǎng)絡(luò)均勻性,但達(dá)平衡狀態(tài)時(shí)間長(zhǎng),系統(tǒng)能耗大等特點(diǎn)�；诹Ｗ娱g交換力的算法(VFA_LJ)僅僅計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)周?chē)罱泥従庸?jié)點(diǎn),可以快速部署節(jié)點(diǎn),有效縮短部署時(shí)間,降低系統(tǒng)能耗,但存在容易形成覆蓋空洞且最終網(wǎng)絡(luò)均勻性較差等特點(diǎn)。結(jié)合上述兩種算法的特點(diǎn),我們考慮對(duì)先利用VFA_YP進(jìn)行大尺度的節(jié)點(diǎn)結(jié)晶,再利用VFA_LJ算法對(duì)節(jié)點(diǎn)周?chē)泥従庸?jié)點(diǎn)分布進(jìn)行微調(diào)的混合部署策略,提供了更優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的模擬仿真,當(dāng)選擇合適的混合時(shí)間參數(shù)時(shí),該混合部署策略有著更快的網(wǎng)絡(luò)收斂速度,更好的網(wǎng)絡(luò)均勻性,更高的覆蓋率,穩(wěn)態(tài)時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓呌谡呅�。在�?shí)際的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,使用本文優(yōu)化的虛擬力算法及混合部署策略,能夠縮短節(jié)點(diǎn)部署的時(shí)間,對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域有著更高的覆蓋率,增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和容錯(cuò)率。
【圖文】：

圖 2.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1.2無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)WSNs 是一個(gè)有機(jī)自知的整體，它融合了信息感知、信息提供、信息傳輸息處理等諸多功能。作為新型的網(wǎng)絡(luò)，WSNs 有如下特點(diǎn)[18,53]：（1）電池能量的有限性。由電池供能的傳感器節(jié)點(diǎn)，它的能源是有限旦電池?zé)o法供電，節(jié)點(diǎn)就會(huì)癱瘓導(dǎo)致無(wú)法正常工作。（2）網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多。然而，對(duì)單節(jié)點(diǎn)精度的要求并不高，這主要是監(jiān)測(cè)區(qū)域的信息采集工作，是在大量傳感器分布式協(xié)同處理下完成的，因而信度較高。因?yàn)橛写罅咳哂嗟墓?jié)點(diǎn)，使得系統(tǒng)的容錯(cuò)率很高。也正因?yàn)楣?jié)點(diǎn)數(shù)量，使得對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的覆蓋率提升，盲區(qū)和空間的出現(xiàn)也相應(yīng)的變少。（3）動(dòng)態(tài)拓?fù)洹SNs 因節(jié)點(diǎn)的自由移動(dòng)而呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)性。例如，某節(jié)能因故障或電池能量耗盡，停止運(yùn)行；也可能因工作需要，被添加至網(wǎng)絡(luò)中（4）以數(shù)據(jù)為中心。通過(guò)編號(hào)對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，但要求編號(hào)為全網(wǎng)唯一還取決于當(dāng)初對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)協(xié)議的設(shè)計(jì)。由于網(wǎng)絡(luò)

圖 2.2 (a)區(qū)域覆蓋，(b)點(diǎn)覆蓋，(c)柵欄覆蓋（三）柵欄覆蓋在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)存在可移動(dòng)的目標(biāo)，如果該目標(biāo)以任意軌跡穿越 WSNs 覆蓋的區(qū)域，柵欄覆蓋則關(guān)心網(wǎng)絡(luò)能否感應(yīng)到目標(biāo)，感應(yīng)到的概率為多少的問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)方法有：Min-EP、Max-EP、MSP、MBP[61-62]。柵欄覆蓋如圖 2.2 (c)所示。其中，曲線(xiàn)表示被監(jiān)測(cè)目標(biāo)的行動(dòng)軌跡，其余的表述已在區(qū)域覆蓋中給出。2.2.2最佳覆蓋模型在 WSNs 部署中，如何才能使用最少數(shù)量的傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行全覆蓋，這就是最佳覆蓋問(wèn)題。根據(jù)節(jié)點(diǎn)覆蓋的圓盤(pán)模型，即節(jié)點(diǎn)的覆蓋感知為一個(gè)圓，則最佳覆蓋問(wèn)題可抽象為：用半徑為sR 的圓去覆蓋面積為 S 的區(qū)域，，完成全覆蓋則至少需要多少個(gè)圓。最佳覆蓋問(wèn)題并不是一個(gè)全新的問(wèn)題，在移動(dòng)通信領(lǐng)域早已存在。蜂窩網(wǎng)絡(luò)是一種移動(dòng)通信的硬件架構(gòu)，因網(wǎng)絡(luò)的形狀類(lèi)似蜂窩而得名。它就是用來(lái)解決用最小數(shù)量的節(jié)點(diǎn)來(lái)覆蓋最大的區(qū)域面積。各基站的信號(hào)覆蓋呈圓形，取圓的內(nèi)接正六邊
【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TP212.9;TN929.5

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