【摘要】：無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks,WSNs)是當前學術(shù)重點研究對象之一,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,無線傳感器技術(shù)逐步成熟,大規(guī)模的制造和使用傳感器節(jié)點的方案變得更廉價更高效。無線傳感器網(wǎng)絡的應用越來越廣,已由原來的軍事領(lǐng)域擴展到其他各領(lǐng)域。在城市的交通控制管理、環(huán)境監(jiān)測、安防系統(tǒng)、國防安全、空間探測和物聯(lián)網(wǎng)等諸多領(lǐng)域都有重要的科研和應用價值。在無線傳感網(wǎng)應用中,隨機部署節(jié)點容易造成分布不均的問題,從而影響網(wǎng)絡的連通性及覆蓋率。針對大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡,如何高效節(jié)能地實現(xiàn)傳感器節(jié)點的動態(tài)部署,形成有效的蜂窩網(wǎng)絡覆蓋,是解決此問題的關(guān)鍵手段。其中,采用基于虛擬力或虛擬勢能場的優(yōu)化算法已成為無線傳感網(wǎng)節(jié)點動態(tài)部署的研究重點之一。本文首先以塵埃等離子體物理中湯川勢的粒子結(jié)晶模型為理論基礎,提出了基于等離子體湯川勢模型的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署的虛擬力算法。為了進一步討論該虛擬力算法的節(jié)點部署效果,我們將Delaunay三角剖分算法應用至模型中,對計算規(guī)模進行優(yōu)化改進和仔細研究,使得其能夠進行自適應調(diào)節(jié),以適應WSNs中的實際需要。通過模擬仿真,驗證了算法中湯川勢的有效性,對計算規(guī)模和屏蔽長度兩個重要參數(shù)進行了針對性地分析討論。仿真結(jié)果表明,在固定屏蔽長度時,隨著計算規(guī)模的增加,網(wǎng)絡的均勻性變好,網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)更加接近于正六邊形拓撲,但運行時間也相應增加。當保持計算規(guī)模不變,伴隨著屏蔽長度值的增加,傳感器網(wǎng)絡有效覆蓋面積增大,但整體網(wǎng)絡均勻性變差,網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)也逐漸趨于不理想。實驗表明,該算法可以針對大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡形成有效覆蓋的(Hexagon)六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu),使用最少的節(jié)點覆蓋最大的面積,并具有較快的網(wǎng)絡收斂性。其次,基于上述等離子體湯川勢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)絡拓撲結(jié)構(gòu),我們將其作為混合優(yōu)化算法的基礎,與另一種基于粒子間交換力的虛擬力算法進行結(jié)合,初步實現(xiàn)了基于兩種不同物理系統(tǒng)虛擬力算法的自適應融合,來進一步提高大規(guī)模傳感器節(jié)點部署算法的仿真精確度、減少節(jié)點部署時間等。基于等離子體湯川勢模型的虛擬力算法(VFA_YP)有更好覆蓋率和較高網(wǎng)絡均勻性,但達平衡狀態(tài)時間長,系統(tǒng)能耗大等特點。基于粒子間交換力的算法(VFA_LJ)僅僅計算每個節(jié)點周圍最近的鄰居節(jié)點,可以快速部署節(jié)點,有效縮短部署時間,降低系統(tǒng)能耗,但存在容易形成覆蓋空洞且最終網(wǎng)絡均勻性較差等特點。結(jié)合上述兩種算法的特點,我們考慮對先利用VFA_YP進行大尺度的節(jié)點結(jié)晶,再利用VFA_LJ算法對節(jié)點周圍的鄰居節(jié)點分布進行微調(diào)的混合部署策略,提供了更優(yōu)化的網(wǎng)絡節(jié)點分布。通過實驗的模擬仿真,當選擇合適的混合時間參數(shù)時,該混合部署策略有著更快的網(wǎng)絡收斂速度,更好的網(wǎng)絡均勻性,更高的覆蓋率,穩(wěn)態(tài)時網(wǎng)絡拓撲更趨于正六邊形。在實際的無線傳感器網(wǎng)絡應用中,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)點部署的時間,對監(jiān)測區(qū)域有著更高的覆蓋率,增強了網(wǎng)絡的魯棒性和容錯率。
【圖文】：

圖 2.1 無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)1.2無線傳感器網(wǎng)絡的特點WSNs 是一個有機自知的整體，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，WSNs 有如下特點[18,53]：（1）電池能量的有限性。由電池供能的傳感器節(jié)點，它的能源是有限旦電池無法供電，節(jié)點就會癱瘓導致無法正常工作。（2）網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)量眾多。然而，對單節(jié)點精度的要求并不高，這主要是監(jiān)測區(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。因為有大量冗余的節(jié)點，使得系統(tǒng)的容錯率很高。也正因為節(jié)點數(shù)量，使得對監(jiān)測區(qū)域的覆蓋率提升，盲區(qū)和空間的出現(xiàn)也相應的變少。（3）動態(tài)拓撲。WSNs 因節(jié)點的自由移動而呈現(xiàn)出動態(tài)性。例如，某節(jié)能因故障或電池能量耗盡，停止運行；也可能因工作需要，被添加至網(wǎng)絡中（4）以數(shù)據(jù)為中心。通過編號對無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點進行標識，但要求編號為全網(wǎng)唯一還取決于當初對網(wǎng)絡通信相關(guān)協(xié)議的設計。由于網(wǎng)絡

圖 2.2 (a)區(qū)域覆蓋，(b)點覆蓋，(c)柵欄覆蓋（三）柵欄覆蓋在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)存在可移動的目標，如果該目標以任意軌跡穿越 WSNs 覆蓋的區(qū)域，柵欄覆蓋則關(guān)心網(wǎng)絡能否感應到目標，感應到的概率為多少的問題。實現(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，曲線表示被監(jiān)測目標的行動軌跡，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)點對監(jiān)測區(qū)域進行全覆蓋，這就是最佳覆蓋問題。根據(jù)節(jié)點覆蓋的圓盤模型，即節(jié)點的覆蓋感知為一個圓，則最佳覆蓋問題可抽象為：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圓。最佳覆蓋問題并不是一個全新的問題，在移動通信領(lǐng)域早已存在。蜂窩網(wǎng)絡是一種移動通信的硬件架構(gòu)，因網(wǎng)絡的形狀類似蜂窩而得名。它就是用來解決用最小數(shù)量的節(jié)點來覆蓋最大的區(qū)域面積。各基站的信號覆蓋呈圓形，取圓的內(nèi)接正六邊
【學位授予單位】：南昌大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP212.9;TN929.5

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本文編號：2629623