本文關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡中的柵欄覆蓋研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量計算、通信及存儲能力有限的傳感器節(jié)點組成的特殊Ad hoc網(wǎng)絡，可感知、采集和實時傳遞監(jiān)測對象的各種參數(shù)，在軍事、工業(yè)及民用等領域應用廣泛，是目前一個非�；钴S的研究領域。覆蓋問題是無線傳感器網(wǎng)絡研究中的關鍵問題之一，它反映了傳感器網(wǎng)絡所提供的“感知”服務質(zhì)量，可以使無線傳感器網(wǎng)絡的空間資源得到優(yōu)化分配。論文針對無線傳感器網(wǎng)絡的柵欄覆蓋問題，從監(jiān)控方(傳感器網(wǎng)絡)和反監(jiān)控方(移動目標)兩個角度展開了深入研究。前者是解決無線傳感器網(wǎng)絡如何探測到目標的問題，而后者則關注如何在已有覆蓋的基礎上提高網(wǎng)絡覆蓋性能。本文主要工作包括以下幾個方面： (1)首先，本文從被監(jiān)測的移動目標即反監(jiān)控方的角度出發(fā)，研究了受時間約束的目標如何安全穿越傳感器網(wǎng)絡的問題。當智能目標穿越敵方無線傳感器網(wǎng)絡的穿行時間受限時，現(xiàn)有基于廣度優(yōu)先搜索的穿越算法不能保證路徑滿足約束條件。為此，論文建立了一種穿越模型，并提出一種啟發(fā)式的近似數(shù)值優(yōu)化算法(kSP-LAHTP)。算法利用Voronoi圖將連續(xù)路徑問題域離散化，計算Voronoi邊的兩個衡量指標：暴露度和穿行時間，，結合線性聚合的啟發(fā)式路由機制，使目標實現(xiàn)滿足時間約束值的最佳穿越。分析和試驗結果表明算法解決了目標穿越時間受限情況下的穿越問題，且隨系數(shù)k的增加，算法搜索路徑更接近實際最佳。 (2)研究了軌跡長度受約束的目標穿越問題。在實際應用中，可能由于一些不可抗拒因素的原因(如：能耗)，目標必須兼顧穿行軌跡的長度，過長的軌跡無疑要消耗更多的能源。盡管當目標以勻速運動前進時，路程的消耗可轉換成對時間的消耗，但若目標以變速前進時，路程和目標穿行時間難以進行有效轉換。為此，本文采用網(wǎng)格技術，并結合標簽設定路由機制，提出一種軌跡長度受約束的目標穿越軌跡算法。該算法可使智能目標在起點至終點的軌跡長度不大于約束閾值的前提下實現(xiàn)近似最優(yōu)穿越。分析和試驗結果表明，算法能有效搜索到滿足約束條件的近似最佳軌跡，同時可以通過增加網(wǎng)格階數(shù)來提高軌跡精確度。 (3)研究了基于有向感知模型的弱柵欄覆蓋問題。目前，關于弱柵欄覆蓋控制方面的研究一般是針對滿足全向性感知模型的傳感器網(wǎng)絡展開。然而，傳感器網(wǎng)絡構造柵欄時，僅需用到傳感器節(jié)點的部分感知區(qū)域即扇形區(qū)域，顯然采用全向感知模型將導致節(jié)點能源的浪費。為此，本文采用有向感知模型來展開弱柵欄覆蓋問題的研究，分析了傳感器網(wǎng)絡構造弱柵欄覆蓋的概率以及間隙長度(即覆蓋缺口)小于目標大小的概率，并提出一種弱柵欄覆蓋啟發(fā)式構造算法。該算法通過計算節(jié)點覆蓋區(qū)域在區(qū)域邊界的投影，將弱柵欄覆蓋問題轉化為一維線覆蓋問題，且算法可依據(jù)目標的大小來調(diào)控間隙距離，從而使網(wǎng)絡探測到目標的同時最小化節(jié)點數(shù)。實驗結果表明，采用有向感知模型的方案為構造柵欄所需激活節(jié)點數(shù)少于基于全向感知模型的方案，且構建弱柵欄覆蓋所需節(jié)點數(shù)隨著目標大小的增加而減少。 (4)研究了基于數(shù)據(jù)融合的強柵欄覆蓋問題。對于沿任意路徑穿越帶狀區(qū)域的移動目標，分布于區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡通常構造強柵欄覆蓋以檢測穿越目標，并利用節(jié)點睡眠調(diào)度策略有效緩解節(jié)點能量受限問題。然而，現(xiàn)有研究一般基于圓盤感知模型且未考慮節(jié)點間的協(xié)作，容易導致傳感器節(jié)點的浪費。針對此問題,本文采用概率性感知模型，并利用數(shù)據(jù)融合技術構造虛擬節(jié)點來增加節(jié)點覆蓋區(qū)域。在此基礎上，提出一種柵欄覆蓋控制算法。算法借助分治法構造柵欄，以減少節(jié)點間通信開銷；并調(diào)度傳感器使冗余節(jié)點睡眠，達到減少網(wǎng)絡能耗和延長網(wǎng)絡壽命的目的。實驗結果表明，算法在柵欄數(shù)、網(wǎng)絡壽命等性能上均優(yōu)于基于節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)未融合的柵欄覆蓋控制算法。 (5)最后，研究了基于概率性模型的k-連通柵欄覆蓋問題。覆蓋和連通是傳感器網(wǎng)絡的兩個重要屬性，在網(wǎng)絡設計中扮演著重要角色。然而，目前大部分相關工作僅考慮其中一類問題，而未將覆蓋和連通結合研究分析。而且，研究成果大部分是基于圓盤模型，該模型并不能有效利用節(jié)點的感知和通信能力。為此，本章基于概率性模型分析了柵欄覆蓋與s-t連通之間的關系，并提出一種分布式k-連通柵欄覆蓋維持協(xié)議。該協(xié)議可同時實現(xiàn)柵欄覆蓋和s-t連通，且比其它基于圓盤模型的協(xié)議更適合真實環(huán)境。實驗結果表明，協(xié)議可通過對探測率閾值，誤警率閾值以及包傳遞率閾值的設置來提供質(zhì)量可控的連通柵欄覆蓋和調(diào)節(jié)激活節(jié)點數(shù)。 綜上所述，本文以改善覆蓋能力和提高覆蓋質(zhì)量為目標，分別從反監(jiān)控方和監(jiān)控方兩個角度研究了柵欄覆蓋問題，對于推進無線傳感器網(wǎng)絡柵欄覆蓋控制的研究和實用化具有廣泛的理論意義和應用價值。
【關鍵詞】：無線傳感器網(wǎng)絡 覆蓋控制 柵欄覆蓋 穿越路徑 感知模型 概率性感知模型
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TN929.5;TP212.9
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 插圖索引13-15
• 附表索引15-16
• 第1章 緒論16-32
• 1.1 無線傳感器網(wǎng)絡概述16-19
• 1.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡的概念16-17
• 1.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡的特點17-18
• 1.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡的應用領域18-19
• 1.2 無線傳感器網(wǎng)絡的研究現(xiàn)狀19-20
• 1.3 無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術20-22
• 1.4 研究內(nèi)容及意義22-29
• 1.4.1 覆蓋問題22-25
• 1.4.2 柵欄覆蓋25-26
• 1.4.3 柵欄覆蓋的研究現(xiàn)狀26-29
• 1.4.4 現(xiàn)有工作的不足29
• 1.5 研究工作29-30
• 1.6 論文結構30-32
• 第2章 柵欄覆蓋的相關研究32-41
• 2.1 覆蓋相關知識32-36
• 2.1.1 相關概念32-33
• 2.1.2 感知模型33-36
• 2.2 相關研究成果36-40
• 2.2.1 穿越路徑被探測概率36-38
• 2.2.2 路徑覆蓋概率38
• 2.2.3 強柵欄覆蓋臨界條件38-39
• 2.2.4 構造 k-弱柵欄覆蓋的臨界條件39-40
• 2.3 本章小結40-41
• 第3章 基于線性聚合的啟發(fā)式穿越算法41-54
• 3.1 引言41-42
• 3.2 相關工作42-43
• 3.3 穿越模型43-44
• 3.3.1 傳感器感知模型43
• 3.3.2 感應強度43-44
• 3.3.3 暴露度44
• 3.4 穿越軌跡44-50
• 3.4.1 平面分割44-45
• 3.4.2 生成網(wǎng)絡圖45-46
• 3.4.3 邊的權值及開銷46-47
• 3.4.4 路徑搜索算法47-50
• 3.5 仿真試驗50-53
• 3.6 本章小結53-54
• 第4章 基于網(wǎng)格的穿越軌跡算法研究54-69
• 4.1 引言54-55
• 4.2 系統(tǒng)模型55-56
• 4.2.1 網(wǎng)絡模型55-56
• 4.2.2 暴露度和軌跡長度56
• 4.3 兼顧安全和長度的軌跡56-64
• 4.3.1 網(wǎng)格分割56-57
• 4.3.2 格邊的長和暴露度57-59
• 4.3.3 路徑(軌跡)搜索59-64
• 4.4 仿真試驗64-67
• 4.5 本章小結67-69
• 第5章 有向傳感器網(wǎng)絡中的弱柵欄覆蓋控制研究69-81
• 5.1 引言69-70
• 5.2 相關工作70-72
• 5.3 問題描述72-74
• 5.3.1 有向感知模型72-74
• 5.3.2 網(wǎng)絡模型74
• 5.4 構造弱柵欄覆蓋74-77
• 5.4.1 構造弱柵欄覆蓋概率74-76
• 5.4.2 弱柵欄覆蓋構造算法76-77
• 5.5 性能評估77-79
• 5.6 本章小結79-81
• 第6章 基于數(shù)據(jù)融合的柵欄覆蓋控制研究81-94
• 6.1 引言81-82
• 6.2 相關工作82-83
• 6.3 系統(tǒng)模型83-86
• 6.3.1 能量衰減模型83
• 6.3.2 節(jié)點覆蓋區(qū)域和數(shù)據(jù)融合83-86
• 6.4 柵欄覆蓋控制策略86-90
• 6.4.1 相關定義86
• 6.4.2 基于 2-虛擬節(jié)點的強柵欄覆蓋臨界條件86-88
• 6.4.3 柵欄覆蓋的構造及調(diào)度88-90
• 6.5 性能評估90-93
• 6.6 本章小結93-94
• 第7章 基于概率性模型的 k-連通柵欄覆蓋研究94-111
• 7.1 引言94-95
• 7.2 相關工作95-98
• 7.2.1 連通問題96-97
• 7.2.2 連通覆蓋問題97-98
• 7.3 通信模型98-99
• 7.4 構造 K-連通柵欄覆蓋99-103
• 7.4.1 柵欄覆蓋和 s-t 連通的關系99-100
• 7.4.2 k-連通柵欄覆蓋(k-CBC)100-103
• 7.5 性能評估103-109
• 7.6 本章小結109-111
• 結論111-114
• 參考文獻114-130
• 致謝130-131
• 附錄 A 攻讀學位期間所發(fā)表的學術論文目錄131-132
• 附錄 B 攻讀學位期間參與的科研項目132

【引證文獻】

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 周則順;無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋與連通優(yōu)化算法的研究[D];武漢理工大學;2013年

  本文關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡中的柵欄覆蓋研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：298163