無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制優(yōu)化算法研究

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1、分類號UDCTP393博士學(xué)位論文密級無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制優(yōu)化算法研究OptimizationAlgorithmsofCoverageControlforWirelessSensorNetworks作者姓名：邢蕭飛學(xué)科專業(yè)：計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(系、所)：信息科學(xué)與工程學(xué)院指導(dǎo)教師：王國軍教授副指導(dǎo)教師：李頡教授論文答辯日期壘型蘭：!坌·f答辯委員會主席立生：!蘭盤中南大學(xué)2012年12月原創(chuàng)性聲明本人聲明，所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了論文中特別加以標(biāo)注和致

2、謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得中南大學(xué)或其他單位的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我共同工作的同志對本研究所作的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明。作者簽名：學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本人了解中南大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留學(xué)位論文并根據(jù)國家或湖南省有關(guān)部門規(guī)定送交學(xué)位論文，允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用復(fù)印、縮印或其它手段保存學(xué)位論文。同時授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文收錄到《中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫》，并通過

3、網(wǎng)絡(luò)向社會公眾提供信息服務(wù)。作者簽名：師簽名碰日期：迎年壘月魚日摘要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種集信息感知、采集、處理和傳輸為一體的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它將邏輯上的信息世界和客觀上的物理世界聯(lián)系在一起，正深刻地改變著人與自然的交互方式，因而被廣泛地應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和搶險救災(zāi)等領(lǐng)域。覆蓋控制是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所提供服務(wù)質(zhì)量的基本問題之一，其目的是利用部署的傳感器節(jié)點(diǎn)來感知目標(biāo)區(qū)域或目標(biāo)對象，并達(dá)到所獲取信息的有效性和完整性。覆蓋控制決定了傳感器網(wǎng)絡(luò)對物理世界的感知能力，是推動傳感器網(wǎng)絡(luò)從理論走向應(yīng)用的必經(jīng)之路。本文研究的

4、目的是針對以隨機(jī)方式部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計具有節(jié)能特征的網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化算法和協(xié)議。主要是從覆蓋率控制模型、多屬性目標(biāo)覆蓋、網(wǎng)絡(luò)多重覆蓋以及移動目標(biāo)的動態(tài)覆蓋等方面展開研究，遵循提高網(wǎng)絡(luò)的能量利用效率的設(shè)計準(zhǔn)則，以達(dá)到實現(xiàn)一個能量高效的網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制優(yōu)化方案目的。本文的主要工作包括以下四個方面：(1)針對隨機(jī)分布的網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制問題研究，提出了基于概率的網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制模型PCCM。考慮到網(wǎng)絡(luò)邊界效應(yīng)影響，模型首先計算傳感器節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部及其邊界兩種情況下覆蓋面積的期望值，進(jìn)而得到節(jié)點(diǎn)總覆蓋面積的期望值；根據(jù)用戶對覆蓋

5、率的要求，依據(jù)條件概率分布函數(shù)計算得到所需要部署節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。模型反映了網(wǎng)絡(luò)覆蓋率與部署節(jié)點(diǎn)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)感知半徑與監(jiān)測區(qū)域面積之間的函數(shù)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)隨機(jī)圖理論推導(dǎo)得到網(wǎng)絡(luò)連通性的概率模型。PCCM模型可以指導(dǎo)用戶對網(wǎng)絡(luò)覆蓋率及連通率等網(wǎng)絡(luò)屬性的控制。(2)針對異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的多屬性目標(biāo)覆蓋研究，利用線性規(guī)劃工具將其建模為最優(yōu)值覆蓋集求解問題，提出了一種基于分簇結(jié)構(gòu)的目標(biāo)覆蓋算法CTCA。其核心思想是依據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量的多少及感應(yīng)能力的高低，在每個簇結(jié)構(gòu)內(nèi)求解局部最優(yōu)覆蓋集，然后在此基礎(chǔ)上得到接近于最優(yōu)解的

6、全局覆蓋集，最后調(diào)度節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的感應(yīng)模塊去覆蓋其感知范圍內(nèi)同屬性的目標(biāo)。實驗結(jié)果表明所提出的算法能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量利用效率，延長網(wǎng)絡(luò)生存期。(3)針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多重覆蓋算法研究，借助于勒洛三角形的幾何特征提出判斷區(qū)域覆蓋度的定理，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計了一個基于勒洛三角形的多重覆蓋算法RTC。算法的核心思想是利用節(jié)點(diǎn)局部位置信息，通過在節(jié)點(diǎn)感應(yīng)圓周上構(gòu)造勒洛三角形和所提出的覆蓋定理來判斷網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的剩余能量的高低進(jìn)行節(jié)點(diǎn)狀態(tài)調(diào)度。實驗數(shù)據(jù)分析表明RTC算法在確保網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量的條件下能夠有效

7、減少網(wǎng)絡(luò)中冗余節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，從而提高網(wǎng)絡(luò)能量利用效率。(4)針對移動目標(biāo)的實時監(jiān)測協(xié)議研究，提出了一個自適應(yīng)移動目標(biāo)動態(tài)覆蓋協(xié)議。協(xié)議的主要思想是首先對移動目標(biāo)周圍的節(jié)點(diǎn)，利用競爭機(jī)制構(gòu)造出一個動態(tài)覆蓋組對目標(biāo)定位與實時監(jiān)測；然后利用所提出的目標(biāo)移動位置預(yù)測模型及節(jié)點(diǎn)狀態(tài)調(diào)度策略來更新該動態(tài)覆蓋組，這樣可以有效提高節(jié)點(diǎn)對目標(biāo)實時監(jiān)測的時效性和能量利用效率。最后，借助于節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)數(shù)據(jù)報告頻率自調(diào)整機(jī)制而實現(xiàn)降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通信量的目的。實驗數(shù)據(jù)分析表明所提出的協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)能量利用效率、目標(biāo)定位精度等方面具有很好的性能

8、表現(xiàn)。綜上所述，本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)覆蓋控制問題提出了相應(yīng)的解決方案，對于推動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和實用化具有一定的理論意義和應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，覆蓋優(yōu)化，移動目標(biāo)覆蓋，覆蓋集，覆蓋度評估，網(wǎng)絡(luò)生命期IIABSTRACTWirelesssensornetwork(WSN)，asanintegratednetworkwhichcanperforminformatio