无线传感器网络节能覆盖

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1、浙江大学博士学位论文无线传感器网络节能覆盖姓名：刘丽萍申请学位级别：博士专业：控制科学与工程指导教师：孙优贤;王智20061001浙江大学博士学位论文摘要无线传感器网络是由大量无处不在的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，是能根据环境自主完成指定任务的智能系统；是随着无线通信和嵌入式计算技术、传感器技术、微机电技术的发展而发展起来的一种新兴信息获取技术，改变了人类与自然界的交互方式；在军事、环境监测、空间探索、反恐防暴、灾难援救、医疗卫生、智能家居等方面显示了潜在的巨大应用价值。网络覆盖是无线传感器网络研究和应用的关键性基础问

2、题，是其他网络研究的基础，直接影响着网络的使用性能。无线传感器网络超大规模，节点自由密集分布、能量受限、通信能力受限、计算和存储能力受限的特点和无人职守、恶劣的应用环境给网络覆盖带来了很大的挑战。本文从自由分布节点覆盖效率最大化、节点协同覆盖、多目标关联覆盖和适应被监测区域物理量分布特性的网络覆盖四个方面研究了无线传感器网络的覆盖问题。论文主要的研究内容和创新点包括以下几个方面。(1)综述了无线传感器网络覆盖现有的研究成果。分析了无线传感器网络覆盖面临的问题，系统的提出了网络覆盖的评价体系，归纳了网络覆盖设计中需要注意的问题，为后面的研究做了准备。(2)针对

3、移动节点自由分布网络覆盖中，覆盖效率低下的问题，研究了理想状态下的覆盖效率最优节点分布问题，推导出同构节点的最优分布；以理论研究结果为指导，考虑无效移动、边界效应和最佳移动距离等因素，改进了虚拟力算法VFA，提出了高能效的虚拟力算法CEVFA。(3)为满足被监测区域多个目标不同覆盖质量的需求，在CEVFA的基础上，提出了特殊区域优先覆盖的目标多重覆盖算法WMCA；该算法在保证区域完整监测的情况下能够满足对特殊关注点的覆盖重数要求，而且能量消耗量少；算法计算量小，适合资源有限的无线传感器网络；是目前为解决区域中特殊目标点多重覆盖而提出的第一个节点覆盖算法。(4

4、)考虑到某些应用中，单个节点难以独立完成对目标对象的覆盖，我们提出了节点协同覆盖的思想；详细推导并分析了协同覆盖概率、节点数目、节点参与协同覆盖的最低覆盖概率之间的关系：分析了协同覆盖算法在不同节点分布情况下的性能；该方法可以有效利用网络资源提高感知质量；在协同覆盖模型的基础上，设计了能量自适应的协同覆盖优化算法cTcO；仿真结果表明，该算法在改善网络覆盖概率的同时，延长了网络的使用寿命。摘要(5)(6)(7)(8)通过分析能量受限节点和障碍造成的节点协同工作瓶颈问题，研究建立了节点能耗与网络覆盖质量之间的关系，节点协同覆盖质量和移动、监测能量消耗的数学优化

5、模型，并且进行了求解和仿真分析，提出了移动节点网络中的协同目标覆盖优化算法CTCOMSN；对静止节点难以完成覆盖任务和被监测区域存在障碍的应用场景进行了算法仿真，结果显示移动节点的协同覆盖优化算法不仅可以提高覆盖效率，而且对于延长网络使用寿命也是很有效的；该算法也可以应用在一般的网络覆盖中。在多目标监测的网络覆盖中，一个目标处于多个传感器节点的感知范围内，而一个传感器节点有时也会同时覆盖多个目标，这样目标与目标之间，节点与节点之问，存在着一定的关联。从这些关联入手，设计了多目标关联覆盖算法MrACA，利用数据挖掘中的关联规则挖掘方法确定目标集合和传感器节点集

6、合，通过节点集合的工作状态转换完成目标的完全覆盖，并且达到延长网络使用寿命的目的；对算法进行了仿真，并与改进的目标覆盖PEAS算法进行了比较；结果表明MTACA算法在目标完全覆盖能力和网络使用寿命上明显优于改进PEAS算法。本章的另外一个重大贡献是首次从目标和节点的关联关系入手研究网络覆盖问题，对以后网络覆盖及其它研究是一个很大的启示。在大规模的环境监测应用中，考虑被监测区域物理量场分布特性和传感器节点的位置关系，将计算流体力学中的嵌套网格技术引入无线传感器网络覆盖的算法设计中，提出适应物理量分布的嵌套网格覆盖方法NGECAt这也是在首次从被监测物理量分布的

7、角度设计网络覆盖方法，对于无线传感器网络其他方面的研究有很大的指导意义；通过仿真研究了空间步长、物理梯度等参数对算法性能的影响；同时设计了二维应用环境中嵌套网格覆盖算法，仿真结果显示NGECA算法可以利用较少的传感器节点提供感知精度很高的被监测对象信息，在节约网络资源的同时，增加了网络的鲁棒性和稳定性。考虑长期监测环境应用中的时间因素，提出适应时间变化的实MNGECA算法，满足应用的实时性要求；仿真结果表明物理量发生变化后，该算法部署的节点能够迅速提供变化区域的详细信息；该算法是一种准三维的节点部署方法，为以后无线传感器网络实时特性需求的应用提供一些参考。关

8、键词：无线传感器网络；覆盖；覆盖质量；虚拟力；协同覆