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无线传感器网络的主要任务是完成目标监测和信息获取,而监测区域被传感器网络完全覆盖是完成这项任务的必要条件之一。因此,覆盖控制是无线传感器网络的核心问题之一。覆盖控制不仅能够保证无线传感器网络正常工作,而且在很大程度上影响着整个网络的能耗、生存时间和服务质量等重要参数。因此,对无线传感器网络覆盖问题的研究是十分有意义的。
本文研究了无线传感器网络及其特点、基础理论和研究现状。在此研究的基础上重点研究无线传感器网络的覆盖控制算法,针对高密度随机分布的固定传感器网络和包含少量移动节点的混合传感器网络中存在的覆盖问题,分别提出相应的覆盖控制算法。本文的主要工作如下:
(1)针对固定传感器网络高密度随机部署所引起的覆盖区域重叠、网络能耗过大和通信冲突等问题,在选取最优覆盖节点集的基础上,同时考虑覆盖区域能量均衡问题,提出了以覆盖率、工作节点数和网络能量均衡为优化目标的多目标优化问题。针对多目标遗传算法在求解多目标问题时存在局部优化的问题,引入自适应调整交叉和变异系数的方式,对多目标遗传算法进行改进。然后利用改进的多目标遗传算法对上述多目标问题进行求解,得到最优的覆盖网络。仿真结果表明,该覆盖控制策略能够达到较高覆盖率,同时能够有效降低能耗并保证网络能量均衡,从而保持网络稳定运行和延长网络的生存周期。
(2)研究了包含少量移动节点的混合传感器网络分布不均匀导致的覆盖空洞问题。首先,针对Voronoi图算法不能准确地检测在阴影效应感知模型下的覆盖空洞问题,本文将Voronoi图和圆周覆盖算法相结合,提出一种基于Voronoi图和圆周覆盖(PCA)的覆盖空洞检测算法VPCA;其次,针对移动节点在修复覆盖空洞时存在移动路径呈折线形式,甚至出现往返的问题,本文在最小开销匹配算法的基础上,引入虚拟移动的概念,提出一种以最大化全部移动节点剩余能量为目标的基于节点虚拟移动的覆盖空洞修复算法。仿真结果表明,该算法能够提高网络的覆盖率,同时节省移动节点的能量,有效地延长网络的生存时间。
本文研究了无线传感器网络及其特点、基础理论和研究现状。在此研究的基础上重点研究无线传感器网络的覆盖控制算法,针对高密度随机分布的固定传感器网络和包含少量移动节点的混合传感器网络中存在的覆盖问题,分别提出相应的覆盖控制算法。本文的主要工作如下:
(1)针对固定传感器网络高密度随机部署所引起的覆盖区域重叠、网络能耗过大和通信冲突等问题,在选取最优覆盖节点集的基础上,同时考虑覆盖区域能量均衡问题,提出了以覆盖率、工作节点数和网络能量均衡为优化目标的多目标优化问题。针对多目标遗传算法在求解多目标问题时存在局部优化的问题,引入自适应调整交叉和变异系数的方式,对多目标遗传算法进行改进。然后利用改进的多目标遗传算法对上述多目标问题进行求解,得到最优的覆盖网络。仿真结果表明,该覆盖控制策略能够达到较高覆盖率,同时能够有效降低能耗并保证网络能量均衡,从而保持网络稳定运行和延长网络的生存周期。
(2)研究了包含少量移动节点的混合传感器网络分布不均匀导致的覆盖空洞问题。首先,针对Voronoi图算法不能准确地检测在阴影效应感知模型下的覆盖空洞问题,本文将Voronoi图和圆周覆盖算法相结合,提出一种基于Voronoi图和圆周覆盖(PCA)的覆盖空洞检测算法VPCA;其次,针对移动节点在修复覆盖空洞时存在移动路径呈折线形式,甚至出现往返的问题,本文在最小开销匹配算法的基础上,引入虚拟移动的概念,提出一种以最大化全部移动节点剩余能量为目标的基于节点虚拟移动的覆盖空洞修复算法。仿真结果表明,该算法能够提高网络的覆盖率,同时节省移动节点的能量,有效地延长网络的生存时间。