無線多媒體傳感器網(wǎng)絡覆蓋增強與拓撲控制技術(shù)研究.pdf

1、無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(Wireless Multimedia Sensor Networks，WMSNs)是在無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks，WSNs)的基礎上引入了圖像、聲音、視頻等多媒體信息感知和處理功能的一種新型傳感器網(wǎng)絡。WMSNs繼承了WSNs部署規(guī)模大、節(jié)點資源受限、網(wǎng)絡自組織、拓撲動態(tài)變化、數(shù)據(jù)多跳轉(zhuǎn)發(fā)及應用相關(guān)性強等共同點，但是也同時表現(xiàn)出節(jié)點有向性感知、網(wǎng)絡異構(gòu)性強和感知數(shù)據(jù)量大等顯著

2、特點。
　　覆蓋增強與拓撲控制是以WMSNs為基礎的目標監(jiān)測應用中的關(guān)鍵問題，其以覆蓋性能或網(wǎng)絡壽命作為評價服務質(zhì)量(Quality of Service，QoS)的主要標準，并通過優(yōu)化網(wǎng)絡部署和拓撲結(jié)構(gòu)，提升WMSNs的整體監(jiān)測能力。該問題直接關(guān)系到WMSNs針對特定的監(jiān)測任務能夠提供的有效監(jiān)測質(zhì)量和時間長度。目前，已有的研究成果存在未考慮網(wǎng)絡異構(gòu)性、算法收斂于局部極值和應用場景單一等問題。因而，需要結(jié)合WMSNs的特點和具體的

3、應用場景，設計合理并且高效的覆蓋增強算法與拓撲控制方案。
　　本文圍繞無線多媒體傳感器網(wǎng)絡中的感知模型、覆蓋增強及拓撲控制等關(guān)鍵問題展開深入研究，研究內(nèi)容涵蓋了WMSNs節(jié)點感知模型的特性研究，區(qū)域覆蓋、柵欄覆蓋、交叉覆蓋中的覆蓋增強算法設計，以及拓撲控制中分簇協(xié)議的設計等幾個方面。本論文的主要工作和創(chuàng)新點如下:
　　1、針對WMSNs中二維扇形感知模型覆蓋區(qū)域的相交特性進行了分析研究，提出了利用感知方向的角度差值和節(jié)點間的

4、距離快速計算節(jié)點間共同覆蓋率的擬合公式。采用擬合公式計算共同覆蓋率，能夠在保證一定覆蓋率精度的情況下簡化計算過程，可有效避免傳統(tǒng)基于離散化網(wǎng)格的共同覆蓋率計算方法引起的重復性計算和計算量過大的問題。
　　2、基于針孔照相機三維感知模型及視覺坐標系變換方法，提出了一種可以快速估計節(jié)點間視覺關(guān)聯(lián)度的方法。該方法通過計算采樣點的參考向量在不同相機成像平面中變化的程度，確定節(jié)點間的視覺相關(guān)度。相較于傳統(tǒng)基于共同覆蓋率的節(jié)點關(guān)聯(lián)度評價方法，

5、所提出的方法能夠更為有效地評估感知角度變化引起的視覺關(guān)聯(lián)度差異。
　　3、針對WMSNs區(qū)域覆蓋中目標區(qū)域為帶狀且?guī)в懈采w優(yōu)先級的場景，提出了“有效覆蓋”問題，并針對該問題提出了基于改進虛擬勢場的區(qū)域覆蓋增強算法。針對有效覆蓋問題，算法通過引入虛擬目標引力來提升高優(yōu)先級區(qū)域的覆蓋效果;針對傳統(tǒng)虛擬勢場算法可能出現(xiàn)因局部極值而導致覆蓋增強效果下降的問題，通過在虛擬勢場的斥力函數(shù)中引入共同覆蓋率參數(shù)，引導節(jié)點調(diào)整感知方向，從而降低算法

6、陷入局部極值的概率，實現(xiàn)目標區(qū)域的有效覆蓋。相較于傳統(tǒng)基于虛擬勢場的區(qū)域覆蓋增強算法，所提出的算法能夠有效消除覆蓋重疊區(qū)域和盲區(qū)，提升高優(yōu)先級區(qū)域和整體區(qū)域的覆蓋率，實現(xiàn)高效的區(qū)域覆蓋。
　　4、針對區(qū)域覆蓋增強問題，提出了一種基于改進粒子群優(yōu)化的區(qū)域覆蓋增強算法。為提高網(wǎng)絡覆蓋率，該算法采用帶壓縮因子的粒子群優(yōu)化算法確定傳感器節(jié)點的感知方向，同時引入模擬退火操作，以克服粒子群優(yōu)化后期陷入局部最優(yōu)造成網(wǎng)絡覆蓋率收斂于次優(yōu)值的缺點，

7、顯著提高了區(qū)域覆蓋增強效果。所提出的算法通過采用粒子尋優(yōu)速度控制和概率突跳機制，在保證了尋優(yōu)搜索精度的同時提升了全局搜索能力，因而相較于傳統(tǒng)WMSNs區(qū)域覆蓋增強算法具有更好的覆蓋增強性能。
　　5、針對異構(gòu)WMSNs強柵欄數(shù)目最大化問題，提出了采用有向柵欄擴展圖對節(jié)點感知區(qū)域之間的鄰接關(guān)系和節(jié)點壽命的約束條件進行建模，并基于該擴展圖構(gòu)建了強柵欄數(shù)目最大化問題的整數(shù)線性規(guī)劃表達式;提出了四種啟發(fā)式強柵欄構(gòu)建算法，并通過仿真實驗研究

8、了各算法在不同參數(shù)下的性能表現(xiàn)。仿真結(jié)果表明，采用多輪執(zhí)行策略和最小跳數(shù)路徑選取規(guī)則的改進不相交路徑算法在性能上優(yōu)于其他三種算法，能夠取得較為接近整數(shù)規(guī)劃的最優(yōu)強柵欄數(shù)目。
　　6、針對同構(gòu)WMSNs強柵欄覆蓋中存在橫向穿越安全漏洞的問題，首次提出了“交叉柵欄”概念和交叉柵欄數(shù)目最大化問題，并通過理論分析證明了交叉柵欄數(shù)目最大化問題在計算復雜度方面為NP困難問題;給出了優(yōu)化問題的整數(shù)線性規(guī)劃表達式，并介紹了用以求解該表達式的分支定

9、界算法;提出了一種高效的多輪最短路徑算法(Multi-round Shortest Path Algorithm，MSPA)和若干啟發(fā)式算法，并通過仿真實驗證明了MSPA在實現(xiàn)交叉柵欄覆蓋上的有效性。
　　7、針對異構(gòu)WMSNs提出了一種基于“雙階段簇頭選舉”(Double-phase Cluster-head Election，DCE)機制的分布式高能效分簇協(xié)議。DCE分簇協(xié)議將簇頭選舉過程細分為兩個階段:在第一階段中，網(wǎng)絡中的