基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有效的目標(biāo)探測、定位與跟蹤技術(shù)研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由密集部署在監(jiān)視區(qū)域內(nèi)大量廉價微型的傳感器節(jié)點通過無線通信方式自組織構(gòu)成的多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具備有限的電量、感知能力、計算能力和通信能力。作為一種新興的信息獲取技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍用和民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，其中許多應(yīng)用可以抽象成目標(biāo)探測、定位或跟蹤等問題。由于傳感器節(jié)點的電池能量有限且在通常情況下不可充電或更換，高效使用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電池電量以延長整體網(wǎng)絡(luò)的生存時間成為傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要考慮。

2、本論文研究能量有效的目標(biāo)探測、定位與跟蹤技術(shù)。首先研究了基于合理設(shè)定探測參數(shù)的能量有效的目標(biāo)探測技術(shù)，然后研究了基于降低計算量、通信量以及參與節(jié)點數(shù)目的能量有效的目標(biāo)定位技術(shù)，最后研究了基于動態(tài)簇的目標(biāo)跟蹤技術(shù)和基于跟蹤鏈的目標(biāo)查詢技術(shù)。主要工作歸納如下： 1.能量有效的目標(biāo)探測技術(shù)研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化探測能耗的主要方式是調(diào)度網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作狀態(tài)或者探測參數(shù)。本論文研究了如何合理設(shè)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的探測參數(shù)－探測間隔和探測距離，使得傳

3、感器網(wǎng)絡(luò)在滿足一定目標(biāo)探測質(zhì)量的基礎(chǔ)上，消耗最少的能量。 在設(shè)定探測間隔時，選用目標(biāo)最小路徑暴露作為網(wǎng)絡(luò)探測質(zhì)量的衡量指標(biāo)，將能量有效的探測間隔的設(shè)定問題轉(zhuǎn)化成帶約束條件的優(yōu)化問題－最小化網(wǎng)絡(luò)能量消耗，同時滿足目標(biāo)最小路徑暴露的要求。然后，給出了優(yōu)化模型的求解方法，其中著重研究了目標(biāo)最小路徑暴露的改進的求解方法。最后，仿真分析了影響探測間隔設(shè)定的各種因素。 在設(shè)定探測距離時，選用目標(biāo)區(qū)域覆蓋重數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)探測質(zhì)量的衡量指標(biāo)

4、，將能量有效的探測距離的設(shè)定問題轉(zhuǎn)化成帶約束條件的優(yōu)化問題－最小化網(wǎng)絡(luò)能量消耗，同時滿足目標(biāo)區(qū)域覆蓋重數(shù)的要求。然后，給出了優(yōu)化模型的最優(yōu)和次優(yōu)求解方法，其中著重研究了目標(biāo)區(qū)域覆蓋重數(shù)的改進的求解方法。最后，仿真驗證了本文方法的能量有效性。 2.能量有效的目標(biāo)定位技術(shù)研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位目標(biāo)時的能量消耗分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等幾個方面。本論文針對三種傳統(tǒng)的目標(biāo)定位算法，在不影響定位精度的前提下，研究了降低目標(biāo)估計的計

5、算量、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信量以及參與目標(biāo)定位的節(jié)點數(shù)目的方法。 傳統(tǒng)基于目標(biāo)能量測量的定位算法是根據(jù)目標(biāo)所在的球面或平面，利用最小二乘方法確定目標(biāo)的位置。本論文根據(jù)測量噪聲為目標(biāo)球面或平面附上合理的權(quán)值，推出了目標(biāo)位置估計的加權(quán)最小二乘求解算法。該算法可以根據(jù)權(quán)值選擇少部分重要的目標(biāo)球面或平面參與目標(biāo)位置估計，從而在不影響定位精度的前提下，有效降低了目標(biāo)定位的計算量。 針對傳統(tǒng)基于目標(biāo)角度測量的定位算法，提出了節(jié)點坐標(biāo)存在誤差

6、情況下的節(jié)點選擇方案。該方案根據(jù)目標(biāo)預(yù)測位置預(yù)測目標(biāo)定位誤差，并以此作為優(yōu)化指標(biāo)選擇參與目標(biāo)定位的節(jié)點組合，在不影響定位精度的前提下，減少了參與定位的節(jié)點數(shù)目。作為延伸工作，提出了基于目標(biāo)定位的節(jié)點坐標(biāo)校正算法。 質(zhì)心定位算法的本質(zhì)是均值計算問題。本論文針對質(zhì)心定位算法，提出了基于脈沖耦合振蕩器模型的分布式均值計算的實現(xiàn)方案。該方案中，傳感器節(jié)點按照脈沖耦合振蕩器模型運行，節(jié)點坐標(biāo)數(shù)據(jù)調(diào)制在振蕩器的脈沖信號發(fā)射時間上，鄰居節(jié)點通

7、過脈沖耦合實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和本地運算。由于節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)寄托于可由1比特0-1碼表示的脈沖信號，該方案的通信量大大低于傳統(tǒng)基于數(shù)據(jù)包通信的實現(xiàn)方案。 3.能量有效的目標(biāo)跟蹤技術(shù)研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤時，重點在于如何組建合理的目標(biāo)跟蹤結(jié)構(gòu)，完成目標(biāo)跟蹤的同時，盡量降低能量消耗以延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。從該角度出發(fā)，本論文研究了基于動態(tài)簇的目標(biāo)跟蹤結(jié)構(gòu)和基于跟蹤鏈的目標(biāo)查詢結(jié)構(gòu)。 首先，研究了基于動態(tài)簇的目標(biāo)跟蹤方法。在動態(tài)

8、簇組建方面，提出了綜合考慮節(jié)點感應(yīng)信息和節(jié)點電量的簇頭競選方案；在目標(biāo)狀態(tài)估計方面，提出了基于最近點事件的新型估計算法。結(jié)合這兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，給出了基于動態(tài)簇的目標(biāo)跟蹤過程。仿真結(jié)果表明該跟蹤方法具有失效概率低、網(wǎng)絡(luò)壽命長和跟蹤精度高等優(yōu)點。 然后，研究了基于跟蹤鏈的目標(biāo)查詢方法。首次提出了目標(biāo)跟蹤鏈的概念；給出了目標(biāo)跟蹤鏈的構(gòu)建方法和基于跟蹤鏈的目標(biāo)查詢過程；理論分析了基于跟蹤鏈的目標(biāo)查詢的能量消耗。仿真結(jié)果表明該查詢方法在目標(biāo)