收發(fā)分置雷達傳感器網(wǎng)絡(luò)中柵欄覆蓋問題研究.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)覆蓋是衡量一個傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的一個重要指標。作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個基本問題，覆蓋問題一直是眾多學(xué)者研究的熱點。依據(jù)覆蓋對象的不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中覆蓋問題可分為點覆蓋、區(qū)域覆蓋和柵欄覆蓋。其中，柵欄覆蓋是指部署在區(qū)域內(nèi)的傳感器可以監(jiān)測到所有穿越該區(qū)域的動態(tài)入侵，它在國土安全和關(guān)鍵區(qū)域監(jiān)控等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。
　　解決各類覆蓋問題的首要問題是先確定傳感器節(jié)點的覆蓋模型。節(jié)點覆蓋模型是通過空間點與傳感器節(jié)點部署位置之間的

2、關(guān)系來衡量一個傳感器節(jié)點的感知能力。傳感器的覆蓋模型主要取決于傳感器的類型。當前柵欄覆蓋算法研究大多基于由被動傳感器構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而這些被動傳感器大部分都是基于二進制圓盤覆蓋模型或是扇形覆蓋模型，即傳感器節(jié)點的覆蓋區(qū)域是一個以傳感器位置為圓心的圓盤區(qū)域或是扇形區(qū)域。像收發(fā)分置雷達傳感器這樣的主動傳感器在物體探測性能上要優(yōu)于普通的被動傳感器，并且隨著雷達技術(shù)的不斷成熟，其在目標探測上的優(yōu)勢越來越明顯。然而由于收發(fā)分置雷達的覆蓋模型

3、和傳統(tǒng)被動傳感器覆蓋模型完全不同，已有的基于被動傳感器的柵欄覆蓋算法并不適用于由收發(fā)分置雷達構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。
　　針對基于卡西尼曲線覆蓋模型的收發(fā)分置雷達傳感器網(wǎng)絡(luò)，本文重點研究收發(fā)分置雷達傳感器網(wǎng)絡(luò)中的柵欄覆蓋問題。主要內(nèi)容包括：
　　本文首先研究滿足圓周柵欄覆蓋的節(jié)點部署問題。在各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景中，圓周柵欄覆蓋具有非常廣泛的應(yīng)用。為了實現(xiàn)圓周柵欄覆蓋，需要將傳感器部署在包圍整個關(guān)鍵區(qū)域的曲線上，用于監(jiān)控進出關(guān)鍵區(qū)

4、域的所有入侵者?；谑瞻l(fā)分置雷達傳感器網(wǎng)絡(luò)，本文研究如何用收發(fā)分置雷達傳感器創(chuàng)建圓周柵欄覆蓋問題。首先研究了傳感器節(jié)點最佳部署問題：當所有的節(jié)點都可以確定地部署在圓周曲線的情況，設(shè)計了一種算法用于確定網(wǎng)絡(luò)中需要的發(fā)射器和接收器的數(shù)目以及這些節(jié)點在圓周曲線上的最優(yōu)部署位置，使得在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求的同時，網(wǎng)絡(luò)的總部署費用最小。其次研究了如何用移動的收發(fā)分置雷達創(chuàng)建圓周柵欄覆蓋問題。該問題的解決方案包含兩個步驟：第一步提出了兩種算法用于確定移

5、動節(jié)點在圓周曲線上的目標位置；第二步通過構(gòu)建二分圖的方法來描述移動節(jié)點初始位置和目標位置之間的關(guān)系，并通過求解二分圖最優(yōu)匹配和最大流的方法來移動傳感器節(jié)點，使得節(jié)點在移動過程中總移動距離最小，或是最大移動距離最小，以節(jié)約傳感器節(jié)點的能源。提出算法的有效性還通過仿真實驗結(jié)果驗證。
　　其次研究了滿足帶狀區(qū)域柵欄覆蓋的最優(yōu)節(jié)點部署問題。為了提高柵欄覆蓋中的入侵檢測概率，本文研究如何部署收發(fā)分置雷達用于創(chuàng)建柵欄寬度不小于給定閾值的帶狀柵

6、欄覆蓋，并提出了基于等分直線的部署策略來解決這個問題，即將傳感器節(jié)點部署在平行于被保護區(qū)域長邊的多條直線上。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的要求，提出了一種算法確定整個網(wǎng)絡(luò)中需要的節(jié)點部署直線條數(shù)、每條部署線上發(fā)射器和接收器的數(shù)目以及這些節(jié)點在每條部署直線上的最優(yōu)部署策略，使得網(wǎng)絡(luò)在滿足覆蓋要求的同時，節(jié)點部署總費用最小。仿真結(jié)果表明，提出的算法能根據(jù)單個發(fā)射器和接收器費用的不同確定網(wǎng)絡(luò)中發(fā)射器和接收器的數(shù)目，并降低網(wǎng)絡(luò)的總部署費用。
　　最后研究

7、了滿足柵欄覆蓋的隨機部署網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點調(diào)度問題。針對隨機部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在較多冗余節(jié)點的特點，本文設(shè)計了兩種方案利用隨機部署網(wǎng)絡(luò)中的冗余節(jié)點來延長網(wǎng)絡(luò)覆蓋壽命，即節(jié)點相交柵欄解決方案和節(jié)點不相交柵欄解決方案。其中在節(jié)點相交解決方案中考慮了由傳感器先關(guān)后開過程導(dǎo)致的能源損耗。本文首先構(gòu)建一個柵欄覆蓋圖用于描述網(wǎng)絡(luò)中不同收發(fā)分置雷達傳感器覆蓋區(qū)域之間的關(guān)系。基于柵欄覆蓋圖，在節(jié)點相交柵欄解決方案中設(shè)計了一種算法用于尋找網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點相交

8、柵欄，接著用線性規(guī)劃的方法確定每條柵欄的運行時間，使得網(wǎng)絡(luò)柵欄覆蓋壽命最大。而在節(jié)點不相交柵欄解決方案中提出了一種算法從節(jié)點相交柵欄集合中找出節(jié)點不相交柵欄，使得找出的不相交柵欄總壽命最長。為了滿足大型網(wǎng)絡(luò)的需要，文中還針對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)提出了兩種啟發(fā)式算法：貪婪算法和隨機算法，算法的核心思想是一次只找出一條柵欄并將該柵欄激活一定時間，以實現(xiàn)最大化網(wǎng)絡(luò)柵欄覆蓋壽命。仿真結(jié)果表明提出的算法能有效地提高柵欄覆蓋壽命，并且線性規(guī)劃方法要優(yōu)于啟發(fā)式