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无线多媒体传感器网络覆盖增强与拓扑控制技术研究

韩睿松  
【摘要】:无线多媒体传感器网络(Wireless Multimedia Sensor Networks,WMSNs)是在无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)的基础上引入了图像、声音、视频等多媒体信息感知和处理功能的一种新型传感器网络。WMSNs继承了 WSNs部署规模大、节点资源受限、网络自组织、拓扑动态变化、数据多跳转发及应用相关性强等共同点,但是也同时表现出节点有向性感知、网络异构性强和感知数据量大等显著特点。覆盖增强与拓扑控制是以WMSNs为基础的目标监测应用中的关键问题,其以覆盖性能或网络寿命作为评价服务质量(Quality of Service,QoS)的主要标准,并通过优化网络部署和拓扑结构,提升WMSNs的整体监测能力。该问题直接关系到WMSNs针对特定的监测任务能够提供的有效监测质量和时间长度。目前,已有的研究成果存在未考虑网络异构性、算法收敛于局部极值和应用场景单一等问题。因而,需要结合WMSNs的特点和具体的应用场景,设计合理并且高效的覆盖增强算法与拓扑控制方案。本文围绕无线多媒体传感器网络中的感知模型、覆盖增强及拓扑控制等关键问题展开深入研究,研究内容涵盖了 WMSNs节点感知模型的特性研究,区域覆盖、栅栏覆盖、交叉覆盖中的覆盖增强算法设计,以及拓扑控制中分簇协议的设计等几个方面。本论文的主要工作和创新点如下:1、针对WMSNs中二维扇形感知模型覆盖区域的相交特性进行了分析研究,提出了利用感知方向的角度差值和节点间的距离快速计算节点间共同覆盖率的拟合公式。采用拟合公式计算共同覆盖率,能够在保证一定覆盖率精度的情况下简化计算过程,可有效避免传统基于离散化网格的共同覆盖率计算方法引起的重复性计算和计算量过大的问题。2、基于针孔照相机三维感知模型及视觉坐标系变换方法,提出了一种可以快速估计节点间视觉关联度的方法。该方法通过计算采样点的参考向量在不同相机成像平面中变化的程度,确定节点间的视觉相关度。相较于传统基于共同覆盖率的节点关联度评价方法,所提出的方法能够更为有效地评估感知角度变化引起的视觉关联度差异。3、针对WMSNs区域覆盖中目标区域为带状且带有覆盖优先级的场景,提出了“有效覆盖”问题,并针对该问题提出了基于改进虚拟势场的区域覆盖增强算法。针对有效覆盖问题,算法通过引入虚拟目标引力来提升高优先级区域的覆盖效果;针对传统虚拟势场算法可能出现因局部极值而导致覆盖增强效果下降的问题,通过在虚拟势场的斥力函数中引入共同覆盖率参数,引导节点调整感知方向,从而降低算法陷入局部极值的概率,实现目标区域的有效覆盖。相较于传统基于虚拟势场的区域覆盖增强算法,所提出的算法能够有效消除覆盖重叠区域和盲区,提升高优先级区域和整体区域的覆盖率,实现高效的区域覆盖。4、针对区域覆盖增强问题,提出了一种基于改进粒子群优化的区域覆盖增强算法。为提高网络覆盖率,该算法采用带压缩因子的粒子群优化算法确定传感器节点的感知方向,同时引入模拟退火操作,以克服粒子群优化后期陷入局部最优造成网络覆盖率收敛于次优值的缺点,显著提高了区域覆盖增强效果。所提出的算法通过采用粒子寻优速度控制和概率突跳机制,在保证了寻优搜索精度的同时提升了全局搜索能力,因而相较于传统WMSNs区域覆盖增强算法具有更好的覆盖增强性能。5、针对异构WMSNs强栅栏数目最大化问题,提出了采用有向栅栏扩展图对节点感知区域之间的邻接关系和节点寿命的约束条件进行建模,并基于该扩展图构建了强栅栏数目最大化问题的整数线性规划表达式;提出了四种启发式强栅栏构建算法,并通过仿真实验研究了各算法在不同参数下的性能表现。仿真结果表明,采用多轮执行策略和最小跳数路径选取规则的改进不相交路径算法在性能上优于其他三种算法,能够取得较为接近整数规划的最优强栅栏数目。6、针对同构WMSNs强栅栏覆盖中存在横向穿越安全漏洞的问题,首次提出了“交叉栅栏”概念和交叉栅栏数目最大化问题,并通过理论分析证明了交叉栅栏数目最大化问题在计算复杂度方面为NP困难问题;给出了优化问题的整数线性规划表达式,并介绍了用以求解该表达式的分支定界算法;提出了一种高效的多轮最短路径算法(Multi-round Shortest Path Algorithm,MSPA)和若干启发式算法,并通过仿真实验证明了 MSPA在实现交叉栅栏覆盖上的有效性。7、针对异构WMSNs提出了一种基于“双阶段簇头选举”(Double-phase Cluster-head Election,DCE)机制的分布式高能效分簇协议。DCE分簇协议将簇头选举过程细分为两个阶段:在第一阶段中,网络中的节点根据初始和剩余能量的相对水平计算竞选概率,并依据竞选概率选出临时簇头节点;第二阶段中,临时簇头节点被随机选出的并且剩余能量更高的簇内节点替换,形成最终的簇头集合。所提出的分簇协议通过设计竞选概率函数和引入簇头替换阶段,避免低能量节点当选为簇头节点,从而使得WMSNs能够实现更为均衡的能耗负载。仿真结果表明,相较于几种典型的分簇协议,DCE协议能够有效地延长网络稳定期。


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