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无线传感器网络中协作的能量高效的目标跟踪协议研究

Zakirul Alam Bhuiyan(阿拉姆)  
【摘要】: 随着无线传感器网络技术的飞速发展,在变化的环境中利用传感器对目标进行跟踪、分析变得更加可行。目标跟踪是无线传感器网络中的一个具有挑战性的应用,在此过程中计算量大、能量有限、实时性要求强。网络生命期的长短在很大程度上取决于降低发射功率、发送消息数目、发现邻居的时间,以及一定时间内选择的参与跟踪的传感器节点的数目。对于上述问题,国内外已有很多文献进行了研究。本论文提出了一种协作的能量高效的目标跟踪协议(Cooperative and energy-efficient target tracking protocol in wireless sensornetworks,CET),通过减少感应和通信能量来达到节省网络中目标跟踪能量消耗的目的。 跟踪目标的对象称为跟踪者,如走动的人等。目标可能是任何移动对象如敌方车辆、入侵者或运动中的消防战士。网络中的每个节点都能进行监测、通讯、计算,其中一个处于活跃状态和工作状态的节点被当作信标节点负责监测,另外一个处于同样状态的节点作为该节点的备份以提高系统的容错性。一旦信标节点因为某些问题而发生错误,备份节点将承担监测的任务,监测将会根据跟踪者的要求而工作。每个传感器节点都具有计算能力,当任务完成后,信标节点转换为非活动状态。为了进行节点的状态转换,本论文设计了一个专门的节点唤醒机制,通过使用这种机制,信标节点相继处于活动状态,而其它节点则周期性地处于睡眠和唤醒状态,以充分利用网络的节能特征,达到很好的节能效果。 本论文的研究基于邻居合作的面感知路由,并且假设网络模型是圆盘模型,所有节点都部署在二维平面上。面感知路由是由相邻图(RNG)和Gabriel图(GG)来描述的,而相邻图和Gabriel图都是平面G上的有限点集。目标跟踪过程可以分为5个步骤:即网络初始化、目标监测、跟踪者移动判断、定位和目标移动方向估计,以及信标及备用信标节点选举。 本论文主要研究如何缩短节点捕获目标的时间,防止由于节点错误、路由失败、跟踪失败而导致的目标跟踪丢失。在实际的无线传感器网络中,节点错误、链接错误是经常发生的。本论文提出了一种合作的、能量高效的目标跟踪协议(CET),该协议利用节点之间相互合作来避免不可预见的错误。特别地,如果有目标在跟踪过程中丢失或发生错误,允许靠近信标节点的同一个面内的邻居节点进行监测。即使在这种状态下,如果没有监测到目标,面内所有的邻居节点都会对目标进行重新定位。如果目标还没有监测到,附近面内的所有邻居节点都会对目标进行重新定位。如果监测都失败,则算法会重新初始化。 CET协议使用一种基于预测的能量高效方法来估计目标的位置和方向,利用二维高斯分布来预测目标的下一个位置。一旦获得目标的下一个位置,就重新选出一个新的信标和备份信标节点。在CET协议中,假设网络中每个节点都能够局部地估计节点感应、数据处理、与邻居节点通信所消耗的能量。 本论文利用OMNET++平台进行模拟实验,开展了广泛的模拟实验和深入研究,并进行了必要的实验数据收集。实验主要依据以下四个指标来评估所提出的协议:丢失率;首次捕获时间;预测误差;平均能量消耗;数据包开销。性能分析和模拟实验表明,CET协议性能明显优于另外两个现有的目标跟踪协议。本协议中,因为跟踪者不需要经常使用泛洪,并且也不需要调整面感知跟踪方向,所以跟踪者能够相对比较快地捕获到目标。本协议通过简化传感器节点的计算,减少传感器节点与跟踪者之间的数据传输量,从而在很大程度上减少了能量消耗。此外,当目标移动速度增大时,与另外两个跟踪协议相比,本协议需要发送的数据包的数量增长趋势更平缓。


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