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无线多媒体传感器网络的覆盖控制与目标跟踪问题研究

赵静  
【摘要】:无线通信技术、微电子技术和微机电技术的迅猛发展,催生了无线传感器网络。无线传感器网络包括全向的传感器网络(WSNs其感知范围为一个圆形区域)与无线多媒体(有向的)传感器网络(WMSNs,其感知范围为一个扇形区域)。目前,关于无线传感器覆盖问题的研究很多,但是大多数都集中于全向感知模型的覆盖研究,而且已有的关于无线多媒体传感器网络覆盖的研究虽然考虑了节点的有向性和可转动性,但是在“覆盖”的定义与计算中却仅考虑了节点瞬时感知范围的影响,没有考虑节点的转动对“覆盖”的影响,所以已有的研究成果对于实际的应用具有一定的局限性。总之无线多媒体传感器网络面临着很多新的挑战,迫切需要全新的解决方法,以指导有向感知网络系统的有效实现。 本文基于无线多媒体传感器网络实际应用,考虑传感器的有向性和可转动性,将传感器的转动引入到“覆盖”的定义与计算中,引入“延时”的概念,分别建立延时感知模型与无延时感知模型,并基于无延时、延时感知模型对覆盖控制、覆盖增强、目标跟踪进行系统的、更深入的研究。所进行的主要工作如下: (1)感知模型。本文在多媒体传感器网络覆盖研究中,将传感器的转动引入到“覆盖”的定义与计算中,引入“延时”的概念,将各种应用分为无延时覆盖与延时覆盖,并且根据节点的放置高低,本文将各种应用又分为:节点放置在目标区域内与节点放置点高于目标平面两种情形,最后综合考虑网络的延时性要求和节点的放置位置,分别建立了四种不同的感知模型。 (2)确定性部署控制。研究了节点数量、节点属性(如节点位置、节点感知夹角、瞬时感知方向或者邻居节点间的方向差、节点转速等)对目标区域或者目标点覆盖的影响,从而部署最优个数的节点来满足覆盖要求;并对节点部署方案进行研究,确定节点的放置距离、节点属性对目标区域覆盖的影响。 (3)覆盖增强。在无人值守的环境中,网络节点的能源(电池)无法补充,这样极大地缩短网络的寿命,为了尽可能延长网络寿命,需要大量地部署冗余节点,通过关闭、唤醒冗余节点,来延长网络寿命;在初始部署后,由于节点感知方向的随机性和节点位置的随机性,网络还可以通过控制节点转动到较优的感知方向来提高覆盖比例,所以本文基于四种感知模型设计了相应的覆盖增强算法,既关闭了大量的冗余节点且增加了区域覆盖率。 (4)目标跟踪。当目标穿越网络时,唤醒哪些节点来监测目标且消耗较少的网络资源是一个很重要的问题。本文提出一种同时适合二维与三维目标跟踪的节点凋度算法以实现唤醒尽可能少的传感器来对目标进行完全监测。 (5)路径监测能力分析。针对延时、无延时感知网络,进行了网络监测能力的分析,分析了网络中传感器密度(单位面积内的传感器个数)、目标穿越网络的路径长度、节点感知半径、感知方向以及节点转动速度对路径覆盖的影响,从而在目标穿越网络时可以指导工作人员部署相应的节点来达到预期的路径覆盖率。


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