面向水環(huán)境監(jiān)測的傳感網(wǎng)覆蓋算法研究.pdf

1、水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡由包含有多種水環(huán)境監(jiān)測傳感器的節(jié)點組成，可應用在海洋探測，水污染監(jiān)測，沿海開發(fā)，災難預警，導航定位及軍事監(jiān)控等方面。網(wǎng)絡覆蓋是無線傳感器網(wǎng)絡的基本問題之一，它反映了網(wǎng)絡節(jié)點對無線傳感器網(wǎng)絡部署區(qū)域的監(jiān)控程度，將在很大程度上影響網(wǎng)絡的成本及性能。本文以湖泊、河流等水體的環(huán)境監(jiān)測為背景，構(gòu)建了水下傳感器網(wǎng)絡實驗環(huán)境，重點研究水下傳感器網(wǎng)絡的覆蓋問題。論文針對面向水環(huán)境監(jiān)測的傳感網(wǎng)特點設計了水面二維覆蓋算法，水下三維覆蓋算法及節(jié)

2、點的定位算法，通過仿真驗證算法的有效性和可行性。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對水下傳感器隨機部署時網(wǎng)絡覆蓋率較低的問題，以提高網(wǎng)絡覆蓋率為研究目標，設計出適用于定向移動傳感網(wǎng)模型的覆蓋算法。算法的核心內(nèi)容為定義節(jié)點相對鄰居節(jié)點和相對區(qū)域邊界的理想位置及節(jié)點到達理想位置的虛擬距離，根據(jù)節(jié)點間的位置關(guān)系，依次計算網(wǎng)絡中節(jié)點相對所有鄰居節(jié)點及邊界的虛擬距離，并且將節(jié)點相對鄰居節(jié)點和邊界的虛擬距離加權(quán)求和作為節(jié)點實際移動的距離，對全網(wǎng)中

3、節(jié)點的位置進行微調(diào)。算法多次迭代運行直至網(wǎng)絡中節(jié)點位置達到穩(wěn)定。⑵以水下三維傳感器網(wǎng)絡為研究對象，以提高水下三維傳感網(wǎng)覆蓋為目標，結(jié)合采樣統(tǒng)計學思想和最優(yōu)化算法，提出一種基于采樣的水下三維覆蓋優(yōu)化算法。具體策略為，首先對三維水下無線傳感器節(jié)點的部署區(qū)域進行平面采樣，采樣平面與節(jié)點的感知圓球相交在平面上形成半徑不等的感知圓，將三維空間覆蓋問題轉(zhuǎn)化為異構(gòu)網(wǎng)的平面覆蓋問題;然后對平面進行直線采樣，將平面覆蓋優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為直線段的覆蓋優(yōu)化問題。

4、以節(jié)點移動距離最小為優(yōu)化目標，采樣直線的最大覆蓋為約束條件，根據(jù)直線段與平面感知圓的交點坐標之間關(guān)系，建立數(shù)學模型，在節(jié)點移動距離最小的情況下達到對直線段的最優(yōu)覆蓋。當采樣平面中多條采樣直線段達到最優(yōu)覆蓋時，采樣平面的覆蓋可得到優(yōu)化;三維空間中多個采樣平面的覆蓋得到優(yōu)化，水下三維空間的覆蓋也將得到有效優(yōu)化。仿真結(jié)果證實了算法可以有效的提高網(wǎng)絡的覆蓋率。⑶水面節(jié)點的位置直接影響水下三維覆蓋算法的性能，針對水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡隨機部署時水面節(jié)點分

5、布不均勻問題，提出一種基于極坐標的覆蓋優(yōu)化算法。算法分解為徑向優(yōu)化和圓周方向的優(yōu)化兩部分，對二維水平面的網(wǎng)絡節(jié)點位置進行優(yōu)化提高網(wǎng)絡的覆蓋率。具體策略為，徑向優(yōu)化時節(jié)點僅可以沿原點到節(jié)點的連線移動，計算節(jié)點相對每個鄰居節(jié)點的虛擬半徑大小，虛擬半徑的矢量和為節(jié)點沿半徑實際移動的距離;圓周方向優(yōu)化時，節(jié)點僅可沿極坐標系中節(jié)點所在的圓環(huán)移動，計算節(jié)點相對每個鄰居節(jié)點的虛擬角度的大小，虛擬角度的矢量和為節(jié)點沿圓周方向?qū)嶋H移動的角度。按照節(jié)點ID

6、順序依次迭代優(yōu)化，并通過節(jié)點極坐標位置中半徑值的限制，簡單有效的將節(jié)點控制在部署區(qū)域內(nèi)，盡可能減少節(jié)點間的重疊區(qū)域，優(yōu)化網(wǎng)絡的覆蓋率。⑷針對惡劣環(huán)境中不適合放置過多的信標節(jié)點，或者信標節(jié)點失效時，如何部署信標節(jié)點對水環(huán)境中的傳感器節(jié)點定位的問題，設計一種基于自適應網(wǎng)格的迭代定位算法對未知節(jié)點進行定位。具體策略為，將信標節(jié)點放置在未知節(jié)點分布區(qū)域的邊緣，采用三角形余弦定理先對部分區(qū)域的未知節(jié)點進行定位，在已定位節(jié)點中選取最佳的信標節(jié)點，根

7、據(jù)信標節(jié)點的位置和通信半徑計算下一網(wǎng)格的寬度或者高度，迭代定位直至未知節(jié)點全部被定位。為了提高定位算法的適用性，對算法進行了改進，新的算法結(jié)合了極大似然定位算法和三角余弦定理定位算法，將信標節(jié)點按照一定的規(guī)則放置在節(jié)點部署區(qū)域的邊緣。根據(jù)三角形余弦定理估計可定位區(qū)域內(nèi)的所有未知節(jié)點的位置，已獲得位置信息的節(jié)點標記為信標節(jié)點。計算剩余未知節(jié)點的鄰居節(jié)點中包含信標節(jié)點的數(shù)目，若含有3個及以上的信標節(jié)點，則執(zhí)行極大似然定位算法，迭代定位直到所