收发分置雷达传感器网络中栅栏覆盖问题研究

摘要

网络覆盖是衡量一个传感器网络服务质量的一个重要指标。作为无线传感器网络的一个基本问题，覆盖问题一直是众多学者研究的热点。依据覆盖对象的不同，无线传感器网络中覆盖问题可分为点覆盖、区域覆盖和栅栏覆盖。其中，栅栏覆盖是指部署在区域内的传感器可以监测到所有穿越该区域的动态入侵，它在国土安全和关键区域监控等领域中有着广泛的应用。
　　解决各类覆盖问题的首要问题是先确定传感器节点的覆盖模型。节点覆盖模型是通过空间点与传感器节点部署位置之间的关系来衡量一个传感器节点的感知能力。传感器的覆盖模型主要取决于传感器的类型。当前栅栏覆盖算法研究大多基于由被动传感器构成的无线传感器网络，而这些被动传感器大部分都是基于二进制圆盘覆盖模型或是扇形覆盖模型，即传感器节点的覆盖区域是一个以传感器位置为圆心的圆盘区域或是扇形区域。像收发分置雷达传感器这样的主动传感器在物体探测性能上要优于普通的被动传感器，并且随着雷达技术的不断成熟，其在目标探测上的优势越来越明显。然而由于收发分置雷达的覆盖模型和传统被动传感器覆盖模型完全不同，已有的基于被动传感器的栅栏覆盖算法并不适用于由收发分置雷达构成的网络。
　　针对基于卡西尼曲线覆盖模型的收发分置雷达传感器网络，本文重点研究收发分置雷达传感器网络中的栅栏覆盖问题。主要内容包括：
　　本文首先研究满足圆周栅栏覆盖的节点部署问题。在各种无线传感器网络的应用场景中，圆周栅栏覆盖具有非常广泛的应用。为了实现圆周栅栏覆盖，需要将传感器部署在包围整个关键区域的曲线上，用于监控进出关键区域的所有入侵者。基于收发分置雷达传感器网络，本文研究如何用收发分置雷达传感器创建圆周栅栏覆盖问题。首先研究了传感器节点最佳部署问题：当所有的节点都可以确定地部署在圆周曲线的情况，设计了一种算法用于确定网络中需要的发射器和接收器的数目以及这些节点在圆周曲线上的最优部署位置，使得在满足网络覆盖要求的同时，网络的总部署费用最小。其次研究了如何用移动的收发分置雷达创建圆周栅栏覆盖问题。该问题的解决方案包含两个步骤：第一步提出了两种算法用于确定移动节点在圆周曲线上的目标位置；第二步通过构建二分图的方法来描述移动节点初始位置和目标位置之间的关系，并通过求解二分图最优匹配和最大流的方法来移动传感器节点，使得节点在移动过程中总移动距离最小，或是最大移动距离最小，以节约传感器节点的能源。提出算法的有效性还通过仿真实验结果验证。
　　其次研究了满足带状区域栅栏覆盖的最优节点部署问题。为了提高栅栏覆盖中的入侵检测概率，本文研究如何部署收发分置雷达用于创建栅栏宽度不小于给定阈值的带状栅栏覆盖，并提出了基于等分直线的部署策略来解决这个问题，即将传感器节点部署在平行于被保护区域长边的多条直线上。根据网络覆盖的要求，提出了一种算法确定整个网络中需要的节点部署直线条数、每条部署线上发射器和接收器的数目以及这些节点在每条部署直线上的最优部署策略，使得网络在满足覆盖要求的同时，节点部署总费用最小。仿真结果表明，提出的算法能根据单个发射器和接收器费用的不同确定网络中发射器和接收器的数目，并降低网络的总部署费用。
　　最后研究了满足栅栏覆盖的随机部署网络中的节点调度问题。针对随机部署的传感器网络中存在较多冗余节点的特点，本文设计了两种方案利用随机部署网络中的冗余节点来延长网络覆盖寿命，即节点相交栅栏解决方案和节点不相交栅栏解决方案。其中在节点相交解决方案中考虑了由传感器先关后开过程导致的能源损耗。本文首先构建一个栅栏覆盖图用于描述网络中不同收发分置雷达传感器覆盖区域之间的关系。基于栅栏覆盖图，在节点相交栅栏解决方案中设计了一种算法用于寻找网络中所有的节点相交栅栏，接着用线性规划的方法确定每条栅栏的运行时间，使得网络栅栏覆盖寿命最大。而在节点不相交栅栏解决方案中提出了一种算法从节点相交栅栏集合中找出节点不相交栅栏，使得找出的不相交栅栏总寿命最长。为了满足大型网络的需要，文中还针对大规模网络提出了两种启发式算法：贪婪算法和随机算法，算法的核心思想是一次只找出一条栅栏并将该栅栏激活一定时间，以实现最大化网络栅栏覆盖寿命。仿真结果表明提出的算法能有效地提高栅栏覆盖寿命，并且线性规划方法要优于启发式算法。

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1 绪 论

1.1本课题的研究背景和意义

1.2 主要研究工作

1.3 论文的主要结构

2 无线传感器网络栅栏覆盖问题研究现状

2.1 无线传感器节点覆盖问题

2.2 栅栏覆盖创建算法

2.3 栅栏覆盖节点调度算法

2.4本章小结

3 收发分置雷达传感器网络中的圆周栅栏覆盖

3.1 引言

3.2节点最优部署问题的解决方案

3.3 节点移动问题的解决方案

3.4 实验结果分析

3.5 本章小结

4 收发分置雷达传感器网络中的带状栅栏覆盖

4.1 引言

4.2 一条部署线的栅栏覆盖

4.3 多条部署线创建的栅栏覆盖

4.4 实验结果分析

4.5 本章小结

5收发分置雷达传感器网络中节点调度

5.1引言

5.2 创建栅栏覆盖图

5.3 节点相交栅栏解决方案

5.4 节点不相交栅栏解决方案

5.5 实验结果分析

5.6 本章小结

6全文总结与展望

6.1全文总结

6.2后续工作与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文目录