基于无线传感器网络的能量有效的目标探测、定位与跟踪技术研究

摘要

无线传感器网络是由密集部署在监视区域内大量廉价微型的传感器节点通过无线通信方式自组织构成的多跳的网络系统，其中每个网络节点具备有限的电量、感知能力、计算能力和通信能力。作为一种新兴的信息获取技术，无线传感器网络在军用和民用领域具有广阔的应用前景，其中许多应用可以抽象成目标探测、定位或跟踪等问题。由于传感器节点的电池能量有限且在通常情况下不可充电或更换，高效使用网络节点的电池电量以延长整体网络的生存时间成为传感器网络的首要考虑。 本论文研究能量有效的目标探测、定位与跟踪技术。首先研究了基于合理设定探测参数的能量有效的目标探测技术，然后研究了基于降低计算量、通信量以及参与节点数目的能量有效的目标定位技术，最后研究了基于动态簇的目标跟踪技术和基于跟踪链的目标查询技术。主要工作归纳如下： 1.能量有效的目标探测技术研究无线传感器网络优化探测能耗的主要方式是调度网络节点的工作状态或者探测参数。本论文研究了如何合理设定网络节点的探测参数－探测间隔和探测距离，使得传感器网络在满足一定目标探测质量的基础上，消耗最少的能量。 在设定探测间隔时，选用目标最小路径暴露作为网络探测质量的衡量指标，将能量有效的探测间隔的设定问题转化成带约束条件的优化问题－最小化网络能量消耗，同时满足目标最小路径暴露的要求。然后，给出了优化模型的求解方法，其中着重研究了目标最小路径暴露的改进的求解方法。最后，仿真分析了影响探测间隔设定的各种因素。 在设定探测距离时，选用目标区域覆盖重数作为网络探测质量的衡量指标，将能量有效的探测距离的设定问题转化成带约束条件的优化问题－最小化网络能量消耗，同时满足目标区域覆盖重数的要求。然后，给出了优化模型的最优和次优求解方法，其中着重研究了目标区域覆盖重数的改进的求解方法。最后，仿真验证了本文方法的能量有效性。 2.能量有效的目标定位技术研究无线传感器网络定位目标时的能量消耗分为数据采集、数据传输和数据处理等几个方面。本论文针对三种传统的目标定位算法，在不影响定位精度的前提下，研究了降低目标估计的计算量、网络节点的通信量以及参与目标定位的节点数目的方法。 传统基于目标能量测量的定位算法是根据目标所在的球面或平面，利用最小二乘方法确定目标的位置。本论文根据测量噪声为目标球面或平面附上合理的权值，推出了目标位置估计的加权最小二乘求解算法。该算法可以根据权值选择少部分重要的目标球面或平面参与目标位置估计，从而在不影响定位精度的前提下，有效降低了目标定位的计算量。 针对传统基于目标角度测量的定位算法，提出了节点坐标存在误差情况下的节点选择方案。该方案根据目标预测位置预测目标定位误差，并以此作为优化指标选择参与目标定位的节点组合，在不影响定位精度的前提下，减少了参与定位的节点数目。作为延伸工作，提出了基于目标定位的节点坐标校正算法。 质心定位算法的本质是均值计算问题。本论文针对质心定位算法，提出了基于脉冲耦合振荡器模型的分布式均值计算的实现方案。该方案中，传感器节点按照脉冲耦合振荡器模型运行，节点坐标数据调制在振荡器的脉冲信号发射时间上，邻居节点通过脉冲耦合实现数据交换和本地运算。由于节点传输数据寄托于可由1比特0-1码表示的脉冲信号，该方案的通信量大大低于传统基于数据包通信的实现方案。 3.能量有效的目标跟踪技术研究无线传感器网络应用于目标跟踪时，重点在于如何组建合理的目标跟踪结构，完成目标跟踪的同时，尽量降低能量消耗以延长网络的生存时间。从该角度出发，本论文研究了基于动态簇的目标跟踪结构和基于跟踪链的目标查询结构。 首先，研究了基于动态簇的目标跟踪方法。在动态簇组建方面，提出了综合考虑节点感应信息和节点电量的簇头竞选方案；在目标状态估计方面，提出了基于最近点事件的新型估计算法。结合这两个关键环节，给出了基于动态簇的目标跟踪过程。仿真结果表明该跟踪方法具有失效概率低、网络寿命长和跟踪精度高等优点。 然后，研究了基于跟踪链的目标查询方法。首次提出了目标跟踪链的概念；给出了目标跟踪链的构建方法和基于跟踪链的目标查询过程；理论分析了基于跟踪链的目标查询的能量消耗。仿真结果表明该查询方法在目标查询频率较低或目标运动频率较高时表现出能量有效。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略语、图表目录

声明

1.绪论

1.1无线传感器网络概述

1.1.1无线传感器网络的发展

1.1.2无线传感器网络的结构

1.1.3无线传感器网络的应用

1.1.4无线传感器网络的特点

1.2目标感知技术

1.2.1目标探测

1.2.2目标定位

1.2.3目标跟踪

1.3本论文的组织结构

2.能量有效的目标探测技术

2.1背景知识

2.1.1探测模型分类

2.1.2探测质量评价

2.1.3探测能量消耗

2.2探测间隔设定

2.2.1最小路径暴露的定义

2.2.2最小路径暴露的计算

2.2.3基于最小路径暴露的探测间隔设定

2.2.4仿真分析

2.3探测距离设定

2.3.1区域覆盖重数的定义

2.3.2区域覆盖重数的计算

2.3.3基于区域覆盖重数的探测距离设定

2.3.4仿真分析

2.4本章小结

3.能量有效的目标定位技术

3.1背景知识

3.1.1定位算法分类

3.1.2定位能量消耗

3.2基于能量测量的目标定位

3.2.1目标定位模型

3.2.2最小二乘定位算法

3.2.3加权最小二乘定位算法

3.2.4仿真分析

3.3基于角度测量的目标定位

3.3.1目标定位算法

3.3.2节点坐标有误差的节点选择方案

3.3.3基于目标定位的节点坐标校正算法

3.3.4仿真分析

3.4质心定位

3.4.1分布式均值计算

3.4.2脉冲耦合振荡器模型

3.4.3基于脉冲耦合振荡器模型的分布式均值计算

3.4.4通信消耗分析

3.4.5仿真分析

3.5本章小结

4.能量有效的目标跟踪技术

4.1背景知识

4.1.1动态簇

4.1.2目标查询

4.2基于动态簇的目标跟踪

4.2.1目标跟踪结构

4.2.2动态簇的组建

4.2.3基于CPA事件的目标状态估计

4.2.4基于动态簇的目标跟踪过程

4.2.5能量消耗分析

4.2.6仿真分析

4.3基于跟踪链的目标查询

4.3.1跟踪链的定义

4.3.2跟踪链的构建

4.3.3基于跟踪链的目标查询过程

4.3.4性能分析

4.4 本章小结

5.结束语

致谢

参考文献

攻读博士学位期间撰写的论文